Energiatekniikan koulutusohjelma Diplomityö
Mikko Lehikoinen
Kuumalämpöpumpun käyttömahdollisuudet liikekiinteistössä
Työn tarkastajat: apulaisprofessori, TkT Tero Tynjälä
tutkijatohtori, TkT Antti Uusitalo
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT LUT School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma Mikko Lehikoinen
Kuumalämpöpumpun käyttömahdollisuudet liikekiinteistössä
Diplomityö 2020
79 sivua, 7 taulukkoa ja 23 kuvaa.
Tarkastajat: apulaisprofessori, TkT Tero Tynjälä tutkijatohtori, TkT Antti Uusitalo
Hakusanat: kuumalämpöpumppu, lämpöpumppu, lauhde, talteenotto, lämmitys, jäähdy- tys, kaukolämpö
Tämän työn tavoitteena oli tutkia kuumalämpöpumpun käyttömahdollisuuksia liikekiin- teistön jätelämmön talteenotossa. Pyrkimyksenä oli selvittää hyödynnettävät jäteläm- mönlähteet liikekiinteistössä sekä käyttökohteet, joissa tuotettua lämpöenergiaa voisi hyödyntää. Lopullisena tavoitteena oli selvittää kuumalämpöpumppuinvestoinnin kan- nattavuus.
Työn materiaalina käytettiin olemassa olevan liikekiinteistön taloteknisiä suunnitelmia sekä kirjallisuudesta löytyvää aineistoa. Suunnitelmien mukaisesta liikekiinteistöstä et- sittiin sopivat käyttökohteet ja niille selvitettiin käyttöpotentiaalit. Saatujen tietojen pe- rusteella mitoitettiin käyttötarkoitukseen sopiva kuumalämpöpumppu. Kuumalämpö- pumppuinvestoinnille tehtiin kannattavuuslaskelmat ja tutkittiin hintamuutosten vaiku- tuksia investoinnin takaisinmaksuaikaan.
Tutkittavasta kohteesta saatiin jätelämpöä kaupan kylmäjärjestelmän sekä tilojen jäähdy- tysjärjestelmän lauhteesta. Lauhteesta tuotettua lämpöä siirrettiin käyttöveden esilämmi- tykseen ja kaukolämpöverkostoon. Suurin osa lauhteesta oli käytettävissä lämmityskau- den ulkopuolella, sillä nykyisessä järjestelmässä lauhdelämpöä hyödynnettiin jo ilman- vaihdon ja käyttöveden esilämmitykseen sekä sulanapitoon. Kannattavuuslaskelmissa saatu takaisinmaksuaika oli varsin pitkä. Tämä johtui todennäköisesti suurimmalta osin kuumalämpöpumpun rajallisesta käyttöajasta sekä korkeasta lämpötilannostotarpeesta.
Jatkotutkimuksiin ehdotettiin selvitystä kuumalämpöpumppuinvestoinnin kannattavuu- den parantamiseksi, esimerkiksi omalla aurinkosähkötuotannolla.
ABSTRACT
Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT LUT School of Energy Systems
Master's Programme in Energy Technology Mikko Lehikoinen
High temperature heat pump applications in commercial buildings
Master’s thesis 2020
79 pages, 7 tables ja 23 figures.
Examiners: Associate Professor, D.Sc. (Tech) Tero Tynjälä Post-doc Researcher D.Sc. (Tech) Antti Uusitalo
Keywords: high temperature heat pump, heat pump, condensing heat, heat recovery, heat- ing, cooling, district heating
The aim of this work was to study the possibilities of using a high temperature heat pump in the recovery of waste heat from a commercial building. The aim was to discover the waste heat sources to be utilized in a commercial building as well as the applications in which the thermal energy produced could be utilized. The ultimate goal was to determine the profitability of a high temperature heat pump investment.
The materials used in this work were the HVAC plans and blueprints of an existing com- mercial building and material found in the literature. Suitable uses were sought for the commercial property and the use potentials were determined for them. Based on the ob- tained data, a suitable high temperature heat pump was dimensioned. Profitability calcu- lations were made for the high temperature heat pump investment and the effects of price changes were studied.
Waste heat was obtained from the condensate of the refrigeration system and the space cooling system. The heat generated from the condensate was transferred to domestic hot water preheater and the district heating network. Most of the condensate was available outside the heating season, as in the current system’s condensing heat was already utilized for ventilation and domestic hot water preheating and outdoor passage defrosting. The payback period obtained from the profitability calculations was quite long. This was prob- ably due to the limited operating time of the high temperature heat pump as well as the high temperature lift needed. A study was proposed for further research to improve the profitability of the high temperature heat pump investment, for example with photovoltaic production.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö tehtiin osittain päivätöiden ohella ja siihen kului kokonaisuudessaan paljon aikaa. Nyt olen tyytyväinen, että olen saanut tämän vaiheen vietyä loppuun asti.
Haluan kiittää apurahan taustalla olevaa rahoittajaa, Ranta-Putki Oy:tä työskentelyn mah- dollistamisesta. Haluan kiittää myös Jani Juntusta ja Matti Jaarasta erityisesti työn aiheen löytymisestä sekä monista neuvoista kirjoitusprosessin aikana. Kiitokset myös apualais- professori Tero Tynjälälle sekä tutkijatohtori Antti Uusitalolle työhön liittyvästä ohjeis- tuksesta sekä työn tarkistamisesta.
Lisäksi kiitän vaimoani saamastani tuesta sekä lapsiani siitä, että olette elämässäni.
Lappeenrannassa 18.6.2020 Mikko Lehikoinen
SISÄLLYSLUETTELO
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
1 JOHDANTO 8
1.1 Lähtökohdat ... 9
1.2 Tavoitteet ja rajaukset ... 10
2 LÄMPÖPUMPUT 11 3 KUUMALÄMPÖPUMPUN TEKNIIKKA 14 3.1 Kompressorityypit ... 14
3.1.1 Turbokompressorit ... 14
3.1.2 Mäntäkompressorit ... 15
3.1.3 Ruuvi- ja kaksoisruuvikompressorit ... 15
3.2 Kylmäaineet ... 16
3.2.1 Hiilidioksidi (R744) ... 19
3.2.2 R134a... 20
3.2.3 R245fa ... 21
3.2.4 Ammoniakki (R717) ... 22
3.2.5 Kylmäainerajoitukset ... 22
3.3 Lämpöpumppukytkennät ... 23
4 HYÖDYT JA MAHDOLLISUUDET 28 5 HAASTEET JA UHAT 30 6 LÄMMÖNLÄHTEET 31 6.1 Kaupan kylmälaitteet ... 31
6.2 Datakeskukset ... 32
6.3 Jätevesi ... 32
6.4 Teollisuuden prosessien hukkalämpö ... 32
7 KÄYTTÖKOHTEET 34 7.1 Kiinteistön lämmitystarpeet ... 34
7.2 Kaukolämpöverkosto ... 34
7.3 Teollisuuden prosessit ... 35
8 TUTKIMUSKOHDE 36 8.1 Hyödynnettävissä olevat kohteet ... 40
8.1.1 Kaupan kylmä ... 40
8.1.2 Jäähdytysverkosto ... 47
8.1.3 Käyttöveden lämmitys ... 48
8.1.4 Yhdistetty kytkentä ... 50
8.2 Lämpöpumpun valinta ... 52
8.3 Taloudellinen tarkastelu ... 59
8.4 Tulokset ... 63
9 JOHTOPÄÄTÖKSET 70
10 YHTEENVETO 74
LÄHDELUETTELO 76
LIITE I
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
𝑐pv veden ominaislämpökapasiteetti j/kgK
𝐸s sähköenergian kulutus kWh
H kokonaisinvestointikustannus €
𝐻ominais ominaisinvestointikustannus €/kW
h entalpia kJ
𝑖kl,m kaukolämmön myyntituotto €
𝑖kvel,s säästö käyttöveden lämmittämisessä €
𝑖n nettotuotto €
𝑘s sähkömaksu €
𝑘h huolto- ja kunnossapitokulut €
𝑙kl,m kaukolämpöenergian myyntihinta €/MWh
𝑙kl,o kaukolämpöenergian ostohinta €/MWh
𝑙s,o sähköenergian ostohinta €/MWh
𝑃k kompressorin ottama sähköteho kW
𝑃a apulaitteiden käyttämä teho kW
p paine kPa
𝑄lämpö,lp lämpöpumpun tuottama lämpöenergiamäärä MWh
𝑄lämpö,kvl käyttöveden lämmittämiseen käytetty lämpöenergiamäärä MWh
∆𝑇 lämpötilan muutos °C
𝑇H lämpöpumpun höyrystimen lämpötila K
𝑇kl,m kaukolämmön menoveden lämpötila °C
𝑇lkv kylmän käyttöveden lämpötila °C
𝑇L lämpöpumpun lauhduttimen lämpötila K
𝑇lkv lämpimän käyttöveden lämpötila °C
𝑡u ulkoilman lämpötila °C
𝑡x tarkasteltava lämpötila °C
𝑡tm takaisinmaksuaika a
𝑉lkv lämpimän käyttöveden tilavuus m³
𝜀c kylmäkerroin
𝛷H lämpöpumpun kylmäteho kW
𝛷L lämpöpumpun lämpöteho kW
𝜌v veden tiheys kg/m³
COP hetkellinen lämpökerroin COPC Carnot’n lämpökerroin
COPs keskimääräinen lämpökerroin tarkasteluajalla
EL2 lämpöpumppujärjestelmän käyttöveden lämmönsiirrin
JK jäähdytyskone
JV jäähdytysverkosto
KLP kuumalämpöpumppu
LTO lämmöntalteenotto
LP lämmityspatteri
LS lämmönsiirrin
log logaritminen
NJ nestejäähdytin
P pumppu
SP sulanapito
VJK vedenjäähdytyskone
1 JOHDANTO
Energian käyttö on lisääntynyt merkittävästi viimeisten 100 vuoden aikana ja viime vuo- sikymmeninä on ruvettu kiinnittämään huomiota entistä enemmän energiankäytön vaiku- tuksiin. Yhtenä osa-alueena tästä on ympäristövaikutukset. Teollistuminen mahdollistui fossiilisten polttoaineiden, kuten hiilen ja öljyn ansiosta. Nykyään niiden käyttöä pyritään vähentämään ja lopulta kokonaan lopettamaan ilmastonlämpenemisvaikutusten takia. Eu- roopan parlamentti on asettanut direktiivin uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön edistämisestä joulukuussa 2018. Osaksi kansallista lainsäädäntöä se on asetettava viimeistään 30. kesäkuuta 2021. EU:n yleistavoite uusiutuvien energialähteiden osuu- desta kokonaisloppuenergiankulutuksesta on 30 % vuoteen 2030 mennessä. Suomessa pyritään vähintään 51 %:in osuuteen vuoteen 2030 mennessä. (Työ- ja elinkeinoministeriö, et al., 2019; Ciucci, 2020)
Uusiutuvien energiamuotojen tarpeen kasvaessa, selvitetään eri energiamuotojen hyö- dyntämisen mahdollisuuksia. Yksi mahdollisesti hyödynnettävä energiamuoto on erilai- sista lähteistä saatava jätelämpöenergia. Tällä tarkoitetaan yleensä veteen tai ilmaan si- toutunutta lämpöenergiaa, jolle ei enää järjestelmässä ole käyttöä tai sitä ei pystytä hyö- dyntämään. Tällöin lämpöenergia siirretään ulos järjestelmästä esimerkiksi ulkoilmaan.
