AALTO YLIOPISTO
TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energiatekniikan laitos
Harri Fränti
Maalämpöpumppujen lämpökertoimien mittaus ja lämpökertoimiin vaikuttavat tekijät
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoo 31.5.2010
Työn valvoja Työn ohjaaja
Professori Kai Siren
Diplomi-insinööri Matti Vesalainen
AALTO-YLIOPISTO
TEKNILLINEN KORKEAKOULU
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Tekijä:
Työn nimi:
Harri Fränti
Maalämpöpumppujen lämpökertoimien mittaus ja lämpökertoimiin vaikuttavat tekijät
Päivämäärä: 31.5.2010
Sivumäärä:
62 s.
Tiedekunta:
Laitos:
Professuuri:
Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energiatekniikan laitos
Ene-58 LVI-tekniikka Työn valvoja: Professori Kai Siren
Työn ohjaaja: Diplomi-insinööri Matti Vesalainen
Tällä tutkimuksella on kaksi tavoitetta. Teoreettisen osan tavoitteena on selkeyttää
lämpökertoimien käsitteitä suomen kielessä ja toisaalta selvittää lämpökertoimiin vaikuttavia tekijöitä kirjallisuudessa. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena on rakentaa
mittausmahdollisuudet maalämpöpumppujen lämpökertoimien määrittämiseksi ja mitata kolmen pumpun lämpökertoimet.
Lämpöpumpun lämpökerroin määritellään lämpötehon ja sähkötehon suhteena. Se on hetkellinen suure ja sen mittaaminen tarkasti on varsin työlästä Laitteistojen valmistajat ja maahanatuojat ilmoittavat lämpökertoimet usein pelkästään erilisille komponenteille, jolloin kokonaislämpökertoimia on vaikea tai jopa mahdotonta arvioida. Hetkellisellä
hyötysuhteella eli lämpökertoimella {coefficient of performance, COP) jossain yksittäisessä pisteessä ei ole kuluttajan näkökulmasta juurikaan merkitystä, koska se ei anna kuvaa laitteen keskimääräisestä hyötysuhteesta. Kuluttajan kannalta merkityksellisempi arvo on vuosi lämpökerroin, joka kuvaa lämpökerrointa vuoden ajalta. Englanninkielisessä standardissa termiä vastaa {seasonal performance factor, SPF). Tulevaisuudessa olisikin hyvä siirtyä ilmoittamaan tietyjen olosuhteiden hetkellisen lämpökertoimen sijaan laitteiden vuosilämpökertoimet. Standardi EN-15316 on hyvä apuväline tämän tarkoituksen
edistämiseen, kunhan mittauksien tarkkuudessa päästään vuosilämpökertoimien ilmoittamisen edellyttämälle tasolle. Vuosilämpökertoimen määrittely vaatii suurta tarkkuutta lämpökertoimien mittaamisessa, koska nämä hetkellisen lämpökertoimen arvot vaikuttavat vuosikertoimeen merkittävästi.
Tutkielman kokeellisessa osassa merkittävä havainto oli riittävän suuren vakiolämpöisen varaajan tarve mittauksen mahdollistajana. Ilman tällaista vakiolämpötilaista varastoa ei ole mahdollista päästä standardin EN-14511 edellyttämään yksittäisen mittauksen ± 0,5 asteen hajontaan asetusarvoista.
Mittauksissa todettiin maalämpöpumppujen lämpökertoimen ylittävän lämmitystilanteessa parhaimmillaan arvon neljä. Kun käyttöveden tuotto otetaan mukaan tarkasteluun,
vuosilämpökerroin laskee todennäköisesti alle kolmen. Lämpöpumput tuottavat siis lämpöenergiaa sähköenergiasta tehokkaammin kuin mikään muu ihmisen tekemä laitteisto.
Ilmaisenergiansa lämpöpumput ottavat ympäristöstään. Energiatehokkuusmääräysten kiristyessä tulevaisuudessa erityisesti uusien rakennusten energiantarve vähenee. Tällöin myös muiden lämpöpumppujen kuten esimerkiksi poistoilmalämpöpumpun kilpailukyky kasvaa ja niiden voi ennustaa merkittävästi lisääntyvän uudisrakennuksissa.
Avainsanat: Lämpökerroin, lämpöpumppu, energiatehokkuus, standardointi
Aalto University School of Science and Technology Abstract of Master’s Thesis Harri Fränti
Measuring COPs of ground source heat pumps and the factors affecting COP
31 May 2010______________________________
Author:
Title of the Thesis:
Date:
Number of pages:
62 p___________
Faculty: Faculty of Engineering and Architecture Department: Department of Energy Technology
Professorship: Ene-58 Heating, Ventilating and Air Conditioning Technology
Professor Kai Siren Supervisor:
Matti Vesalainen, M.Sc. (Tech.) Instructors:
This thesis has two objectives. The objective in the theoretical part is to clarify use of coefficient of performance (COP) terminology in the Finnish language and to introduce factors affecting COP values. In the experimental part the objective is to arrange measurement conditions and measure COPs for three ground source heat pumps.
COP of a heat pump is defined as a ratio between thermal power and electric power. COP is a discrete quantity, which makes its measurement rather troublesome. Unfortunately manufactures and importers of heat pumps often report COP values only for separate components, which makes estimating total COP difficult or even impossible. From consumer’s point of view COP value at a certain point of time is also rather irrelevant, because it tells practically nothing about the average or “normal” performance of the device.
A more useful value for consumers would be an annual performance factor (APF), which presents COP during a year. In the English standards the corresponding tenn is called seasonal performance factor (SPF). In the future it would hence be beneficial to move into reporting APFs instead of COPs. Standard EN-15316 helps to reach this goal once the quality of measurements reaches the level needed for presenting APFs. To be able to define APFs high level of accuracy is needed also in measuring COP values, as the impact of COP to APF value is substantial.
In the experimental part of this thesis a central finding was the importance of large enough accumulator for the measurements. Without that kind of storage, which is at constant temperature, it was not possible to reach smaller than maximum of ± 0,5 degree deviations from setting values required in standard EN-14511.
In heating situation COPs of ground source heat pumps were at their best observed to exceed value 4. When warm tap water is taken into account in the analysis, APF probably falls below 3. This means that heat pumps produce thermal energy out of electric energy more efficiently than any other human-made device. Heat pumps take their free energy from their surroundings. As energy efficiency regulations will most probably keep tightening, the energy requirements of especially new buildings will fall. In this situation also
competitiveness of other heat pumps such as exhaust air heat pump will increase and it can be forecasted that their use will increase in building construction.
Keywords: COP, heat pump, energy efficiency, standardisation
Alkusanat
Tämä työ on tehty pitkäaikaisen työnantajani ammatillisen
aikuiskoulutuskeskuksen Am ¡edun palveluksessa. Työn ohjaana on toiminut diplomi-insinööri Matti Vesalainen Amiedusta ja työn valvojana professori Kai Sirén. Kiitän kumpaakin rakentavista kommenteista, jotka auttoivat työn nopeaa valmistumista.
Kiitokset osoitan myös kaikille työtovereilleni Amiedussa. Teidän panoksenne avulla tämä teos on nyt kansissa. Erityisesti kiitokset osoitan Antti Lankiselle ja Tatu Käpymäelle, joiden työtuolit ovat oman tuolini kummallakin puolella ja joilta sain täysin korvaamatonta apua työni valmistamisessa. Koko
työyhteisöni tuki on kantanut minua eteenpäin tässä työssäni, josta kaunis kiitos koko yhteisölle.
Tutkintosääntö muuttuu ja opiskelijat valmistuvat, niin toivottavasti minäkin.
Tämä työ päättää taas yhden vaiheen elämässäni. Kiitokset haluan osoittaa myös kaikille ystävilleni ja muille tukijoukoilleni jotka auttoivat tämän työn valmistamisessa.
Helsingissä 31.5.2010
^ ^—yS Harri Fränti
Sisällysluettelo
1. Johdanto 9
2. Lämpökertoimet ja niiden merkitys
2.1. Lämpökertoimen määrittelyn fysikaalisista lähtökohdista 2.2. Standardien määrittelemät lämpökertoimet
2.2.1. Eurooppalainen standardi EN 14511:2007 (Lämpökertoimen - COP:n määritys)
2.2.2. Eurooppalainen standardi EN 15316 -4-2 (Kausilämpökertoimen - SPF:n määritys)
2.2.3. VDI-4650: yksinkertaistettu kausilämpökertoimen (SPF) määrittäminen 25 2.3 Lämpökertoimien arvoista kirjallisuudessa
3. Lämpöpumppujärjestelmä ja sen komponentit
3.1. Kylmäaine - keskeisin energiatehokkuuteen vaikuttava kylmäkomponentti 29 3.2. Kylmätekniset komponentit - paljon kehitysmahdollisuuksia
4. Lämpöpumppujen ohjaus ja käyttö
4.1. Lämpöpumppujen tehontarve ja säätäminen 4.2. Lämpöpumppujen asennus, huoltoja käyttö
5. Lämpöpumppujen lämpökertoimen mittausmenetelmä 6. Kokeelllisen osan tulokset
6.1. Mittausmahdollisuuksien rakentaminen 6.2. Mitatut lämpökertoimet
7. Virhetarkastelu ja tulosten arviointi 8. Pohdinta
9. Yhteenveto Lähteet
11 11 15
17
21
27 29
32 34 35 37 40 49 49 50 51 54 58 59
Symboliluettelo
Lämpökerroin
<P
Kompressorin teho Pk
Apulaitteiden teho
P apu
Hyödyksi saatu energia
Ф$аа1и
Uusiutuvista lähteistä saatu energia
Eres
Arvioitu käytettävissä oleva kokonaislämpö
Qusable
Lyhenteet
(Coefficient of Performance) Lämpökerroin kertoo lämpöpumpun hetkellisen hyötysuhteen. Kuinka paljon lämpöpumpulla saadaan tuotettua lämpöä suhteessa sähkömäärään, joka tarvitaan pyörittämään kompressoria ja muita apulaitteita.
