ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPUN TOIMINNAN JA OHJAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄDÖN TUTKIMINEN

ILMA-ILMA-LÄMPÖPUMPUN TOIMINNAN JA OHJAUSJÄRJESTELMÄN SÄÄDÖN TUTKIMINEN Jyrki Laurila Opinnäytetyö 29.4.2009 Talotekniikan koulutusohjelma Oulun seudun ammattikorkeakoulu

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ SISÄLTÖ 1 JOHDANTO...6 2 LÄMPÖPUMPPU...7 2.1 Ilma-ilma-lämpöpumppu...8 2.2 Sanyo...8 3 TUTKITTAVAN ILMALÄMPÖPUMPUN ASENNUS...9 3.1 Lämpöpumpun teline...9 3.2 Ulko- ja sisäyksikön asennus...9 3.3 Haaroitus painemittaukselle...12 3.4 Laitteiston painekoe ja kylmäainetäytös...13 4 MITTAUSMENETELMÄT...16 4.1 Ilmavirtojen mittaus...17 4.2 Paineen mittaus...18 4.3 Lämpötilan mittaus...18 4.4 Lämpöpumpun ottotehon mittaus...19 4.5 Mittaustietojen käsittely...19 5 MITTAUSTULOKSET...21 5.1 Sisäyksikön puhaltimen ilmavirta...21 5.1.1 Puhaltimen ilmavirran suuntaus...22 5.1.2 Puhaltimen imu- ja puhallusilman lämpötilaero...22 5.1.3 Ilmavirrat eri puhallinnopeuksilla...24 5.1.4 Ilmavirtamittausten arviointi...24 5.2 Lämpöpumppuprosessin paineet...25 5.2.1 Maksimipaine...25 5.2.2 Minimipaine...26 6 LÄMPÖPUMPUN TOIMINTA...27 6.1 Kompressorin toiminta...28 6.2 Höyrystimen sulatus...31 6.2.1 Sulamistoiminnon aloitus ja lopetus...35 6.2.2 Ulko- ja höyrystinlämpötilojen simuloiminen...37 7 YHTEENVETO...40 4

LÄHTEET...42 LIITTEET Liite 1. Log (p)-h -piirros Liite 2. Sisäyksikön puhaltimen ilmavirrat Liite 3. Maksimipaine Liite 4. Minimipaine 5

1 JOHDANTO Ilmastonmuutokseen liittyvät asiat ovat nousseet viime aikoina yhä enemmän esille mediassa, keskusteluissa ja päätöksenteossa. Energiankäytön aiheuttamat kasvihuonepäästöt ovat yksi ilmaston lämpenemistä kiihdyttävä tekijä ja päästöjä yritetäänkin nykyään vähentää monin keinoin. Suomessa rakennusten lämmityksen osuus energian loppukäytöstä on yli 20 % (1). Miljoonan suomalaisen omakotitalon lämmittäminen aiheuttaa keskimäärin 7-8 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt vuodessa. Tämä vastaa yli kymmentä prosenttia koko Suomen hiilidioksidipäästöistä. (2.) Lämpöpumppujen tekniikan kehittämisellä ja laajamittaisella käyttämisellä rakennusten lämmityksessä saavutettaisiin hyviä tuloksia energian säästämisessä ja kasvihuonekaasujen vähentämisessä. Tämä opinnäytetyö on osa Oulun seudun ammattikorkeakoulun tekniikan yksikön innovatiivista lämpöpumpun kehittämisprojektia, jossa ilma-ilma-lämpöpumppuun tehdään uusi, ohjelmoitava ohjausjärjestelmä. Uudenlaisen ohjauksen tavoitteena on parantaa ilmalämpöpumpun toimintaa ja hyötysuhdetta. Projekti on jaettu kahdeksi opinnäytetyöksi. Toisen osan tekee opinnäytetyönä automaatiotekniikan opiskelija, joka suunnittelee ja ohjelmoi lämpöpumppua ohjaavan logiikan (3). Oma osuuteni projektissa rajoittuu kehitystyön kohteena olevan ilmalämpöpumpun asennukseen, testaukseen, mittausjärjestelyihin ja mittauksiin. Tavoitteena on lämpöpumpun ja sen eri komponenttien toiminnan ja säädön selvittäminen mittauksin sekä aiheeseen liittyviin lähdeaineistoihin perehtymällä. Lisäksi pyritään löytämään keinoja, joilla lämpöpumpun hyötysuhdetta ja toimivuutta pohjoisissa olosuhteissa voidaan parantaa. Saatuja tietoja käytetään uuden ohjausjärjestelmän suunnittelussa ja toteutuksessa. Työhön liittyvät mittaukset tehtiin OAMK:n tekniikan yksikön energiatekniikan laboratoriossa kevään 2009 aikana. Mittauksissa hyödynnettiin aikaisemman insinööriopiskelijan opinnäytetyössään laboratorioon tekemiä jäähdytettyjä tiloja (4). 6