Jätelämpöenergiaa hyödyntämällä voidaan vähentää primäärienergiankulutusta, kun se tehdään energiatehokkaasti. Hyödynnettävää jätelämpöä syntyy erilaisissa prosesseissa runsaasti. Tästä kuitenkin suuri osa on niin matalassa lämpötilassa, että sitä ei voida suo- raan hyödyntää. Esimerkiksi Energiateollisuus ry:n ja työ- ja elinkeinoministeriön vuonna 2010 tekemän selvityksen mukaan Suomessa teollisuuden ylijäämälämpöä olisi mahdol- lista hyödyntää noin 18,9 TWh/a, josta 11,1 TWh/a on alle +55 °C lämpötilatasolla (Maaskola & Kataikko, 2014, p. 5).
Eräs hyödynnettävissä oleva jätelämpöenergia on kylmäkoneiden lauhde. Kylmäkoneet siirtävät lämpöenergiaa kylmätilasta pois lämpimämpään tilaan lauhteen muodossa. Läm- pimämpi tila on usein ulkoilma. Näin ollen kaikki kylmätilasta otettu lämpöenergia sekä kylmäkoneen kompressorin tuottama lämpöenergia siirtyvät suurimalta osin ulkoilmaan,
eikä niitä hyödynnetä. Lauhdelämpöenergiaa hyödynnetään osittain joissakin, varsinkin uudemmissa suurissa jäähdytysratkaisuissa. Lauhteen lämpötila on kuitenkin usein niin matala, että sitä ei pystytä täysin hyödyntämään, vaan iso osa siitä siirretään edelleen pois järjestelmästä.
Matalalämpötilaista lauhdelämpöenergiaa olisi mahdollista nostaa korkeammalle lämpö- tilatasolla lämpöpumpun avulla. Lämpöpumppu toimii kylmäkoneen tavoin siirtäen läm- pöenergiaa kylmemmästä tilasta lämpimämpään. Se voisi siis ottaa lämpöenergiaa kyl- mäkoneen lauhteesta ja siirtää se käyttökohteen lämpönieluun.
Elintarvikemyymälät tarvitsevat jatkuvaa jäähdytystä kylmätiloille, jotta elintarvikkeet pysyvät vaaditussa lämpötilassa. Tämä tarve on olemassa ympäri vuoden, koska kylmä- tiloihin siirtyy lämpöä ympäröivistä lämmitetyistä myymälätiloista myös kylmään talvi- aikaan.
1.1 Lähtökohdat
Kauppaketjut tekevät suuria investointeja energiajärjestelmiinsä ja energiatehokkuuteen sekä uusiutuviin energiamuotoihin panostetaan entistä enemmän. Tähän on todennäköi- sesti vaikuttanut kylmäaineisiin liittyvä sääntely, Euroopan Unionin energiatehokkuus- vaatimukset, halu pienentää liiketilojen energiankäytön kustannuksia sekä imagosyyt.
Yksi myymälän mahdollinen energiatehokkuusparannus on hyödyntää kylmäkoneista saatavaa lauhdelämpöenergiaa. Monissa uudemmissa tai lähiaikoina saneeratuissa myy- mälöissä lauhdelämpöä hyödynnetäänkin. Lauhdelämmön lämpötila on kuitenkin yleensä niin matala, että siitä ei voida kaikkea hyödyntää liiketilan omiin käyttötarkoituksiin.
Lämpöpumpulla olisi mahdollista nostaa kylmäkoneiden lauhteen lämpötilaa korkeam- maksi niin, että sen hyödyntämiskohteiden määrä kasvaa. Suurin lauhdelämpöenergian tuotanto ajoittuu kuitenkin kesään, jolloin myymälän lämmöntarve on pienimmillään.
Tällöin suurin osa lämpöenergiasta jäisi hyödyntämättä, ellei sitä voisi siirtää myymälän ulkopuolelle käytettäväksi. Kaukolämpöverkosto voisi toimia lämpöpumpun lämpönie-
luna. Tällöin voisi olla mahdollista hyödyntää kaikki käytettävissä oleva jätelämpöener- gia. Kaukolämpöverkoston lämpötilat ovat kuitenkin korkeat, tyypillisesti vaihdellen vä- lillä 70-120 °C. Käytössä olevan lämpöpumpputekniikan korkein mahdollinen lämpötila on ollut rajallinen muun muassa käytettyjen kylmäaineiden ominaisuuksien takia. Kuu- malämpöpumpulla olisi mahdollista tuottaa riittävän lämmintä lämpöenergiaa, jotta sitä voisi syöttää kaukolämpöverkostoon.
1.2 Tavoitteet ja rajaukset
Tämän työn tavoitteena on tutkia kuumalämpöpumpun soveltuvuutta ja käyttömahdolli- suuksia liikekiinteistön jätelämmön talteenotossa. Pyrkimyksenä on selvittää hyödynnet- tävät jätelämmönlähteet liikekiinteistössä sekä käyttökohteet, joissa tuotettua lämpöener- giaa voisi hyödyntää. Lopullisena tavoitteena on selvittää kuumalämpöpumppuinvestoin- nin kannattavuus.
Tässä työssä käsitellään lämpöpumpuista kaukolämpöverkoston menoveden lämpötila- alueelle soveltuvia lämpöpumppuja. Tutkimusosa tehdään Etelä-Suomen ilmasto-olosuh- teissa toimivalle, jo olemassa olevalle hypermarketille. Kannattavuuslaskelmat tehdään vain liiketilan omistajan tai käyttäjän näkökulmasta.
2 LÄMPÖPUMPUT
Lämpöpumppu on laite, joka kykenee siirtämään lämpöä kylmemmästä tilasta lämpi- mämpään. Lämpöpumpputekniikoita on erilaisia, ja ne voidaan jaotella usealla eri tavalla.
Yksi ryhmittelyperuste on lämpöpumppujen jaottelu järjestelmän avoimuuden ja käyttö- energian perusteella. Tämä ryhmittely on esitetty taulukossa 1. (Aittomäki, et al., 2012, p. 338)
Taulukko 1. Lämpöpumppujen jaottelu järjestelmän ja käyttöenergian perusteella.
Järjestelmä Käyttöenergia
Lämpö Mekaaninen
Avoin Ejektori Avoin höyrykompressori, kaasun paisunta Suljettu Absorptiokoneisto Kompressorikäyttöinen höyrystyskoneisto
Tässä työssä käsitellään suljettua kompressorikäyttöistä höyrystyskoneistoa.
Lämpöpumpun tärkein tehtävä on tuottaa lämpöä. Tämän edellytyksenä on riittävän kor- kea lämpötilataso, sovelluskohteesta riippuen. Yleisesti lämpöpumpun käyttö on sitä edullisempaa, mitä matalammat lämpötilatasot ovat. (Seppänen, 2001, p. 379; Aittomäki, et al., 2012, p. 336) Suuntaa-antavia arvoja ovat (Seppänen, 2001, p. 379; Aittomäki, et al., 2012, p. 336):
• rakennusten ilmalämmitys 20…40 °C
• rakennusten vesikeskuslämmitys 30…80 °C
• käyttöveden lämmitys 50…80 °C
• kaukolämmitys 70…120 °C
• höyryn kehitys 110…150 °C
• prosessisovellukset 30 °C…
Lämpötila-alueen alapää on helposti saavutettavissa tavanomaisilla konetyypeillä. Kor- keammissa lämpötiloissa alkaa kuitenkin ilmetä teknisiä ongelmia ja rajoituksia, kuten kylmäaineen stabiilisuus, korkea paine sekä liiallinen tulistuminen. Muita rajoittavia te- kijöitä ovat kompressorin toiminta-alue ja korroosio-ongelmat. Lisäksi aiemmin käytössä olleista korkean lämpötilan kylmäaineista on jouduttu luopumaan niiden ympäristövai- kutusten takia. (Seppänen, 2001, p. 379; Aittomäki, et al., 2012, p. 336)
Lämpöpumput kilpailevat muiden lämmöntuotantotapojen joukossa. Jotta lämpöpumput olisivat kilpailukykyisiä, tulisi niiden lämmöntuotannon hinnan olla riittävän pieni. Läm- pöpumpulla tuotetun lämmön hintaan vaikuttavat esimerkiksi pääomakustannukset sekä käyttökustannukset. Laitoksen hankintahinnan lisäksi lämpöpumpun kustannuksiin vai- kuttaa siis myös käytönaikaiset kustannukset, jotka lämpöpumpun tapauksessa koostuvat suurimmalta osin sähkön kulutuksen aiheuttamista kustannuksista.
Tuotetun lämpöenergian suhdetta kulutettuun sähköenergiaan voidaan kuvata lämpöker- toimella COP. Kaikkien lämpöpumppujen teoreettinen maksimilämpökerroin voidaan määrittää ideaalisen Carnot-prosessin avulla. Teoreettisen maksimilämpökertoimen (COPC) määritys on esitetty yhtälössä (1). (Seppänen, 2001, p. 378)
COPC = 𝑇L
𝑇L− 𝑇H (1)
missä
𝑇L on lauhtumislämpötila [K]
𝑇H on höyrystymislämpötila [K]
Todellinen lämpöpumppuprosessi poikkeaa teoreettisesta eri häviötekijöiden johdosta.