COP
(Seasonal Performance Factor) Kausilämpökerroin ilmoittaa saadun
käyttökelpoisen lämpöenergian määrän kauden aikana suhteessa käytettyyn sähköenergiaan. Vertaa APF.
SPF
(Annual Performance Factor) Vuosilämpökerroin, ilmoittaa saadun käyttökelpoisen lämpö- ja jäähdytysenergian määrän vuoden aikana suhteessa käytettyyn sähköenergiaan.
APF
(Coefficient of system performance) Järjestelmästä saatu käyttökelpoinen kylmäenergia suhteessa kompressorin ja apulaitteiden käyttämään energiaan COSP
American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ASHRAE
Air-Conditioning and Refrigeration Institute ARI
Comité européen de normalization CEN
Hiilidioksidi COZ
GWP-indeksi (Global Warming Potential), vaikutus kasvihuoneilmiöön
(European heat pump association) Eurooppalainen lämpöpumppuyhdistys EU-CERT.HP European Certified Heat Pump Installer, EU sertifioitu lämpöpumppuasentaja EHPA
Teknisten spesifikaatioiden tunnus TS
(Transient system simulation) Wiskonsin yliopiston aurinkoenergialaboratorion tuottama simulointiohjelma TRNSYS
Standardiehdotusten tunnus prEN
(International Standard Organisation) Kansainvälinen standardointi organisaatio
ISO
(Renewable energy sources) uusiutuvista lähteistä peräisin oleva energia RES
Tietokanta, jossa paljon tiedesarjoja (>18000 kpl) eri tieteen alueilta SCOPUS
Suomen Standardisoimisliitto rekisteröity yhdistys SFS ry
Sveriges Tekniska Forskningsinstitut SP
(Total Equivalent Warming Potential) Vaikutus ilmakehän lämpenemiseen TEWI luku
Turvatekniikan keskus TUKES
(Verein Deutsher Ingenieure) Yhdistyneet saksalaisinsinöörit VDI
Taulukkoluettelo
Taulukko 1. Osateholla ja täysteholla mitattuja lämpökertoimia kahdella erilaisella kompressorilla.
Taulukko 2. EHPAn minimiarvot Quality label leimalle lämmitystilanteessa energiatehokkuuden osalta
Taulukko 3. Mittausepävarmuus osoitetuille suureille standardin EN-14511 mukaan.
Taulukko 4. Sallitut poikkeamat asetusarvoista standardin EN-14511 mukaan.
Taulukko 5. Lämmön lähteet ja lämmön jako standardin EN-15316 mukaan, erilaisia yhdistelmiä.
Taulukko 6. Kalibrointimittaukset energiamittarille.
Taulukko 7. Testattujen pumppujen teknisiä tietoja.
Taulukko 8. Lämpöpumppujen lämpökertoimet N0/V35 testipisteessä.
Kuvaluettelo
Kuva 1. Lämpökertoimen merkitys energiansäästölle Kuva 2. Lämmön tuotannon systeemin rajat
Kuva 3. Maalämpöpumpun periaate Kuva 4. Ulkoilmalämpöpumpun periaate
Kuva 5. Mittausjärjestelyt maalämpöpumppujen lämpökertoimien määrittämiseksi
Kuva 6. Sähkömittarin tyyppi
Kuva 7. Mittauksissa käytetty energiamittari
Kuva 8. Lämpötilojen seuranta, SUPCOn tiedonkeräimeltä saatua dataa.
Kuva 9. Testattujen pumppujen rakenteet Kuva 10. P2 pumpun toimintakaavio
Kuva 11. Pumppujen P1 ja P3 periaatekuva yhdistettynä
1. Johdanto
Rakennettu ympäristö kuluttaa Suomessa 40 %:a energiasta.
Elinkaariajattelun yleistyessä energiatehokkuuteen ja ympäristönäkökulmaan kiinnitetään huomiota yhä laajemmin. Fossiilisten polttoaineiden käyttö
energiantuotannossa on nostanut pintaan kysymyksen energiantuotannon aiheuttamista ympäristövaikutuksista. Ilmastonmuutos on kiistatta osaksi ihmisen aiheuttamaa. Se aiheuttaa ennennäkemättömän nopeita
ympäristöolosuhteidemme muutoksia. Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivissä ”uusiutuvista lähteistä peräisin olevan energian käytön
edistämisestä” eli niin sanotussa RES - direktiivissä (Renewable energy sources) lämpöpumppujen tuottama lämpöenergia lukeutuu uusiutuviin energioihin kriteereiden täyttyessä (EY 28/2009). Primäärienergian laskenta ja arviointi tulee myös suomalaisiin rakennusmääräyksiin vuoden 2012 energiatehokkuusmääräysten kiristyessä.
Maalämpöpumput ovat pohjoisissa olosuhteissamme selkeästi tehokkain tapa tuottaa lämpöä. Suurin osa tarvittavasta lämmöstä saadaan
aurinkolämpönä - ilmaisena ympäristömme energiana. Hyvin toimiva maalämpöjärjestelmä voi kerätä talon ympäriltä jopa 70 % tarvittavasta lämmitys- ja käyttöveden energiantarpeesta. Pientalojen selvästi suurin sähkönkuluttaja on lämmitys, joka kuluttaa keskimäärin tilastollisesti 50 % koko kiinteistön sähköstä. Pientalojen lämmitys on lämpöpumppujen käyttökohteista lukumääräisesti suurin kohde. Pumppujen ensisijaisena tehtävänä meidän ilmasto-olosuhteissamme on tuottaa lämpöä. Kuitenkin valtaosa lämpöpumpuista valmistetaan Aasiassa ja nämä pumput on suunnattu ensisijaisesti sisäilman jäähdytykseen. Lämpöpumput kilpailevat lämmöntuottotapana muiden vaihtoehtojen, kuten suoran sähkölämmityksen, öljylämmityksen tai kaukolämmityksen joukossa. Lämmön hinta riippuu olennaisesti sekä pääomakustannuksista että käyttökustannuksista.
Kompressorikäyttöisten lämpöpumppujen tehokkuutta kuvataan lämpökertoimella cp (Aittomäki 2008). Lämpökertoimeen keskeisesti vaikuttava tekijä on höyrystymisen ja lauhtumisen mahdollisimman pieni lämpötilaero. Rakennusten ilmalämmityksessä ja ainakin osassa
lattialämmityksiä tullaan toimeen 20 - 40 °C:n lämpötilatasolla, jotka ovat helposti saavutettavissa lämpöpumpuilla. Pattereilla toteutetut
lämmönjakojärjestelmät vaativat jopa 70 °C:n lämpötilatason. Myös käyttöveden lämmitykseen Suomen rakennusmääräyskokoelmassa D1- osassa vaadittu 55 °C:n lämpötilataso on korkeampi kuin lämpöpumppujen optimialue.
Kompressorin vaatiman tehon lisäksi järjestelmän apulaitteet kuluttavat energiaa. Osa apulaitteiden kuluttamasta energiasta tulee yleensä
käyttökohteeseen lämpönä. Tällöin muun muassa hyödyksi saadun lämmön määrittäminen aiheuttaa epäselvyyttä siitä, mistä lämpökertoimesta kulloinkin puhutaan. Markkinointimielessä useat valmistajat ja maahantuojat ilmoittavat vain lämpöpumppujen kompressorin lämpökertoimen. Lämpökertoimen ilmoittaminen koko laitteistolle on kuitenkin ehdotonta, jotta laitteistoja voi verrata keskenään. Läpinäkyvyys markkinoinnissa palvelee pidemmällä tähtäimellä myös lämpöpumppualaa.
Lämpökertoimeen vaikuttavat kylmäteknisten komponenttien ja lämmönjaon lisäksi myös laitteiston ohjaus- ja säätöjärjestelmä, sisäiset
lämminvesivaraajat sekä laitteiston ammattitaitoinen asennus, huolto ja käyttö sekä luonnollisesti lämmönkeräyslämpötila. Suomalaisesta
näkökulmasta standardin EN-14511 mukaisen lämpökertoimen ilmoittaminen ilmasta lämpönsä kerääville pumpuille +7 °C:n lämpötilassa ei ole kovin relevanttia. Emme pääse omissa ilmasto-olosuhteissamme näillä laitteilla kovin lähelle ilmoitettuja lämpökertoimien arvoja, nimenomaan kyseisestä syystä.
Lämpöpumppujen valmistajat ja maahantuojat mainostavat pumppujen lämpökertoimia, vaikka yksittäisten mittauspisteiden lämpökerroin ei kerro kuluttajalle kovin paljoa. Toisaalta tätä voidaan pitää normaalina kuluttajan käyttäytymistä ohjaavana markkinointina. Tulevaisuudessa kuluttajien etua palvelee parhaiten vuosilämpökertoimen ilmoittaminen.
Lämpökertoimen luotettavaa ja riippumatonta mittaamista ei tehdä tällä hetkellä Suomessa. Tällaista palvelua on jonkin verran saatavissa
Euroopasta. Yksi standardin EN-17025 mukaan akkreditoitu mittauslaitos on Ruotsissa, Itävallassa ja Sveitsissä. Saksassa mittauslaitoksia on viisi
kappaletta (EHPA 2010). Euroopan unionin pyrkimyksenä on direktiivien kautta parantaa rakennusten energiatehokkuutta. Osittain tätä työtä tehdään standardoinnin kautta. Luotettava lämpökertoimen mittaaminen on perusta kausi-ja vuosilämpökertoimien määrittämiseen.
