Termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan lämmön spontaani siirtyminen tapahtuu aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan [5, s. 55]. Vastaavasti lämpöpumpun tar-koitus on siirtää lämpöä matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jotta tämä olisi mah-dollista, prosessiin täytyy tuoda työn avulla energiaa [5, s. 87]. Lämmönsiirtyminen on havainnollistettu kuvassa 1.
Kuva 1. Havainnollistava kuva lämmönsiirtymisestä lämpöpumpussa, mukaillen [5, s. 88].
Tässä työssä käsitellään lämpöpumppuja, jotka on suunniteltu rakennusten lämmittämi-seen. Rakennusten lämmittämiseen käytettävät yleisimmät lämmönlähteet ovat ilma ja maa. Tällaisista lämpöpumpuista puhuttaessa vakiintuneiksi termeiksi ovat muodostu-neet ilmalämpöpumppu ja maalämpöpumppu. Lämpöpumpun tehokkuuden kannalta merkittävin tekijä on höyrystimessä ja lauhduttimessa kiertävien kylmäaineiden lämpöti-lojen ero. Tästä syystä optimaalisin lämmönlähde on sellainen, joka säilyttää mahdolli-simman korkean lämpötilan koko lämmityskauden ajan.
2.1 Lämpöpumpun historiaa
Teoria lämpöpumppujen taustalla on ymmärretty jo 1800-luvun alussa, kun Nicolas Car-not loi teorian lämmön ja työn suhteesta. Tuolloin sai alkunsa tässä työssä käsiteltävä Carnot’n kiertoprosessi. Vuonna 1850 Rudolf Clausius julkaisi teorian, joka pohjautui Carnot’n luomaan ideaan lämmön ja työn suhteesta. Tämän seurauksena syntyivät en-simmäiset ideat termodynamiikan toisesta pääsäännöstä ja käsitteestä entropia. [6, s. 8]
TH = lämpötila (kuuma) QH = lämpömäärä (kuuma) R = kompressori
W = työ
QL = lämpömäärä (kylmä) TL = lämpötila (kylmä)
Nykytiedon mukaan ensimmäinen lämpöpumppu suunniteltiin ja otettiin käyttöön vuonna 1857 Itävallassa ja sen loi itävaltalainen insinööri Peter von Rittinger. Vuonna 1912 itä-valtalainen Heinrich Zoelly haki ensimmäisenä maailmassa patenttia maalämpöpum-pulle. Tuolloin idea jäi kuitenkin vielä patentin tasolle, koska olemassa oleva teknologia ei mahdollistanut maalämpöpumpun rakentamista todellisuudessa. [6, s. 13]
Öljyn hinnanmuutokset ovat olleet merkittävässä roolissa lämpöpumppujen kehityksen kannalta. 1950 ja -60 luvuilla lämpöpumppujen kehityskaari laski samassa suhteessa öljyn hinnan kanssa [6, s. 37]. 1970-luvun öljykriisiä seurasi tarve muiden energiaratkai-sujen kehittymiselle, joihin lämpöpumput tarjosivat mahdollisen ratkaisun. [6, s. 42] Ki-ristyneiden päästörajoitusten takia lämpöpumppujen todellinen läpimurto tapahtui 1990-luvulla ja se jatkuu edelleen. [6]
2.2 Lämpöpumpun kiertoprosessi
Lämpöpumpun toiminnan kannalta neljä tärkeintä komponenttia on esitetty kuvassa 2.
Ne ovat höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili.
Kuva 2. Lämpöpumpun yksinkertaistettu kiertoprosessi, mukaillen [5, s. 216].