Näihin häiriötekijöihin kuuluvat muun muassa: kompressorin häviöt, putkiston, lauhdut- timen ja höyrystimen painehäviöt sekä kylmäainehöyryn tulistaminen höyrystimessä. To- dellista lämpöpumppuprosessia paremmin kuvaava lämpökerroin saadaan näin ollen yh- tälöstä (2). (Seppänen, 2001, pp. 378-379)
COP = 𝛷s
𝑃k+ 𝑃a (2)
missä
𝛷s on hyödyksi saatu lämpö [W]
𝑃k on kompressorin teho [W]
𝑃a on apulaitteiden käyttämä teho [W]
Yhtälöstä (1) nähdään, että lauhtumis- ja höyrystymislämpötilojen erotus vaikuttaa mer- kittävästi teoreettisen maksimilämpökertoimen suuruuteen. Lämpötilojen suurilla abso- luuttisilla arvoilla ei ole niin merkittävää vaikutusta lämpökertoimeen.
3 KUUMALÄMPÖPUMPUN TEKNIIKKA
Kuumalämpöpumpulle ominaista on tavanomaista korkeampi lämpötila lauhduttimessa.
Kuumalämpöpumpun (engl. High Temperature Heat Pump tai Very High Temperature Heat Pump) lauhduttimen lämpötilalle ei ole virallista määritelmää. Kirjallisuudessa on käytetty raja-arvona esimerkiksi 80 °C tai 100 °C (Arpagaus, et al., 2018).
Kuumalämpöpumppujen valmistajat käyttävät eri menetelmiä suuren lämpötilaeron saa- vuttamiseksi lauhduttimen ja höyrystimen välille. Eri valmistajien koneikot eroavat toi- sistaan esimerkiksi kylmäaineen, kompressorityypin ja kylmäainekierron osalta.
3.1 Kompressorityypit
Yleisimmät lämpöpumppujen kompressorityypit ovat turbo-, mäntä- ja ruuvikompresso- rit. Kompressorit voidaan jakaa ryhmiin niiden puristustavan perusteella. Mäntä-, ruuvi- ja kierukkakompressorit ovat staattisesti puristavia, eli paine nostetaan pienentämällä tie- tyn kaasumassa tilavuutta. Turbokompressori luokitellaan kineettisesti puristavaksi, sillä siinä annetaan kaasumassalle liike-energiaa, joka muuttuu paineennousuksi. Tässä kap- paleessa kompressorityypit käydään lyhyesti läpi ja esitellään niiden merkittävimmät ominaisuudet.
3.1.1
TurbokompressoritTurbokompressori on kineettisesti puristava kompressori. Liike-energian lisäys tapahtuu kompressorin juoksupyörässä, josta kaasumassa ohjataan diffuusoriin ja edelleen spiraa- liin. Näissä liike-energia muuttuu paineen nousuksi. Turbokompressoria voidaan säätää johtosiipisäädöllä tai kierrosnopeuden säädöllä. Sähkömoottorikäytössä kierrosnopeus on usein vakio, joten säätö tapahtuu johtosiipien kulmaa muuttamalla.
Turbokompressorin tehoalue on laaja. Painesuhdettakin on mahdollista kasvattaa suu- reksi, mutta se vaatii useampia portaita, jolloin kompressorin hinta ja koko kasvavat. Tyy- pillisimmät käyttöpaikat ovatkin suurta tehoa ja pientä painesuhdetta vaativat kohteet, kuten ilmanvaihdon jäähdytys ja lämpöpumput. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 152-156)
3.1.2
MäntäkompressoritMäntäkompressorit ovat olleen pitkään käytössä jäähdytyskoneikoissa. Ensimmäiset ta- loudelliset koneikot on rakennettu 1800-luvun loppupuolella. Huolimatta uudempien kompressorityyppien saapumisesta markkinoille, mäntäkompressorit ovat säilyttäneet paikkansa monilla eri alueilla. Kehitys on vaatinut kompressorien koon pienemistä ja ke- venemistä, sekä kompressorin eri osien, kuten rakenneaineiden, eristeiden ja voitelun pa- rantamista. (Aittomäki, et al., 2012)
Mäntäkompressorit kuuluvat syrjäytyskaasukompressorien alaryhmään. Mäntäkompres- sorissa mäntä siirtää syrjäytystilavuutensa verran kaasua jokaisella pyörähdyskierroksella matalammasta painetasosta korkeampaan. (Aittomäki, et al., 2012)
3.1.3
Ruuvi- ja kaksoisruuvikompressoritRuuvikompressorit ovat staattisesti puristavia kompressoreja, joissa paineen nousu tuo- tetaan pienentämällä ruuvin harjojen väliin jäävää tilaa. Kaasun poistuminen ruuvin har- jojen välistä estetään kompressorin kuoren lisäksi, kompressorityypistä riippuen, joko toi- sella ruuvilla (kaksiroottorinen) tai sulkupyörillä ja ruuvin päädyllä (yksiroottorinen).
Kaksiroottorisessa ruuvikompressorissa puristustilavuuden omaavan ruuvin vieressä on toinen ruuvi, jonka harjat sulkevat edellä mainitun harjojen välisen tilan jokaisen kierrok- sen kohdalla. Suljettujen kohtien väliin jäävä tila on kaasun puristustila, joka ruuvien pyöriessä etenee ja samalla pienentyy aiheuttaen paineen nousun. Yksiroottorisessa ruu- vikompressorissa ruuvin molemmilla puolilla on sakaramaiset sulkupyörät, jotka sulkevat ruuvin harjojen välisen tilan. Näiden väliin muodostuu puristustilavuus, jossa paine nou- see. (Aittomäki, et al., 2012, p. 148)
Jäähdytyskäytössä olevat ruuvikompressorit ovat tyypillisesti öljyruiskutteisia, joissa sy- linteriin ruiskutetaan runsaasti öljyä. Tämä mahdollistaa sivuroottorin vetämisen suoraan pääroottorilla. Öljyruiskutuksella vuodot pienenevät ja kompressorin kierrosnopeutta voidaan alentaa, koska öljykalvo toimii tiivisteenä roottorien välissä. Tämä mahdollistaa kompressorin toleranssien suurentamisen, joka myönteisesti vaikuttaa laitteen hintaan.
Öljyä tarvitaan myös muissa kompressorin liikkuvissa osissa, kuten laakereissa ja säätö- luistissa. Öljy toimii hyvänä jäähdyttäjänä, etenkin suuremmilla virtaamilla. Sen avulla lämpöliikkeet pienenevät ja puristuksen loppulämpötila on alhaisempi. Tämän takia ruu- vikompressoreilla päästäänkin tyypillisesti mäntäkompressoreita korkeampiin painesuh- teisiin, jopa yli 15. Öljyn vastaanottaman suuren lämpömäärän takia tarvitaan tehokas öljynjäähdytys. Öljyruiskutteisissa ruuvikompressoreissa kylmäaineen mukana poistuu huomattava määrä öljyä. Tämä vaatii tehokkaan öljynerotuksen kompressorilaitteiston yhteydessä, mikä lisää kustannuksia sekä yleensä myös tilavaatimuksia. Kylmäaineen ominaisuudet vaikuttavat tarvittuun öljyn erotusasteeseen. (Aittomäki, et al., 2012, p.
149)
Ruuvikompressoreita voidaan säätää joko kierrosnopeutta muuttamalla tai säätöluistilla.
Hyötysuhde on suurimmillaan tietyllä kierrosnopeudella ja painesuhteella. Se ei kuiten- kaan pienene kovin nopeasti tästä pisteestä poikettaessa. Suuremmalla säätötarpeella voi- daan säätö toteuttaa säätöluistilla, jolla voidaan muuttaa puristuksen alkamiskohtaa root- torissa. Puristuksen alkamiskohtaa myöhentämällä pienenee imetty tilavuus sekä tila- vuussuhde. (Aittomäki, et al., 2012, p. 150)
3.2 Kylmäaineet
Lämpöpumpuissa käytettävää kiertoainetta kutsutaan kylmäaineeksi. Kylmäainetta käy- tetään lämmönsiirtoon lämpöpumpun höyrystimen ja lauhduttimen välillä. Kylmäaine on yksi tärkeimmistä lämpöpumpun tehokuuteen vaikuttavista tekijöistä. Kylmäaineen va- lintaan vaikuttavat ominaisuudet voidaan jakaa eri kategorioihin, joita ovat mm. aineen termodynaamiset ominaisuudet, ympäristövaikutukset, turvallisuus, tehokkuus, saata- vuus sekä muut tekijät. (Arpagaus, et al., 2018, p. 999; Kapanen, 2017)
Kylmäaineen termodynaamiset ominaisuudet määräävät vahvasti aineen käyttäytymisen kiertoprosessissa. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat moolimassa, höyrystymislämpö, omi- naislämpökapasiteetti ja höyrypaine. Näihin läheisesti liittyvät niin sanotut kuljetusomi- naisuudet vaikuttavat painehäviöön sekä lämmönsiirtymiseen. Kuljetusominaisuuksiin lukeutuvat tiheys, viskositeetti, pintajännitys ja lämmönjohtavuus. (Aittomäki, et al., 2012, p. 103)
Toivottavia termodynaamisia- ja kuljetusominaisuuksia ovat muun muassa (Aittomäki, et al., 2012, p. 103):
• suuri höyrystymislämpö
• pieni painesuhde
• pieni viskositeetti
• hyvä lämmönjohtavuus
• suuri tilavuustuotto
• sopiva höyrynpainealue
Suuresta höyrystymislämmöstä seuraa pieni massavirta ja näin ollen kompressorin ja put- kistojen pienempi koko. Pienemmistä komponenteista tyypillisesti seuraa kustannussääs- töjä. Pienestä painesuhteesta seuraa pieni puristustyö sekä tulistuminen puristuksessa.