2 LÄMPÖPUMPPU Lämpöpumpun toiminta perustuu koneistossa kiertävän kylmäaineen höyrystymiseen ja lauhtumiseen. Höyrystyminen vaatii lämpöenergiaa, joka otetaan höyrystimessä matalassa lämpötilassa. Syntyvä höyry puristetaan kompressorilla korkeampaan paineeseen, jolloin se lämpenee. Korkeapaineinen lämmin höyry jäähdytetään lauhduttimessa, jossa se nesteytyy. Vapautuva lämpö lämmittää lauhduttimen läpi virtaavan ilman tai nesteen. Kylmäaineneste palautetaan höyrystimeen laskemalla sen paine paisuntaventtiilissä. (5, s. 1.) Lämpöpumput jaetaan ryhmiin sen perusteella, mistä kylmäprosessiin tarvittava energia kompressorin sähköenergian lisäksi saadaan ja mihin kylmäaineen sitoma energia luovutetaan. Ulkoilmalämpöpumppu ottaa energian ulkoilmasta, maalämpöpumppu maasta tai vedestä. Lämpöenergia luovutetaan joko huoneilmaan tai veteen. (4, s. 7-28.) (Kuva 1.) KUVA 1. Ilma-ilma-lämpöpumpun toimintaperiaate (6) 7

2.1 Ilma-ilma-lämpöpumppu Ilma-ilma-lämpöpumppu on Suomessa myytävistä lämpöpumpputyypeistä hinnaltaan edullisin ja ylivoimaisesti suosituin (7). Nimensä mukaisesti lämpöenergia saadaan ulkoilmasta ja se luovutetaan sisäilmaan. Nestemäinen kylmäaine höyrystyy ulkoyksikön lamellilämmönsiirtimessä ja sitoo samalla lämpöenergiaa ulkoilmasta. Muodostunut kylmäainehöyry virtaa sisäyksikön lamellilämmönsiirtimen läpi ja luovuttaa lauhtuessaan lämpöenergiaa huoneilmaan. 2.2 Sanyo Sanyo Electric on Japanissa vuonna 1947 perustettu, aluksi pyöränlamppuja tehtaillut elektroniikka-alan yritys. Nykyään yritys valmistaa monenlaisia elektronisia laitteita GPS-paikantimista pesukoneisiin. Suomessa Sanyo on yksi johtavista ilmalämpöpumppumerkeistä. (8.) Työssä tutkittava laite on Sanyon valmistama ilmalämpöpumppu mallimerkinnältään SAP-KCRV123EHNA. Valmistajan mukaan lämpöpumpun lämmitysteho on 7 C:n ulkolämpötilalla ja 20 C:n huonelämpö tilalla 4,20 kw (9, s. 6), joten se on teholtaan normaaliin omakotitaloon tai vapaa-ajan asuntoon soveltuva ja tällaisissa tiloissa paljon käytetty lisälämmityslaite. Ilmalämpöpumppuun kuuluu sisälle asennettava sisäyksikkö sekä ulossijoitettava ulkoyksikkö. Tila- ja ääniteknisistä syistä sisäyksikössä ovat vain puhallin ja lämmönsiirrin sekä lämpöpumpun automatiikkaa. Kompressori on sijoitettu ulkoyksikköön, vaikka lämmöntuotannon kannalta olisi parempi sijoittaa se sisätilaan, jolloin kompressorin hukkalämpö voitaisiin hyödyntää rakennuksen lämmityksessä. Sanyoon kuuluu langaton kaukosäädin, jolla lämpöpumpun toimintaa voidaan ohjata. Käyttäjä voi valita joko lämmityksen, jäähdytyksen, kuivauksen tai pelkän sisäilman kierron. Haluttu huonelämpötila valitaan kaukosäätimestä. Lämpöpumppu mittaa huonelämpötilaa valinnan mukaan joko kaukosäätimestä tai suoraan sisäyksiköstä. (10, s. 9-10.) 8

3 TUTKITTAVAN ILMALÄMPÖPUMPUN ASENNUS 3.1 Lämpöpumpun teline Ilmalämpöpumppu asennettiin OAMK:n tekniikan yksikön energiatekniikan laboratoriossa sitä varten suunniteltuun ja OSAO:lta opiskelijatyönä tilattuun telineeseen. Telineen suunnittelussa tuli kiinnittää huomiota siihen, että se on riittävän kokoinen ilmalämpöpumpulle ja siihen liittyville mittauslaitteille. Telinettä pitää pystyä siirtelemään paikasta toiseen, joten se ei saa olla liian iso mahtuakseen ovista. Telineen taustalevyksi valittiin kestävää puulevyä, johon sisäyksikkö ja mittausvälineet voidaan turvallisesti kiinnittää. Taustalevyyn laitettiin ikkuna, josta höyrystimen kennoa voidaan tarkkailla. Telineen pohjana toimii 2 mm:n teräspellistä valmistettu sulamisvesikaukalo, joka kannattelee ulkoyksikköä. Sulamisvesikaukalo valmistettiin tarkoituksella paksusta pellistä, jotta telineen painopiste saatiin mahdollisimman alas. Näin teline ei ylös asennetun sisäyksikön painosta kaadu. Lisäksi ohuempi levy olisi ollut myös vaarallisempi terävine reunoineen. Telineen pohjaan kiinnitettiin pyörät siirtämisen helpottamiseksi. 3.2 Ulko- ja sisäyksikön asennus Ulkoyksikkö asennettiin valmistajan ohjeiden mukaisesti kumityynyjen päälle kompressorin tärinästä aiheutuvien äänihaittojen minimoimiseksi. Ulkoyksikön höyrystimen imupuolen ja telineen taustalevyn väliin jätettiin n. 15 cm:n väli. Mittausten mukaan alle 10 cm:n väli aiheuttaa höyrystimen läpi menevän ilmavirran pienentymisen ja lämpökertoimen huonontumisen (4, s. 12). (Kuva 2.) 9

