LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunt Energitekniikn koulutusohjelm KANDIDAATINTYÖ: TEOLLISUUSKIINTEISTÖN ILMANVAIHTOKONEEN LTO- LAITTEISTON HYÖTYSUHTEEN PARANTAMINEN Lppeenrnnss 1.2.2010 Ilkk Ksri, 0294255
TIIVISTELMÄ Lppeenrnnn teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunt Energitekniikn koulutusohjelm Ilkk Ksri Teollisuusrkennuksen ilmnvihtokoneen LTO-litteiston hyötysuhteen prntminen Improving the efficiency of het recovery unit of n industril ventiltion system Kndidtintyö 2010 51 sivu, 6 tulukko, 15 kuv, 3 liitettä Trkstj: Professori, TkT, Risto Soukk Ohjj: Tutkijopettj, TkT, Mik Luornen Hkusnt: lämmöntlteenotto, vuosihyötysuhde, tkisinmksu, ilmnvihto, teollisuuskiinteistö Keywords: het recovery, yer efficiency, reimbursement, ventiltion, industril building Tässä kndidtintyössä trkstelln teollisuuskiinteistön ilmnvihtolitteen lämmöntlteenoton hyötysuhteen prntmist. Työn luss esitellään erilisi rtkisuj poistoilmn lämmöntlteenottmiseksi, lämpötilhyötysuhteen lskent j vuosihyötysuhteen lskent yleisellä j lämmöntrvelukuihin perustuvll tvll. Lisäksi käsitellään investointilskelmien tekeminen. Työn lopuss esitellään teollisuuskohde j esitetään ehdotus sen ilmnvihtolitteiston LTO-järjestelmän hyötysuhteen prntmiseksi. Tämän työn perusteell päädyttiin rtkisuun, joss kikkein tloudellisin keino prnt LTO-litteiston hyötysuhdett on kunnost vnh litteisto vstmn moderni smn tyyppistä LTOlitteisto.
SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO... 3 1 JOHDANTO... 6 2 ILMANVAIHTOKONEIDEN LTO-LAITTEISTOT... 7 2.1 Suor rekupertiivinen LTO-litteisto... 7 2.2 Epäsuor rekupertiivinen LTO-litteisto... 10 2.2.1 Nestekiertoinen järjestelmä... 10 2.2.2 Lämpöputkiptteri... 12 2.2.3 Lämpöpumppu... 13 2.2 Regenertiivinen LTO-järjestelmä... 14 2.2.1 Pyörivä regenertiivinen LTO-järjestelmä... 14 2.2.2 Virtust vihtvt LTO-järjestelmät... 15 3 LTO-LAITTEISTON HYÖTYSUHDE JA ENERGIAN KULUTUS... 17 3.1 Hetkellinen hyötysuhde... 18 3.1.1 Lämpöpumpun hyötysuhde... 23 3.1.2 Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhde... 23 3.2 Vuosihyötysuhde... 26 3.2.1 Ilmnvihtolitteen vuosihyötysuhde... 26 3.2.2 LTO:n vuosihyötysuhteen lskent lämmöntrveluvuill... 27 3.3 Investointilskelmt j knnttvuuden rvionti... 29 3.3.1 Investointi- j tkisinmksulskelmt... 30 3.3.2 Knnttvuuden rviointi... 32 4 TEOLLISUUSRAKENNUKSEN ILMANVAIHTOKONE... 34 4.1 Kndidtintyön kohde... 34 4.2 Teollisuuskohteen erovisuus verrttun suinrkennukseen... 37
5 LTO-LAITTEISTON TEHOSTAMINEN TARKASTELUKOHTEESSA... 38 5.1 Nykytilnne... 39 5.1.1 Lämpötilhyötysuhde... 40 5.1.2 Vuosihyötysuhde... 40 5.1.3 Energinkulutus... 41 5.1.4 Tulosten rviointi... 41 5.2 Tehostmistoimet... 42 5.3 Investointilskelmt... 43 5.3.1 Tämän hetkinen sähköenerginkustnnus... 43 5.3.2 Energikustnnusten muutos... 43 5.4 Tulokset j nlyysi... 46 6 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 48 LÄHTEET... 50 LIITTEET Liite 1. Poistoilmlämpöpumpun vuosihyötysuhteen j sähköenerginkustnnusten lskent Liite 2. Mlämpöpumpun vuosihyötysuhteen j sähköenerginkustnnusten lskent Liite 3. Tkisinmksutulukot
3 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO A pint-l [m 2 ] lämpökpsiteettivirt [W/K],[J/sK] c p ominislämpökpsiteetti [J/kgK] COP lämpöpumpun lämpökerroin [-] E energinkulutus [kwh/] h entlpi [J/kg] i lskentkorko [%] I investointi [ /] k kustnnus, hint [ /],[ /kwh] K kssvirt [ /] n trksteluik [] NA nykyrvo [ /] NKV kumultiivinen nettokssvirt [ /] P teho [W] q tilvuusvirt, lämpöteho [m 3 /s],[w] q m mssvirt [kg/s] q v tilvuusvirt [m 3 /s] Q energi [J],[Wh] R poistoilmvirrn j lämmön tlteenotto vtimusten [-] piiriin kuuluvien ilmvirtojen suhde S lämmöntrveluku [Kd] t lämpötil [ C] [K] V diskonttustekijä [-] x kosteus [g/kg k.i ] Kreikkliset jnjkso vuodest, jolloin lämpötilero (t s - t u ) [d] esiintyy hyötysuhde [-]
