Energiatekniikan koulutusohjelma
KANDIDAATINTYÖ:
TEOLLISUUSKIINTEISTÖN ILMANVAIHTOKONEEN LTO- LAITTEISTON HYÖTYSUHTEEN PARANTAMINEN
Lappeenrannassa 1.2.2010 Ilkka Kasari, 0294255
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta
Energiatekniikan koulutusohjelma Ilkka Kasari
Teollisuusrakennuksen ilmanvaihtokoneen LTO-laitteiston hyötysuhteen parantaminen Improving the efficiency of heat recovery unit of an industrial ventilation system
Kandidaatintyö 2010
51 sivua, 6 taulukkoa, 15 kuvaa, 3 liitettä Tarkastaja: Professori, TkT, Risto Soukka Ohjaaja: Tutkijaopettaja, TkT, Mika Luoranen
Hakusanat: lämmöntalteenotto, vuosihyötysuhde, takaisinmaksu, ilmanvaihto, teollisuuskiinteistö
Keywords: heat recovery, year efficiency, reimbursement, ventilation, industrial building
Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan teollisuuskiinteistön ilmanvaihtolaitteen lämmöntalteenoton hyötysuhteen parantamista. Työn alussa esitellään erilaisia ratkaisuja poistoilman lämmöntalteenottamiseksi, lämpötilahyötysuhteen laskentaa ja vuosihyötysuhteen laskentaa yleisellä ja lämmöntarvelukuihin perustuvalla tavalla. Lisäksi käsitellään investointilaskelmien tekeminen. Työn lopussa esitellään teollisuuskohde ja esitetään ehdotus sen ilmanvaihtolaitteiston LTO-järjestelmän hyötysuhteen parantamiseksi. Tämän työn perusteella päädyttiin ratkaisuun, jossa kaikkein taloudellisin keino parantaa LTO-laitteiston hyötysuhdetta on kunnostaa vanha laitteisto vastaamaan modernia saman tyyppistä LTO- laitteistoa.
SISÄLLYSLUETTELO
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO ... 3
1 JOHDANTO ... 6
2 ILMANVAIHTOKONEIDEN LTO-LAITTEISTOT ... 7
2.1 Suora rekuperatiivinen LTO-laitteisto... 7
2.2 Epäsuora rekuperatiivinen LTO-laitteisto ... 10
2.2.1 Nestekiertoinen järjestelmä ... 10
2.2.2 Lämpöputkipatteri ... 12
2.2.3 Lämpöpumppu ... 13
2.2 Regeneratiivinen LTO-järjestelmä ... 14
2.2.1 Pyörivä regeneratiivinen LTO-järjestelmä ... 14
2.2.2 Virtausta vaihtavat LTO-järjestelmät ... 15
3 LTO-LAITTEISTON HYÖTYSUHDE JA ENERGIAN KULUTUS ... 17
3.1 Hetkellinen hyötysuhde ... 18
3.1.1 Lämpöpumpun hyötysuhde ... 23
3.1.2 Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhde ... 23
3.2 Vuosihyötysuhde ... 26
3.2.1 Ilmanvaihtolaitteen vuosihyötysuhde ... 26
3.2.2 LTO:n vuosihyötysuhteen laskenta lämmöntarveluvuilla ... 27
3.3 Investointilaskelmat ja kannattavuuden arvionti ... 29
3.3.1 Investointi- ja takaisinmaksulaskelmat ... 30
3.3.2 Kannattavuuden arviointi ... 32
4 TEOLLISUUSRAKENNUKSEN ILMANVAIHTOKONE ... 34
4.1 Kandidaatintyön kohde ... 34
4.2 Teollisuuskohteen eroavaisuus verrattuna asuinrakennukseen... 37
5 LTO-LAITTEISTON TEHOSTAMINEN TARKASTELUKOHTEESSA ... 38
5.1 Nykytilanne ... 39
5.1.1 Lämpötilahyötysuhde ... 40
5.1.2 Vuosihyötysuhde ... 40
5.1.3 Energiankulutus ... 41
5.1.4 Tulosten arviointi... 41
5.2 Tehostamistoimet ... 42
5.3 Investointilaskelmat ... 43
5.3.1 Tämän hetkinen sähköenergiankustannus... 43
5.3.2 Energiakustannusten muutos ... 43
5.4 Tulokset ja analyysi ... 46
6 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET ... 48
LÄHTEET ... 50
LIITTEET
Liite 1. Poistoilmalämpöpumpun vuosihyötysuhteen ja sähköenergian- kustannusten laskenta
Liite 2. Maalämpöpumpun vuosihyötysuhteen ja sähköenergiankustannusten laskenta
Liite 3. Takaisinmaksutaulukot
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
A pinta-ala [m2]
lämpökapasiteettivirta [W/K],[J/sK]
cp ominaislämpökapasiteetti [J/kgK]
COP lämpöpumpun lämpökerroin [-]
E energiankulutus [kWh/a]
h entalpia [J/kg]
i laskentakorko [%]
I investointi [€/a]
k kustannus, hinta [€/a],[€/kWh]
K kassavirta [€/a]
n tarkasteluaika [a]
NA nykyarvo [€/a]
NKV kumulatiivinen nettokassavirta [€/a]
P teho [W]
q tilavuusvirta, lämpöteho [m3/s],[W]
qm massavirta [kg/s]
qv tilavuusvirta [m3/s]
Q energia [J],[Wh]
R poistoilmavirran ja lämmön talteenotto vaatimusten [-]
piiriin kuuluvien ilmavirtojen suhde
S lämmöntarveluku [Kd]
t lämpötila [°C] [K]
V diskonttaustekijä [-]
x kosteus [g/kgk.i]
Kreikkalaiset
ajanjakso vuodesta, jolloin lämpötilaero (ts - tu) [d]
esiintyy
hyötysuhde [-]
tiheys [kg/m3]
lämpöpumpun lämpökerroin [-]
lämpöteho [W]
Alaindeksit
1-4 LTO-ratkaisut:
1 vanhan parantaminen 2 nestekiertoinen järjestelmä 3 poistoilmalämpöpumppu