KUVA 2. Ulkoyksikkö telineelle asennettuna Sisäyksikkö kiinnitettiin 150 cm:n korkeudelle telineen lämpimälle puolelle valmistajan ohjeiden mukaisesti. Taustalevyyn porattiin kaksi 30 mm:n reikää kylmäaineputkia ja kondenssivesiputkea varten. Sähköjohdolle porattiin erillinen reikä. Kylmäaineputket taivutettiin vaakasuoraan levyn taustapuolelle. Pak- 10

summassa 3/8 :n putkessa oli tehdasasenteinen taivutusjousi helpottamassa taivutusta; pienempää 1/4 :n putkea voi taivuttaa ilman joustakin. Kondenssivesiputki johdettiin suoraan taustalevyn läpi sulamisvesikaukaloon. (Kuva 3.) KUVA 3. Sisäyksikkö ja mittalaitteet telineelle asennettuna 11

Ulkoyksikön ja sisäyksikön välinen putkiosuus tehtiin valmistajan antamien putkikokojen mukaisesti kylmälaadun kupariputkesta. Nestejohtoon lisättiin näkölasi kylmäaineen olomuodon tarkastelua varten. Liitokset ovat kylmäainelaitteistoissa käytettyjä laippamutteriliitoksia. Jokaiseen liitokseen laitettiin ennen kiristystä tippa kylmäkoneöljyä. Mutterit kiristettiin momenttiavaimella asennusohjeen mukaiseen kireyteen. Kylmäaineputket lämpöeristettiin Armaflexeristeellä. 3.3 Haaroitus painemittaukselle Painemittauksia varten kompressorin imu- ja paineputket jouduttiin katkaisemaan, joten kylmäaine piti poistaa lämpöpumpusta liitostöiden ajaksi. Lämpöpumpussa käytettävää R410A-kylmäainetta ei saa päästää ilmakehään, joten se piti varastoida kylmäainepulloon. Kylmäaineen siirron vuoksi hankittiin tyhjä kylmäainepullo ja siihen juotettiin sopivat huoltoventtiilit. Juotosten pitävyyden tarkastamiseksi pulloon laskettiin kuivaa typpeä 11 bar(abs), minkä jälkeen liitosten tiiviys tarkastettiin vuodonilmaisuaineella. Painekokeen jälkeen kylmäainepulloon imettiin tyhjiöpumpulla tyhjiö ja lämpöpumpun kylmäaine siirrettiin pulloon kylmäaineen talteenottolaitetta käyttäen. Kylmäainepullo oli toimenpiteen ajan puntarilla, josta nähtiin, että lähes kaikki 1 100 g:n kylmäainetäytöksestä saatiin talteen. Kompressorin imu- ja paineputkia katkaistaessa putkista valui hieman kylmäkoneöljyä. Liian vähäinen öljyn määrä kompressorissa voi aiheuttaa kompressorin rikkoontumisen, joten öljyä lisättiin kylmäainetäytön yhteydessä arviolta sama määrä kuin putkiston katkaisussa poistui. Putkien katkaisukohtiin juotettiin kupariset T-haarat painemittausta varten. Juotoskohtien lähellä olevien herkkien komponenttien vuoksi jäähdytykseen ja suojaukseen oli kiinnitettävä erityistä huomiota. Juotettaessa putkiin puhallettiin typpikaasua estämään hilseen muodostumista ja jäähdyttämään arkoja komponentteja. Lisäksi arat komponentit käärittiin märkään kankaaseen ja suojattiin peltilevyin. 12

T-haaroista vedettiin 1/4 :n kylmälaadun kupariputkella ja vinyyliletkulla mittausyhteet telineen toiselle puolelle. Vinyyliletkua käytettiin vaimentamaan kompressorin aiheuttama tärinä vinyyliletkun joustaviin loiviin mutkiin. Kupariputket kannakoitiin ja niihin lisättiin huoltoventtiilit tyhjiöintiä ja kylmäainetäytöstä varten. Telineen lämpimälle puolelle asennettiin osoittava korkeapainemittari ja -lähetin sekä matalapainemittari ja -lähetin (kuva 4). KUVA 4. Painemittarit ja -lähettimet 3.4 Laitteiston painekoe ja kylmäainetäytös Ennen lopullista kylmäainetäytöstä laitteistolle on tehtävä painekoe. Kaikkien liitosten on oltava ehdottoman pitäviä, ettei kylmäainetta pääse vuotamaan ympäristöön. Pienikin kylmäainevuoto laitteistossa aiheuttaa paineen alenemista kylmäaineputkistossa ja sen seurauksena lopulta lämpöpumpun toimimattomuuden. 13