4 tiheys [kg/m 3 ] lämpöpumpun lämpökerroin [-] lämpöteho [W] Alindeksit 1-4 LTO-rtkisut: 1 vnhn prntminen 2 nestekiertoinen järjestelmä 3 poistoilmlämpöpumppu 4 mlämpöpumppu vuosi,h vuosittiset käyttötunnit,uusi uuden litteiston,vnh vnhn litteiston ennen ennen investointi h huoltokustnnukset hs sähkön hint hp poistoilmn entlpi hu ulkoilmn entlpi iv poistoilmvirtojen mukn rkennuksest poistuv lämpöenergi j jäteilm J,i jäteilmn j sisäilmn lämpötiln välinen jäte jäteilmvirt jälkeen investoinnin jälkeen k keskirvo k,i kuiv ilm kok kokonisl lämpö L luhdutin LTO tlteenotettu lämpöenergi mks mksimi
5 mlp mlämpöpumppu n LTO-neste p poistoilm, puhllin p1 poistoilmn til ennen LTO-järjestelmää p2 poistoilmn til LTO-järjestelmän jälkeen P,i LTO-vtimuksen piiriin kuuluv pilp poistoilmlämpöpumppu poisto1 poistoilmvirt ennen puhllint poisto2 poistoilmvirt puhltimen jälkeen, ennen LTO-järjestelmää s sisäilm, sähkö S sisäilmn j ulkoilmn lämpötiln välinen, sähkö T,i tuloilmn j ulkoilmn lämpötiln välinen tlto tuloilmn lämpötil tp poistoilmn lämpötil tu tuloilmn lämpötil tulo1 tuloilmn lämpötil sähköptterin jälkeen tulo2 tuloilmn lämpötil LTO:n jälkeen, ennen sähköptteri u ulkoilmvirt / tuloilmvirt u1 tuloilmn til ennen LTO: u2 tuloilmn til LTO:n jälkeen ulko ulkoilmvirt xu ulkoilmn kosteus xp poistoilmn kosteus Lyhenteet COP MLP LTO PILP SULPU coefficient of performnce mlämpöpumppu lämmöntlteenotto poistoilmlämpöpumppu Suomen lämpöpumppuyhdistys
6 1 JOHDANTO Ilmnvihdoll on erittäin tärkeä rooli ihmisten viihtyvyydessä j tuottvuudess. Ilmnvihdon trkoituksen on luod ihmisille mukv ympäristö ilmn hju-, melu- j vetohittoj. Svuttkseen nämä vtimukset on ilmnvihdon oltv trpeeksi tehoks j hyvin suunniteltu vstmn ihmisten trpeit. Suurien ilmmäärien siirtely iheutt kuitenkin sen, että os rkennukseen tuodust lämmöstä sitoutuu ilmn j poistuu rkennuksest ilmnvihdon mukn. Ilmnvihdon iheuttmt lämpöhäviöt voivn oll jop 55 % koko rkennuksen lämpöhäviöistä (Seppänen & Seppänen 2007, s 60). Rkennusten energitehokkuuden prntmiseksi on ilmnvihdon yhteyteen kehitetty erilisi LTOrtkisuj, joill voidn ilmnvihdon lämmönkulutus pienentää lle puoleen (Seppänen & Seppänen 2007, s 260). LTO:n trkoituksen on sd ilmvirtn sitoutunut lämpö johdettu tkisin rkennukseen mhdollisimmn tehokksti. On kuitenkin luonnollist, että kikke poistoilmn sitoutunutt lämpöä ei kustnnustehokksti sd siirrettyä tuloilmn. Trkoituksenmukist on siis luod jonkinnäköinen tspino energitehokkuuden j investointikustnnusten välille. Itse LTO-rtkisut erovt toisistn pitsi kustnnusten myös toimintperitteen oslt. Lämmönvihtimet ilmnvihtosovelluksiss voidn jk rekupertiivisiin lämmönvihtimiin, regenertiivisiin lämmönvihtimiin j märkään lämmönsiirtoon (Seppänen 2008, 285). Rekupertiivisiss lämmönvihtimiss eivät tulo- j poistoilmvirrt sekoitu keskenään. Regenertiivisiss lämmönvihtimiss lämpöä vrstoidn kiinteään mssn j ilmvirrt sekoittuvt jossin määrin keskenään. Mikäli ilmvirt on suorn johdettu lämpöä siirtävään veteen, on kyseessä märkälämmönsiirrin. Tässä kndidtintyössä keskitytään regenertiivisiin j rekupertiivisiin lämmönvihdinrtkisuihin. Lämmöntlteenotto on tärkeä tekijä Suomen rkennusten energitehokkuudess. Vuonn 2007 rkennusten lämmitys kulutti 21 % Suomen kokonisenergist (Tilstokeskus 2009, s 41). Tähän lukuun ei edes sisälly teollisuusrkennusten j mtlouden rkennusten lämmitys. Voidn sno että rkennusten lämmityksen ympäristövikutukset, erityisesti hiilidioksidipäästöt, ovt erittäin suuret. On siis erityisen tärkeää tulevisuuden