Tämän diplomityön teoriaosien tavoitteena on selkeyttää Suomessa käytössä olevia lämpökertoimien käsitteitä. Toinen teoriatavoite on selvittää
lämpökertoimiin vaikuttavia tekijöitä kirjallisuudessa. Nämä tavoitteet ovat nousseet suoraan käytännön työelämästä, sillä alalla käytettyjen termien sekavuus on aiheuttanut alan ammattilaisille mutta ennen kaikkea kuluttajille epätietoisuutta. Englanninkielinen termi COP(Coefficient of performance) on yleisesti käytössä useissa kielissä. Työ jakaantuu edellä mainittuun
kirjallisuusselvitykseen ja kokeelliseen osaan. Työn kokeellisessa osassa rakennettiin mittausmahdollisuudet lämpökertoimen mittaamisen
mahdollistamiseksi ja mitattiin kolmen maalämpöpumpun lämpökertoimet.
Mittausten tarkoituksena oli verrata maahantuojien ja valmistajien ilmoitettamia lämpökertoimia kokeellisesti mitattuihin. Alkuperäisestä tavoitteesta mitata myös ilmasta veteen lämpöpumppuja luovuttiin, koska nestevirtaustenkaan lämpötiloja ei saatu täysin mittausstandardin
vaihteluväliin.
2. Lämpökertoimet ja niiden merkitys
Tässä luvussa määritellään, mitä lämpökertoimella COP (Coefficient of Performance) ja kausilämpökertoimella SPF (Seasonal Performance Factor) sekä vuosilämpökertoimilla APF (Annual Performance Factor) tarkoitetaan.
Lisäksi pohditaan lämpökertoimen merkitystä energian säästölle sekä tarkastellaan kausi-ja vuosilämpökertoimen laskentaongelmia standardien avulla.
2.1. Lämpökertoimen määrittelyn fysikaalisista lähtökohdista
Lämpöpumpun lämpökerroin määritetään lämpötehon ja sähkötehon
suhteena. Lämpökerroin Ф on siis pelkkä suhdeluku kahden tehon välillä ja näin ollen dimensioton luku.
Фsaatu
^ Pk+Ptapu
(1)
Pkon kompressorin vaatima teho ja Papu apulaitteiden, kuten pumppujen ja puhaltimien vaatima teho. Koska osa apulaitteiden tehosta saattaa tulla käyttökohteeseensa lämpönä, saatu määrä vaihtelee sen mukaan, mistä puhutaan:
Th
ПсЪ-Тн (2)
<P= (0,9... 1) +
Vakio 0,9... 1 riippuu siitä, kuinka paljon koneistossa on hyödyntämättömiä häviöitä kompressorin ja lauhduttimen välillä. r¡c Carnot - hyvyyskerroin riippuu paitsi kylmäaineesta sekä lämpötiloista 7/, ja Ti, myös kokoluokasta ja kompressorin laadusta. Se vaihtelee välillä 0,35 - 0,55. (Aittomäki 2008.) Lämpötilat Th ja Ti vaihtelevat vuodenaikojen mukaan. Kausilämpökerroin (SPF), jolla tarkoitetaan keskimääräistä lämpökerrointa, saadaan Aittomäen (2008) mukaan kaavasta 3.
Q
saatu(p= Wk + jPk (3)
missä Qsaatu on lämpömäärä, Wk kompressorin kuluttama sähköenergia ja T apulaitteiden käyttöaika.
<P voidaan laskea myös hetkellisarvoista painotettuna keskiarvona.
Lämpökerrointa voidaan parantaa monin tavoin, mutta lähes aina koneiston hinta nousee. Edullisin ratkaisu ei olekaan lämpökertoimeltaan korkein vaan tuotetun lämmön kokonaishinnaltaan alin. (Aittomäki 2008.)
Carnot - ideaaliprosessista saadaan lämpökertoimelle maksimiarvo, jota ei voida kyseisissä lämpötilaoloissa ylittää. Suurin mahdollinen lämpökerroin esimerkiksi varsin tavallisissa lämpöpumppujen toimintalämpötiloissa saadaan kaavasta 4:
<p= T
T-T0 (4)
Esimerkiksi höyrystymislämpötilassa To = -5 °C ~ 268 K ja lauhtumislämpötilassa T= 55 °C ~ 328 K saadaan tulokseksi
328
<P =328-268 = 5,5. (Kaappola 2009.)
Parhaissa olosuhteissa talojen lämmityksessä voidaan päästä jopa noin lämpökertoimeen 5, mutta käytännössä yli 4:n olevat suoritusarvot ovat erinomaisia eurooppalaisissa ilmasto-olosuhteissa. Oheisessa kuvassa (Kuva 1) on esitetty lämpökertoimen merkitys suhteessa säästettyyn eli siis ympäristöstä otettuun energiaan. Ilmalämpöpumpuilla talviaikaan
lämpökerroin on yleensä korkeintaan 2. Markkinointiaineistoissaan sekä valmistajat että maahantuojat käyttävät paljon lämpökerrointa. Kuitenkaan sen merkitystä säästöä tuottavana tekijänä ei pidä ylikorostaa. Säästön määrä pienenee jyrkästi, kun ylitetään lämpökerroin 3 ja yli 4 lämpökertoimen arvoilla säästön kasvu ei ole enää kovin merkittävä. Todennäköisesti laitteen hinta nousee varsinkin lämpökertoimen 5 jälkeen nopeammin kuin
saavutettava säästömäärä kohoaa. Talon kokoja sitä kautta energiankulutus sekä käyttötottumukset määräävät säästön suuruuden euroissa.
Lämpökertoimen merkitys suhteessa on suunnilleen sama suurilla lämpökertoimen arvoilla mutta absoluuttinen säästömäärä pienenee.
Lämpökertoimen merkitys säästön kannalta (ilmaisenergian osuus)
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
10 6 8
2 4
0 Lämpökerroin
Kuva 1. Lämpökertoimen merkitys energiansäästölle.
Eräs merkittävä tekijä lämpökerrointa ilmoitettaessa on myös se, onko mittaus tehty osa- vai täysteholla. Oheisessa taulukossa (taulukko 1) on esitetty kahden erilaisella kompressorilla varustetun ilmalämpöpumpun lämpökertoimia, jotka ovat suomalaisen maahantuojan laitteita. Mittaus on tehty normaaleissa +7/35 olosuhteissa.
Taulukko 1. Osateholla ja täysteholla mitattuja lämpökertoimia kahdella erilaisella kompressorilla.
Lämpökerroin 100%
Lämpökerroin 50 %
Teho [kW]
Kompressorityyppi
4,36 3,80 2,8-9,3
Kaksoisrotaatio
4,57 3,84 9,1 -16
Scroll
Lämpöpumppu on varsin monimutkainen tekninen laite, vaikka se koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta lämmönvaihtimesta, paisuntaventtiilistä ja kompressorista sekä näissä kiertävästä kylmäaineesta. Kaikkia kyseisiä laitteistokomponentteja voidaan kehittää merkittävästi ja ennen kaikkea niiden ohjausta parantamalla voidaan saavuttaa merkittäviä
energiatehokkuuden parannuksia. Erityisesti ilmailmapumpuilla kehitys on kuitenkin suuntautunut ennen kaikkea jäähdytyslaitteistona toimimisen
Säästöprosentti
kehittämiseen, johtuen niiden valmistuspaikasta. Suurin osa
ilmalämpöpumpuista tehdään Aasiassa, jossa niitä käytetään huoneistojen jäähdyttämiseen.
Lämpökerroin (COP), kausilämpökerroin (SPF) ja vuosilämpökerroin (APF) ovat kaikki paikkaansa sidottuja käsitteitä. Amerikassa COP käsitteen lisäksi käytetään paljon käsitettä COSP (Coefficient of system performance), jolla tarkoitetaan jäähdytyslaitteistosta saatua kylmäenergiaa suhteessa
kompressorin ja apulaitteiden kuluttamaan energiaan. Aasiassa vuosilämpökertoimella (APF) tarkoitetaan sekä jäähdytykseen että lämmitykseen kulutettua energiaa vuoden aikana (Shiba ym. 2008).
Euroopassa kausilämpökerroin (SPF) ja vuosilämpökerroin (APF) sekoittuvat käsitteinä toisiinsa. Osa asiantuntijoista, käyttää termiä SPF tarkoittaen sillä nimenomaan vuosilämpökerrointa. Tulevaisuudessa myös vuosi-ja
kausilämpökertoimien arviointi korostuu, koska tähän on tullut
lainsäädännöllinen paine RES - direktiivin myötä. Komissiota on velvoitettu laatimaan 1.1. 2013 mennessä suuntaviivat siitä, miten jäsenvaltiot arvioivat muuttujien QUSai>/e ja SPF arvot eri lämpöpumpputekniikoiden ja -sovellusten osalta, ottaen huomioon eroavaisuudet ilmastollisissa olosuhteissa ja
erityisesti erittäin kylmät ilmasto-olosuhteet. RES - direktiivin liitteessä seitsemän esitetään kaava lämpöpumppujen tuottaman energian laskemiseksi.
“Lämpöpumppujen keräämän ilmalämpöenergian, geotermisen energian tai hydrotermisen energian määrä, jota tätä direktiiviä sovellettaessa pidetään uusiutuvista lähteistä peräisin olevana energiana, Eres, lasketaan seuraavan kaavan mukaisesti:
(5)
Eres - Qusable * (1 - 1/SPF) jossa
• Qusabie on arvioitu käytettävissä oleva kokonaislämpö, jonka 5 artiklan 4 kohdan vaatimukset täyttävät lämpöpumput tuottavat, sovellettuna seuraavasti: huomioon otetaan ainoastaan ne lämpöpumput, joiden osalta SPF> 1,15* 1/n
• SPF on arvioitu keskimääräinen kausisuorituskykykerroin kyseisten lämpöpumppujen osalta
e r] on sähkön kokonaistuotannon ja sähköntuotannon
primäänenergiakulutuksen suhde ja se lasketaan Eurostatin tilastoihin perustuvana EU:n keskiarvona.”