Painekokeen ensimmäisessä vaiheessa putkistoon laskettiin typpeä 10 bar ja liitoksiin sumutettiin vuodonilmaisuainetta. Vuodonilmaisuaineen voimakas kupliminen vuotokohdassa paljastaa mahdolliset juotosten epäonnistumiset. Toisessa vaiheessa typen sekaan lisättiin hieman kylmäainetta. Kylmäainevuotojen havaitsemiseen kehitetyllä elektronisella vuodonilmaisimella käytiin huolellisesti läpi koko kylmäaineputkisto. Laitteen äänimerkkien perusteella löytyvät pienimmätkin kylmäainevuodot. Kun liitosten tiiviys oli varmistettu, koko putkisto piti saada täysin kuivaksi kylmäaineen lisäämistä varten. Toiseen huoltoventtiileistä liitettiin alipainemittari ja toiseen laitettiin tyhjiöpumppu imemään putkistoa tyhjäksi. Mittausyhteiden liitostöistä aiheutunut öljyhävikki korvattiin lisäämällä muutama millilitra kylmäkoneöljyä putkistoon tyhjiöinnin yhteydessä. Kun tyhjiö oli saavutettu, se rikottiin typellä ja tyhjiöinti aloitettiin uudelleen. Tyhjiöpumpun käytyä noin tunnin ajan putkisto oli täysin tyhjä ja kuiva. Alipainemittarissa ei näkynyt veden höyrystymisestä aiheutuvaa äkillistä paineen nousua eikä myöskään vuodon ilmaisevaa hidasta paineen nousua, kun venttiili suljettiin ja tyhjiöpumppu sammutettiin (kuva 5). 14

KUVA 5. Alipainemittari osoittaa putkistossa vallitsevaa painetta tyhjiöinnin jälkeen Lämpöpumpun kylmäainetäytös on valmistajan mukaan 1 100 g. Tarkan täyttömäärän varmistamiseksi kylmäainepullo laitettiin vaa alle täytön ajaksi. Kylmäaine lisättiin putkistoon samaa letkua pitkin, mistä tyhjiöinti tehtiin. Letkussa oli sulkuventtiilit molemmissa päissä, joten sen sisällä oli tyhjiö samoin kuin putkistossakin. Lämpöpumpussa käytetty R410A-kylmäaine on seoskylmäaine, joten se on lisättävä nesteenä, ettei komponenttien seossuhde muutu. Tämän vuoksi kylmäainepullo oli vaa alla ylösalaisin. Vaa an mukaan kylmäainetta lisättiin vaadittavat 1 100 g. 15

4 MITTAUSMENETELMÄT Mittausjärjestelyjä suunniteltaessa tavoitteena oli saada tutkittua lämpöpumppuprosessin toimintaa ja lämpöpumpun käyttäytymistä eri olosuhteissa. Painemittauksilla saadaan tarkkaa tietoa hetkellisistä höyrystymis- ja lauhtumispaineista ja näin ollen myös höyrystymis- ja lauhtumislämpötiloista. Lisäksi painemittauksilla saadaan selville lämpöpumppuprosessin maksimi- ja minimipaineet. Painemittauksista saatavia tietoja voidaan käyttää, kun ohjataan lämpöpumppua erillisellä logiikalla. Lämpötilamittauksien avulla voidaan seurata kylmäaineen lämpötilojen muutoksia lämpöpumppuprosessin eri osien välillä, jolloin prosessin toimintaa voidaan tarkastella ja analysoida erilaisissa mittaustilanteissa. Lämpöpumpun omien antureiden mittaustietojen perusteella voidaan tutkia pumpun automatiikan toimintaa ja saatua tietoa voidaan soveltaa lämpöpumpun logiikkaa ohjelmoitaessa. Ilmavirtojen mittauksella saadaan selvitettyä puhaltimista saatavat ilmavirrat ja eri tekijöiden vaikutukset puhaltimien tuottamaan tilavuusilmavirtaan. Lämpötila- ja paineantureiden asennuspaikat näkyvät lämpöpumpun kytkentäkaaviossa (kuva 6). 16

KUVA 6. Sanyo-ilmalämpöpumpun mittapisteet järjestelmän periaatekuvassa 4.1 Ilmavirtojen mittaus Ilmalämpöpumpun sisäyksikön tilavuusilmavirran suuruuteen vaikuttavat useat tekijät. Puhaltimen puhallusnopeutta sekä vertikaalista puhallussuuntaa voidaan ohjata kaukosäätimellä. Puhallusnopeuden ja -suunnan lisäksi ilmavirtaan vaikuttaa myös puhallus- ja imuilman lämpötilaero. Ilmavirran mittaamiseen käytettiin Alnor-balometriä, joka muuttaa paine-erosta johtuvan sivuvirtausnopeuden suoraan tilavuusilmavirraksi. Ilmavirtojen määrittämiseksi tehtiin mittausjärjestely, jossa mitattiin ilmavirrat lämmityskäytössä puhaltimen painepuolelta kaikilla puhallinnopeuksilla ja ilmavirtaa ohjaavan läpän asennoilla. Lämpötilaeroina käytettiin 0 C ja 25 C. Samat mittaukset tehtiin myös puhaltimen imupuolelta, jolloin mittaustulokset ovat tarkempia mittauselimeen kohdistuvan tasaisemman virtauksen vuoksi (kuva 7). 17