7 energitehokkuuden prntmiseksi huomioid myös LTO:n vikutus rkennusten kokonisenergin kulutuksen pienentämisessä. Tässä kndidtintyössä käsitellään teollisuuskohteen ilmnvihtolitteen LTO-järjestelmää j sen prntmist. Ensin työssä esitellään eri LTO-rtkisuj sekä niiden tunnuslukujen lskent. Neljännessä j viidennessä luvuss pneudutn vrsiniseen kndidtintyön tutkimuskohteeseen, olemss olevn teollisuuskiinteistöön, jonk LTO-litteisto pitäisi päivittää vstmn nykyjn energitehokkuus vtimuksi. Tälle kndidtintyölle setetut tvoitteet ovt: - luod tulukkolskentmlli, jonk vull kiinteistön LTO-litteiston tehokkuuden prntmist voidn lske - hke esitettyjen LTO-rtkisuiden pohjlt toimiv j järkevä tehostmistoimenpide tutkimuksen kohteen olevn teollisuuslitoksen ilmnvihdon prntmiselle 2 ILMANVAIHTOKONEIDEN LTO-LAITTEISTOT Ilmnvihtokoneen LTO-litteiston trkoituksen on prnt ilmnvihtokoneen energitloudellisuutt. Tähän trkoitukseen on kehitetty erilisi rtkisuj, jotk voidn pääpiirteittäin jk khteen eri tyyppiin: rekupertiivinen lämmöntlteenotto j regenertiivinen lämmöntlteenotto. Rekupertiivinen lämmöntlteenotto voidn vielä jk khteen osn toimintperitteen mukn: suor rekupertiivinen LTO-litteisto j epäsuor rekupertiivinen LTO-litteisto. 2.1 Suor rekupertiivinen LTO-litteisto Tässä luvuss on esitelty rekupertiivisi LTO-rtkisuj. Rekupertiivisess lämmöntlteenotoss tulo- j poistoilmvirt eivät sekoitu keskenään vn lämpö siirtyy väliineen välityksellä ti suorn jonkin mterilin läpi johtumll. Näin ollen rekupertiiviset LTO-litteet jetn suoriin j epäsuoriin rekupertiivisiin lämmönvihtimiin. (Seppänen 2008, s 285)
8 Suor rekupertiivinen lämmöntlteenotto on luultvsti kikkein tvllisin rtkisu ilmnvihtokoneiss. Erityisesti pientloihin trkoitetuiss ilmnvihtokoneiss käytetään tyypillisesti tätä rtkisu. Suorss rekupertiivisess LTO-litteistoiss tulo- j poistoilmvirt eivät sekoitu keskenään vn lämpö siirtyy konvektion vull poistoilmst tuloilmn. Tämän nsiost lämmönvihdint voidn hyödyntää rkennuksen kikkien ilmvirtojen käsittelyyn, kosk poistoilmn epäpuhtudet j kosteus eivät pääse tuloilmn. Kikkein tehokkimmilln lämmönsiirrin on, kun virtukset sdn kulkemn vstvirtn kuten kuvn 1 litteess. Tämä ei kuitenkn in ole mhdollist, joten usein lämmönvihtimet ovt ristivirtustyyppiä, kuten kuvn 2 litteess j tämän työn tutkittvss ilmnvihtokoneess. Lisäksi myötävirtuslämmönsiirtimiä voidn käyttää joissin tpuksiss. Tehokkuuden määrittää lämmönsiirtimien keskimääräinen lämpötilero j lämmönsiirtopint-l, joiden tulisi oll mhdollisimmn suuret (Seppänen 2008, s 286). Lämmönsiirtimen konvektiolämmönsiirtokerroint sdn ksvtettu lisäämällä lämmönvihtimeen ripoj, jolloin lämmönsiirtimen fyysiset mitt pienenevät j lämmönsiirtotehokkuus ksv (Incroper et l. 2007, s 671). Lämmönsiirtimen pint-l j mterili vikuttvt lämmönsiirtimen tuotntokustnnukseen, tästä syystä suunnitteluun j mterilivlintn on kiinnitettävä erityistä huomiot. Mterilin pitää oll korroosiot kestävää j huonosti likntuv, jott käyttöikä sdn mhdollisimmn korkeksi. Itse mterili ei ole lämmönsiirron tehokkuuden knnlt kovinkn merkittävä, kosk virtuksen j lämmönsiirtopinnn välinen konvektiolämmönvstus on suurempi kuin mterilin lämmönvstus (Seppänen 2008, s 287). Seppäsen mukn mterilin suurest lämmönvstuksest voi joissin tpuksiss oll hyötyä, kosk pint pitkin johtuv lämpövirt pienenee j kokonislämmönsiirto prnee. Poistoilmvirrn sisältämä kosteus tiivistyy usein lämpöpinnoille, j tästä syystä lämmönvihtimen viemäröinti on otettv huomioon. Tiivistyneen veden pois johtmisen knnlt olisi hyvä, jos lämpöpint olisi sijoitettu vihtimeen kltevsti (kuten kuvn 1 lämmönvihtimess) ti pystysentoon j poistoilmvirt virtisi ylhäältä lspäin. Veden tiivistyminen iheutt lisäksi jäätymisvrn tlviikn. Jäätyminen voi iheutt lämmönvihtimen tukkeutumisen. Tämän välttämiseksi lämmönvihtimet on vrustettu
9 sultustoiminnoill, jok puolestn huonont lämmönvihtimen kokonishyötysuhdett. Veden tiivistymisestä ei kuitenkn ole inostn hitt, sillä kosteuden tiivistyessä vputuu lämpöä. Kostet lämmönsiirtopinnt nostvt lämmönsiirtimen teho. Suorien rekupertiivisten lämmönvihtimien lämpötilhyötysuhde settuu välille 50 70 % j se muuttuu ilmvirrn suuruuden mukn. (Seppänen 2008, s 287) Kuv 1 SunAIR Premiumm 540 EC ilmnvihtokone vrustettun vstvirtperitteell toimivll lämmön tlteenotoll. Vlmistj lup lämpötilhyötysuhteeksi ~80% kun q v = 0,1 m 3 /s (Air Wise Oy, 2010).