Kylmäaine, joka lämpöpumpuissa on yleensä osittain halogenoitua hiilivetyä [7], kiertää näiden komponenttien läpi. Prosessin aikana kylmäaineen olomuoto, paine ja sisäener-gia muuttuvat. Lämpöpumpun toiminta ja hyötysuhde perustuvat näiden muutoksien te-hokkuuteen. Lämpöpumpun toiminta perustuu käänteiseen Clausius-Rankine-proses-siin, jonka T,s-kuvaaja on esitetty kuvassa 3. [8, s. 351] Kuvan 3 tapaan, prosessin kul-kua on tapana havainnollistaa lämpötilan muutoksena entropian funktiona. Kuvassa
oleva paraabelimainen käyrä hahmottelee kylmäaineen ominaiskäyrää, jossa vasen kylki on kylläisen nesteen raja ja oikea kylki kylläisen höyryn raja [8, s. 70–71].
Kuva 3. Käänteinen Clausius-Rankine-prosessi T, s-kuvaajassa, mukaillen [5, s.
216].
Kuvassa 3 käänteisen Clausius-Rankine prosessin teoreettiset vaiheet on kuvattu kat-koviivoin, sekä numeroin 1’, 2’, 3 ja 4’. Todellinen prosessi on numeroitu 1–5. Vaiheissa 1’–2’, höyrystimessä lämmennyt kaasu puristetaan kompressorissa korkeaan painee-seen. Tämän seurauksena kaasun sisäenergia kasvaa ja lämpötila nousee. Vaiheessa 2’–3, puristettu kaasu johdetaan lauhduttimeen. Kasvaneen paineen ansiosta höyry lauhtuu korkeammassa lämpötilassa, kuin se höyrystyi. Tämän seurauksena kaasun lämpöenergia siirtyy lämmönjakopiiriin, jolloin kaasu jäähtyy sekä tiivistyy. Vaiheessa 3–
4’, nestemäiseksi lauhtunut kylmäaine siirtyy paisuntaventtiiliin. Paisuntaventtiilissä nes-teen paine laskee höyrystyksen vaatimalle tasolle ja se muuttuu kosteaksi höyryksi. Pro-sessin viimeisessä vaiheessa 4’–1’, paisunut kostea höyry kulkee höyrystimen läpi. Höy-rystimessä kylmäaine sitoo itseensä lämmönkeruupiiristä saatavan lämpöenergian ja prosessi alkaa alusta
.
[8, s. 68–69]Todellisessa lämpöpumpun kiertoprosessissa syntyy häviöitä ideaaliseen Clausius-Ran-kine-prosessiin verrattuna. Todellisuudessa puristus- ja paisuntaprosessit eivät ole ide-aalisia, jolloin lämpöä haihtuu ympäristöön. Kuvassa 3 nämä vaiheet on merkattu nume-roin 1–2 ja 4–5. Muita häviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat painehäviöt, höyryn lämpötila muutokset ja kylläisen höyryn tulistuminen. Tulistuminen aiheuttaa kuvassa 3 vaiheiden
1 ja 1’ välisen eron. Tulistuessaan höyryn lämpötila kohoaa tietyssä paineessa kylläistä höyryä korkeammaksi. [8, s. 70–71]
2.3 Lämpökerroin
Lämpöpumpun tehokkuutta mittaa parhaiten lämpökerroin, COP (Coefficient Of Perfor-mance). Lämpökerroin on suhde lämpöpumpun luovuttaman lämpöenergian ja proses-sissa tarvittavaan työn välillä. [8, s. 70–71]
Määriteltäessä lämpökerrointa, tarkastellaan lämpöpumpun toimintaa Carnot-prosessin kautta. Carnot-prosessi on ideaalikiertoprosessi, joka on aiemmin käsiteltyä Clausius-Rankine-prosessia yksinkertaistetumpi. Carnot-prosessi jaetaan neljään vaiheeseen.
Vaiheet ovat: 1–2 isentrooppinen puristus, 2–3 isoterminen lämmön luovutus, 3–4 isentrooppinen paisunta ja 4–1 isoterminen lämmön tuonti. Isentrooppisessa proses-sissa entropia pysyy vakiona ja isotermisessä prosesproses-sissa lämpötila pysyy vakiona. Ku-vassa 4 on esitetty Carnot-prosessi T, s-kuvaajassa, johon on merkattu vaiheet 1–4. [8, s. 25]
Kuva 4. Carnot-prosessi T, s-kuvaajassa, mukaillen [5, s. 158].