Reuna on kuvanottohetkellä vielä tukkimatta KUVA 7. Ilmavirran mittaus sisäyksikön puhaltimen imupuolelta 4.2 Paineen mittaus Höyrystymis- ja lauhtumispaineet mitattiin kompressorin imu- ja paineputkista. Paineantureiksi valittiin alapainetta mittaamaan Danfoss ADAP-KOOL AKS 33 -painelähetin ja yläpainetta saman valmistajan malli AKS 32. Osoittavat painemittarit ovat kylmälaitteistoissa käytettäviä painemittareita. Alapainemittarissa on asteikko -0,1...1,8 MPa(yp) ja yläpainemittarissa -0,1...3,8 MPa(yp). Tutkittavassa lämpöpumpussa käytetyn R410A-kylmäaineen lämpötilaa ei valituista painemittareista voida suoraan lukea, koska sopivia mittareita ei ollut asennushetkellä saatavilla. Painetta vastaava lämpötila voidaan lukea R410B:n log(p)-h -kuvaajasta, kun painemittarin osoittama paine muutetaan absoluuttiseksi paineeksi (liite 1). 4.3 Lämpötilan mittaus Lämpöpumppuprosessin tutkimista varten lämpöpumpun putkien pintaan asennettiin prosessin kannalta oleellisiin kohtiin lämpötila-antureita. Lämpötilaanturit ovat U-tyypin termistoreja (kuva 8), joiden käyttöön päädyttiin niiden hy- 18

vän häiriönsietokyvyn vuoksi. Halvempia termopareja käytettäessä mittaustarkkuus kärsii oleellisesti häiriöiden vuoksi (4, s. 38). Termistorien pintaan laitettiin ennen asennusta lämmönsiirtotahnaa parhaan mittaustuloksen saavuttamiseksi. Kupariputken pintaan termistorit kiinnitettiin vulkanointinauhalla ja Armaflexlämmöneristysteipillä. Eristys on tärkeää suorittaa huolellisesti, jotta lämpötilaanturin lämpötila vastaisi putken sisällä olevaa lämpötilaa riittävän tarkasti. KUVA 8. U-tyypin termistori 4.4 Lämpöpumpun ottotehon mittaus Lämpöpumpun ottotehoa mitattiin Oulun Kojeistotarvikkeen valmistamalla mittauskeskuksella. Mittauskeskukseen on integroitu energiamittarina toimiva Rish Master 3430 -digitaalinen monifunktiomittari ja 50/5 A -virtamuuntajat. Energiamittarissa on ohjelmoitava milliampeeriviestilähtö, joka on kytketty Grant 2040 -loggeriin. (4, s. 40.) 4.5 Mittaustietojen käsittely Termistoreissa ja painelähettimissä syntyvät jännite- ja virtaviestit muunnetaan vastaaviksi lämpötiloiksi ja paineiksi Grant 2040 -loggerilla, joka on kytketty tietokoneeseen USB-kaapelilla (kuva 9). Myös mitattava ottoteho tallentuu loggerin muistiin. Tietokoneessa olevalla Squirrelview-ohjelmalla voidaan ohjata loggeria, ja lisäksi mittaustiedot näkyvät reaaliaikaisena tietokoneen näytöllä. Loggerin muistiin tallentuneet mittaustiedot voidaan purkaa tietokoneelle, jolloin niiden analysointi onnistuu esimerkiksi Microsoft Excel -ohjelman avulla. 19

KUVA 9. Grant 2040 -loggeri 20

5 MITTAUSTULOKSET 5.1 Sisäyksikön puhaltimen ilmavirta Valmistajan antamien tietojen mukaan ilmalämpöpumpun sisäyksikön puhaltimen tuotto on lämmityskäytössä 530 m 3 /h suurimmalla puhallinnopeudella (9, s. 6). Tilavuusilmavirtaan vaikuttavat muutamat eri tekijät, joita teknisissä tiedoissa ei ole ilmavirran osalta eritelty. Näistä tekijöistä etenkin ilmavirtaa ohjaavan läpän asennon ja puhallusilman lämpötilan vaikutus saatavaan tilavuusvirtaan on mitattujen arvojen perusteella oleellinen. Kuvassa 10 on havainnollistettu eri tekijöiden vaikutusta ilmavirtaan. Puhaltimen tilavuusilmavirta 700 650 600 m 3 /h 550 500 Lämpötilaero 0 'C Lämpötilaero 25 'C 450 400 350 1 2 3 4 5 6 Ilmavirran ohjausläpän asento (1=vaaka 6=pystysuoraan alas) KUVA 10. Lämpötilaeron ja ilmavirtaa ohjaavan läpän vaikutus puhaltimesta saatavaan tilavuusilmavirtaan 21