10 Kuv 2 Ristivirtusperitteell toimiv suor rekupertiivinen levylämmönsiirrin Flätk Woods EQRC (Fläkt Woods Oy, 2010). 2.2 Epäsuor rekupertiivinen LTO-litteisto Epäsuorss rekupertiivisess LTO-litteistoss poistoilmn lämpö otetn ensin tlteen väliineeseen, jost se siirretään tuloilmn. LTO-rtkisust riippuu käytetäänkö väliineen vesi-etyleeniglykoliseost vi kylmäinett. Näille järjestelmille on tunnuksenomist se, että tulo- j poistoilm knvn ei välttämättä trvitse oll toistens välittömässä läheisyydessä. Seurvss on esitetty epäsuort rekupertiiviset järjestelmät. 2.2.1 Nestekiertoinen järjestelmä Nestekiertoisess järjestelmässä poistoilmn lämpö siirretään yleensä vesietyleeniglykoliseokseen, jonk vhvuus on noin 30 40 %. Lämmönsiirrintyyppinä käytetään yleensä lmellilämmönsiirrintä. Lämmönsiirtimien fyysisistä mitoist riippuen lämpötilhyötysuhteeksi sdn noin 45 60 %. Lämpötilhyötysuhteen huippu svutetn silloin, kun tuloilmn, poistoilmn j lämmönsiirtonesteen lämpökpsiteettivirrt ovt yhtä suuri. Nestekiertoisen LTO-litteiston perite selviää kuvst 3. (Seppänen 2008, s 287)
11 Nestekiertoisess LTO-järjestelmässä väliineen toimiv neste vr lämpöä poistoilmknvss olevss lämmönsiirtimessä j siirtää sen tuloilmn tuloilmlämmönsiirtimessä. Neste kiertää pkotetusti pumpun vull, jok myös säätää nesteenkiertonopeutt, mikäli pumppu on vrustettu tjuusmuuttjll. Nesteenkierto säädetään myös kolmitie-mgneettiventtiilillä, jok myös ylläpitää kierto, jott lämmönvihtimet eivät pääse jäätymään. Järjestelmän utomtiikk säätää nesteen virtusnopeutt niin, että lämmönsiirtojärjestelmä pystyy vstmn ilmnvihdon lämmöntrpeeseen. Nestekiertoisen LTO-rtkisun yhtenä prhist puolist on se, ettei tulo- j poistoilmknvi trvitse välttämättä joht smn pikkn. Tällöin esimerkiksi korjusrkentmisess päästään hyvin pienillä muutoksill vrsinisiin knviin. Jäätymisen estämiseksi nestekiertoisen lämmönvihtimen lämpötilhyötysuhdett voidn muutt nestekierron vull. Kuv 3 Nestekiertoisen epäsuor lämmön tlteenottortkisu, mukiltu lähteestä: (Seppänen 2008, s 287).
12 2.2.2 Lämpöputkiptteri Lämpöputkiptteri (kuv 4) on eräänlinen kevyt lämpöpumppu, joss ei ole kompressori pkottmss kylmäineen höyrystymiseen j luhtumiseen. Lämpöputkiptteriss lämmönsiirto väliineen toimii kylmäine, jok vuorotellen luhtuu tuloilmknvss j höyrystyy poistoilmknvss. Poistoilmknvss höyrystyvä kylmäine sitoo itseensä lämpöä j höyry kulkeutuu ripputken sisäos myöden tuloilmpuolelle, joss se luhtuu nesteeksi. Luhtuessn neste luovutt lämpöä tuloilmn. Nesteeksi luhtunut kylmäine kulkeutuu kpilrisen voimn vull tkisin poistoilmpuolelle, joss se ts höyrystyy. Lämpöputkiptterien tyypillinen lämpötilhyötysuhde on luokk 50 80 %. Hyötysuhdett voidn muutt ptteri kllistmll, jolloin nesteen kiertonopeutt tkisin höyrystymisosn voidn nopeutt. (Seppänen 2008, s 288) Jäätymisen kontrolloimiseksi trvitn lämpöputkiptterin tuloilmpuolen yhteyteen sähköptteri. Sähköptterin sentminen huonont lämpöputkiptterin kokonishyötysuhdett. Ilmnvihtosovellusten ohell sm lämpöputkiptteri toimint-peritett käytetään esimerkiksi urinkokeräimien yhteydessä. Kuv 4 Lämmöntlteeoton lämpöputkiptteri, sen toimintperite j esimerkki putken poikkileikkuksest (Seppänen 2008, s 288).