4 maalämpöpumppu
a vuosi
a,h vuosittaiset käyttötunnit a,uusi uuden laitteiston
a,vanha vanhan laitteiston ennen ennen investointia h huoltokustannukset hs sähkön hinta
hp poistoilman entalpia hu ulkoilman entalpia
iv poistoilmavirtojen mukana rakennuksesta poistuva lämpöenergia
j jäteilma
J,i jäteilman ja sisäilman lämpötilan välinen jäte jäteilmavirta
jälkeen investoinnin jälkeen
ka keskiarvo
k,i kuiva ilma kok kokonais-
l lämpö
L lauhdutin
LTO talteenotettu lämpöenergia maks maksimi
mlp maalämpöpumppu
n LTO-neste
p poistoilma, puhallin
p1 poistoilman tila ennen LTO-järjestelmää p2 poistoilman tila LTO-järjestelmän jälkeen P,i LTO-vaatimuksen piiriin kuuluva
pilp poistoilmalämpöpumppu
poisto1 poistoilmavirta ennen puhallinta
poisto2 poistoilmavirta puhaltimen jälkeen, ennen LTO-järjestelmää s sisäilma, sähkö
S sisäilman ja ulkoilman lämpötilan välinen, sähkö T,i tuloilman ja ulkoilman lämpötilan välinen tLTO tuloilman lämpötila
tp poistoilman lämpötila tu tuloilman lämpötila
tulo1 tuloilman lämpötila sähköpatterin jälkeen
tulo2 tuloilman lämpötila LTO:n jälkeen, ennen sähköpatteria u ulkoilmavirta / tuloilmavirta
u1 tuloilman tila ennen LTO:a u2 tuloilman tila LTO:n jälkeen ulko ulkoilmavirta
xu ulkoilman kosteus xp poistoilman kosteus Lyhenteet
COP coefficient of performance
MLP maalämpöpumppu
LTO lämmöntalteenotto PILP poistoilmalämpöpumppu SULPU Suomen lämpöpumppuyhdistys
1 JOHDANTO
Ilmanvaihdolla on erittäin tärkeä rooli ihmisten viihtyvyydessä ja tuottavuudessa.
Ilmanvaihdon tarkoituksena on luoda ihmisille mukava ympäristö ilman haju-, melu- ja vetohaittoja. Saavuttaakseen nämä vaatimukset on ilmanvaihdon oltava tarpeeksi tehokas ja hyvin suunniteltu vastaamaan ihmisten tarpeita. Suurien ilmamäärien siirtely aiheuttaa kuitenkin sen, että osa rakennukseen tuodusta lämmöstä sitoutuu ilmaan ja poistuu rakennuksesta ilmanvaihdon mukana. Ilmanvaihdon aiheuttamat lämpöhäviöt voivan olla jopa 55 % koko rakennuksen lämpöhäviöistä (Seppänen & Seppänen 2007, s 60). Rakennusten energiatehokkuuden parantamiseksi on ilmanvaihdon yhteyteen kehitetty erilaisia LTO- ratkaisuja, joilla voidaan ilmanvaihdon lämmönkulutus pienentää alle puoleen (Seppänen &
Seppänen 2007, s 260).
LTO:n tarkoituksena on saada ilmavirtaan sitoutunut lämpö johdettua takaisin rakennukseen mahdollisimman tehokkaasti. On kuitenkin luonnollista, että kaikkea poistoilmaan sitoutunutta lämpöä ei kustannustehokkaasti saada siirrettyä tuloilmaan.
Tarkoituksenmukaista on siis luoda jonkinnäköinen tasapaino energiatehokkuuden ja investointikustannusten välille. Itse LTO-ratkaisut eroavat toisistaan paitsi kustannusten myös toimintaperiaatteen osalta. Lämmönvaihtimet ilmanvaihtosovelluksissa voidaan jakaa rekuperatiivisiin lämmönvaihtimiin, regeneratiivisiin lämmönvaihtimiin ja märkään lämmönsiirtoon (Seppänen 2008, 285). Rekuperatiivisissa lämmönvaihtimissa eivät tulo- ja poistoilmavirrat sekoitu keskenään. Regeneratiivisissa lämmönvaihtimissa lämpöä varastoidaan kiinteään massaan ja ilmavirrat sekoittuvat jossain määrin keskenään. Mikäli ilmavirta on suoraan johdettu lämpöä siirtävään veteen, on kyseessä märkälämmönsiirrin.
Tässä kandidaatintyössä keskitytään regeneratiivisiin ja rekuperatiivisiin lämmönvaihdinratkaisuihin.
Lämmöntalteenotto on tärkeä tekijä Suomen rakennusten energiatehokkuudessa. Vuonna 2007 rakennusten lämmitys kulutti 21 % Suomen kokonaisenergiasta (Tilastokeskus 2009, s 41). Tähän lukuun ei edes sisälly teollisuusrakennusten ja maatalouden rakennusten lämmitys.
Voidaan sanoa että rakennusten lämmityksen ympäristövaikutukset, erityisesti hiilidioksidipäästöt, ovat erittäin suuret. On siis erityisen tärkeää tulevaisuuden
energiatehokkuuden parantamiseksi huomioida myös LTO:n vaikutus rakennusten kokonaisenergian kulutuksen pienentämisessä.
Tässä kandidaatintyössä käsitellään teollisuuskohteen ilmanvaihtolaitteen LTO-järjestelmää ja sen parantamista. Ensin työssä esitellään eri LTO-ratkaisuja sekä niiden tunnuslukujen laskentaa. Neljännessä ja viidennessä luvussa paneudutaan varsinaiseen kandidaatintyön tutkimuskohteeseen, olemassa olevaan teollisuuskiinteistöön, jonka LTO-laitteisto pitäisi päivittää vastaamaan nykyajan energiatehokkuus vaatimuksia.