Pienen viskositeetin johdosta painehäviöt ovat pienemmät. Hyvä lämmönjohtavuus yh- distettynä pieneen viskositeettiin antaa tehokkaan lämmönsiirron mahdollistaen pienem- mät lämpötilaerot tai lämpöpinnat. Tilavuustuotto kuvaa kylmäaineeseen sitoutunutta energiaa tämän höyrystyessä ja sen yksikkö on kJ/m³. Suuri tilavuustuotto mahdollistaa fyysiseltä kooltaan pienemmän kompressorin. Sopivalla höyrynpainealueella minimoi- daan riskit alipaineen aiheuttamaan ilmavuotoon koneikossa, koneikon fyysisen koon kasvattamiseen alipaineen aiheuttaman huonon tilavuustuoton seurauksena sekä liikapai- neen aiheuttaman lujuusvaatimusten kasvuun. (Aittomäki, et al., 2012, p. 103; Hakala &
Kaappola, 2007)
Kylmäaineiden ympäristövaikutuksia vertaillaan yleisesti kahdella tunnusluvulla, otso- nihaitallisuudella ODP (engl. Ozone Depletion Potential) ja kasvihuonehaitallisuudella
GWP (engl. Global Warming Potential). Otsonihaitallisuus kuvaa kylmäaineen suhteel- lista haitallisuutta yläilmakehän otsonille. Vertailulukuna käytetään kylmäaine R11:ta ot- sonille aiheutunutta haittaa 100 vuoden tarkastelujaksolla. Otsonihaitallisuus aiheutuu kylmäaineen kloorista ja bromista, joten otsonihaitaton kylmäaine ei sisällä näistä kum- paakaan. Kasvihuonehaitallisuus kuvaa kylmäaineen suhteellista vaikutusta kasvihuo- neilmiöön verrattuna hiilidioksidin 100 vuoden vertailujaksoon. GWP-arvon laskennassa on otettava huomioon suorien vaikutusten lisäksi myös esimerkiksi kylmäaineiden eri- laisten kylmäkertoimien vaikutus. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 104-105; Kapanen, 2017, p. 2)
Kylmäaineet jaotellaan turvallisuuden puolesta standardin ISO 817 mukaisesti niiden pa- lavuuden sekä myrkyllisyyden perusteella (Kapanen, 2017, p. 3). Palavuusluokkia on kolme:
Luokka 1: ilmassa palamattomat (ei esiinny liekin etenemistä ilmakehän paineessa ja 60°C lämpötilassa)
Luokka 2L: alhaisempi syttyvyys Luokka 2: syttyvä
Luokka 3: korkeampi syttyvyys.
Myrkyllisyysryhmiä on kaksi:
Ryhmä A: aineet, joiden sallittu työpaikkapitoisuus on 400 ppm tai suurempi Ryhmä B: aineet, joiden sallittu työpaikkapitoisuus on korkeintaan 400 ppm.
Kylmäaineen tehokuutta mitataan esimerkiksi lämpökertoimella korkeissa lämpötila- eroissa, tulistuksen tarpeella ennen kompressoria sekä tilavuustuotolla. Suurempi lämpö- kerroin tarkoittaa lämpöpumpun parempaa hyötysuhdetta, mutta suurempi tulistuksen tarve pienentää sitä. Suuremmalla tilavuustuotolla voidaan lämpöpumpusta tehdä fyysi- siltä mitoiltaan pienemmän kokoinen. Kylmäaineen valintaan vaikuttavat merkittävästi myös kyseisen aineen markkinatilanne. Tähän kuuluvat kylmäaineen saatavuus markki-
noilla sekä hinta. Kylmäaineen markkinahinnan noustessa, voi muuten kannattava läm- pöpumppuinvestointi muuttua kannattamattomaksi. Muita kylmäaineen valintaan vaikut- tavia seikkoja ovat muun muassa kylmäaineen tyydyttävä liukoisuus öljyyn, kylmäaine- öljy -sekoituksen terminen stabiilisuus ja voiteluaineen ominaisuudet korkeissa lämpöti- loissa. Lisäksi huomioidaan kylmäaineen yhteensopivuus materiaalien kanssa, joihin se saattaa olla kontaktissa, kuten alumiini, teräs ja kupari. (Arpagaus, et al., 2018, pp. 999- 1001)
Yksi tärkeimmistä rajoittavista tekijöistä kylmäaineen käytössä kuumalämpöpumpussa on kylmäaineen kriittinen lämpötila. Lämpötilan tai paineen noustessa kriittisen pisteen yläpuolelle, ei neste- ja kaasufaaseja voida enää erottaa. Ylikriittisessä kiertoprosessissa häviöt kasvavat alikriittiseen prosessiin verrattuna, mikä pienentää lämpökerrointa.
(Aittomäki, et al., 2012)
Arpagaus et al. (2018) esitteli katsauksessaan High temperature heat pumps: Market over- view, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials eri kuuma- lämpöpumppuja ja niiden tekniikoita. Yhtenä osana tästä oli lämpöpumppujen kylmäai- neet. Kylmäaineina kuumalämpöpumpuissa käytettiin muun muassa hiilidioksidia (R744), ammoniakki-vesi -seosta (R717/R718) sekä joitakin HFC- ja HFO-yhdisteitä (R245fa, R134a, R1336mzz(Z) ja R1234ze(E)).
3.2.1
Hiilidioksidi (R744)Hiilidioksidia on käytetty elintarvikkeiden jäähdyttämiseen jo 1800-luvun puolestavälistä saakka. 1930-luvulla halogeenihiilivedyt syrjäyttivät hiilidioksidin kylmäaineena pie- nemmän koneikon ja paremman kylmäkertoimen avulla. Myöhemmin halogeenihiilive- tyjen käyttöä jouduttiin kuitenkin vähentämään niiden ympäristövaikutusten takia ja hii- lidioksidia alettiin jälleen suosimaan 90-luvulla, aluksi autojen jäähdytyksessä, myöhem- min kylmäaineena. Nykyään hiilidioksidia käytetään laajalti muun muassa kauppojen kylmälaitteissa sekä lämpöpumpuissa, erityisesti käyttöveden lämmittämiseen.
(Aittomäki, et al., 2012, p. 121)
Hiilidioksidin etuina kylmäaineena ovat myrkyttömyys, palamattomuus, suuri tilavuus- tuotto sekä höyrystymislämpö, alhainen viskositeetti ja erinomainen lämmönsiirto. Li- säksi hiilidioksidilla on laaja käyttöalue (-54°C:een asti) ja se on yhteensopiva kaikkien metallien ja useimpien muovien kanssa. Hiilidioksidi on hinnaltaan edullista, sillä sitä esiintyy luonnossa ja kylmäaineena voidaan käyttää muista prosesseista talteen otettua hiilidioksidia. Toisin kuin monet synteettiset kylmäaineet, hiilidioksidia ei tarvitse ottaa talteen kylmälaitteen huollossa tai käytöstä poistossa. Hiilidioksidi on ympäristölle lähes haitatonta; sen GWP on yksi ja ODP nolla. Mikäli kylmäaineena käytetty hiilidioksidi on muusta prosessista talteen otettua jätetuotetta, voidaan sen GWP:nä käyttää nollaa.
(Aittomäki, et al., 2012, pp. 121-122; Grassi, 2018; Bolaji & Huan, 2013; Kapanen, 2017) Hiilidioksidin käyttöön kylmäaineena aiheuttaa haasteita sen matala kriittinen lämpötila, 31 °C ja korkea paine, 73,8 baaria. Tämän vuoksi hiilidioksidin kaasukompressioprosessit ympäristön lämpötilassa tapahtuvat osittain kriittisen pisteen yläpuolella (transkriittinen prosessi). Transkriittisen prosessin tulistuksen jäähtymisen ja kuristuksen aiheuttamat hä- viöt ovat suuremmat johtaen saman lämpötila-alueen alikriittisiä prosesseja huonompaan kylmäkertoimeen. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 71-72, 122)
Vaikka hiilidioksidi ei ole myrkyllistä, voi se ilmaa raskaampana syrjäyttää hapen lattia- tasosta. Suurempina pitoisuuksina se voi näin ollen aiheuttaa ihmiselle tajuttomuuden ja pahimmillaan kuoleman. Lisäksi hiilidioksidi on hajuton ja mauton, joten mahdollisten vuotojen havaitsemiseksi tarvitaan erillisiä mittalaitteita. (Aittomäki, et al., 2012, p. 122;
Kapanen, 2017, p. 13)
3.2.2
R134aR134a on erityisesti ajoneuvojen ilmastointilaitteissa käytetty klooriton halogeenihiili- vety (HFC). Otsonikadon takia jouduttiin luopumaan klooria sisältävistä kylmäaineista ja tilalle jouduttiin kehittämään korvaavia tuotteita. R134a toimi korvaajana muun muassa laajasti käytetylle freon-12 -kylmäaineelle (R12). R134a on palamaton ja myrkytön (tur- valuokka A1). Kloorittomana kylmäaineena sen ODP on 0. Kasvihuonevaikutuksiltaan
R134a on kuitenkin suuri (GWP = 1430). R134a on osana monissa eri kylmäaineseok- sissa, kuten R404A, R407C, R413A. Muihin HFC-kylmäaineisiin verrattuna R134a:n ti- lavuustuotto on pienempi ja näin ollen se tarvitsee suuremman kompressorin. R134a:n kriittinen lämpötila on hieman aiemmin käytettyjä kylmäaineita korkeampi (101 °C) ja kriittinen paine (41 baaria) on samaa luokkaa useimpien kylmäaineiden kanssa. Näiden ominaisuuksien perusteella R134a sopisi parhaiten keskilämpötilaisiin lämpöpumppui- hin, joissa lauhduttimen lämpötila on alle 100 °C. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 111-112;
BOC, 2013)
3.2.3
R245faPentafluoripropaani (HFC-245fa) on fluorihiilivety, jota käytetään pääasiassa puhallus- ja eristysaineena vaahtomuovieristeissä. Se soveltuu myös käytettäväksi kylmäaineena lämmöntalteenotto-, jäähdytys- ja lämpöpumppujärjestelmissä. R245fa on palamaton, mutta terveydelle haitallinen (turvaluokitus B1). R245fa voi aiheuttaa lyhytkestoisella, mutta suuripitoisella altistuksella esimerkiksi sydämen herkistymistä. Muita toksikologi- sissa testeissä havaittuja haittavaikutuksia olivat muun muassa lisääntynyt virtsaamis- tarve sekä lievä sydäntulehdus. Saatavilla oleva tiedon perusteella R245fa:n syöpäriski on pieni. (Honeywell, 2007)
R245fa:n ympäristövaikutukset ovat pienemmät, kuin aiemmin käytössä olleiden HCFC- yhdisteiden. R245fa ei sisällä klooria, joten sen ODP on nolla. R245fa on kuitenkin voi- makas kasvihuonekaasu, sillä sen GWP on noin 1000 (eri arviot ovat väliltä 950-1020).