Lämpökertoimen tarkka määritteleminen on hankala tehtävä. Standardi EN- 14511 pyrkii tähän ja kohtuullisesti onnistuu siinä. Lämpöpumppujen
markkinoinnissa apulaitteiden (pumput, puhaltimet) käyttämä energiamäärän mukaan ottaminen energiatehokkuutta mainostettaessa jää usein
mainitsematta. Apulaitteiden osuus on suhteessa pieni kompressorin tehoon verrattuina, mutta saattaa kuitenkin nousta lähelle kahtakymmentä prosenttia kompressoritehosta, jolla on jo selvä merkitys energiatehokkuutta
arvioitaessa.
Lämpöpumpun lämpökertoimeen keskeisimmin vaikuttava tekijä on lämpötilaero lämmönkeräyksessä ja lämmönluovutuksessa. Kaappolan (2009) mukaan jos kompressorin käyntiolosuhteet muuttuvat esimerkkinä olleesta -3 °C / +52 °C, muuttuu kompressorin lämpökerroin
höyrystymislämpötilan muuttuessa noin 3 % / K ja lauhtumislämpötilan muuttuessa noin 2.5 % / K.
Suomen olosuhteissa maalämpöpumpuilla ilmoitetut lämpökertoimet vaihtelevat noin kolmesta lähes viiteen. Toisaalta esimerkiksi maaperän kosteusolosuhteilla ja mineraalipitoisuudella on todettu dramaattinen vaikutus lämpökertoimelle tietokoneella tehdyssä simuloidussa testissä (Leong ym.
1998 ja Sannera ym. 2003). Standardointia tarvitaan, jotta olosuhteet ovat kaikissa testeissä vakioidut sekä vertailukelpoiset ja niihin on helppo viitata mittauksista raportoitaessa.
Pohjoisissa ilmasto-olosuhteissamme ilmasta lämpönsä keräävät lämpöpumput toimivat suuren osan vuodesta jäätävissä olosuhteissa.
Höyrystimeen kertyy laitteiston toimiessa jäätä, joka on aika ajoin sulatettava, jotta järjestelmän kapasiteetti ja lämpökerroin pysyvät hyväksyttävinä.
2.2. Standardien määrittelemät lämpökertoimet
Suomessa standardisoinnista huolehtiva kansallinen keskusjärjestö on Suomen Standardisoimisliitto SFS ry, joka edustaa Suomea mm.
kansainvälisessä järjestössä ISO:ssa (International Standard Organisation) sekä eurooppalaisessa CEN:ssä (Comité européen de normalisation).
Useimmissa maissa standardien käyttö on vapaaehtoista ja niitä käytetään, koska ne ovat hyödyllisiä. Viranomaiset voivat kuitenkin määräyksissään,
kuten EU-direktiiveissä, viitata standardeihin (esim. turvallisuutta koskeviin) ja silloin niiden käyttö on usein käytännössä lähes pakollista.
Standardisoinnilla pyritään lisäämään tuotteiden yhteensopivuutta ja turvallisuutta, suojelemaan kuluttajaa ja ympäristöä sekä helpottamaan kotimaista ja kansainvälistä kauppaa. Euroopan unionissa standardit ovat avainasemassa teknisten direktiivien tulkitsemisessa. Eurooppalaisten standardien tunnus on EN. Teknisten spesifikaatioiden tunnus on TS ja standardiehdotusten tunnus on prEN. Amerikkalaisilla ja aasialaisilla toimijoilla on edellä mainittujen standardien lisäksi omat standardinsa ja lisäksi ISO:lta on tulossa hyvin pitkälti CEN:in standardiin perustuva oma standardinsa lämpöpumppujen energiatehokkuuteen liittyen.
Varsinaisten standardien lisäksi erilaiset toimialajärjestöt voivat antaa omia markkinointia tukevia ja teknistä spesifikaatioita tarkentavia suosituksiaan.
EHPA (European Heat Pump Association), johon kuuluu 73 jäsentä 21 maasta, on luonut saksalaiseen kielialueeseen perustuneeseen D-A-CH laatuleiman pohjalle oman “EHPA quality label” merkkinsä, joka pyritään saamaan käyttöön Suomessa kuten koko EU- alueella. Suomalaisille valmistajille tämä leima on edellyttänyt oman kansallisen riippumattoman laatutoimikunnan perustamista. Tämä on perustettu 2009 ja siihen kuuluu 3 suomalaisen lämpöpumppuvalmistajan lisäksi riippumattomat edustajat Sitrasta, Suomen kylmäliikkeiden liitosta, Suomen lämpöpumppuyhdistyk- sestä, Suomen LVI-liito SuLVksta ja VTT:ltä.
Tämän hetkiset EHPA:n minimivaatimukset ja vaatimukset 2011 alusta alkaen energiatehokkuuden osalta on esitetty seuraavassa taulukossa (Taulukko 2).
Taulukko 2. EHPAn minimiarvot Quality label leimalle lämmitystilanteessa energiatehokkuuden osalta
Lämpökerroin 2011 Lämpökerroin 2010
Keräys/jakojärjestelmä Nesteestä veteen
N0/V35 4,00 4,30
Vedestä veteen
V10/V35 4,50 5,10
3,10 Ilmasta veteen I2/V35 3,00
Muita kriteerejä, joita laatutarkastuksessa otetaan huomioon, ovat muun muassa: lämpöpumppujen tekninen toimivuus, huollon toimivuus,
dokumentointi, varaosien saatavuus ja laitetakuut.
2.2.1. Eurooppalainen standardi EN 14511:2007 (Lämpökertoimen - COP:n, määritys)
Kolmenkymmenen Euroopan valtion yhteinen standardointi organisaatio (CEN), on julkaissut lokakuussa 2007 kolmella virallisella kielellään (englanniksi, ranskaksi ja saksaksi) Eurooppalaisen standardin EN-
14511:2007 ”Air conditioners, liguid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling”. Julkaisu on vahvistettu englanninkielisenä myös suomalaiseksi standardiksi kesäkuussa 2008. SFS-EN-14511 ”Lämmitykseen ja jäähdytykseen tarkoitetut
sähkökäyttöisellä kompressorilla toimivat ilmastointikoneet, nestejäähdyttimet ja lämpöpumput”. Standardi koostuu neljästä osakokonaisuudesta:
• Osa 1; käsitteet ja määritelmät
• Osa 2; testausolosuhteet
• Osa 3; testausmenetelmät
• Osa 4; vaatimukset.
Stand ardi paketti spesifioi useista näkökulmista monimutkaisten teknisten järjestelmien testausmenetelmät ja lämmön talteenottokapasiteetin
raportoinnin. Paketti koostuu kaikkiaan lähes sadasta sivusta tiivistä asiaa mutta on huomattava, että lämpöpumput ovat mukana vain yhtenä teknisenä järjestelmänä. C02 järjestelmät, jotka käyttävät transkriittistä
kylmäainekiertoa eivät ole mukana standardissa ja osateho testausta käsittelee standardi CEN/TS - 14825.
EN-14511 ei aseta minimisuorituskykykriteerejä lämpöpumpuille. Standardi EN-14511 on korvannut vanhan standardin EN-255:n vuonna 2004 ja tässä yhteydessä osa testauspisteistä on muuttunut. Tämä vaikeuttaa vanhojen testiraporttien (EN-255 mukaan) ja uusien raporttien (EN-14511 mukaan) vertailua. Sveitsiläisen tiedon mukaan tilastolliseen analyysiin perustuen, riippuen toki testipisteestä, keskimäärin lämpökertoimet ovat 5 %
matalammat uudessa standardissa kuin vanhassa 255:ssä. (EN-15316 s.
114).
Standardissa EN-14511 on taulukoitu olosuhteet mittauksille kullekin lämmönsiirtotavalle ja esimerkiksi ilmailmapumpuille esitetty lämpötila
standardiolosuhteeksi lämmitystilanteessa on + 7 °C (EN-14511-2:2007 s. 6).
Liuosjärjestelmille testi tehdään valmistajien ohjeiden mukaisissa lämpötiloissa.
Sivulla 9 kyseisessä julkaisussa on standardiolosuhteet ilmasta veteen lämpöpumppujen mittauksiin eli +7/35°C (lämmönkeräys/lämmönjako).
Lisäksi esitetään sovellettaviksi muutamia lisälämpötiloja lämmönjaon ollessa
koko ajan +35 °C. Nämä lisälämpötilat ovat +2, -7 ja -15 astetta, joille on selkeästi käyttöä meidän ilmasto-olosuhteissamme. Testattujen lämpökerroin arvojen täytyy asettua > 0,85 x valmistajien ilmoittama lämpökerroin arvo, muuten laitteistoa täytyy muuttaa ja testi uusia (emt. s.14)
Ilmasta veteen ja maalämpöpumppujen lämmityskapasiteetti määritetään standardin EN-14511-3:2007 mukaan normaalilla tavalla määrittämällä tilavuusvirta lämmönsiirtonesteestä, sekä ottamalla huomioon nesteen ominaislämpökapasiteetti ja tiheys (emt. s. 6).
PH =q * p * CpAt (7) missä
Lämpökapasiteetti [W]
Tilavuusvirta [m3/s]
Tiheys [kg/m3]
Ominaislämpökapasiteetti [J/(kgK)]
Ph
q p
Cp
Lämpötilaero [K]
Mikäli liuospumput ovat integroituna laitteistoon, niiden tehosta lasketaan mukaan vain osa. Poisjätettävä osuus kokonaistehosta saadaan kaavasta 8.(emt. s.8)
q**Pe Л [W]
At
(8)
missä
on 0,3 1
on mitattu ulkoinen staattinen paine-ero [Pa]
on normivirtaama [m3/s]
Ape
q
Standardin mukaan toteutetussa testissä mittausepävarmuus ei saa olla suurempaa kuin taulukossa 3 on esitetty.
Taulukko 3. Mittausepävarmuus osoitetuille suureille standardin EN-14511 mukaan.