Tälle kandidaatintyölle asetetut tavoitteet ovat:
- luoda taulukkolaskentamalli, jonka avulla kiinteistön LTO-laitteiston tehokkuuden parantamista voidaan laskea
- hakea esitettyjen LTO-ratkaisuiden pohjalta toimiva ja järkevä tehostamistoimenpide tutkimuksen kohteena olevan teollisuuslaitoksen ilmanvaihdon parantamiselle
2 ILMANVAIHTOKONEIDEN LTO-LAITTEISTOT
Ilmanvaihtokoneen LTO-laitteiston tarkoituksena on parantaa ilmanvaihtokoneen energiataloudellisuutta. Tähän tarkoitukseen on kehitetty erilaisia ratkaisuja, jotka voidaan pääpiirteittäin jakaa kahteen eri tyyppiin: rekuperatiivinen lämmöntalteenotto ja regeneratiivinen lämmöntalteenotto. Rekuperatiivinen lämmöntalteenotto voidaan vielä jakaa kahteen osaan toimintaperiaatteen mukaan: suora rekuperatiivinen LTO-laitteisto ja epäsuora rekuperatiivinen LTO-laitteisto.
2.1 Suora rekuperatiivinen LTO-laitteisto
Tässä luvussa on esitelty rekuperatiivisia LTO-ratkaisuja. Rekuperatiivisessa lämmöntalteenotossa tulo- ja poistoilmavirta eivät sekoitu keskenään vaan lämpö siirtyy väliaineen välityksellä tai suoraan jonkin materiaalin läpi johtumalla. Näin ollen rekuperatiiviset LTO-laitteet jaetaan suoriin ja epäsuoriin rekuperatiivisiin lämmönvaihtimiin.
(Seppänen 2008, s 285)
Suora rekuperatiivinen lämmöntalteenotto on luultavasti kaikkein tavallisin ratkaisu ilmanvaihtokoneissa. Erityisesti pientaloihin tarkoitetuissa ilmanvaihtokoneissa käytetään tyypillisesti tätä ratkaisua. Suorassa rekuperatiivisessa LTO-laitteistoissa tulo- ja poistoilmavirta eivät sekoitu keskenään vaan lämpö siirtyy konvektion avulla poistoilmasta tuloilmaan. Tämän ansiosta lämmönvaihdinta voidaan hyödyntää rakennuksen kaikkien ilmavirtojen käsittelyyn, koska poistoilman epäpuhtaudet ja kosteus eivät pääse tuloilmaan.
Kaikkein tehokkaimmillaan lämmönsiirrin on, kun virtaukset saadaan kulkemaan vastavirtaan kuten kuvan 1 laitteessa. Tämä ei kuitenkaan aina ole mahdollista, joten usein lämmönvaihtimet ovat ristivirtaustyyppiä, kuten kuvan 2 laitteessa ja tämän työn tutkittavassa ilmanvaihtokoneessa. Lisäksi myötävirtauslämmönsiirtimiä voidaan käyttää joissain tapauksissa. Tehokkuuden määrittää lämmönsiirtimien keskimääräinen lämpötilaero ja lämmönsiirtopinta-ala, joiden tulisi olla mahdollisimman suuret (Seppänen 2008, s 286).
Lämmönsiirtimen konvektiolämmönsiirtokerrointa saadaan kasvatettua lisäämällä lämmönvaihtimeen ripoja, jolloin lämmönsiirtimen fyysiset mitat pienenevät ja lämmönsiirtotehokkuus kasvaa (Incropera et al. 2007, s 671).
Lämmönsiirtimen pinta-ala ja materiaali vaikuttavat lämmönsiirtimen tuotantokustannukseen, tästä syystä suunnitteluun ja materiaalivalintaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.
Materiaalin pitää olla korroosiota kestävää ja huonosti likaantuvaa, jotta käyttöikä saadaan mahdollisimman korkeaksi. Itse materiaali ei ole lämmönsiirron tehokkuuden kannalta kovinkaan merkittävä, koska virtauksen ja lämmönsiirtopinnan välinen konvektiolämmönvastus on suurempi kuin materiaalin lämmönvastus (Seppänen 2008, s 287).
Seppäsen mukaan materiaalin suuresta lämmönvastuksesta voi joissain tapauksissa olla hyötyä, koska pintaa pitkin johtuva lämpövirta pienenee ja kokonaislämmönsiirto paranee.
Poistoilmavirran sisältämä kosteus tiivistyy usein lämpöpinnoille, ja tästä syystä lämmönvaihtimen viemäröinti on otettava huomioon. Tiivistyneen veden pois johtamisen kannalta olisi hyvä, jos lämpöpinta olisi sijoitettu vaihtimeen kaltevasti (kuten kuvan 1 lämmönvaihtimessa) tai pystyasentoon ja poistoilmavirta virtaisi ylhäältä alaspäin. Veden tiivistyminen aiheuttaa lisäksi jäätymisvaaran talviaikaan. Jäätyminen voi aiheuttaa lämmönvaihtimen tukkeutumisen. Tämän välttämiseksi lämmönvaihtimet on varustettu
sulatustoiminnoilla, joka puolestaan huonontaa lämmönvaihtimen kokonaishyötysuhdetta.
Veden tiivistymisestä ei kuitenkaan ole ainoastaan haittaa, sillä kosteuden tiivistyessä vapautuu lämpöä. Kosteat lämmönsiirtopinnat nostavat lämmönsiirtimen tehoa. Suorien rekuperatiivisten lämmönvaihtimien lämpötilahyötysuhde asettuu välille 50 – 70 % ja se muuttuu ilmavirran suuruuden mukaan. (Seppänen 2008, s 287)
Kuva 1 SunAIR Premiumm 540 EC ilmanvaihtokone varustettuna vastavirtaperiaatteella toimivalla lämmön talteenotolla.