13 2.2.3 Lämpöpumppu Lämpöpumpun vull poistoilmst voidn hyvällä hyötysuhteell ott tlteen suuri lämpömääriä. Smll lämpöpumppu mhdollist tuloilmn jäähdytyksen kesäikn. Lämpöpumput ovtkin monell vlmistjll uusiss ilmnvihtokoneiss osn tehokst lämmöntlteenotto j tuloilmn jäähdytystä. Lisäksi lämpöpumpun vull poistoilmn energi voidn käyttää esimerkiksi käyttöveden lämmittämiseen, toisin kuin edellä esitellyssä vesi-etyleeniglygoli kiertoisess LTO-järjestelmässä, joss nesteen lämpötil ei ole riittävän korke. Kuten vesi-etyleeniglygoli kiertoisess LTO-järjestelmässä, ei lämpöpumppu LTO-järjestelmänkään tpuksess tulo- j poistoilmknvien trvitse oll toistens välittömässä läheisyydessä. Lisäksi kompressoriyksikön sijoituspikk voidn vlit vpsti. Lämpöpumppu LTO-järjestelmä toimii kuten muutkin lämpöpumput eli kompressorin vull kylmäinett vuoroin höyrystetään j luhdutetn, jott lämpö sdn siirtymään khden fluidin välillä. Ilmnvihdon olless kyseessä sijoitetn höyrystinos poistoilmknvn j luhdutinos tuloilmknvn. Kiertoineen toimiv kylmäine höyrystetään höyrystinosss, joss se höyrystyessään sitoo lämpöä itseensä poistoilmst. Lämpöpumpuss kompressorin tehtävä on nost höyrystyneen kylmäineen pinett, jolloin sen lämpötil nousee sopivlle tsolle tuloilmn nähden. Höyrystynyt j pineistettu kylmäine, jonk lämpötil on puristuksen johdost noussut, kulkeutuu kompressorin jälkeen luhdutinosn, joss se lämpötiln lskun johdost luhtuu tkisin nesteeksi luovutten lämpöä tuloilmn. Neljäs oleellinen komponentti lämpöpumpuiss on pisuntventtiili, jok kontrolloi koko lämpöpumpun toimint. Pisuntventtiili on luhduttimen j höyrystimen välillä j pitää huolen siitä että höyrystimessä on lempi pine kuin luhdutinosss. Kuvss 5 on peritekuv lämpöpumpust tietyillä lämpötiln rvoill.
14 Kuv 5 Lämpöpumpun toimintperite (Seppänen 2008, s 290). 2.2 Regenertiivinen LTO-järjestelmä Tässä luvuss esitellään regenertiivisell peritteell toimivi LTO-rtkisuj. Regenertiivisess järjestelmässä lämpöä vrstoidn poistoilmst kiinteään väliineeseen, jost lämpö luovutetn tuloilmn. Regenertiivisten lämmönsiirrinten ongelmn rekupertiivisiin verrttun on se, että tulo- j poistoilmvirt sekoittuvt jonkin verrn keskenään. Tämän vuoksi Suomen rkentmismääräyskokoelmn osn D2 mukisten poistoilmluokkien 2, 3 j 4 mukisesti luokiteltu ilm ei voi joht regenertiivisen lämmönvihtimen läpi (Ympäristöministeriö 2008, s 12). Lisäksi, jos poistoilmss, jok on luokk 1, on yli 10 % kokonisilmvirrst luokkn 2 kuuluv ilm, luokitelln yhteinen ilmvirt luokkn 2, jolloin se ei enää sovellu käytettäväksi regenertiivisten lämmönvihtimien yhteydessä (Ympäristöministeriö 2008, s 15). 2.2.1 Pyörivä regenertiivinen LTO-järjestelmä Teollisuuden ilmnvihtosovellutuksiss yleisin regenertiivinen lämmönsiirrintyyppi on pyörivä lämmönsiirriin, joss on kuvn 6 kltinen pyörivä kiekko. Kiekko vr lämpöä itseensä poistoilmst j pyörähdettyään tuloilm puolelle se luovutt lämmön tuloilmn. Smll peritteell toimivt esimerkiksi voimlitoksiss käytettävät pyörivät ploilmn esilämmittimet. Lämmöntlteenoton ohell pyörivää lämmönsiirrintä voidn käyttää kosteuden tlteenottoon.