(Honeywell, 2007; Zyhowski, et al., 2002)
R245fa soveltuu hyvin kuumalämpöpumppukäyttöön sen korkean kriittisen lämpötilan (154 °C ja matalan kriittisen paineen (36,5 baaria) takia. R245fa on yhteensopiva useiden muovien, mutta soveltumaton suurimman osan testattujen elastomeerien kanssa, pois lu- kien butyylikumi ja uretaani. (Honeywell, 2020; Honeywell, 2010)
3.2.4
Ammoniakki (R717)Ammoniakki oli hiilidioksidin ohella ensimmäisiä, jo 1800-luvun puolella käyttöön otet- tuja kylmäaineita. Hyvien ominaisuuksiensa takia ammoniakkia käytetään kylmäaineena laajasti, etenkin suuremmissa kylmäkonelaitteissa. Ammoniakin suosiota suuryksiköissä tukee sen laaja käyttö kemianteollisuudessa, jolloin sitä on hyvin saatavilla myös kylmä- aineeksi. Ammoniakin höyrystymislämpö on kylmäaineista suurin, noin 6-7 -kertainen hiilivetyihin verrattuna. Suuren höyrystymislämmön takia massavirta ja putkiläpimitat ovat pienet, joista tulee säästöjä laitoskustannuksiin. Alhaisen viskositeetin ja suuren läm- mönjohtavuuden ansiosta lämmönsiirto-ominaisuudet lauhduttimessa ja höyrystimessä ovat hyvät. Ammoniakilla on suuri tilavuustuotto, joten koneikot ovat fyysisiltä mitoil- taan pieniä. Ammoniakki kestää pienet määrät likaa ja kosteutta järjestelmässä ilman suu- rempia ongelmia. Vuodot on helppo havaita hajun perusteella jo ennen terveydelle vaa- rallista pitoisuutta. Ammoniakin korkea kriittinen paine (132 °C) on suotuisa ominaisuus kuumalämpöpumppukäytössä, mutta korkea kriittinen paine (113 baaria) aiheuttaa suuria haasteita laitoksen rakennesuunnitteluun. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 116-117; BOC, 2013)
Ammoniakin ehkä tunnetuin ominaisuus on sen myrkyllisyys. Jo pienemmät pitoisuudet (150…200 ppm) aiheuttavat lievempiä haittoja, kuten silmien kirvelyä. Vakavimmat hai- tat alkavat huomattavasti suuremmilla pitoisuuksilla (2000…3000 ppm). Ammoniakin käytöstä kylmäaineena on jo pitkä, yli 100 vuoden, kokemus ja sen aikana suuria vahin- koja on sattunut vain muutamia. Myrkyllisyyden lisäksi ammoniakki on palavaa. Tosin syttymiseen vaadittava energia on melko suuri, joten palamiseen vaaditaan otolliset olo- suhteet. Räjähdysherkkyyttä lisäävät myös tietyt aineet, kuten happi ja halogeenit.
(Aittomäki, et al., 2012, pp. 116-119)
3.2.5
KylmäainerajoituksetKylmäaineiden käyttöä on rajoitettu jo pitkään niiden ympäristövaikutusten takia. Vii- meisimpänä on alkuvuodesta 2020 voimaan astunut rajoitus, joka kieltää GWP-arvoltaan
yli 2500 omaavien kylmäaineiden käytön uusissa laitteissa. Kierrätettyjen kylmäaineiden käyttö on sallittu 2030 asti. Kylmäainerajoitukset asetetaan yleensä voimaan asteittain, niin että ensin niiden käyttö kielletään uusissa laitteissa ja myöhemmin uusilla laitteilla huollossa, sitten kierrätetyillä aineilla ja lopuksi täysi kielto. Aiemmin on täysi käyttö- kielto tullut voimaan CFC-kylmäaineille vuonna 2001 ja HCFC-kylmäaineille vuonna 2015. HFC- ja PFC kylmäaineiden käyttöä on rajoitettu autojen ilmastointilaitteissa vuonna 2017, kun uusi GWP-raja on 150. HFO-kylmäaineille ei toistaiseksi ole asetettu rajoituksia. (Kapanen, 2017; Tukes, 2014; Suomen ympäristökeskus SYKE, 2013) Kylmäainerajoituksien tiukentuessa, monia vähäisten ympäristövaikutusten kylmäaineita tutkitaan entistä enemmän. Näistä yksi on nk. luonnollisena kylmäaineena vesi (R718), joka ainakin tuoreen tutkimuksen perusteella voisi soveltua erityisesti yli 100 °C:teen lauhduttimen lämpötilan kuumalämpöpumppuratkaisuihin. Tutkimuksessa tehtyjen si- mulointien perusteella, veden Carnot’n hyötysuhde suurenee lauhduttimen lämpötilan kasvaessa. Muilla tarkastelluilla kylmäaineilla muutos oli negatiivinen. Vesi on ympäris- tölle haitaton, sillä sen GWP ja ODP ovat nolla, vesi on myrkytön eikä se ole palava. Vesi kylmäaineena kuitenkin tarvitsee riittävän korkean puristussuhteen sekä tilavuusvirran toimiakseen optimaalisesti. (Wu, et al., 2020)
3.3 Lämpöpumppukytkennät
Kompressorikäyttöinen höyrystyskoneisto koostuu yksinkertaisimmillaan neljästä pää- komponentista: höyrystimestä, lauhduttimesta, kompressorista ja paisuntaventtiilistä (Aittomäki, et al., 2012; Arpagaus, et al., 2018; Seppänen, 2001). Lämpöpumpun perus- kytkentä on esitetty kuvassa 1.
Kuva 1. Lämpöpumpun peruskytkentä pääkomponentteineen.
Suljetussa systeemissä kylmäaine höyrystyy höyrystimessä sitoen itseensä energiaa. Seu- raavassa vaiheessa kompressori nostaa kylmäaineen paineen korkeammaksi ennen lauh- tumista lauhduttimessa. Kun kylmäaine on lauhtunut luovuttaen sitomaansa energiaa, se siirtyy paisuntaventtiilille, jossa sen paine alenee voidakseen taas sitoa energiaa höyrys- timessä. (Seppänen, 2001, p. 377)
Kiertoprosessi voidaan esittää ja kylmäaineen käyttäytymistä kiertoprosessissa voidaan havainnoida erilaisten, kylmäaineen ominaisuuksista riippuvien, kuvaajien avulla. Näistä yksi käytetyimmistä on p,h -taso, jossa on kuvattu kylmäaineen paine entalpian funktiona
kiertoprosessin eri tilapisteissä. Kuvassa 2 on esitetty lämpöpumpun häviötön kiertopro- sessi tulistuksella ja alijäähdytyksellä.
Kuva 2. Lämpöpumpun kiertoprosessi log p,h -tasossa. (Department of Mechanical Engineering, DTU, 2020)
Kompressori puristaa kaasun tilapisteiden 1 ja 2 välillä. Sitten kaasun tulistus poistetaan ja kaasu lauhtuu tilapisteiden 2 ja 3 välillä ja nesteeksi lauhtuneen kylmäaineen lämpötila laskee. Tilapisteiden 3 ja 4 välillä kylmäaineen paine laskee paisuntaventtiilissä. Kylmä- aine höyrystyy tilapisteiden 4 ja 5 välillä ja kaasuksi muuttunut kylmäaine tulistuu pistei- den 5 ja 1 välillä.
Todellinen lämpöpumppulaitteisto sisältää peruskytkentää huomattavasti enemmän kom- ponentteja, koneiston koosta ja mallista riippuen. Pienemmissäkin koneikoissa on perus- komponenttien lisäksi monia apulaitteita, kuten mittalaitteita, venttiileitä ja varolaitteita.
Suuremmissa laitoksissa on lisäksi muun muassa voiteluöljynkäsittelyyn liittyviä laitteis- toja.
Lämpöpumpun lämpötilatasoja ja lämpökerrointa voidaan muokata suotuisammiksi muuttamalla peruskytkentää. Erityisesti kuumalämpöpumpuissa tämä on yksi keino riit- tävän korkean lauhduttimen lämpötilatason ja lämpökertoimen saavuttamisessa. Kaska- dikytkentä on yksi jo nykyäänkin käytössä olevista muunnelmista. Siinä on kaksi eri läm- pötilatason piiriä. Matala- ja korkealämpötilan piirit on erotettu toisistaan lämmönsiirti- mellä, joka toimii korkealämpötilapiirin höyrystimenä ja matalalämpötilapiirin lauhdut- timena. Molemmissa piireissä on tyypillisesti eri kylmäaine, joka voidaan valita vapaasti ominaisuuksiensa perusteella. Kaskadikytkennän periaate on esitetty kuvassa 3 (Aittomäki, et al., 2012, pp. 80-81; Arpagaus, et al., 2018, pp. 993-994)
Kuva 3. Lämpöpumpun kaskadikytkennän periaate. (Aittomäki, et al., 2012, pp. 80-81;
Arpagaus, et al., 2018, pp. 993-994)
4 HYÖDYT JA MAHDOLLISUUDET
Kuumalämpöpumpun suurin hyöty on sen tuoma mahdollisuus hyödyntää lämpöenergiaa korkeamman lämpötilatason käyttökohteissa. Näihin lukeutuvat muun muassa lämpö- energian syöttö kaukolämmön menoveteen sekä erilaisiin teollisuuden prosesseihin.