Mittausepävarmuus Yksikkö
Mitattu suure Neste
±0,1 K
°c
-lämpötila sisään/ulos
m3/s ±1%
-virtaama
±5 Pa (Ap< 100Pa) -staattinen paine-ero Pa
±5 %(Др>100Ра) Ilma
±0,2 K -kuivalämpötila °C
±0,3 K -märkälämpötila °C
m3/s ±5 %
-virtaama
±5 Pa (Äp< 100Pa) -staattinen paine-ero Pa
±5 %(Др>100Ра) Kylmäaine
-paine-ero kompressorin ulostulossa kPa ±0,1 Pa
±0,5 K -lämpötila °C
Pitoisuus
±2 %
Lämmönsiirtoneste % Sähköiset suureet
±1 %
W -sähköteho
±0,5 % V
-jännite
±0,5 % A
-virta
±1 %
kWh -sähköenergia
min'1 ±0,5 % Kompressorin pyörimisnopeus
Mitattaessa lämmitys tai jäähdytyskapasiteettia nestepuolelta maksimi mittausepävarmuus saa olla korkeintaan 5 % riippumatta yksittäisistä epävarmuuksista.
Sallitut poikkeamat asetusarvoista standardin mukaan on esitetty seuraavassa taulukossa 4.
Taulukko 4. Sallitut poikkeamat asetusarvoista standardin EN-14511 mukaan.
Sallittu hajonta aritmeettisesta keskiarvosta
Yksittäisen
mittauksen hajonta asetusarvosta Mitattu suure
Neste
±0,5 K
±0,2 K -lämpötila sisään
±0,6 K
±0,3 K -lämpötila ulos
±5%
±2 %
-virtaama
±10%
-staattinen paine-ero
Ilma
±0,3 K ±1 K -sisäänmeno
(kuivalämpötila/
märkälämpötila)
±10 %
-virtaama ±5%
±10 %
-staattinen paine-ero
Kylmäaine
±1 K ±2 K -nesteen lämpötila
±0,5 K ±1 K -kylläinen
höyry/kuplapisteen lämpötila
Mittauksen keston minimiaika on 35 minuuttia ja tiedonkeräys tehdään vähintään 30 sekuntin välein. Käytännön tasolla näin tiukkoihin erityisesti lämpötilan poikkeamavaatimuksiin on hyvin vaikeaa päästä, käsiteltäessä koko laitteistoa. Laitteiston mittaaminen kokonaisuutena ja lämpökerroin koko vuoden ajalta ovat joka tapauksessa kuluttajaa kiinnostavia suureita.
2.2.2. Eurooppalainen standardi EN 15316 -4-2 (Kausilämpökertoimen - SPF:n, määritys)
Tämä eurooppalainen standardi on vahvistettu suomalaiseksi kansalliseksi standardiksi englanninkielisenä SFS-EN-15316 -4-2 vuonna 2009
suomenkielisellä nimellä ” Rakennusten lämmitysjärjestelmät.
Järjestelmien energiavaatimusten ja järjestelmätehokkuuden laskenta.
Osa 4-2 Lämmöntuottojärjestelmät - Lämpöpumppujärjestelmät.
Osassa 4-2 on lähes 130 sivua ja siinä esitetään menetelmä lämpöpumppu lämmitysjärjestelmän energiatehokkuuden laskemiseksi.
Lämmitysjärjestelmien kehitykseen eri Euroopan osissa ovat vaikuttaneet merkittävästi erilaiset ilmasto-olosuhteet, perinteet ja kansalliset säädökset.
Lämpöpumppujärjestelmät ovat ainoastaan yhtenä järjestelmänä mukana standardissa EN-15316, joka koostuu kaikkiaan 14 eri osiosta. Koko standardipaketin laajuus on yli tuhat sivua.
Lämpöpumpuilla voidaan lämmittää tiloja, käyttövettä tai tehdä molempia joko yhtäaikaisesti tai vuorotellen. Osan 4-2 tavoitteena on standardoida
vaadittavat syöttötiedot, laskentamenetelmät ja saatavat tulosteet lämmön tekemisen hyötysuhteesta kausitasolla.
Taulukossa 5 on esitetty mahdolliset erilaiset lämmönlähteet ja lämmönjaon väliaineet, joita standardissa on käsitelty erilaisina yhdistelminä.
Taulukko 5. Lämmön lähteet ja lämmön jako standardin EN-15316 mukaan, erilaisia yhdistelmiä sarakkeista.
Lämmön jako Lämmön lähde
Ilma Ulkoilma
Poistoilma Vesi
Kylmäaineen suorahöyrystys (VRF) Epäsuora maalämmön keräys
liuoksella
Epäsuora maalämmön keräys vedellä
Suorahöyrystys maaperässä (DX) Pintavesi
Pohjavesi
SPF:n (seasonal performance factor) eli kausilämpökertoimen tämä
standardi määrittelee seuraavasti, käyttäen siinä toisaalta termiä “vuotuista”
tarvetta, joka luonnollisesti oikeuttaisi paremminkin vuosilämpökerroin nimen käyttöön: “Vuoden aikana järjestelmän lämmönjaon alajärjestelmään tilojen lämmitystä ja/tai käyttöveden tuottoon tuottama lämpöenergia suhteessa vuotuiseen sähköenergian kokonaiskulutukseen lisälaitteineen” (emt s.11).
Myös kausilämpökerroin on laaduton suhdeluku lämmönjakoon tuotetun ja järjestelmään syötetyn energian osamääränä. Lämpöpumppujärjestelmä koostuu itse pumpusta, lämmönlähdesysteemistä, sekä ulkoisista että
sisäisistä varastoista ja systeemiin liitetystä sähköisistä vastuksista. Tällainen järjestelmä on kuvassa 2 standardin mukaisesta englanninkielisestä
lähteestä käännettynä (emt s. 15).
7
« O
y сгиЦ]
6
10
о
-О2 _ 12
ЕИ È23
13
ч
Kuva 2. Lämmön tuotannon systeemin rajat.
1) lämmönlähdejärjestelmä 2) keräyspumppu
3) lämpöpumppu
4) käyttöveden latauspumppu 5) lämminvesivaraaja
6) lämpimän käyttöveden varmistus lämmitin 7) lämmityspuun pumppu
8) lämpimän käyttöveden purku 9) lämmityksen puskurivaraaja 10) lämmityksen varmistuslämmitin 11) lämmityksen kiertovesipumppu 12) lämmityksen alajärjestelmä 13) kylmän käyttöveden syöttö
Lämpöpumpun hyötysuhde riippuu voimakkaasti toimintaolosuhteista,
erityisesti lämmönkeräyksen ja - luovutuksen lämpötiloista. Ulkolämpötilojen säädataa voidaan käyttää ilma-ilma ja ilma-vesi pumppujen kausikerroin laskennassa mutta maalämpöpumppujen liuoslämpötilana voidaan hyvin käyttää Suomessa likimääräistystä ± 0 °C.
Lämmitysjärjestelmä on monesti jaettu eri lämpöisiin jakojärjestelmiin.
Karkeasti yleistäen patterilämmitysjärjestelmissä lämmönjako lähtee
+55°C:ssa, lattialämmitysjärjestelmissä +35°C:ssa ja käyttöveden lämmitystä tehdään +58 -+60°C:seksi vedeksi.
Kun arvioidaan lämmönjakosysteemin tarvitsemaa lämmöntarvetta, tarvitaan tiedot sekä tilojen lämmityksen lämmöntarpeesta että käyttöveden
valmistamiseen tarvittavasta lämpömäärästä. Mikäli yksityiskohtaista tietoa lämmöntarpeesta ei ole olemassa, voidaan lämmityksen lämmöntarve arvioida ulkolämpötilojen perusteella. Käyttöveden lämmöntarve voidaan olettaa päivittäiseksi vakioksi ( emt s. 25).
Lämmityksen ja käyttöveden tuottamiseen käytetään sekä vuorottaisia että samanaikaisia järjestelmiä. Automatiikka antaa käyttövedelle yleensä
etuoikeuden ja lämmitys keskeytyy kun käyttövettä tarvitaan. Yhtäaikaisessa lämmityksessä on erotettava kolme erilaista toimintatilaa: 1) vain tilojen lämmitystä (käyttöveden varaaja täynnä) 2) vain käyttöveden lämmitystä (kesäaika) ja 3) molemmat toiminnot yhtäaikaisesti. Lämmityskapasiteetti ja lämpökerroin eroaa yhtäaikaisen käytön tilanteessa muista merkittävästi, sähkövastusten käytön laskiessa lämpökerrointa merkittävästi. Kaikki kyseiset tapaukset ovat kuitenkin mukana standardi testikäytännöissä.
Standardi EN-15316 esittää kaksi erilaista laskentamenetelmää, jotka eroavat vaadittavien lähtötietojen osalta, huomioon otettavien olosuhteiden osalta ja laskentajakson osalta. Yksinkertaistettu menetelmä perustuu systeemin luokitteluun. Kausilämpökerroin lasketaan luokitelluista
taulukkoarvoista, jotka perustuvat standardin EN-14511 mukaisiin testattuihin arvoihin. Seuranta-aika tässä menetelmässä on lämmityskausi ja laitteiston toiminta olosuhteet (ilmasto, laiteiston suunnittelu ja lämmitysjärjestelmän toiminta, lämmönlähteen tyyppi) perustuvat kaikki järjestelmä luokitteluun, eivätkä ole tapaus-spesifisiä. Menetelmä mahdollistaa maa/alue spesifisen lähestymisen, mutta vaatii kansallisen luokittelun. Jos tällaista ei ole
käytettävissä, menetelmä ei ole käyttökelpoinen, (emt s. 22.)