15 Kuv 6 Pyörivä regenertiivinen lämmönsiirrin (Seppänen 2008, s 288). Pyörivä lämmönsiirrin on jtkuvss pyörivässä liikkeessä, joten lämmön- j kosteudensiirron tehokkuutt voidn prnt pyörimisnopeutt lisäämällä. Mikäli kosteutt ei jostin syystä hlut ott tlteen poistoilmst, voidn kiekon mterili vlit kosteutt bsorboimttomksi, jolloin lämmönsiirrin siirtää kosteutt tuloilmn vin niissä tpuksiss, joiss poistoilmn kosteus luhtuu pisroiksi lämmönsiirtimen pinnlle. Kosteutt bsorboiv kiekko siirtää kosteutt myös silloin, kun poistoilmn kosteus ei tiivisty kiekon pinnlle. Seppänen (Seppänen 2008, s 289) esittää teoksessn Ilmstointitekniikk j sisäilmsto kksi smn lämpötilhyötysuhteen, mutt eri kosteuden bsorbointikyvyn, omv regenertiivist LTO-prosessi Mollier -piirroksess. Lisäksi teoksess on esitetty kesä- j tlvitilnteet erikseen. Seppänen tote, että erityisesti kesätilnteess kosteuden bsorbointi nost entlpihyötysuhdett tuntuvsti. Kosteutt bsorboivll mterilill tuloilmn lämpötil on sm kuin bsorboimttomll, mutt suhteellinen kosteus ksv yli kymmenen prosenttiyksikköä j bsoluuttinen kosteus 1,5 g/kg k,i. 2.2.2 Virtust vihtvt LTO-järjestelmät Virtust vihtvss LTO-järjestelmässä on peritteen se, että poistoilmn sitoutunut lämpö vrstoidn lämmönsiirtimeen, jost lämpö virtussuunt vihtmll siirretään tuloilmn. Lämpöä vrstoivn ineen toimii kiinteä mss. Kuviss 7 j 8 on esitetty virtust vihtvt järjestelmät, jotk ovt jtkuvtoimisi. Niissä poistoilm lämmittää smn ikn toist mss, kun toinen mss luovutt lämpöä tuloilmn. Msst voivt oll sijoitettun smn pkettiin, kuten kuvss 7 ti vihtoehtoisesti msst voivt oll kokonn eri yksiköissä, jolloin litteistoj trvitn kksi huoneisto kohti (kuv 8). Tämän tyyppisissä rtkisuiss pitää puhltimen oll kykenevä toimimn kksisuuntisesti. Lisäksi
16 mikäli puhllin yksiköt on sijoitettu eri puolille huoneisto, on otettv huomioon ilmn virtussuunnn muutos huoneest toiseen. Tämä sett rjoitteit yksiköiden sijoittelulle, kosk esimerkiksi keittiön likist ilm ei s joht oleskeluhuoneisiin ti mkuuhuoneisiin. (Seppänen 2008, s 290) Virtust vihtvien vrvien LTO-litteistoiden lämpötilhyötysuhde on korke, jop 80 %. Hyötysuhdett voidn muutt jkson pituutt vihtmll. Sen vikutus on sm kuin pyörivän lämmönsiirtimen pyörimisnopeuden muuttmisell (lyhyempi jksonik vst nopemp pyörimisnopeutt). Toisin snoen, mitä lyhyempi jksonik on, sitä suurempi on hyötysuhde. (Seppänen 2008, s 290) Kuv 7 Kiinteällä lämpöävrstoivll mssll vrustettu lämmönsiirrin j tyypilliset tlviolosuhteiden lämpötilt (Seppänen 2008, s 289).
17 Kuv 8 Khteen erilliseen yksikköön sijoitettv vrv suntoilmnvihdon LTO-järjestelmä (Seppänen 2008, s 290). 3 LTO-LAITTEISTON HYÖTYSUHDE JA ENERGIAN KULUTUS Tässä luvuss esitellään LTO-litteistoiden hyötysuhteen lskennn perusyhtälöt, lämmönsäästön lskent j investointi- j tkisinmksulskelmt hnkittess LTOjärjestelmää. Tämä luku toimii pohjn luvulle viisi, joss on esitelty teollisuuskohteen LTOjärjestelmän lskent. Liitteissä 1 j 2 trkstelln poistoilmlämpöpumppu- j mlämpöpumpputoimisien LTO-järjestelmien hyötysuhteen lskent. LTO-litteiston hyötysuhde on tärkeä tekijä rvioitess rkennuksen energitehokkuutt j LTO onkin tärkein yksittäisistä energinsäästökeinoist. LTO-litteiston vull ilmnvihdon energinkulutus voidn tiputt lle puoleen. LTO- litteistot ovt yleistyneet rkennuksiss vuoden 1987 jälkeen, kosk silloin stuivt voimn rkennusmääräykset, joiss vditn rkentmn LTO-litteisto kikkiin kohteisiin, joiss yhteen lskettu ilmvirt on vähintään 1 m 3 /s. Nykyään LTO-järjestelmä on ilmnvihtokoneiden yhteydessä miltei jok tpuksess. (Seppänen 2008, s 260) Suomen rkentmismääräyskokoelmn os D2 edellyttää, että rkennuksen ilmnvihdon poistoilmst on otettv lämpöä tlteen lämpömäärä, jok vst vähintään 45 %