5.1.1 Puhaltimen ilmavirran suuntaus Ilmavirtaa ohjaavan läpän asennolla on selkeä vaikutus puhaltimesta saatavaan ilmavirtaan. Läpän voi asettaa kuuteen eri asentoon, joista kakkosasennolla saatiin mittauksissa poikkeuksetta suurin ilmavirta. Ilmeisesti kyseinen asento aiheuttaa puhaltimessa pienimmän painehäviön, jolloin ilma pääsee vapaimmin virtaamaan huoneilmaan. (Kuva 11.) KUVA 11. Puhaltimen ilmavirran suuntaus (muokattu 9, s. 1, 18; 10, s. 21) Suurimman puhaltimesta saatavan tilavuusilmavirran ero pienimpään läpän asentoa muuttamalla on yli 150 m 3 /h. Näin suuri ero aiheutuu kuitenkin mittausmenetelmän epätarkkuudesta painepuolen pyörteilevästä ilmavirrasta mitatessa. Imuilmasta mitattuna suurimmaksi eroksi saatiin suurimmillaan noin 60 m 3 /h, jota voidaan pitää todellista eroa paremmin vastaavana. (Liite 2.) 5.1.2 Puhaltimen imu- ja puhallusilman lämpötilaero Imu- ja puhallusilman lämpötilaerolla on vaikutusta puhaltimen tilavuusvirtaan. Imuilma lämpiää lauhduttimen kennossa ennen puhallinta. Lämmetessään ilma laajenee, joten puhaltimen huoneilmasta ottama ilmatilavuus on pienempi kuin puhaltimesta saatava ilmatilavuus. Lämpötilaeron aiheuttaman laajenemisen ei itsessään pitäisi vaikuttaa puhaltimen tuottamaan tilavuusilmavirtaan, vaan pelkästään imupuolelta saataviin arvoihin. Pienitehoisessa puhaltimessa laajentu- 22

misesta aiheutunut tiheyden muutoskaan ei vaikuta tilavuusvirtaan, jos pyörimisnopeus ei muutu (11, s. 42). Tästä huolimatta lämpötilaeron muuttuessa myös saatava tilavuusilmavirta muuttuu selvästi. Ilmavirtojen mittaukset tehtiin lämpöpumpun sisä- ja ulkoyksikön ollessa samassa 23 C:n huonelämpötilassa. Puhaltimesta saada an suurin tilavuusvirta, kun puhallusilman lämpötila on lähellä huonelämpötilaa. Puhaltimen tuottama tilavuusvirta painepuolelta mitattuna on 550-690 m 3 /h, kun lämpötilat imu- ja painepuolella ovat samat. Imupuolelta mitattiin 430-490 m 3 /h olevia ilmavirtoja samoilla lämpötiloilla. Kuvasta 10 nähdään, että ilmavirrat ovat selvästi pienempiä 25 C:n lämpötilaerolla eli puhallettaessa 48 C ilmaa. (Liite 2.) Lämpötilaeron kasvamisen aiheuttamaan ilmavirran pienentymiseen voi olla monia syitä. Vaikka ilman laajeneminen kennossa ei vaikutakaan saatavaan ilmavirtaan, lämpötilalla on silti merkitystä. Kuumaa ilmaa puhallettaessa lämpöpumppu ottaa sähköverkosta suuremman tehon kuin lämmöntarpeen ollessa pieni ja puhallusilman lämpötila lähellä imuilman lämpötilaa. Lämpöpumpun suuri sähkövirta saattaa aiheuttaa muutoksen sisäyksikön puhaltimen käyttöjännitteessä, vaikka puhallinnopeus on asetettu pysymään koko ajan samana. Jo muutaman watin tehonpudotus puhaltimessa pienentää saatavaa ilmavirtaa useita kymmeniä kuutiometrejä tunnissa. Imupuolen mittausten perusteella puhallinnopeuden pudottaminen täysteholta pykälää pienemmäksi pienentää puhaltimen ottamaa sähkötehoa 4 W ja puhaltimen ilmavirtaa 60-70 m 3 /h (liite 2). Pumpun käydessä ei sisäyksikön puhaltimen ottamaa tehoa käytetyillä mittausmenetelmillä voitu erikseen määrittää, joten tehon pienentymistä ei voitu varmistaa. Tehon muutoksen lisäksi ilmavirtaan voivat vaikuttaa myös lauhduttimen kennon lamellien ja putkien lämpeneminen. Lämmetessään osat laajenevat ja voivat näin aiheuttaa ilmavirtaan vaikuttavan painehäviön kasvamisen ja ilmavirran pienentymisen kennon läpi. 23

5.1.3 Ilmavirrat eri puhallinnopeuksilla Täysteholla eli kolmosnopeudella puhaltimen ottama sähköteho on noin 30 W. Tilavuusilmavirta on imupuolen mittaustulosten mukaan 430-490 m 3. Kakkosnopeudella ottosähköteho on 26 W ja tuotto 370-430 m 3. Alimmalla puhallusnopeudella puhaltimen ottama sähköteho on 22 W tuoton ollessa 290-330 m 3. Valmistajan lupaama 530 m 3 :n tuotto ei kolmosnopeudella vielä toteudu, mutta lämpöpumpun HIGH POWER -toiminnolla saadaan puhaltimeen vielä yksi tehotaso lisää (9, s. 35). Tällöin päästään luvattuihin lukemiin, mutta normaalikäytössä teho on maksimissaan kolmosnopeudella. (Kuva 12.) KUVA 12. Ilmavirran mittaus sisäyksikön puhaltimen painepuolelta 5.1.4 Ilmavirtamittausten arviointi Käytetty mittausmenetelmä osoittautui tulosten perusteella melko epätarkaksi. Kun imu- ja puhallusilman lämpötilat ovat samat, tilavuusilmavirtojen pitäisi olla puhaltimen imu- ja painepuolella samansuuruiset. Tuloksissa näiden ilmavirtojen välillä esiintyy kuitenkin huomattavia eroja. Mittaustarkkuus kärsi etenkin 24