Lämmönlähteenä on mahdollista käyttää matalamman lämpötilatason kohteita, kuten te- ollisuuden jätelämpöä tai jäähdytyksen lauhdelämpöä. Nämä mahdollisuudet lisäävät lämpöpumpun käytön taloudellista hyötyä verrattuna suoraan sähkökäyttöön ja ekologi- sia hyötyjä korvaamalla fossiilista polttoainetta käyttäviä laitoksia.
Tekniikan kehittyessä, voidaan lämmönlähteenä käyttää entistä matalamman lämpötila- tason kohteita. Tähän kuitenkin liittyy raja, Carnot-prosessin teoreettinen maksimiläm- pökerroin, joka esitettiin yhtälössä (1). Suurin mahdollinen lämpökerroin on siis riippu- vainen lauhduttimen lämpötilasta sekä höyrystimen ja lauhduttimen lämpötilojen erosta.
Carnot’n lämpökerrointa ei kuitenkaan ole mahdollista saavuttaa, sillä häviöitä syntyy aina. Lauhduttimen absoluuttisella arvolla ei ole niin palon merkitystä, kuin lämpötilan nousulla lämpöpumpussa. Yhtälön (1) mukaan, suurin mahdollinen lämpökerroin voi- daan siis esittää lämpötilamuutoksen avulla. Aspargaus et al. keräsi katsauksessaan ai- neistoa kuumalämpöpumpuista eri lämpöpumppuvalmistajilta. Kuvassa 4 on esitetty tä- män aineiston kuva, jossa eri lämpöpumppuyksiköt on sijoitettu lämpötilanmuutos-läm- pökerroin-kuvaajaan. Samalla symbolilla kuvatut pisteet tarkoittavat samaa lämpöpump- puyksikköä eri lämpötilatasossa. Lisäksi kuvaajaan on piirretty Carnot’n maksimilämpö- kerroin. Lauhduttimen lämpötila on 140 °C. (Arpagaus, et al., 2018, p. 996)
Kuvasta 4 voidaan huomata Carnot’n maksimilämpökertoimen (kuvassa 4: 100 % COP-
Carnot -käyrä) käyttäytyminen lämpötilan nousun muuttuessa. Esimerkiksi lämpötilan nou- sun ollessa 80 K, on suurin mahdollinen lämpökerroin noin 5. 140 K:teen lämpötilan nousulla suurin mahdollinen lämpökerroin on enää 3. Tämä rajoittaa lämpöpumppujen kehityksen päämäärää, ja lisää eri energiamuotojen, etenkin sähkön, hintakehityksen vai- kutusta lämpöpumppuinvestointien kannattavuuteen. Kuvaan 4 piirretyistä kuumalämpö- pumppujen toimintapisteistä voidaan havaita kaikkien lämpöpumppujen keskimääräinen lämpökertoimen suhde Carnot’n maksimilämpökertoimeen, eli keskimääräinen Carnot’n hyötysuhde. Kuvasta arvioimalla, se on keskimäärin noin 45 %. Lisäksi voidaan huomata, että muutos Carnot’n hyötysuhteessa olevan pientä eri lämpötilan muutoksilla.
Kuva 4. Eri valmistajien olemassa olevia kuumalämpöpumppuja esitettynä lämpötilan muutok- sen ja lämpökertoimen mukaisesti. (Arpagaus, et al., 2018, p. 996)
5 HAASTEET JA UHAT
Lämpöpumppulaitoksen kustannusprofiili poikkeaa muiden lämmöntuotantotapojen kus- tannusprofiilista. Lämpöpumppulaitoksella ei ole polttoainekustannuksia, vaan käyttö- kustannukset painottuvat sähkönkulutukseen ja huoltokustannuksiin. Sähköenergian ku- lutus optimioloissa on kuitenkin noin 3-5 kertaa pienempi, kuin lämpöteholtaan vastaavan kokoisella sähkölämmityksellä. Vaikka lämpöpumppu kuluttaa sähköenergiaa huomatta- vasti sähkövastusta vähemmän, on se varsinkin suuremmissa laitoksissa suuri sähkönku- luttaja. Uusi lämpöpumppu saattaakin vaatia käyttökohteessa suuremman sähköliittymän, mikä tulee huomioida suunnitteluvaiheessa. Sähkönkulutuksen lisäksi, merkittävä käy- tönaikainen investoinnin kannattavuuteen vaikuttava tekijä on lämpötilaltaan sopiva ja saatavuudeltaan mahdollisimman tasainen lämmönlähde. Epätasaista lämmönlähdettä on mahdollista kompensoida kylmä- tai lämpövaraston avulla. (Valor Partners, 2016) Lämpöpumppujärjestelmän kustannukset painottuvat voimakkaasti sähkönhankintakus- tannusten lisäksi laitteiston investointikustannuksiin. Lämpöpumppulaitos tulisikin suun- nitteluvaiheessa optimoida huolellisesti, jotta investointikustannukset jäisivät riittävän pieniksi, ja investoinnin takaisinmaksuaika näin ollen kohtuulliseksi. Sähkön, ja välilli- sesti myös eri polttoaineiden, hintojen muutokset vaikuttavat lämpöpumppulaitoksen käyttökustannuksiin ja näin ollen myös takaisinmaksuajan pituuteen. Investointia harki- tessa tulisikin huomioida mahdolliset sähkön hinnan muutokset tulevaisuudessa. (Valor Partners, 2016)
Yksi suurimmista haasteista lämpöpumppulaitoksen suunnittelussa on ympäristön ja tek- nisten ominaisuuksien kannalta parhaimman mahdollisen kylmäaineen löytäminen. Mo- nista teknisiltä ominaisuuksiltaan hyvistä kylmäaineista on jouduttu luopumaan niiden ympäristöhaittojen takia.
6 LÄMMÖNLÄHTEET
Otollisin käyttöpaikka lämpöpumpulle olisi kohde, jossa on jatkuvaa ja tasaista lämmön- tuotantoa. Tällaisia käyttöpaikkoja voisivat olla kohteet, joissa lämmönlähteenä voisi käyttää esimerkiksi kauppojen kylmälaitteita, teollisuuden prosessien jätelämpöä tai suu- rempien kohteiden jätevesiä. Tässä kappaleessa käydään läpi muutamia kuumalämpö- pumpuille mahdollisesti soveltuvia lämmönlähteitä. Vaihtoehdoista kerrotaan niiden po- tentiaali lämmöntuotannossa, sekä käydään lyhyesti läpi, miksi ne soveltuisivat lämpö- pumpun lämmönlähteeksi.
6.1 Kaupan kylmälaitteet
Elintarvikkeita myyvät kaupat tarvitsevat kylmälaitteita, jotta elintarvikkeiden lämpötilat saadaan pidettyä niille vaadituilla tasoilla. Kaupan kylmäjärjestelmä on usein, etenkin suuremmissa myymälöissä keskuksellinen järjestelmä, jossa kylmätilojen jäähdyttämi- sestä syntynyt lämpö siirretään ulkona sijaitsevan lauhduttimen tai jäähdyttimen avulla ulkoilmaan. Tällöin järjestelmästä saatua lämpöä ei hyödynnetä. Uudemmissa myymä- löissä lauhdelämpöä otetaan yleensä talteen. Lämpöä siirretään esimerkiksi ilmanvaihto- koneiden esilämmityspattereille tai lämmitysverkostoon. (Kaipainen & Heikkilä, 2012) Kylmälaitteiden lauhdetuotanto kasvaa ulkolämpötilan mukaan, joten se on suurimmil- laan kesän kuumina päivinä. Samanaikaisesti lämmityksen tarve ilmanvaihdossa on pie- nimmillään. (Kaipainen & Heikkilä, 2012) Käyttövettä lämmitetään jokaisena vuodenai- kana, mutta kaikkea kylmäkoneiden lauhdelämpöä ei siihen saada yleensä käytettyä. Mo- nissa myymälöissä on lisäksi ilmanvaihdon ja tilojen jäähdytysjärjestelmä, josta olisi myös mahdollista saada lauhdelämpöä. Lauhdetuotanto on siis kesällä suurimmillaan, mutta lämpöenergian kulutus pienimmillään, jolloin ylijäämä joudutaan siirtämään ul- koilmaan. Tätä voisi olla mahdollista hyödyntää lämpöpumpulla.
6.2 Datakeskukset
Datakeskukset ovat jatkuvasti käytössä ja niiden palvelimet tai muut sähkölaitteet tuotta- vat samalla suuret määrät lämpöenergiaa. Syntyvä lämpö on saatava pois konesalista ja komponentit pidettävä riittävän kylmänä, jotta niiden elinikä ei lyhene. Tämä toteutetaan tyypillisesti riittävällä ilmanvaihdolla ja jäähdytyksellä. Jäähdytysjärjestelmät tuottavat aina lauhdetta, joten jatkuvana lämmönlähteenä datakeskukset voisivat hyvinkin soveltua lämpöpumppukäyttöön. (Motiva Oy, 2011)
6.3 Jätevesi
Asuinrakennusten jätevesistä on mahdollista ottaa lämpöenergiaa talteen. Jätevesien mu- kana poistuu noin 17-19 % kaikesta asuinrakennuksen hukkalämmöstä. Tämä koostuu suurimmalta osin peseytymiseen, ruuanlaittoon sekä vaatehuoltoon käytetystä lämpi- mästä käyttövedestä. Jätevettä muodostuu vain käytön yhteydessä, joten lämmöntuotanto ei ole koko vuorokauden ajan jatkuvaa. Tämä osaltaan lyhentää lämpöpumpun käyttöas- tetta ja tästä johtuen pidentää takaisinmaksuaikaa. Lämpöpumpun käytöstä jäteveden lämmöntalteenotossa ei ole tehty määrällisesti useita tai laajoja tutkimuksia. Muutamissa opinnäytetöissä jäteveden lämmöntalteenottoa on käsitelty kirjallisuuden pohjalta sekä harvoissa käyttökohteissa. Tuloksissa käy ilmi lämpöpumpun tuovan hyötyä, mutta ma- talat jäteveden lämpötilat aiheuttava haasteita pienentämällä lämpöpumpun lämpöker- rointa. Kannattavin malli on käyttää lämpöpumpun energia kohteessa tilojen ja käyttöve- den lämmittämiseen. (Kaksonen, 2020; Turpeinen, 2019; Arvola, 2017)
6.4 Teollisuuden prosessien hukkalämpö
Energiateollisuus ry:n ja työ- ja elinkeinoministeriön vuonna 2010 tekemän selvityksen mukaan teollisuuden ylijäämälämmöstä on teknisesti hyödynnettävissä n. 18,9 TWh/a, josta 11,1 TWh/a on alle +55 °C lämpötilatasolla (Maaskola & Kataikko, 2014, p. 5).