Valmistaja lupaa lämpötilahyötysuhteeksi ~80% kun qv = 0,1 m3/s (Air Wise Oy, 2010).
Kuva 2 Ristivirtausperiaatteella toimiva suora rekuperatiivinen levylämmönsiirrin Flätk Woods EQRC (Fläkt Woods Oy, 2010).
2.2 Epäsuora rekuperatiivinen LTO-laitteisto
Epäsuorassa rekuperatiivisessa LTO-laitteistossa poistoilman lämpö otetaan ensin talteen väliaineeseen, josta se siirretään tuloilmaan. LTO-ratkaisusta riippuu käytetäänkö väliaineena vesi-etyleeniglykoliseosta vai kylmäainetta. Näille järjestelmille on tunnuksenomaista se, että tulo- ja poistoilma kanavan ei välttämättä tarvitse olla toistensa välittömässä läheisyydessä.
Seuraavassa on esitetty epäsuorat rekuperatiiviset järjestelmät.
2.2.1 Nestekiertoinen järjestelmä
Nestekiertoisessa järjestelmässä poistoilman lämpö siirretään yleensä vesi- etyleeniglykoliseokseen, jonka vahvuus on noin 30 – 40 %. Lämmönsiirrintyyppinä käytetään yleensä lamellilämmönsiirrintä. Lämmönsiirtimien fyysisistä mitoista riippuen lämpötilahyötysuhteeksi saadaan noin 45 – 60 %. Lämpötilahyötysuhteen huippu saavutetaan silloin, kun tuloilman, poistoilman ja lämmönsiirtonesteen lämpökapasiteettivirrat ovat yhtä suuria. Nestekiertoisen LTO-laitteiston periaate selviää kuvasta 3. (Seppänen 2008, s 287)
Nestekiertoisessa LTO-järjestelmässä väliaineena toimiva neste varaa lämpöä poistoilmakanavassa olevassa lämmönsiirtimessä ja siirtää sen tuloilmaan tuloilmalämmönsiirtimessä. Neste kiertää pakotetusti pumpun avulla, joka myös säätää nesteenkiertonopeutta, mikäli pumppu on varustettu taajuusmuuttajalla. Nesteenkiertoa säädetään myös kolmitie-magneettiventtiilillä, joka myös ylläpitää kiertoa, jotta lämmönvaihtimet eivät pääse jäätymään. Järjestelmän automatiikka säätää nesteen virtausnopeutta niin, että lämmönsiirtojärjestelmä pystyy vastaamaan ilmanvaihdon lämmöntarpeeseen.
Nestekiertoisen LTO-ratkaisun yhtenä parhaista puolista on se, ettei tulo- ja poistoilmakanavia tarvitse välttämättä johtaa samaan paikkaan. Tällöin esimerkiksi korjausrakentamisessa päästään hyvin pienillä muutoksilla varsinaisiin kanaviin. Jäätymisen estämiseksi nestekiertoisen lämmönvaihtimen lämpötilahyötysuhdetta voidaan muuttaa nestekierron avulla.
Kuva 3 Nestekiertoisen epäsuora lämmön talteenottoratkaisu, mukailtu lähteestä: (Seppänen 2008, s 287).
2.2.2 Lämpöputkipatteri
Lämpöputkipatteri (kuva 4) on eräänlainen kevyt lämpöpumppu, jossa ei ole kompressoria pakottamassa kylmäaineen höyrystymiseen ja lauhtumiseen. Lämpöputkipatterissa lämmönsiirto väliaineena toimii kylmäaine, joka vuorotellen lauhtuu tuloilmakanavassa ja höyrystyy poistoilmakanavassa. Poistoilmakanavassa höyrystyvä kylmäaine sitoo itseensä lämpöä ja höyry kulkeutuu ripaputken sisäosaa myöden tuloilmapuolelle, jossa se lauhtuu nesteeksi. Lauhtuessaan neste luovuttaa lämpöä tuloilmaan. Nesteeksi lauhtunut kylmäaine kulkeutuu kapilaarisen voiman avulla takaisin poistoilmapuolelle, jossa se taas höyrystyy.
Lämpöputkipatterien tyypillinen lämpötilahyötysuhde on luokkaa 50 – 80 %. Hyötysuhdetta voidaan muuttaa patteria kallistamalla, jolloin nesteen kiertonopeutta takaisin höyrystymisosaan voidaan nopeuttaa. (Seppänen 2008, s 288)
Jäätymisen kontrolloimiseksi tarvitaan lämpöputkipatterin tuloilmapuolen yhteyteen sähköpatteri. Sähköpatterin asentaminen huonontaa lämpöputkipatterin kokonais- hyötysuhdetta. Ilmanvaihtosovellusten ohella samaa lämpöputkipatteri toiminta-periaatetta käytetään esimerkiksi aurinkokeräimien yhteydessä.
Kuva 4 Lämmöntalteeoton lämpöputkipatteri, sen toimintaperiaate ja esimerkki putken poikkileikkauksesta (Seppänen 2008, s 288).
2.2.3 Lämpöpumppu
Lämpöpumpun avulla poistoilmasta voidaan hyvällä hyötysuhteella ottaa talteen suuria lämpömääriä. Samalla lämpöpumppu mahdollistaa tuloilman jäähdytyksen kesäaikaan.
Lämpöpumput ovatkin monella valmistajalla uusissa ilmanvaihtokoneissa osana tehokasta lämmöntalteenottoa ja tuloilman jäähdytystä. Lisäksi lämpöpumpun avulla poistoilman energiaa voidaan käyttää esimerkiksi käyttöveden lämmittämiseen, toisin kuin edellä esitellyssä vesi-etyleeniglygoli kiertoisessa LTO-järjestelmässä, jossa nesteen lämpötila ei ole riittävän korkea. Kuten vesi-etyleeniglygoli kiertoisessa LTO-järjestelmässä, ei lämpöpumppu LTO-järjestelmänkään tapauksessa tulo- ja poistoilmakanavien tarvitse olla toistensa välittömässä läheisyydessä. Lisäksi kompressoriyksikön sijoituspaikka voidaan valita vapaasti.