Yksinkertaistettuun menetelmään tarvittavat lähtötiedot EN-15316:n mukaan on lueteltu seuraavassa:
lämpöpumpun toiminta: tilojen lämmitys, käyttöveden tuotto vai yhdistelmä edellä olevista,
lämpöpumpun tyyppi (sähköinen, moottoroitu jne.), energian syöttötapa (sähkö, kaasu, öljy jne.), lämmönlähteen tyyppi,
kiertovesipumpun tai puhaltimen teho,
testitulokset EN-14511 standardin mukaisesta testistä, lämmityskapasiteetti,
onko sisäinen lämpövarasto ollut mukana testissä vai ei, sisäisen käyttöveden varaajan ominaistiedot (tilavuus/mitat, ominaislämpöhäviö).
Tällä menetelmällä saadut tulosteet ovat tällöin seuraavat:
kokonaissyötetty energia tuottojärjestelmään, tuottojärjestelmän lämpöhäviöt,
tuottojärjestelmän lisälaitteiden energiankulutus,
tuottojärjestelmän lämpöhäviöt, jotka ovat käyttökelpoisia tilojen lämmitykseen,
optiona kausilämpökerroin SPF (emt s. 23.)
2.2.3. VD1-4650: yksinkertaistettu kausilämpökertoimen (SPF) määrittäminen
Saksalaisten insinöörien (Verein Deutsher Ingenieure, kansallinen toimialajärjestö) julkaisussa VDI-4650 keväältä 2009 on esitetty yksinkertaistettu menetelmä kausilämpökertoimen laskemiseksi
sähkökäyttöisille lämpöpumpuille, joita käytetään tilojen lämmittämiseen ja kuuman käyttöveden tuottamiseen. Saksassa kansallisen standardijärjestön lisäksi useat toimialakohtaiset järjestöt voivat laatia omia maan sisäisiä standardejaan. Tämä julkaisu on kaksikielinen, siten että saksankielinen versio on sitova ja englanninkielinen versio on käännös saksankielisestä alkuperäistekstistä. Julkaisussa on noin 20 sivua ohjeita ja noin 10 sivua laskentaesimerkkejä. Esimerkkilaskentaa on tehty muun muassa
porakaivolämpöpumpun kausilämpökertoimesta, jota käytetään pelkästään tilojen lämmitykseen, pohjavesilämpöpumpun kausilämpökertoimesta, jossa käytetään välilämmönvaihdinta sekä kellari-ilmaa kuuman käyttöveden tuottoon ja ilma-vesi pumpun kausilämpökertoimesta, joka tuottaa rinnakkais käytössä sekä tilojen lämmitystä että käyttövettä.
VDI-4650 on tehty edeltäjänsä VDI-1000 esikuvan mukaan pitkälti samoilla periaatteilla. Lämpöpumput ovat yksi parhaista mahdollisuuksista hyödyntää aurinkoenergiaa erityisesti Keski-Euroopan ilmastossa. Julkaisu VDI-4650 kuvaa helpon ja kuitenkin riittävän tarkan menetelmän energiatehokkuuden
määrittämiseen. Menetelmä ottaa huomioon kaikki teknisesti relevantit suureet. Se ei kuitenkaan täytä DIN:in (Deutschen Institut für Normung) standardoinnin kriteerejä.
Ihmisten käyttäytyminen on yksi suurimpia vaikuttajia kiinteistön energiankulutukselle. Muun muassa huonelämpötilalla, ilmastoinnin käyttötottumuksilla, säätöjärjestelmän käytöllä ja lämmitysjärjestelmän yleisellä käytöllä on niin suuri merkitys energiankulutukselle, että merkittäviä poikkeamia toteutuneen ja teoreettisesti lasketun välillä esiintyy varmasti.
Energiatehokkuuteen VDI-4650:ssä vaikuttavat erityisesti lämmönlähteen, lämpövaraston ja näiden vuodenaikavaihteluiden lämpötilat. Apulaitteiden energiatehokkuudet muodostavat osan energiatehokkuudesta. Kuitenkin ehkä tärkeimpänä tekijänä tehokkuudelle on lämmönjaon lämpötilan vaikutus.
VDI-4650 julkaisun tarkoituksena ei ole korvata yksityiskohtaisia
simulointiohjelmia, eikä sen tarkoituksena ole mitoittaminen. Sen avulla saadaan muuttuvissa olosuhteissa tuloksia kausilämpökertoimelle.
Julkaisussa läpikäydyt lämmönlähteet ovat pohjavesi, maalämpö (sekä porakaivosta että vaakaputkistosta) ja ilma. Lämmönjako perustuu vesikiertoisiin järjestelmiin. Merkintätapa, jota käytetään usein muissakin lähteissä ilmaistaessa lämpöpumppujärjestelmää on seuraava:
Lämmönlähteen tyyppi ja lämpötila/lämmönjako ja sen lämpötila esimerkiksi I-7/V35 tarkoittaa: ilma -7 °C/lämmönjako vedellä 35 °C.
Julkaisun VDI-4650 mukaan kausilämpökertoimeen vaikuttavat tekijät ovat:
lämpökerroin mitattuna EN-14511 mukaan (vanhempi standardi EN- 255-3),
lämmön lähteen lämpötila,
lämmönlähteen lämpötilan muutokset vuoden aikana, lämpötilaero lämmönlähteessä ja - luovutuksessa lämpövaraston lämpötila suunnittelutilanteessa lämpövaraston lämpötilamuutokset vuoden aikana, lämmönkeräyksen ja - luovutuksen välinen lämpötilaero, lämpötilaero sisään menevälle ja ulostulevalle massavirralle mittauksen aikana,
lämpötilaero lämpövaraston ja siihen palaavan massavirran välillä mittauksen aikana,
- sähköenergia, joka tarvitaan lämmönlähteen kiertovesipumpun pyörittämiseen,
- käyttöveden lämminvesivaraajan lämpötila suunnitteluarvona ja lämpimän käyttöveden osuus kokonaislämmöntarpeesta.
Lämpökertoimen muutokset lämmönlähteen lämpötilan muuttuessa tai varaajan lämpötilan muuttuessa ovat lähes samat monilla sovelluksilla ja lähes lineaarisia muutoksia. Toinen varsin relevantti tekijä hyötysuhteelle on lämpötilaero lämmönjaossa. Luonnollisesti myös ulkoilman lämpötilalla, silloin kun puhutaan ilmasta lämpönsä keräävistä järjestelmistä, on ratkaiseva merkitys lämpökertoimelle ja sitä kautta myös
kausilämpökertoimelle.
Lämmönluovutuksen mitoitus tehdään eri lämpötiloilla lattialämmölle ja patterilämmönjaolle. Lämpötilaerona lattialämmölle VDI-4650 suosittelee 5-7 K ja patterilämmönjaolla 7-10 K.
Toisin kuin ilma-pumpuissa maalämpöä tai pohjavettä lämmönlähteenä käytettäessä voidaan käyttää vakiolämpötiloja lämmönlähteelle. VDI-4650 esittää korjauskertoimet kausilämpökertoimen laskemiselle erikseen maalämmölle ja erikseen ilmalämmölle.
2.3 Lämpökertoimien arvoista kirjallisuudessa
“SEasonal PErformance factor and Monitoring for heat pump systems in the building sector” on projekti, jossa on tarkoitus mitata 46:n
lämpöpumppujärjestelmän lämpökertoimia ympäri Eurooppaa konkreettisissa asennuskohteissa. Kolmivuotinen projekti on alkanut kesällä 2009 mutta mittaustietoja ei ole vielä saatavissa. Projektissa on tarkoitus tuottaa mitattua tietoa lämpökertoimista, jotta lämpöpumput saisivat paremman markkina- aseman rakennusalalla. Ruotsista mittauksissa on mukana 8 omakotitaloa, joissa on asennettuna 2-10 kW tehoisia lämpöpumppujärjestelmiä.
(SEPEMO 2010.)
Japanilaiset Shipa ym (2008) ovat laskeneet kolmella eri ilmastoalueella:
kylmällä(Sapporo), lämpimällä(Tokio) ja subtrooppisella(Okinawa) alueella Japanissa sekä kausilämpökertoimia että vuosilämpökertoimia järjestelmälle, joka kykeni vaihtamaan maalämpöjärjestelmän ilmasta veteen järjestelmään automaattisesti. Ohjaustieto saatiin ohjelmasta, joka laski tunnittaisen
hyötysuhteen kummallekin järjestelmälle jatkuvasti. Lämmityskauden ja jäähdytyskauden kausilämpökertoimet vaihtelivat ilmastovyöhykkeen mukaan
lämmityksen 3,9:stä 4,4:ään ja jäähdytykselle 4,9:stä 6,0:aan.
Vuosilämpökertoimeksi saatiin kyseiseisissä ilmasto-olosuhteissa vaihteluväli 4,4:stä 5,24:ään. Eri ilmasto-olosuhteissa pienemmän lämpötilaeron
järjestelmä oli kulloinkin parempi yksinään simuloiduissa tuloksissa ja parhaat kertoimet tulivat järjestelmälle, joka vaihtoi käytettävää
lämmönlähdettä edellä kuvatun ohjelman ohjaamana. Lämmönkeräyksen hyötysuhde paransi tekijöiden mukaan 10 % vuosilämpökerrointa, kun keräyslämpötilaeroa pudotettiin 10 asteesta 5 asteeseen.
Vuosilämpökertoimet olivat sekä Tokiossa että Okinawalla 5,2 mutta Sapporossa, joka on lähimpänä pohjoisia ilmasto-olosuhteita
vuosilämpökerroin jäi 4,8:aan.
Hieman vanhempia tuloksia lämpökertoimen määrittämisestä ovat esittäneet Lam & Chan (2003) Hong Kongilaisissa hotelleissa. He mittasivat ilmasta veteen laitteiston ja maalämpölaitteiston lämpökertoimia,
kausilämpökertoimia ja vuosilämpökertoimia. Heidän mukaansa
lämpöpumput yleensä toimivat lämpökertoimilla 1,5 -2,4. Kausilämpökerroin oli mitattu ilmasta veteen laitteistolle ja se oli 1,99 kun kokonaisuutena tuotettu lämpömäärä oli 49,1 MWh. Vuosilämpökerroin maalämpöpumpulle oli 1,75 kun tuotettua lämpöenergiaa oli 952 MWh.