puhaltimen painepuolen kovasti pyörteilevästä ilmavirrasta mitattaessa. Imupuolella ilmavirta mittalaitteen läpi on tasaista, joten imupuolelta mitatut arvot ovat oletettavasti tarkemmat. 5.2 Lämpöpumppuprosessin paineet Lämpöpumppuprosessissa esiintyvien painerajojen tuntemista voidaan hyödyntää myöhemmin lämpöpumpun ohjaamisessa. Lauhtumis- ja höyrystymispaineisiin vaikuttavat halutut lauhtumis- ja höyrystymislämpötilat sekä käytettävä kylmäaine. Painemuutoksiin vaikuttaa suoraan kompressorin tehomuutokset. Tehon kasvaessa lauhtumispaine kasvaa ja höyrystymispaine laskee. Tutkittavassa lämpöpumpussa käytetyn R410A:n höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat ovat normaalissa lämmityskäytössä pääasiassa 25 C:n ja +50 C:n välillä. Tällöin laitteiston minimipaine o n noin 2,5 bar(yp) ja maksimipaine noin 30 bar(yp). (Liite 1.) 5.2.1 Maksimipaine Lauhtumislämpötila ja -paine ovat korkeita, kun kompressori käy täydellä teholla. Kun kompressorin imemä kylmäkaasu on valmiiksi lämmintä, lauhdutinlämpötila saadaan varmasti niin korkeaksi, kuin se on pumpun käyntiä säätelevän ohjelman antamien mahdollisuuksien mukaan saatavissa. Maksimipainetta määritettäessä lämpöpumpun sisä- ja ulkoyksiköt olivat noin 23 C:n huonelämpötilassa. Pyyntilämpötila asetetti in maksimiarvoon 30 C ja pumppu HIGH POWER -tilaan. Lauhdutinlämpötila nousi hetkellisesti 57 C:een, mutta lauhtumispainetta mittaavan painel ähettimen maksimiarvo 34 bar(yp) ylittyi jo 50 C:n kohdalla. Kuvassa 13 olevassa osoittavasta painemittarista kuitenkin nähtiin, että lauhtumispaine oli noin 40 bar(yp). Painetta vastaava lauhtumislämpötila oli noin 64 C. Lauhdut inlämpötila on lauhduttimen virtausputkesta mitattu pintalämpötila eikä se vastaa täysin todellista lauhtumislämpötilaa. (Liite 3.) 25

KUVA 13. Lauhtumispaine lauhdutinlämpötilalla 57 C. Paineen mukainen lauhtumislämpötila on noin 64 C 5.2.2 Minimipaine Pienimmäksi höyrystymispaineeksi mitattiin 3,0 bar(yp), joka vastaa noin 20 C:n höyrystymislämpötilaa. Rajoittavana tekijä nä minimipainetta määritettäessä oli ulkolämpötila, jota ei saatu laboratoriossa laskemaan alle 17 C:n. Alemmilla ulkolämpötiloilla höyrystymislämpötila ja täten myös höyrystymispaine olisivat olleet matalampia. Tutkittua lämpöpumppua ei ole kuitenkaan kompressorin suojausautomatiikan vuoksi mahdollista käyttää alle 20 C lämpötiloissa, joten höyrystymislämpötilan voidaan olettaa olevan minimissään 25 C, jolloin höyrystymispaine on noin 2,5 bar(yp ). (Liite 4.) 26

6 LÄMPÖPUMPUN TOIMINTA Lämpöpumpun toimintaa ohjaa ulkoyksikön piirikorttiin ohjelmoitu automatiikka, joka saa ohjaukseen tarvittavat lämpötilatiedot eripuolille pumppua asennetuista lämpötila-antureista. Näitä tehdasasennettuja antureita on yhteensä kuusi, kun kaukosäätimessä oleva huonelämpötila-anturikin otetaan huomioon. Mittauksissa lämpöpumppu oli asetettu mittaamaan huonelämpötilaa kaukosäätimen sijasta sisäyksikön huonelämpötila-anturilla. Tehdasasennettujen antureiden kohdalla olevia lämpötiloja seurattiin näiden antureiden viereen asennetuilla omilla, loggeriin yhdistetyillä lämpötila-antureilla. (Kuva 14.) KUVA 14. Ulkoyksikön piirikortti Ohjaukseen vaikuttavat lämpötila-anturit näkyvät prosessin periaatekuvassa. Ulkoyksikössä ovat ulkoilma-anturi TE-C4, kuumakaasun lämpötila-anturi TE- A1 ja höyrystimen lämpötila-anturi TE-C1. Sisäyksikössä ovat huonelämpötilaa mittaava anturi TE-B2 ja lauhduttimen lämpötila-anturi TE-B1. Muut kuvassa 27