Lämpöpumppu LTO-järjestelmä toimii kuten muutkin lämpöpumput eli kompressorin avulla kylmäainetta vuoroin höyrystetään ja lauhdutetaan, jotta lämpö saadaan siirtymään kahden fluidin välillä. Ilmanvaihdon ollessa kyseessä sijoitetaan höyrystinosa poistoilmakanavaan ja lauhdutinosa tuloilmakanavaan. Kiertoaineena toimiva kylmäaine höyrystetään höyrystin- osassa, jossa se höyrystyessään sitoo lämpöä itseensä poistoilmasta. Lämpöpumpussa kompressorin tehtävä on nostaa höyrystyneen kylmäaineen painetta, jolloin sen lämpötila nousee sopivalle tasolle tuloilmaan nähden. Höyrystynyt ja paineistettu kylmäaine, jonka lämpötila on puristuksen johdosta noussut, kulkeutuu kompressorin jälkeen lauhdutinosaan, jossa se lämpötilan laskun johdosta lauhtuu takaisin nesteeksi luovuttaen lämpöä tuloilmaan.
Neljäs oleellinen komponentti lämpöpumpuissa on paisuntaventtiili, joka kontrolloi koko lämpöpumpun toimintaa. Paisuntaventtiili on lauhduttimen ja höyrystimen välillä ja pitää huolen siitä että höyrystimessä on alempi paine kuin lauhdutinosassa. Kuvassa 5 on periaatekuva lämpöpumpusta tietyillä lämpötilan arvoilla.
Kuva 5 Lämpöpumpun toimintaperiaate (Seppänen 2008, s 290).
2.2 Regeneratiivinen LTO-järjestelmä
Tässä luvussa esitellään regeneratiivisella periaatteella toimivia LTO-ratkaisuja.
Regeneratiivisessa järjestelmässä lämpöä varastoidaan poistoilmasta kiinteään väliaineeseen, josta lämpö luovutetaan tuloilmaan. Regeneratiivisten lämmönsiirrinten ongelmana rekuperatiivisiin verrattuna on se, että tulo- ja poistoilmavirta sekoittuvat jonkin verran keskenään. Tämän vuoksi Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D2 mukaisten poistoilmaluokkien 2, 3 ja 4 mukaisesti luokiteltua ilmaa ei voi johtaa regeneratiivisen lämmönvaihtimen läpi (Ympäristöministeriö 2008, s 12). Lisäksi, jos poistoilmassa, joka on luokkaa 1, on yli 10 % kokonaisilmavirrasta luokkaan 2 kuuluvaa ilmaa, luokitellaan yhteinen ilmavirta luokkaan 2, jolloin se ei enää sovellu käytettäväksi regeneratiivisten lämmönvaihtimien yhteydessä (Ympäristöministeriö 2008, s 15).
2.2.1 Pyörivä regeneratiivinen LTO-järjestelmä
Teollisuuden ilmanvaihtosovellutuksissa yleisin regeneratiivinen lämmönsiirrintyyppi on pyörivä lämmönsiirriin, jossa on kuvan 6 kaltainen pyörivä kiekko. Kiekko varaa lämpöä itseensä poistoilmasta ja pyörähdettyään tuloilma puolelle se luovuttaa lämmön tuloilmaan.
Samalla periaatteella toimivat esimerkiksi voimalaitoksissa käytettävät pyörivät paloilman esilämmittimet. Lämmöntalteenoton ohella pyörivää lämmönsiirrintä voidaan käyttää kosteuden talteenottoon.
Kuva 6 Pyörivä regeneratiivinen lämmönsiirrin (Seppänen 2008, s 288).
Pyörivä lämmönsiirrin on jatkuvassa pyörivässä liikkeessä, joten lämmön- ja kosteudensiirron tehokkuutta voidaan parantaa pyörimisnopeutta lisäämällä. Mikäli kosteutta ei jostain syystä haluta ottaa talteen poistoilmasta, voidaan kiekon materiaali valita kosteutta absorboimattomaksi, jolloin lämmönsiirrin siirtää kosteutta tuloilmaan vain niissä tapauksissa, joissa poistoilman kosteus lauhtuu pisaroiksi lämmönsiirtimen pinnalle. Kosteutta absorboiva kiekko siirtää kosteutta myös silloin, kun poistoilman kosteus ei tiivisty kiekon pinnalle.
Seppänen (Seppänen 2008, s 289) esittää teoksessaan Ilmastointitekniikka ja sisäilmasto kaksi saman lämpötilahyötysuhteen, mutta eri kosteuden absorbointikyvyn, omaavaa regeneratiivista LTO-prosessia Mollier -piirroksessa. Lisäksi teoksessa on esitetty kesä- ja talvitilanteet erikseen. Seppänen toteaa, että erityisesti kesätilanteessa kosteuden absorbointi nostaa entalpiahyötysuhdetta tuntuvasti. Kosteutta absorboivalla materiaalilla tuloilman lämpötila on sama kuin absorboimattomalla, mutta suhteellinen kosteus kasvaa yli kymmenen prosenttiyksikköä ja absoluuttinen kosteus 1,5 g/kgk,i.