Kaksikymmentä vuotta vanhempia tuloksia lämpökertoimista löytyy Ingersollin & Arasteh (1983) simuloinneista USA:n neljällä
ilmastovyöhykkeellä asuintaloissa. Kausilämpökertoimen arvoiksi he ovat saaneet yli 2 kaikissa kohteissa. Mitoittamalla lämpöpumput rakennuksien lämpöhäviöiden ja toimintaolosuhteiden mukaan kausilämpökertoimet voidaan heidän mukaansa maksimoida.
Kurnitski (2009) on hakenut vastausta kysymykseen: ”miten rakennuksen energiatehokkuus voidaan määrittää riittävän luotettavasti ja samalla
kustannustehokkaasti?” Julkaisussaan hän esittää pelkistetyn ja tehokkaan menetelmän tähän tarkoitukseen. Ilmalämpöpumput eivät ole päässet mukaan Kurnitskin energialaskentaan mutta maalämpöpumput,
poistoilmalämpöpumput ja ilma-vesi ulkoilmalämpöpumput ovat mukana.
Parhaan vuosilämpölämpökertoimen arvon energialaskennassa Kurnitski antaa poistoilmalämpöpumpulle (arvon 4,0), silloin kun tällä laitteistolla voidaan valmistaa myös käyttövettä. Lämmityskauden lämpökertoimien laskennan ohjearvot vaihtelevat maalämpöpumppuille 2,7:stä 3,5:een ja ilma- vesi ulkoilmalämpöpumpuille 2,3:sta 2,8:aan. Hajonta ohjearvoihin tulee siitä, otetaanko mukaan käyttöveden valmistus ja toisaalta lämmönjaon
lämpötiloista.
Sekä mitattuja että ennen kaikkea simuloituja arvoja kirjallisuudesta löytyy melko runsaasti mutta näiden käyttökelpoisuus arvioitaessa
lämpöpumppujen vuosilämpökertoimia omissa ilmastoolosuhteissamme jää
kyseenalaiseksi. Hyvän yhteenvetoartikkelin hieman vanhemmista mittaustuloksista ovat tehneet (Ozgener & Hepbasli 2007).
3. Lämpöpumppujärjestelmä ja sen komponentit
Tässä luvussa kuvataan lämpöpumpun toimintaprosessia ja korostetaan kylmäaineen keskeistä merkitystä lämpökertoimeen vaikuttavana erityisen tärkeänä järjestelmäkomponenttina. Kylmäaineen kautta määrittyvät
lämpötilatasot, jotka puolestaan määräävät lämpökertoimen arvot. Luvussa on käytetty lähteinä Scopus tietokannan kautta haettuja, lämpöpumppujen toimintaan vaikuttavia tekijöitä uusimmissa tieteellisissä julkaisuissa.
Erityisesti aasialaisten tutkijoiden julkaisuja on tieteellisessä kirjallisuudessa hyvin runsaasti. Varsinainen kylmätekniikaosuus on jätetty vähemmälle, koska siitä löytyy hyviä suomenkielisiä esityksiä. Erilaisilla teknisillä
ratkaisuilla, erityisesti vesivaraajien koon osalta käyttöveden riittävän määrän varmistamisessa, on suuri merkitys lämpökertoimille. Myös asennusta ja laitteiston käyttäjän toiminnan merkitystä pohditaan.
3.1. Kylmäaine - keskeisin energiatehokkuuteen vaikuttava kylmäkomponentti
Kansainvälisen sopimuksen mukaisesti kylmäaineille on annettu ns. R- numero, joka luokittelee kylmäaineet kemiallisen koostumuksen mukaan.
Suuri osa vanhimmista kemiallisista kylmäaineista on jo kielletty niiden otsonikerrosta tuhoavan vaikutuksen vuoksi. Tällä hetkellä paineet kohdistuvat osittain halogenoitujen hiilivetyjen käytön kieltämiseen.
Kokonaan kloorittomat hiilivedyt, jotka sisältävät fluoria, hiiltä ja vetyä
(HydroFluoroCarbons) ovat otsonikerrokselle täysin haitattomia, samoin kuin halogeenittomat luonnonmukaiset kylmäaineet. Näillä aineilla saattaa
kuitenkin olla vaikutusta kasvihuoneilmiöön. Tätä vaikutusta mitataan niin sanotulla GWP-indeksillä(Global Warming Potential), jonka arvoksi
hiilidioksidille on sovittu 1,0. Kylmälaitoksen vaikutusta ilmakehän
lämpenemiseen sadassa vuodessa (kg CO2) puolestaan arvioidaan niin sanotulla TEWI luvulla (Total Equivalent Warming Potential). (Hakala &
Kaappola 2005.)
Kylmäaineilla saadaan paljon hyvää aikaan. Niiden avulla on luotu ihmisen toteuttamista lämmitysjärjestelmistä tehokkain - lämpöpumppu.
Lämpöpumput ottavat ilmaisen energiansa ympäristöstään, joten ne ovat pääseet RES - direktiivissä EU:n erityiseen suojeluun. Toisaalta
kylmäaineilla on edellämainitut kolme negatiivista ominaisuutta. Kylmäaine
myös määrää millaisilla lämpötilatasoilla laitteisto toimii ja näin ollen myös millaisiin lämpökertoimiin voidaan päästä.
Lämpöpumpun rakenne ja ominaisuudet riippuvat lämmönjaon tavasta sekä lämmönlähteestä. Lämpöpumppu ottaa lämmönlähteestä (ulkoilma, maa, vesi, porakaivo tai poistoilma) lämpöä ja siirtää sen joko vesikiertoiseen lämmönjakojärjestelmään tai suoraan huoneilmaan (Aittomäki 2001).
Järjestelmässä on kolme erillistä suljettua järjestelmää: lämmönkeräys, lämmön siirtoja lämmönjako. Tämä tekee lämpöpumppujärjestelmistä
huomattavan monimutkaisia optimointimielessä verrattaessa niitä perinteisiin lämmitysjärjestelmiin. Kokonaisuutena lämmityksen toimintaan ja näin
esimerkiksi energian säästöön vaikuttavat itse lämpöpumpun lisäksi muut lämmitysjärjestelmän osat. Asiaa mutkistaa vielä erityisesti lämpimän
käyttöveden tuottovaatimus, jonka kaikki lämpöpumpputoimittajat priorisoivat ohjauksessa ensisijaiseksi lämmitystarpeeksi. Useimmiten lämmitykseen ei mene lainkaan lämpöenergiaa niin kauan kuin käyttövesi ei ole riittävän lämmintä.
Aittomäen ym. (1999) mukaan merkittävimpiä tekijöitä lämpökertoimelle ovat lämmönlähteen lämpötila ja lämmönjako. Lämmönjaon puolella tämä
tarkoittaa sitä, että mitä matalammassa lämpötilassa lämpö voidaan lämmönjakojärjestelmässä käyttää, sitä parempi on lämpöpumpun
“tehokkuus”. Tässä suhteessa lattialämmitys on edullisin. Lämmöntarpeen pienetessä on järkevää laskea lämmitysjärjestelmään menevän veden lämpötilaa. Laitteiston täytyy kuitenkin tästä huolimatta pystyä lämmittämään käyttövesi tarpeeksi korkeaan lämpötilaan. Edelleen toinen keskeinen tekijä lämpökertoimelle on lämmönlähteen lämpötila. Porareiästä saadun lämmön lämpötila riippuu ensisijaisesti reiän syvyydestä ja vesituotosta reiän
matkalla. Kuivassa reiässä lämpötila laskee alemmas kuin reiässä, johon pohjaveden runsas virtaus tuo lämpöä. Kuivassa kalliossa reikää tarvitaan enemmän kuin runsastuottoisessa kallioperässä. Maasta vaakaputkistolla tapahtuvassa lämmönotossa maaperästä tulevan liuoksen lämpötilaan vaikuttavat maalaji sekä putken pituus. Sekä lämmönkeräyksessä että lämmönjaossa on merkitystä myös sillä, kuinka suurta lämpötilagradienttia käytetään. Varsin tavallisesti maalämpöpumpun toimittaja mitoittaa
järjestelmänsä 3 asteen keräykselle ja 8 asteen jaolle.
Aittomäki (2001) on läpikäynyt lämpöpumppuprosessin ja pumpputyypit omassa julkaisussaan. Kyseisestä julkaisusta selviää myös asennusohjeita asennettaessa järjestelmä olemassa olevan järjestelmän rinnalle tai
saneerattaessa koko järjestelmä uudeksi. Oheisessa kuvassa on kyseisestä julkaisusta poimittu lämpöpumppujen periaatteen selkeyttävä kuva.
Sliöyk tikka
—>
vorotyi Utkovkskkå Lämpö
lamppu Kôyîtôveti
r
PuhdinLiuos
Z>
■
—QH k___J Lämmitys Puhdin-k
Ш1МШШЩ
Porareätö
Kuva 4. Ulkoilmalämpöpumpun periaate Kuva 3. Maalämpöpumpun periaate
Lämpöpumppulaitteistojen lämmönsiirto perustuu olomuodonmuutokseen tarvittavaan suureen energiamäärään faasimuutoksessa nesteestä kaasuksi höyrystimessä ja lauhduttimessa päinvastaiseen suuntaan kaasusta
nesteeksi. Jotta tämä lämmönsiirto voidaan toteuttaa, tarvitaan kylmäaineita, joiden kiehumispiste on riittävän matalissa lämpötila- ja paineolosuhteissa.
Kylmäaineen keskeinen merkitys energiatehokkuudelle ja
lämmityskapasiteetille tulee selvästi ilmi Shiba ym. (2008) tutkimuksessa, jossa he ovat onnistuneet parantamaan vuosihyötysuhdekerrointa (APF)
peräti 21 % vaihtamalla kylmäaineen R 407 C:stä R 410:A:han ilmasta veteen ja maalämpöä hyödyntävässä hybridijärjestelmässä. Pelkästään maalämpöjärjestelmässä Saksi (2009) ei ole saanut merkittävää eroa kylmäaineiden välille, energiatehokkuus on hänen työssään vain hieman parempi R410 A:lla kuin R407 C:llä.