näkyvät anturit eivät ole yhteydessä pumpun ohjaukseen, mutta niillä voidaan seurata muita prosessiin liittyviä lämpötiloja ja paineita. (Kuva 6.) Höyrystimen ja lauhduttimen lämpötila-antureilla mitatut lämpötilat ovat höyrystimen ja lauhduttimen pintalämpötiloja. Nämä höyrystin- ja lauhdutinlämpötilat eivät vastaa todellisia höyrystymis- ja lauhtumislämpötiloja. Höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat määritetään abs-paineen ja log(p)-h -kuvaajan perusteella (liite 1). 6.1 Kompressorin toiminta Lämpöpumpun sähköverkosta ottama teho on mittausten mukaan jopa 2,1 kw. Suurin osa tehosta menee kompressorille, joten käytännössä muutokset lämpöpumpun ottamassa tehossa ovat kompressorin tehomuutoksia. Kompressorin tehoa ohjataan muuttelemalla sen taajuutta PWM-menetelmällä (9, s. 34). Pienimmällä nopeudella käydessään kompressorin teho on hieman alle 300 W ja taajuus 20 Hz. Jatkuva maksimiteho 1 500 W saavutetaan taajuudella 110 Hz. Mittausmenetelmällä tehon määritys oli melko epätarkkaa, mikä näkyy myös mittaustuloksissa. Teho näyttää muuttuvan noin 110 W kerrallaan, vaikka todellisuudessa kompressorin taajuus muuttuu 1 Hz:n välein eli noin 10-15 W:n portaissa. (9, s. 22.) (Kuva 15.) 28

Painejohto (Bar) Ottoteho (W) 30.0 1400.0 25.0 1200.0 20.0 1000.0 Bar 15.0 10.0 800.0 600.0 400.0 W 5.0 200.0 0.0 0:00:00 0:05:00 0:10:00 0:15:00 0:20:00 0:25:00 0:30:00 0:35:00 0.0 KUVA 15. Lämpöpumpun ottaman tehon muuttuminen Tutkittavan lämpöpumpun teknisestä käsikirjasta ei löytynyt tarkkoja tietoja kompressorin taajuuden määräytymisperusteista. Tehtyjen mittausten perusteella voidaan kuitenkin olettaa, että perusteet ovat samankaltaisia kuin esimerkiksi Panasonicin tai Daikinin lämpöpumpuissa. Panasonic-pumpuissa automatiikka määrää kompressorin taajuuden lämpöpumpun ohjausyksikköön ohjelmoidun ohjelman perusteella. Määritettyyn taajuuteen vaikuttavat ulko- ja sisäilman lämpötilojen lisäksi käytössä oleva toiminto. Käytettävä ohjelma on looginen, mutta monimutkainen ja paljon laskentaa sisältävä. Käytännössä pyyntilämpötila muunnetaan lämpötilatietojen ja pumpun käyntitilan perusteella uudeksi sisäiseksi pyyntilämpötilaksi, jonka mukaan säädetään kompressorin taajuutta. Tällöin kompressorin taajuus samalla pyyntilämpötilalla vaihtelee, kun olosuhteet vaihtelevat. Panasonicissa ohjelma määrittää käytettävän taajuuden 30 sekunnin välein. (12, s. 16-22.) Tutkittavassa lämpöpumpussa ohjelman määrittämä sisäinen pyyntilämpötila vastaa tiettyä lauhdutinlämpötilaa, kun se Panasonicissa vastasi suoraan kompressorin taajuutta. Pyydettäessä esimerkiksi 25 C ohjelma laskee olo- 29

suhteita vastaavan sisäisen pyyntilämpötilan ja määrittää sen perusteella lauhdutinlämpötilan asetusarvon. Automatiikka säätää kompressorin taajuutta, jotta asetuslämpötila saavutetaan ja saadaan pidettyä tasaisena. Lauhdutinlämpötilan asetusarvo muuttuu, kun ohjelma muuttuneiden tietojen mukaan asettaa uuden asetusarvon. Kuvasta 16 nähdään, miten pyyntilämpötilan muuttaminen vaikuttaa lauhduttimen lämpötilaan. Mittaus aloitettiin huonelämpötilan ja pyyntilämpötilan ollessa noin 23 C. Huonelämpötila pyrittiin pitämään vakio na, mutta käytännön syistä se mittauksen aikana nousi 2-3 C. Pyyntilämpötil aa nostettiin portaittain 30 C:seen ja laskettiin siitä takaisin 23 C:seen. Lo puksi pumppua käytettiin noin 15 minuuttia HIGH POWER -toiminnolla pyyntilämpötilalla 30 C. B1 Lauhdutin ('C) Pyyntilämpötila ('C) Ottoteho (W) 60.00 5000.0 50.00 4000.0 40.00 3000.0 'C 30.00 20.00 23 25 27 30 27 25 23 30 HIGH-POWER 2000.0 W 10.00 1000.0 0.00 0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40 1:50 0.0 KUVA 16. Pyyntilämpötilan vaikutus lauhdutinlämpötilaan Kuten kuvasta 16 nähdään, pyyntilämpötilaa nostettaessa lauhduttimen lämpötila nousee ja asettuu tietylle tasolle. Vastaavasti pyyntilämpötilaa laskettaessa myös lauhdutinlämpötila laskee. Pyyntilämpötilan nostaminen 27 C:sta 30 C:seen ei nosta lauhdutinlämpötilaa eikä kompre ssorin taajuutta, koska kompressori käy jo jatkuvalla 1 500 W:n maksimiteholla (9, s. 22). Pumpun käydessä HIGH POWER -tilassa määritetty maksimiarvo voidaan ylittää, jolloin kompressorin taajuus kasvaa ja lauhdutinlämpötila nousee. 30