2.2.2 Virtausta vaihtavat LTO-järjestelmät
Virtausta vaihtavassa LTO-järjestelmässä on periaatteena se, että poistoilmaan sitoutunut lämpö varastoidaan lämmönsiirtimeen, josta lämpö virtaussuuntaa vaihtamalla siirretään tuloilmaan. Lämpöä varastoivana aineena toimii kiinteä massa. Kuvissa 7 ja 8 on esitetty virtausta vaihtavat järjestelmät, jotka ovat jatkuvatoimisia. Niissä poistoilma lämmittää samaan aikaan toista massaa, kun toinen massa luovuttaa lämpöä tuloilmaan. Massat voivat olla sijoitettuna samaan pakettiin, kuten kuvassa 7 tai vaihtoehtoisesti massat voivat olla kokonaan eri yksiköissä, jolloin laitteistoja tarvitaan kaksi huoneistoa kohti (kuva 8). Tämän tyyppisissä ratkaisuissa pitää puhaltimen olla kykenevä toimimaan kaksisuuntaisesti. Lisäksi
mikäli puhallin yksiköt on sijoitettu eri puolille huoneistoa, on otettava huomioon ilman virtaussuunnan muutos huoneesta toiseen. Tämä asettaa rajoitteita yksiköiden sijoittelulle, koska esimerkiksi keittiön likaista ilmaa ei saa johtaa oleskeluhuoneisiin tai makuuhuoneisiin.
(Seppänen 2008, s 290)
Virtausta vaihtavien varaavien LTO-laitteistoiden lämpötilahyötysuhde on korkea, jopa 80 %.
Hyötysuhdetta voidaan muuttaa jakson pituutta vaihtamalla. Sen vaikutus on sama kuin pyörivän lämmönsiirtimen pyörimisnopeuden muuttamisella (lyhyempi jaksonaika vastaa nopeampaa pyörimisnopeutta). Toisin sanoen, mitä lyhyempi jaksonaika on, sitä suurempi on hyötysuhde. (Seppänen 2008, s 290)
Kuva 7 Kiinteällä lämpöävarastoivalla massalla varustettu lämmönsiirrin ja tyypilliset talviolosuhteiden lämpötilat (Seppänen 2008, s 289).
Kuva 8 Kahteen erilliseen yksikköön sijoitettava varaava asuntoilmanvaihdon LTO-järjestelmä (Seppänen 2008, s 290).
3 LTO-LAITTEISTON HYÖTYSUHDE JA ENERGIAN KULUTUS
Tässä luvussa esitellään LTO-laitteistoiden hyötysuhteen laskennan perusyhtälöt, lämmönsäästön laskenta ja investointi- ja takaisinmaksulaskelmat hankittaessa LTO- järjestelmää. Tämä luku toimii pohjana luvulle viisi, jossa on esitelty teollisuuskohteen LTO- järjestelmän laskenta. Liitteissä 1 ja 2 tarkastellaan poistoilmalämpöpumppu- ja maalämpöpumpputoimisien LTO-järjestelmien hyötysuhteen laskentaa.
LTO-laitteiston hyötysuhde on tärkeä tekijä arvioitaessa rakennuksen energiatehokkuutta ja LTO onkin tärkein yksittäisistä energiansäästökeinoista. LTO-laitteiston avulla ilmanvaihdon energiankulutus voidaan tiputtaa alle puoleen. LTO- laitteistot ovat yleistyneet rakennuksissa vuoden 1987 jälkeen, koska silloin astuivat voimaan rakennusmääräykset, joissa vaaditaan rakentamaan LTO-laitteisto kaikkiin kohteisiin, joissa yhteen laskettu ilmavirta on vähintään 1 m3/s. Nykyään LTO-järjestelmä on ilmanvaihtokoneiden yhteydessä miltei joka tapauksessa. (Seppänen 2008, s 260)
Suomen rakentamismääräyskokoelman osa D2 edellyttää, että rakennuksen ilmanvaihdon poistoilmasta on otettava lämpöä talteen lämpömäärä, joka vastaa vähintään 45 %
ilmanvaihdon lämmityksen tarvitsemasta lämpömäärästä (Ympäristöministeriö 2008, s 23).
LTO-laitteiston vuosihyötysuhde voidaan määrittää kertomalla tuloilman lampötilahyötysuhde kertoimella 0,6, mikäli valmistajan ilmoittamaa vuorihyötysuhdetta ei ole käytettävissä (Ympäristöministeriö 2008, s 24). Jos valmistajan tiedot vuosihyötysuhteesta ovat käytettävissä, voidaan niitä käyttää suoraan. Ympäristöministeriö on määrittänyt ohjeet valmistajille hyötysuhteen määrittämiseksi (Ympäristöministeriö 2003). Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa D5 liitteessä 1 on esitetty laskennassa käytettävät ulkolämpötilajakaumat eli pysyvyyskäyrät (Ympäristöministeriö 2007).
Suomen rakentamismääräyskokoelmassa (Ympäristöministeriö 2008, s 24) on lisäksi määritetty, että rakennuksen ilmanvaihdon lämmityksen tarvitsemaa lämpömäärää voidaan vähentää muullakin tavalla kuin poistoilman lämmöntalteenottoa käyttämällä, esimerkiksi käyttämällä ulkoilman lämmityksessä ratkaisua, joka vähentää rakennuksen energiankulutusta. Hyvä esimerkki tällaisesta on nestekiertoinen maalämmityspiiri ja sen lämmönvaihdin tuloilmakanavassa.
3.1 Hetkellinen hyötysuhde
LTO-laitteiston hyötysuhteen tarkasteluun on kehitetty kolme mittaria: ulkoilman lämpötila-, ulkoilman kosteus- ja ulkoilman entalpiahyötysuhde. Näiden arvojen avulla voidaan arvioida LTO-laitteiston hyötysuhdetta, mikäli tulo- ja poistoilmavirrat ovat yhtä suuret. Yleensä hyötysuhde määritellään tuloilmassa tapahtuneen lämpötila muutoksen avulla. Seuraavassa on esitetty eri hyötysuhteiden määrittäminen kuvan 9 mukaisessa tilanteessa. (Seppänen 2008, s 285)
Kuva 9 LTO-laitteiston laskentaan liittyvien tilapisteiden merkinnät. Mukailtu lähteestä: (Seppänen 2008, s 286).