Kylmäaineissa ollaan vähitellen siirtymässä luonnonmukaisiin vaihtoehtoihin.
Propaanin käytöllä 407 C korvaajana Magraner ym. (2010) ovat saavuttaneet 15 % parannuksen lämpökertoimeen.
Hiilidioksidi (C02) poikkeaa muista kylmäaineista. Sen painetasot ovat erittäin korkeita ja lauhdutinpuoli on kriittisen pisteen yläpuolella, jolloin lauhtumisen sijasta tapahtuu kaasunjäähdytys. Sillä ei voida hyödyntää normaalitilanteessa faasimuutoksessa siirtyvää suurta energiamäärää.
Standarditkaan eivät käsittele hiilidioksidilla tapahtuvaa kylmäprosessia (EN- 14511).
3.2. Kylmätekniset komponentit - paljon kehitysmahdollisuuksia
Energiatehokkuutta erityisesti ilmalämpöpumpuilla voidaan parantaa hyvin pienillä innovatiivisilla ratkaisuilla. Kwak & Bai (2010) ovat parantaneet pienen ”ikkunailmalämpöpumpun” energiatehokkuutta Koreassa
voimakkaasti huurretta tuottavissa olosuhteissa todella merkittävästi.
Ulkolämpötilan ollessa 2 astetta kehitysversio tästä ilmalämpöpumpusta kytki päälle 1 kW sähkövastuksen ulkoyksikössä 2kW:n vastuksen sijasta
sisäyksikössä. Tällä yksinkertaisella toimenpiteellä saatiin
lämmityskapasiteetti lisääntymään 38 % ja lämpökerroin 57 % (0,93:sta 1,46:een) verrattuna perinteiseen ilmalämpöpumppuun. Tämä perustui siihen, että lämpöpumppu saattoi toimia koko ajan sen sijaan, että kompressorin pysähdyttyä höyrystimen jäädyttyä lämmitystä olisi tehty pelkästään sisäyksikön sähkövastuksella. Perinteisin menetelmä huurtumisen sulatukseen on ollut kylmäainekierron kääntäminen nelitieventtiilin avulla. Tämä menetelmä on hyvin yksinkertainen mutta haittapuolena on kylmän ilman siirtäminen sisätilaan sulatuksen ajan. Tämä heikentää lämpökerrointa oleellisesti tässä perinteisessä
sulatusjärjestelmässä. Edellä kuvatussa järjestelmässä ulkoyksikön
”sähkövastussulatuksen” ohjaus oli toteutettu pelkästään päälle/pois periaatteella. Miten ratkaisu toimisi selvästi pakkasen puolella olevissa lämpötiloissamme, jää kokeiltavaksi.
Paisuntaventtiilin tehtävänä kylmäainekierrossa on säätää kylmäaineen virtauksen määrää. Tulistuminen määrää kuinka paljon nestemäistä
kylmäainetta sekoittuu höyrystimelle palaavaan kaasuun. Jos tulistuminen ei ole riittävää, vaarana on aina höyrystimen jälkeisen kompressorin
vaurioituminen nesteiskujen vuoksi. Tyypillisimmät paisuntaventtiilit tämän hetken suomalaisissa lämpöpumpuissa ovat termostaattisia
paisuntaventtiilejä. Elektroniset paisuntaventtiilit - kiistattomista hyödyistä huolimatta, ovat vielä melko kalliita komponenteja, kun tarkastellaan ilmailma-pumppuja suurempia yksikköitä.
Talviaikainen jäätyminen ulkoyksikössä aiheuttaa merkittävää
lämpökertoimen heikkenemistä ja lämmityskapasiteetin putoamista. Zhiming (2010) on lisännyt vakiotoimiseen termostaattiseen paisuntaventtiiliin pienen 0-100 W:n lämmityskaapelin, jolla hän on saanut lämpökertoimen (COP) kasvamaan 6-10 %. Tämä johtuu Zhimingin mukaan termostaattisen paisuntaventtiilin ”virhetoiminnasta” ympäristön lämpötilan pudotessa jäätäviin olosuhteisiin. Paisuntaventtiili vähentää tulistusta tällöin ja saa aikaan noidankehän, missä pienentynyt tulistus johtaa matalampaan
höyrystymislämpötilaan ja lisäjään muodostumiseen höyrystimeen, mikä taas johtaa tulistumisen heikentymiseen.
Termostaattisia paisuntaventtiilejä oli runsaasti käytössä 1970 - luvulla.
Tämän jälkeen niiden käyttö kuitenkin väheni merkittävästi kun kustannuksia tuotannossa pudotettiin vaihtamalla paisuntaventtiilitkin vakioventtiileiksi.
Termostaattiventtiilit tulivat uudelleen 1980 - luvun lopulla laiteistojen
vakiokomponenteiksi energian hinnan merkittävän nousun myötä (ARI 1993).
Lämmönsiirtimiä on lämpöpumpuissa kaksi kappaletta vastakkaisissa
tarkoituksissa. Höyrystin ottaa lämpöenergiaa vastaan ja lauhdutin luovuttaa sitä. Teho, joka näissä lämmönsiirtimissä siirretään, saadaan lämmönsiirron peruskaavasta (Nydahl 2002).
Ф = A* k • AT (9)
Ф = Lämpövirta [W]
A = Höyrystimen/Lauhduttimen pinta-ala [m2]
k = Lämmönsiirtymiskerroin [W/(m2*K)j AT = Lämpötilaero [K]
Lämmönsiirtymiskertoimen tarkan arvon määrittäminen on vaikeaa, koska se riippuu useista sekä ulkoisista että sisäisistä tekijöistä. Tärkeimmät näistä tekijöistä ovat lämmönsiirto pinnan ja ympäröivän väliaineen välillä, pintojen lämpökuormitus, siirtimen sisä- ja ulkopintojen suhde, käytetty kylmäaine ja kylmäaineen virtaus. (Nydahl 2002.)
Yleisimmin lämmönsiirtimistä on nykyään käytössä lamellihöyrystimet, tehostetulla ilman kierrolla, jolloin puhutaan puhallinhöyrystimistä/-
lauhduttimista. Uudet mikrokanavalämmönsiirtimet eivät ainakaan vielä ole yleistyneet markkinoilla ilmeisten puhtaanapito-ongelmien vuoksi.
Tao ym.( 2010) ovat tutkineet useiden tekijöiden vaikutuksia transkriittisen C02 laitteiston, jossa oli sisäinen lämmönsiirrin, lämpökertoimeen.
Tulistuksen poiston lämmönvaihtimelle tulevan kaasun parametrit sekä höyrystymislämpötila todettiin tässä tutkimuksessa merkittävimmin lämpökertoimeen vaikuttaviksi tekijöiksi.
Kompressorin tehtävä lämpöpumpussa on puristaa höyrystimessä muodostunut kylmäainehöyry ja nostaa sen lämpötilaa niin korkeaan kyllästyslämpötilaan, että se luovuttaa lämpöenergiaa ja lauhtuu.
Kompressoreina pienissä maalämpöpumpuissa käytetään lähinnä mäntä- ja scroll kompressoreita, ilmalämpöpumpuissa rotaatiokompressoreita. Nämä ovat useimmiten hermeettisesti suljettuja sisältäen sekä moottorin että kompressorin teräskuoren sisällä. Moottorin ollessa kuoren sisällä, käämien
jäähdytys tehdään useimmiten sisään imettävän kylmäainekaasun avulla.
Kaasun tulistumista liikaa on kuitenkin varottava erityisesti hermeettisissä laitteissa, koska painetasot saattavat kohota liian korkeiksi. (Nydahl 2002.) Kompressorityyppi valitaan aina tapauskohtaisesti. Sen mitoitukseen
keskeisimmin vaikuttavat tekijät ovat Hakalan ja Kaappolan (2005) mukaan seuraavat tekijät:
kylmäaine
kompressorityyppi kylmäteho
höyrystymislämpötila kompressorilla lauhtumislämpötila kompressorilla imukaasun lämpötila
paisuntaventtiilille tulevan kylmäainenesteen lämpötila.
Uusimmissa julkaisuissa on käsitelty paljon myös yhdistettyjä järjestelmiä.
Esimerkiksi Stojanovio & Akander (2010) ovat työssään yhdistäneet markkinoilta saatavissa olevista komponenteista lämpöpumppuaurinko - järjestelmän, jonka vuosihyötysuhteeksi helmikuusta helmikuuhun he
ilmoittavat 2,09 käyttäen käsitteenä tälle hyötysuhteelle lyhennettä SPFsahps- (SPF Solar Assisted Heat Pump System). Pelkän lämpöpumppujärjestelmän SPFhp oli heidän työssään 2,85, jota he pitävät tyydyttävänä.
Uusiutuvien energiamuotojen yhdistäminen kuten tehdään käytettäessä maalämmön tukena aurinkokeräimiä takaa lämmityksen, jäähdytyksen ja lämpimän käyttöveden tarpeiden tyydyttämisen kaikissa olosuhteissa hyvällä hyötysuhteella.
4. Lämpöpumppujen ohjaus ja käyttö
Tässä luvussa kuvataan kylmäprosessista riipumattomia tekijöitä, jotka
vaikuttavat merkittävästi lämpökertoimen arvoon. Lämpöpumppujen käyttäjän toiminta ja vaatimukset ovat näistä tärkeimpiä. Lisäksi automatiikan toiminta on hyvin keskeisessä roolissa, kun puhutaan energiatehokkuudesta. Ohjaus- ja säätöjärjestelmä merkitys lämpökertoimelle on erittäin keskeisessä
roolissa lämpöpumpuissa.