Kuvan 4 mukaisesti, prosessista saatu lämpö Q2 on
𝑄
2= 𝑄
1+ 𝑊
, (1)jossa 𝑄2 on prosessista saatu lämpö [J], 𝑄1 on prosessiin tuotu lämpö [J] ja W on pro-sessiin tehty työ [J] [8, s. 25]. Carnot-prosessissa lämpömäärät ja lämpötilat ovat suo-raan verrannollisia kaavan 2 mukaisesti
𝑄1 𝑄2=𝑇1
𝑇2, (2)
jossa Q1 ja Q2 ovat kuten kaavassa (1), T1 on höyrystimessä tapahtuva lauhtumislämpö-tila [K] ja T2 on lauhduttimessa tapahtuva höyrystymislämpötila [K]. Ratkaistaan kaavasta (1) tehty työ ja liitetään siihen kaava (2). Tällöin saadaan tehdylle työlle
𝑊 =𝑇2𝑇−𝑇1
2 𝑄2= (1 −𝑇𝑇1
2)𝑄2. (3)
Kaavasta (3) voidaan yksiselitteisesti todeta, että prosessista saatu lämpö on suurempi kuin prosessiin tehty työ. Kaavasta myös nähdään, että lämpökerroin, eli saadun lämpö-määrän ja tehdyn työn suhde, on riippuvainen lämpötilojen T2 ja T1 välisestä erosta. Car-not-prosessin hyötysuhde on
𝜂
𝐶=
𝑄2𝑊
.
(4)Tarvittaessa hyötysuhde saadaan myös lämpötilojen avulla, jolloin 𝜂𝐶 = 𝑇2
𝑇2−𝑇1. (5)
Carnot-prosessille laskettu hyötysuhde ei ole suoraan verrattavissa lämpöpumppujen lämpökertoimien kanssa. Se antaa kuitenkin pohjan sille, että merkittävin muuttuja läm-pöpumppujen lämpökertoimia laskettaessa on kylmäaineen lämpötilaerot lauhdutti-messa ja höyrystimessä. Kuten luvun alussa jo mainittiin, yleisesti lämpöpumppujen läm-pökertoimesta käytetään termiä COP, joka saadaan
𝐶𝑂𝑃 =𝑊𝑄𝑠𝑎𝑎𝑡𝑢
𝑘+𝑊𝑎𝑝𝑢, (6)
jossa Q on saatu lämpömäärä [J] ja Wk on kompressorin tekemä työ [J] sekä Wapu on apulaitteiden tekemä työ [J]. [8, s. 350] Suomen olosuhteissa hyvänä COP arvoa ilma-lämpöpumpulle voidaan pitää 1,5–2,5 ja maailma-lämpöpumpulle 3–4.
2.4 Kausihyötysuhde
Lämpöpumppujen tekemä työ tehdään pääsääntöisesti sähköenergian avulla. Lämpö-pumppujen sähkönkulutusta ja lämpökertoimia on hyödyllisempää vertailla, kun tarkas-telujaksona on esimerkiksi yksi vuosi. Tällöin käytetään termiä kausihyötysuhde, SCOP
(Seasonal Coefficient of Performance). Se kuvaa tarkastelu kauden keskimääräistä läm-pökerrointa. [9] SCOP saadaan laskettua
𝑆𝐶𝑂𝑃 =∑ 𝑄∑ 𝐸𝑙𝑝, (7)
jossa ∑ 𝑄𝑙𝑝 on lämpöpumpun tuottama lämpömäärä tarkastelujakson aikana ja ∑ 𝐸 on lämpöpumpun kokonaissähkönkulutus tarkastelujakson aikana. SCOP-luku on hyödylli-nen analysoitaessa järjestelmän kannattavuutta, sillä se ottaa huomioon lämpöpumpun lämpökertoimen myös kovimmilla pakkasilla. [9]