Ulkoilman lämpötilahyötysuhde:
1 1
1 2
u p
u u
tu t t
t
t (1)
, missä
tu = lämpötilahyötysuhde [-]
tu1 = tuloilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [K, oC]
tu2 = tuloilman lämpötila LTO-laitteiston jälkeen [K, oC]
tp1 = poistoilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [K, oC]
Ulkoilman kosteushyötysuhde:
1 1
1 2
u p
u u
xu x x
x
x (2)
, missä
xu = kosteushyötysuhde [-]
xu1 = tuloilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i]
xu2 = tuloilman kosteus LTO-laitteiston jälkeen [g/kgk.i] xp1 = poistoilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i] Ulkoilman entalpiahyötysuhde:
1 1
1 2
u p
u u
hu h h
h
h (3)
, missä
hu = entalpiahyötysuhde [-]
hu1 = tuloilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
hu2 = tuloilman entalpia LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
hp1 = poistoilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
Hyötysuhteen yhtälöistä 1-3 huomataan, että hyötysuhde määritellään tuloilmassa tapahtuneen muutoksen suhteena suurimpaan mahdolliseen muutokseen. Mikäli poistoilman massavirta on erisuuri verrattuna tuloilman massavirtaan, pitää poistoilmalle määrittää erikseen hyötysuhteet. Seuraavassa esitettyjen hyötysuhteiden tilapisteet on esitetty kuvassa 9.
Poistoilman lämpötilahyötysuhde:
1 1
2 1
u p
p p
tp t t
t
t (4)
, missä
tp = lämpötilahyötysuhde [-]
tp1 = poistoilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [K]
tp2 = poistoilman lämpötila LTO-laitteiston jälkeen [K]
tu1 = tuloilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [K]
Poistoilman kosteushyötysuhde:
1 1
2 1
u p
p p
xp x x
x
x (5)
, missä
xp = kosteushyötysuhde [-]
xp1 = poistoilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i] xp2 = poistoilman kosteus LTO-laitteiston jälkeen [g/kgk.i] xu1 = tuloilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i] Poistoilman entalpiahyötysuhde:
1 1
2 1
u p
p p
hp h h
h
h (6)
, missä
hp = entalpiahyötysuhde [-]
hp1 = poistoilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
hp2 = poistoilman entalpia LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
hu1 = tuloilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
Poistoilman hyötysuhteen yhtälöistä 4-6 huomataan, että poistoilmassa tapahtunutta muutosta LTO-laitteiston yli verrataan aina suurimpaan mahdolliseen muutokseen lämmönvaihtimessa.
LTO-laitteistossa siirtyneelle teholle, vesivirralle ja lämpötilalle pätevät yhtälöt 7-9, mikäli laitteisto on tasapainotilassa. Yhtälöistä huomataan myös, että silloin kun tulo- ja poistoilmavirrat ovat yhtä suuret eikä lämmönsiirtimeen keräänny vettä, ovat entalpia-, kosteus- ja lämpötilaerot yhtä suuret tulo- ja poistoilmavirroissa. Yhtälöistä huomataan myös, että ilmavirtojen suhde saadaan määritettyä, mikäli ilmavirran tilat mitataan tarkasti lämmön talteenoton molemmin puolin ja vettä ei tiivisty lämmönsiirtopinnoille. (Seppänen 2008, s 286)
Tasapainotilassa olevalle lämmönsiirtimelle pätee aina siirtyneen tehon suhteen yhtälö:
1 2 2
1 p mu u u
p
mp h h q h h
q (7)
, missä
qmp = poistoilmavirran massavirta [kg/s]
hp1 = poistoilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
hp2 = poistoilman entalpia LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
qmu = tuloilmavirran massavirta [kg/s]
hu1 = tuloilman entalpia ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
hu2 = tuloilman entalpia LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
Myös siirtyneen vesivirran suhteen tasapainotilassa olevalle lämmönsiirtimelle pätee yhtälö:
1 2 2
1 p mu u u
p
mp x x q x x
q (8)
, missä
qmp = poistoilmavirran massavirta [kg/s]
xp1 = poistoilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i] xp2 = poistoilman kosteus LTO-laitteiston jälkeen [g/kgk.i] qmu = tuloilmavirran massavirta [kg/s]
xu1 = tuloilman kosteus ennen LTO-laitteistoa [g/kgk.i] xu2 = tuloilman kosteus LTO-laitteiston jälkeen [g/kgk.i] Kosteutta siirtämättömälle lämmönsiirtimelle pätee myös:
1 2 2
1 p mu u u
p
mp t t q t t
q (9)
, missä
tp1 = poistoilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
tp2 = poistoilman lämpötila LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
qmu = tuloilmavirran massavirta [kg/s]
tu1 = tuloilman lämpötila ennen LTO-laitteistoa [J/kg]
tu2 = tuloilman lämpötila LTO-laitteiston jälkeen [J/kg]
3.1.1 Lämpöpumpun hyötysuhde
Lämpöpumpun hyötysuhde ulkoilmaan verrattuna voi olla yli 100 %, koska poistoilman voi jäähtyä alle ulkoilman lämpötilan. Lämpöpumppujen tehokkuutta ilmaistaan lämpökertoimen avulla. Sillä tarkoitetaan hyödyksi saadun tehon ja sen tuottamiseen käytetyn tehon suhdetta.
Yhtälössä 10 on esitetty lämpökertoimen laskenta. Yhtälössä 10 esiintyvää termiä merkitään usein myös kirjainyhdistelmällä COP (eng. coefficient of performance). Tärkeää lämpöpumpputoimisen LTO-järjestelmän kanssa on ottaa huomioon koko prosessiin käytettävä sähköteho, eli myös pumppujen, venttiilien ja automaation vaatima sähköteho.