Potentiaaliset teollisuuden hukkalämpöä sisältävät kohteet ovat esimerkiksi jäähdytys-
nesteet lauhduttimissa, jätevesi, lämmin paineilma, savukaasut sekä tehdashallien pois- toilma. Teollisuuden jätelämmön lämpötila on tyypillisesti noin 30-70 °C:tetta, mikä on ulkoilman, maalämmön sekä pohjaveden lämpötilaa merkittävästi korkeampi. Korkeam- masta lämpötilasta johtuen, teollisuuden jätelämpö soveltuu erittäin hyvin kuumalämpö- pumppujen lämmönlähteeksi. (Arpagaus, et al., 2018, p. 986; Lamberg & Sirén, 1997)
7 KÄYTTÖKOHTEET
Lämpöpumpun lämpönielun on tyypillisesti ollut oltava mahdollisimman matalassa läm- pötilassa, jotta lämpökerroin olisi riittävän suuri, ja että lämmönsiirto ylipäätänsä olisi mahdollista. Kuumalämpöpumpulla olisi mahdollista käyttää myös korkeamman lämpö- tilatason lämpönieluja. Tässä kappaleessa käsitellään muutamia vaihtoehtoja, joita voisi kuumalämpöpumpun lämpönieluna käyttää.
7.1 Kiinteistön lämmitystarpeet
Lämpöpumppujärjestelmää voidaan hyödyntää järjestelmän kiinteistössä ja sen lähialu- eella. Käyttökohteita ovat esimerkiksi tilojen lämmitys radiaattoreilla tai konvektoreilla sekä tuloilman ja käyttöveden lämmitys. Tilojen lämmityksen lämmönsiirtimet mitoite- taan uudiskohteissa meno- ja paluulämpötiloille 45/30 °C (Lämmönkäyttötoimikunta, 2014, p. 8). Nykyiset tavanomaiset lämpöpumput mitoitetaan tälle tai jopa matalammalle lämpötilatasolle ja ne toimivat siinä hyvällä lämpökertoimella. Ilmanvaihdon ja käyttö- veden lämmityksessä lämpötilatasot nousevat kuitenkin noin 60 °C:seen, joka tuo haas- teita tavanomaisten lämpöpumppujen käytölle. Tyypillisesti näissä käyttökohteissa läm- pöpumppu toimii esilämmittäjänä ja loppu lämpötilan nosto toteutetaan jollain toisella lämmönlähteellä, esimerkiksi kaukolämmöllä.
7.2 Kaukolämpöverkosto
Lämpöpumpun hyödyntäminen kaukolämmön menoveden tuotannossa on haastavaa kor- keasta menoveden lämpötilasta (70…115 °C) johtuen. Monilla käytössä olevilla kylmä- aineilla kriittisen pisteen lämpötila jää menoveden lämpötilatason alapuolelle, joten nii- den käyttäminen ei ole mahdollista. Kuumalämpöpumpulla voisi olla mahdollista tuottaa kaukolämpöverkoston menopuolelle soveltuvaa lämpöä ominaisuuksiltaan sopivalla kyl- mäaineella sekä koneistolla. (Arpagaus, et al., 2018; Kapanen, 2017; Valor Partners, 2016)
Lämpöpumpun käyttö kaukolämpöjärjestelmässä mahdollistaisi nopeammat muutokset järjestelmässä sekä parantaisi suurten voimalaitosten tehokkuutta. Sillä voisi myös mah- dollisesti korvata fossiilista polttoainetta käyttäviä laitoksia. Lämpöpumppu mahdollis- taisi samanaikaisen kaukolämmön ja -kylmän tuotannon ja monipuolistaisi kaukolämmön tuotantorakennetta. Kuumalämpöpumpulla olisi myös mahdollista hyödyntää matalam- man lämpötilan lämmönlähteitä, kuten hukkalämpöä eri kohteista. (Valor Partners, 2016) Tapauksessa, missä kuumalämpöpumppujärjestelmän omistaa muu kuin kaukolämpöyh- tiö, voi järjestelmän omistaja pienentää lämmityksen kustannuksia myymällä lämpöä kaukolämpöverkkoon. Myytävän lämmön hinta voidaan sopia, eikä kaukolämpöyhtiölle tule lämmön hankkimisesta käyttökuluja, joita lämmöntuotannossa tyypillisesti on, kuten polttoaine, polttoaineen kuljetus sekä polttolaitoksen huolto ja kunnossapito. Lämpö- pumppulaitteiston huolto- ja kunnossapitokulut jakautuvat sovittujen vastuurajojen mu- kaisesti.
Kaukolämpöverkostoon lämpöä syötettäessä tulee kuitenkin huomioida verkoston käyt- tövarmuus. Menoveden lämpötila ei saa laskea liian alhaiseksi, jolloin asiakkaiden riit- tävä lämmönsaanti, etenkin kovimmilla pakkasilla, saattaisi vaarantua. Lämpöpumppu- laitoksen mahdolliseen vikatilanteeseen tulee varautua riittävällä varalämmöntuotan- nolla. Varalämmöntuotannon tulee olla helposti ja riittävän nopeasti saatavilla.
7.3 Teollisuuden prosessit
Teollisuuden prosessit tarvitsevat tyypillisesti yli 80 °C:ista lämpöä. 100 °C:seen saakka mahdollisia käyttökohteita ovat esimerkiksi kuivaus, esilämmitys, keittäminen, pastö- rointi sekä pyykinpesu- ja värjäys. Tämä lämpötila-alue on saavutettavissa nykyisillä kuumalämpöpumpputekniikoilla. Yli 100 °C:teen lämpötilalle soveltuvat lämpöpumput ovat kehitysvaiheessa ja yli 140 °C:teen lämpöpumput vielä tutkimusvaiheessa. Teolli- suudessa ollaan erityisen kiinnostuneita yli 120 °C:tetta tuottavista lämpöpumpuista ma- talapaineisen höyryn valmistamista varten. (Arpagaus, et al., 2018, pp. 986, 988-989)
8 TUTKIMUSKOHDE
Tämän tutkimuksen kohteena on hypermarket-kokoluokan myymälä Etelä-Suomessa.
Tutkimuksessa on käytetty materiaalina kiinteistön käyttäjiltä saatuja LVIS-suunnitel- mia. Näistä suunnitelmista on kerätty tiedot nykyisistä lämmitys- ja jäähdytysjärjestel- mistä. Lisäksi käytössä on ollut kohteen kaukolämpöenergian, sähköenergian sekä käyt- töveden kulutustiedot vuosilta 2016-2018. Tässä työssä jäähdytysjärjestelmällä tarkoite- taan tilojen jäähdytyksestä vastaavaa järjestelmää. Vastaavasti kaupan kylmäjärjestel- mällä tarkoitetaan kaupan kylmä- ja pakkaskaappien ja vastaavien elintarvikkeiden säily- tykseen tai käsittelyyn tarkoitettujen tilojen jäähdytysjärjestelmää.
Liikerakennus on muutaman vuoden ikäinen, joten sen energiatehokkuuden taso on jo kohtuullisen korkea. Nykyisessä lämmöntalteenottojärjestelmässä on kylmäkoneiden lauhteen talteenotto, jota käytetään hyödyksi kulkureittien sulanapidossa ja käyttöveden sekä ilmanvaihtokoneiden tuloilman esilämmittämisessä. Tilojen jäähdyttämisestä (IV- koneiden patterit, puhallinkonvektorit, kattosäteilijät) syntyvä lauhdelämpö siirretään ul- kotiloissa sijaitsevien nestejäähdyttimien avulla ulkoilmaan.
Kiinteistön tarvitsema ulkopuolinen lämpöenergia saadaan kaukolämpöverkosta. Kauko- lämpövaihtimia järjestelmässä on kuusi kappaletta. Ensimmäinen vaihdin vastaa käyttö- veden lämmittämisestä. Toiseen vaihtimeen on liitetty yksi patteri- ja kaksi kattosäteili- jäverkostoa. Kolmas vaihdin siirtää lämpöä autohallin IV-verkostoon. Neljäs vaihdin vastaa IV-lämmitysverkoston lämmittämisestä. Viides vaihdin on liitetty päivittäistava- raosaston kattosäteilijäverkostoon ja kuudes myymälöiden kierrätysilmapuhaltimien ver- kostoon. Yksinkertaistettu kaukolämpökytkentä on esitetty kuvassa 5.
Kuva 5. Kohdekiinteistön yksinkertaistettu kaukolämpökytkentä. Kuvassa KL = kaukolämpö, LS
= lämmönsiirrin.
Kaukolämpöjärjestelmän mitoituslämpötehot on esitetty taulukossa 2.
Taulukko 2. Kaukolämpöjärjestelmän mitoituslämpötehot eri lämmönvaihtimille.
Lämmönsiirrin 1: Käyttövesi 463 kW
Lämmönsiirrin 2: Kattosäteilijä- ja patteriverkosto 309 kW
Lämmönsiirrin 3: IV-verkosto/autohalli 1625 kW
Lämmönsiirrin 4: IV-verkosto 731 kW
Lämmönsiirrin 5: Kattosäteilijät 35 kW
Lämmönsiirrin 6: Kierrätysilmapuhallinverkosto 426 kW
Yhteensä 3589 kW
Tilojen jäähdytysenergian tuotannosta vastaa kaksi vedenjäähdytyskonetta, joilla on omat jäähdytysverkostonsa. Ensimmäisen vedenjäähdytyskoneen (401VJK01) verkostoon on kytketty ilmanvaihtokoneiden jäähdytyspattereita ja toisen vedenjäähdytyskoneen (402VJK01) verkostoon IV-jäähdytyspattereita, puhallinkonvektoreita ja kattosäteili- jöitä. Ensimmäisen jäähdytysverkoston mitoitusjäähdytystarve on noin 340 kW ja toisen noin 265 kW. Jäähdytysjärjestelmän yksinkertaistettu kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 6.