18 ilmnvihdon lämmityksen trvitsemst lämpömäärästä (Ympäristöministeriö 2008, s 23). LTO-litteiston vuosihyötysuhde voidn määrittää kertomll tuloilmn lmpötilhyötysuhde kertoimell 0,6, mikäli vlmistjn ilmoittm vuorihyötysuhdett ei ole käytettävissä (Ympäristöministeriö 2008, s 24). Jos vlmistjn tiedot vuosihyötysuhteest ovt käytettävissä, voidn niitä käyttää suorn. Ympäristöministeriö on määrittänyt ohjeet vlmistjille hyötysuhteen määrittämiseksi (Ympäristöministeriö 2003). Suomen rkentmismääräyskokoelmn osss D5 liitteessä 1 on esitetty lskennss käytettävät ulkolämpötiljkumt eli pysyvyyskäyrät (Ympäristöministeriö 2007). Suomen rkentmismääräyskokoelmss (Ympäristöministeriö 2008, s 24) on lisäksi määritetty, että rkennuksen ilmnvihdon lämmityksen trvitsem lämpömäärää voidn vähentää muullkin tvll kuin poistoilmn lämmöntlteenotto käyttämällä, esimerkiksi käyttämällä ulkoilmn lämmityksessä rtkisu, jok vähentää rkennuksen energinkulutust. Hyvä esimerkki tällisest on nestekiertoinen mlämmityspiiri j sen lämmönvihdin tuloilmknvss. 3.1 Hetkellinen hyötysuhde LTO-litteiston hyötysuhteen trksteluun on kehitetty kolme mittri: ulkoilmn lämpötil-, ulkoilmn kosteus- j ulkoilmn entlpihyötysuhde. Näiden rvojen vull voidn rvioid LTO-litteiston hyötysuhdett, mikäli tulo- j poistoilmvirrt ovt yhtä suuret. Yleensä hyötysuhde määritellään tuloilmss tphtuneen lämpötil muutoksen vull. Seurvss on esitetty eri hyötysuhteiden määrittäminen kuvn 9 mukisess tilnteess. (Seppänen 2008, s 285)
19 Kuv 9 LTO-litteiston lskentn liittyvien tilpisteiden merkinnät. Mukiltu lähteestä: (Seppänen 2008, s 286). Ulkoilmn lämpötilhyötysuhde: t t u 2 u1 tu (1) t p1 tu1, missä tu = lämpötilhyötysuhde [-] t u1 = tuloilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [K, o C] t u2 = tuloilmn lämpötil LTO-litteiston jälkeen [K, o C] t p1 = poistoilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [K, o C] Ulkoilmn kosteushyötysuhde: x x u2 u1 xu (2) x p1 xu1, missä xu = kosteushyötysuhde [-] x u1 = tuloilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ]
20 x u2 = tuloilmn kosteus LTO-litteiston jälkeen [g/kg k.i ] x p1 = poistoilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ] Ulkoilmn entlpihyötysuhde: h h u 2 u1 hu (3) hp 1 hu1, missä hu = entlpihyötysuhde [-] h u1 = tuloilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] h u2 = tuloilmn entlpi LTO-litteiston jälkeen [J/kg] h p1 = poistoilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] Hyötysuhteen yhtälöistä 1-3 huomtn, että hyötysuhde määritellään tuloilmss tphtuneen muutoksen suhteen suurimpn mhdolliseen muutokseen. Mikäli poistoilmn mssvirt on erisuuri verrttun tuloilmn mssvirtn, pitää poistoilmlle määrittää erikseen hyötysuhteet. Seurvss esitettyjen hyötysuhteiden tilpisteet on esitetty kuvss 9. Poistoilmn lämpötilhyötysuhde: t p1 t p2 tp (4) t t p1 u1, missä tp = lämpötilhyötysuhde [-] t p1 = poistoilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [K] t p2 = poistoilmn lämpötil LTO-litteiston jälkeen [K] t u1 = tuloilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [K] Poistoilmn kosteushyötysuhde:
21 x p1 x p2 xp (5) x x p1 u1, missä xp = kosteushyötysuhde [-] x p1 = poistoilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ] x p2 = poistoilmn kosteus LTO-litteiston jälkeen [g/kg k.i ] x u1 = tuloilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ] Poistoilmn entlpihyötysuhde: h p1 hp2 hp (6) h h p1 u1, missä hp = entlpihyötysuhde [-] h p1 = poistoilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] h p2 = poistoilmn entlpi LTO-litteiston jälkeen [J/kg] h u1 = tuloilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] Poistoilmn hyötysuhteen yhtälöistä 4-6 huomtn, että poistoilmss tphtunutt muutost LTO-litteiston yli verrtn in suurimpn mhdolliseen muutokseen lämmönvihtimess. LTO-litteistoss siirtyneelle teholle, vesivirrlle j lämpötillle pätevät yhtälöt 7-9, mikäli litteisto on tspinotilss. Yhtälöistä huomtn myös, että silloin kun tulo- j poistoilmvirrt ovt yhtä suuret eikä lämmönsiirtimeen keräänny vettä, ovt entlpi-, kosteus- j lämpötilerot yhtä suuret tulo- j poistoilmvirroiss. Yhtälöistä huomtn myös, että ilmvirtojen suhde sdn määritettyä, mikäli ilmvirrn tilt mittn trksti lämmön tlteenoton molemmin puolin j vettä ei tiivisty lämmönsiirtopinnoille. (Seppänen 2008, s 286) Tspinotilss olevlle lämmönsiirtimelle pätee in siirtyneen tehon suhteen yhtälö:
22 q mp h h q h h (7) p1 p2 mu u 2 u1, missä q mp = poistoilmvirrn mssvirt [kg/s] h p1 = poistoilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] h p2 = poistoilmn entlpi LTO-litteiston jälkeen [J/kg] q mu = tuloilmvirrn mssvirt [kg/s] h u1 = tuloilmn entlpi ennen LTO-litteisto [J/kg] h u2 = tuloilmn entlpi LTO-litteiston jälkeen [J/kg] Myös siirtyneen vesivirrn suhteen tspinotilss olevlle lämmönsiirtimelle pätee yhtälö: q mp x x q x x (8) p1 p2 mu u 2 u1, missä q mp = poistoilmvirrn mssvirt [kg/s] x p1 = poistoilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ] x p2 = poistoilmn kosteus LTO-litteiston jälkeen [g/kg k.i ] q mu = tuloilmvirrn mssvirt [kg/s] x u1 = tuloilmn kosteus ennen LTO-litteisto [g/kg k.i ] x u2 = tuloilmn kosteus LTO-litteiston jälkeen [g/kg k.i ] Kosteutt siirtämättömälle lämmönsiirtimelle pätee myös: q mp t t q t t (9) p1 p2 mu u 2 u1, missä t p1 = poistoilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [J/kg] t p2 = poistoilmn lämpötil LTO-litteiston jälkeen [J/kg] q mu = tuloilmvirrn mssvirt [kg/s] t u1 = tuloilmn lämpötil ennen LTO-litteisto [J/kg] t u2 = tuloilmn lämpötil LTO-litteiston jälkeen [J/kg]
23 3.1.1 Lämpöpumpun hyötysuhde Lämpöpumpun hyötysuhde ulkoilmn verrttun voi oll yli 100 %, kosk poistoilmn voi jäähtyä lle ulkoilmn lämpötiln. Lämpöpumppujen tehokkuutt ilmistn lämpökertoimen vull. Sillä trkoitetn hyödyksi sdun tehon j sen tuottmiseen käytetyn tehon suhdett. Yhtälössä 10 on esitetty lämpökertoimen lskent. Yhtälössä 10 esiintyvää termiä merkitään usein myös kirjinyhdistelmällä COP (eng. coefficient of performnce). Tärkeää lämpöpumpputoimisen LTO-järjestelmän knss on ott huomioon koko prosessiin käytettävä sähköteho, eli myös pumppujen, venttiilien j utomtion vtim sähköteho. (Seppänen 2008, s 290) L (10) P S, missä = lämpöpumpun lämpökerroin [-] L = luhduttimest stu lämpöteho [W] P S = prosessiin käytetty sähköteho [W] 3.1.2 Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhde Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhteen määrittämiseksi on tulo- j poistoilmvirroist lskettv lämpökpsitettivirrt. Niiden vull voidn päätellä mitä lskent peritett noudtetn kokonishyötysuhteen lskennss. Lisäksi on tiedettävä tulo- j poistopuolell olevien lämmönsiirrinten hyötysuhteet j lämmönsiirtonesteen tilvuusvirt sekä ilmvirtojen tilpisteet. Lämpökpsiteettivirrn lskent on esitetty yhtälöissä 11-13. Niissä lindeksi p viitt poistoilmvirtn, lindeksi u tuloilmvirtn sekä lindeksi n lämmönsiirtonesteeseen. Kuvss 10 on esitetty seurviin yhtälöihin liittyvät tilpisteet.
24 Kuv 10 Epäsuorn LTO-järjestelmän tilpisteet. C p c q (11) p pp vp C u c q (12) u pu vu C n c q (13) n pn vn, joiss = lämpökpsiteettivirt [J/sK] = tiheys [kg/m 3 ] c p = ominislämpökpsiteetti [J/kgK] q v = tilvuusvirt [m 3 /s] Jos C p C u C n, tulee kokonishyötysuhteest: 1 1 1 1 1 (14) kok 2, missä
25 kok = kokonishyötysuhde [-] 1 = tuloilmptterin lämpötilhyötysuhde [-] 2 = poistoilmptterin lämpötilhyötysuhde [-] Jos u p n C C C, tulee kokonishyötysuhteest: 1 2 1 1 1 1 1 R kok (15), missä p n C C R 1 = lämmönsiirtonesteen j poistoilmvirrn lämpökpsiteettivirtojen suhde Jos u n p C C C, tulee kokonishyötysuhteest: 1 2 1 1 1 1 1 R kok (16), missä n p C C R 1 = poistoilmvirrn j lämmönsiirtonesteen lämpökpsiteettivirtojen suhde Jos n u p C C C, tulee kokonishyötysuhteest: 1 1 2 1 1 R R kok (17), missä
26 C u R1 = tuloilmvirrn j lämmönsiirtonesteen lämpökpsiteettivirtojen C n suhde C R C p u = poisto- j tuloilmvirrn lämpökpsiteettivirtojen suhde 3.2 Vuosihyötysuhde LTO:n vuosihyötysuhde voidn lske seurvss luvuss esitetyn yhtälön mukn, mikäli ei selvityksin toisin osoitet. Lskennss käytetään yleensä vlmistjn ilmoittm, esimerkiksi stndrdin EN 308 mukn määritettyä tuloilmn lämpötilhyötysuhdett. Mikäli stndrdi ei sovellet, lämpötilhyötysuhteen määrityksen pohjn otettv huomioon seurvt sit: tulo- j poistoilmvirtojen suhde, jäätymissuojuksen toimint j mhdollinen tuloilmn lämpötiln rjoittminen. Tässä osioss on esitelty LTO-litteiston vuosihyötysuhde sekä lämpötilhyötysuhteen vull että lämmöntrvelukujen vull. (Ympäristöministeriö 2003, s 6) 3.2.1 Ilmnvihtolitteen vuosihyötysuhde Ilmnvihdon vuosihyötysuhteen lskennst on Ympäristöministeriö julkissut monisteen (Ympäristöministeriö 2003), joss on esitetty yhtälöt vuosihyötysuhteen lskentn. Yleensä vuosihyötysuhteen lskent toteutetn LTO-litteiston toimittjn ilmoittmn lämpötilhyötysuhteen mukn. Yhtälössä 18 on esitetty vuosihyötysuhteen lskent silloin, kun lämpötilhyötysuhde on tiedoss j tulo- j poistoilmvirtojen suhde on suurempi ti yhtä suuri kuin 0,6. Lämpötilhyötysuhteen käytetään tuloilmpuolen lämpötilhyötysuhdett. Yhtälössä on vuosihyötysuhde määritetty yhden ilmnvihtokoneen oslt. (Ympäristöministeriö 2003, s 16) 0, 6 (18) t, missä = vuosihyötysuhde [-]