Kuva 6. Jäähdytysjärjestelmän yksinkertaistettu kytkentäkaavio. Kuvassa JV = jäähdytysver- kosto, VJK = vedenjäähdytyskone, NJ = nestejäähdytin, P = pumppu.
Nykyisen kaupan kylmäjärjestelmän yksinkertaistettu kytkentäkaavio on esitetty kuvassa 7.
Kuva 7. Nykyinen kaupan kylmälaitteiden yksinkertaistettu LTO-kytkentä. Kuvassa JK = jääh- dytyskone, P = pumppu, LP = lämmityspatteri, SP = sulanapitoverkosto
Jäähdytyskoneiden tulistuksen poiston jätelämpö hyödynnetään kylmäkalustealueen läm- mittämiseen siirtämällä jätelämpöä kierrätysilmakoneen lämmityspatteriin. Varsinainen lauhdelämpö hyödynnetään sulanapidossa (SP), käyttöveden esilämmityksessä sekä kol- men ilmanvaihtokoneen esilämmityspatterissa. Riittävän lämpötehon varmistamiseksi, LTO-järjestelmässä on sulanapidon lisälämmityspatteri, johon siirretään lämpöä tarvitta- essa autohallin IV-verkoston lämmönsiirtimeltä.
Yksinkertaistetuista kaavioista puuttuu monia apulaitteita, kuten säätö- ja 3-tieventtiilit, ilmanpoistimet, paisunta-astiat, sulkuventtiilit, IV-koneiden lämpöpattereiden ohitukset sekä erilaisia mittareita ja antureita. Nämä on jätetty pois kaavioiden luettavuuden paran- tamiseksi, eikä niillä ole merkittävää vaikutusta järjestelmien perustoimintaperiaatteisiin.
8.1 Hyödynnettävissä olevat kohteet
Potentiaalisimmilta hyödyntämiskohteilta tässä kiinteistössä vaikuttaisi olevan tilojen jäähdyttämisestä saatava lämpö sekä kaupan kylmäkoneilta tuleva lämpö. Tilojen jääh- dyttämisestä vapautuva lämpö siirretään nykyisin nestejäähdyttimillä ulkoilmaan, joten sitä ei hyödynnetä ollenkaan. Tämä osuus olisi teoriassa hyödynnettävissä kokonaisuu- dessaan. Kaupan kylmästä saatavaa lämpöä hyödynnetään nykyisessä järjestelmässä käyttöveden esilämmittämisessä sekä ulkoalueiden sulanapidossa. Sulanapidon käyttö- aika on kuitenkin rajoittunut talven pakkaskausiin, joten sitä ei voi muuna aikana hyö- dyntää. Kaupan kylmän lauhdelämpöä hyödynnetään myös ilmanvaihdon esilämmityk- sessä. Tätäkin voidaan tosin käyttää vain lämmityskaudella.
Otollisin ajankohta kuumalämpöpumpun hyödyntämiseen vuositasolla olisi kesä, jolloin jäähdytyslaitteiden käyttö on suurinta ja niistä saatavan jätelämmön hyödyntäminen pie- nintä. Toisaalta kesällä lämmöntarve on myös merkittävästi vähäisempää, kuin lämmi- tyskaudella. Käyttövettä tulee kuitenkin lämmittää ympäri vuoden, joten siihen käyttötar- koitukseen lämpöpumppu tässä järjestelmässä voisi soveltua hyvin. Jos hyödynnettävää lauhdelämpökapasiteettia on riittävästi, voidaan ylijäämää myydä kaukolämpöverkkoon.
8.1.1
Kaupan kylmäKohteen nykyisestä kaupan kylmäjärjestelmästä voisi kuumalämpöpumpulla hyödyntää lauhdelämpöä kytkemällä se lauhteen paluuputkeen ilmanvaihdon esilämmittimien jäl- keen. Tällä järjestyksellä voitaisiin ensisijaistesti hyödyntää matalalämpöistä lauhdetta sulanapidossa sekä käyttöveden ja ilmanvaihdon esilämmityksessä. Näiden jälkeen lauh- teesta otettaisiin lämpöä kuumalämpöpumpulla ja siirrettäisiin sitä korkeamman lämpö- tilatason käyttöveden esilämmittimelle sekä kaukolämpösiirtimelle. Yksinkertaistettu kytkentä on esitetty kuvassa 8.
Kuva 8. Yksinkertaistettu kaupan kylmä -laitteiston lauhteentalteenottokytkentä kuumalämpö- pumpulla.
Tuotetun lauhdutuslämpöenergian lisäksi tulee selvittää muiden kaupan kylmän lauhde- lämpöä hyödyntävien järjestelmien lämmöntarpeet, jotta voidaan ratkaista kuumalämpö- pumpun optimaalisin käyttöaika. Motiva Oy:n Kaupan kylmälaitteiden ja -järjestelmien lauhdelämmön talteenotto -laskentaohjeessa on esitetty lauhdutusenergian tuotannon kuukausijakauma market-kokoluokan myymälälle. Oletetaan tämän vastaavan riittävän tarkasti myös hypermarket-kokoluokan myymälän tuotantoa. Jakauma on esitetty ku- vassa 9. (Kaipainen & Heikkilä, 2012)
Kuva 9. Kaupan kylmälaitteiden lauhdutusenergia market-kokoluokassa. Muokattu lähteestä:
Kaipainen & Heikkilä, 2012.
Kohteesta ei ole saatavilla tarkempia mittaustietoja kaupan kylmän lauhdetuotannosta.
Motiva Oy:n laskentaohjeessa on arvioitu market-kokoluokan myymälän lauhdetuotan- noksi noin 870 MWh vuodessa 130 kW:n kylmä- ja 25 kW:n pakkasteholla (Kaipainen
& Heikkilä, 2012). Skaalaamalla market-kokoluokan lauhdetuotanto tutkimuskohteen kylmä- ja pakkastehoihin (315 kW ja 58 kW), saadaan kohteen kaupan kylmän lauh- delämmön tuotannoksi noin 2080 MWh/a.
Motiva Oy:n laskentaohjeessa on esitetty myös ilmanvaihtoon saatavissa oleva lauh- delämmöstä talteen otettu energian kuukausijakauma 10 000 m² hypermarketille. Olete- taan tämän vastaavan riittävällä tarkkuudella myös suuremman hypermarketin ilmanvaih- don lämmittämiseen talteen otettua energiajakaumaa. Tämä kuukausijakauma on esitetty kuvassa 10. Vuosittaiseksi ilmanvaihdossa hyödynnettäväksi lauhdelämmöksi on esitetty 15000 m²:n hypermarketille noin 1100 MWh (Kaipainen & Heikkilä, 2012).
6,9 %
6,1 % 6,8 % 7,1 % 8,5 %
9,8 %
11,4 % 11,5 %
8,9 % 8,7 %
7,3 % 7,0 %
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Osuus koko vuoden lauhdelämmön tuotannosta
Kuukausi
Kuva 10. Ilmanvaihdossa hyödynnettävissä olevan lauhdelämmöstä talteen otetun energian kuu- kausijakauma. Muokattu lähteestä: (Kaipainen & Heikkilä, 2012, p. 16)
Kuvien 9 ja 10 perusteella arvioidaan kuumalämpöpumpun optimaalisimmaksi käyttö- ajankohdaksi touko-elokuu. Tarkastellaan lämpöpumpun hyödyntämistä kuitenkin koko vuoden ajanjaksolla, jotta voidaan arvioida lämpöpumpun käyttöä myös muuna aikana.
Lauhdelämpöä käytetään nykyisessä järjestelmässä myös käyttöveden esilämmittämi- seen. Käyttöveden esilämmitykseen käytetty lauhdelämmöstä saatu energia voidaan arvi- oida kulutetun lämpimän käyttöveden perusteella, Motiva Oy:n Lämpimän käyttöveden laskuohjeen mukaisesti. Kohteesta ei ole mitattua tietoa lämpimän käyttöveden kulutuk- sesta. Motiva Oy:n ohjeen mukaan, voidaan lämpimän käyttöveden osuudeksi arvioida 30 % rakennuksen kokonaiskäyttöveden kulutuksesta, kun kyseessä on muu kuin asuin- rakennus. Kohteesta oli saatavilla kuukausikohtaiset käyttöveden kulutustiedot vuosilta 2016–2018. Tämän datan perusteella keskimääräinen käyttöveden kulutus on ollut noin 4390 m³/a. Näin ollen saadaan lämpimän käyttöveden kulutukseksi 4390 m³/a · 0,3 = 1317 m³/a. Kohteesta saatujen suunnitelmia mukaan käyttöveden esilämmityspatteri on
13,9 % 12,1 %
13,5 %
9,7 %
5,7 % 3,3 %
1,6 % 2,5 % 5,7 %
9,9 % 12,0 %
10,0 %
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
16%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Osuus koko vuoden talteenotetusta energiasta
Kuukausi
mitoitettu kylmän käyttöveden lämpötilalle 10 °C, tuottaen 30 °C:sta lämmintä käyttö- vettä. Näiden tietojen perusteella voidaan selvittää esilämmityspatterin vuotuinen lämmi- tysenergian määrä yhtälön (3) avulla (Koskelainen, et al., 2006, p. 57).
𝑄lämpö,kvl = 𝜌v𝐶pv𝑉lkv(𝑇lkv− 𝑇kv)/ 3600 s/h (3) missä
𝑄lämpö,kvl on lämpimän käyttöveden lämmittämiseen käytetty energiamäärä [kWh]
𝑉lkv on kulutettu lämpimän käyttöveden määrä [m³]
𝜌v on veden tiheys [kg/m³]
𝐶pv on veden ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg,°C]
𝑇lkv on lämpimän käyttöveden lämpötila [°C]
𝑇kv on kylmän käyttöveden lämpötila [°C]
Yhtälöstä (3) saadaan:
𝑄lämpö,kvl = 998,2 kg
m3· 4,182 kJ
kg, °C· 1317 m3·(30 °C − 10 °C)
3600 s/h ≈ 30543 kWh Kuvassa 11 on esitetty kohteen kuukausittainen käyttöveden keskimääräinen kulutus suh- teessa koko vuoden kulutukseen kolmen vuoden ajanjaksolla.