(Seppänen 2008, s 290)
S L
P (10)
, missä
= lämpöpumpun lämpökerroin [-]
L = lauhduttimesta saatu lämpöteho [W]
PS = prosessiin käytetty sähköteho [W]
3.1.2 Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhde
Nestekiertoisen LTO-järjestelmän hyötysuhteen määrittämiseksi on tulo- ja poistoilmavirroista laskettava lämpökapasitettivirrat. Niiden avulla voidaan päätellä mitä laskenta periaatetta noudatetaan kokonaishyötysuhteen laskennassa. Lisäksi on tiedettävä tulo- ja poistopuolella olevien lämmönsiirrinten hyötysuhteet ja lämmönsiirtonesteen tilavuusvirta sekä ilmavirtojen tilapisteet. Lämpökapasiteettivirran laskenta on esitetty yhtälöissä 11-13. Niissä alaindeksi p viittaa poistoilmavirtaan, alaindeksi u tuloilmavirtaan sekä alaindeksi n lämmönsiirtonesteeseen. Kuvassa 10 on esitetty seuraaviin yhtälöihin liittyvät tilapisteet.
Kuva 10 Epäsuoran LTO-järjestelmän tilapisteet.
vp pp
p p c q
C (11)
vu pu
u u c q
C (12)
vn pn
n n c q
C (13)
, joissa
= lämpökapasiteettivirta [J/sK]
= tiheys [kg/m3]
cp = ominaislämpökapasiteetti [J/kgK]
qv = tilavuusvirta [m3/s]
Jos Cp Cu Cn, tulee kokonaishyötysuhteesta:
1
2 1
1 1 1
kok (14)
, missä
kok = kokonaishyötysuhde [-]
1 = tuloilmapatterin lämpötilahyötysuhde [-]
2 = poistoilmapatterin lämpötilahyötysuhde [-]
Jos Cn Cp Cu, tulee kokonaishyötysuhteesta:
1
2 1
1 1 1 1
kok R (15)
, missä
p n
C
R1 C = lämmönsiirtonesteen ja poistoilmavirran lämpökapasiteettivirtojen
suhde
Jos Cp Cn Cu, tulee kokonaishyötysuhteesta:
1
2 1 1
1 1
1 R
kok (16)
, missä
n p
C
R1 C = poistoilmavirran ja lämmönsiirtonesteen lämpökapasiteettivirtojen
suhde
Jos C´p Cu Cn, tulee kokonaishyötysuhteesta:
1 1 2 1
1 R R
kok (17)
, missä
n u
C
R1 C = tuloilmavirran ja lämmönsiirtonesteen lämpökapasiteettivirtojen
suhde
u p
C
R C = poisto- ja tuloilmavirran lämpökapasiteettivirtojen suhde
3.2 Vuosihyötysuhde
LTO:n vuosihyötysuhde voidaan laskea seuraavassa luvussa esitetyn yhtälön mukaan, mikäli ei selvityksin toisin osoiteta. Laskennassa käytetään yleensä valmistajan ilmoittamaa, esimerkiksi standardin EN 308 mukaan määritettyä tuloilman lämpötilahyötysuhdetta. Mikäli standardia ei sovelleta, lämpötilahyötysuhteen määrityksen pohjana otettava huomioon seuraavat asiat: tulo- ja poistoilmavirtojen suhde, jäätymissuojauksen toiminta ja mahdollinen tuloilman lämpötilan rajoittaminen. Tässä osiossa on esitelty LTO-laitteiston vuosihyötysuhde sekä lämpötilahyötysuhteen avulla että lämmöntarvelukujen avulla.
(Ympäristöministeriö 2003, s 6)
3.2.1 Ilmanvaihtolaitteen vuosihyötysuhde
Ilmanvaihdon vuosihyötysuhteen laskennasta on Ympäristöministeriö julkaissut monisteen (Ympäristöministeriö 2003) , jossa on esitetty yhtälöt vuosihyötysuhteen laskentaan. Yleensä vuosihyötysuhteen laskenta toteutetaan LTO-laitteiston toimittajan ilmoittaman lämpötilahyötysuhteen mukaan. Yhtälössä 18 on esitetty vuosihyötysuhteen laskenta silloin, kun lämpötilahyötysuhde on tiedossa ja tulo- ja poistoilmavirtojen suhde on suurempi tai yhtä suuri kuin 0,6. Lämpötilahyötysuhteena käytetään tuloilmapuolen lämpötilahyötysuhdetta.
Yhtälössä on vuosihyötysuhde määritetty yhden ilmanvaihtokoneen osalta.
(Ympäristöministeriö 2003, s 16)
t
a 0,6 (18)
, missä
a = vuosihyötysuhde [-]
t = lämpötilahyötysuhde [-]
Mikäli rakennuksessa on useampia ilmanvaihtokoneita tai erillispoistoja, on niille kaikille laskettava vuosihyötysuhde. Koko rakennuksen ilmanvaihdon vuosihyötysuhde on poistoilmavirroilla painotettu vuosihyötysuhde. Jos rakennuksesta poistetaan LTO- vaatimusten piiriin kuuluvaa ilmaa, on niiden ilmavirtojen vuosihyötysuhde 0 % laskettaessa kokonaisvuosihyötysuhdetta rakennukselle. (Ympäristöministeriö 2003, s 16)
3.2.2 LTO:n vuosihyötysuhteen laskenta lämmöntarveluvuilla
Ilmanvaihdon tarvitsema lämpöenergia pitää määrittää, jotta pystytään laskemaan ilmanvaihdon LTO-laitteiston vuosihyötysuhde. Yhtälössä 19 on esitetty ilmanvaihdon LTO- laitteiston vuosihyötysuhde pohjautuen lämmöntarvelukuihin. (Ympäristöministeriö, Ympäristöministeriö 2003, ss 18-24)
S p p
i
i J i p p
iv LTO
a c q S
S q c
Q
Q , ,
(19)
, missä
a = vuosihyötysuhde [-]
QLTO = talteenotettu lämpöenergia lämmityskaudella [Wh]
Qiv = poistoilmavirtojen mukana rakennuksesta poistuva lämpöenergia lämmityskaudella [Wh]
cp = ominaislämpökapasiteetti [J/kgK]
= tiheys [kg/m3]
qp,i = lämmön talteenottovaatimuksen piiriin kuuluva poistoilmavirta tai virrat yhteensä [m3/s]
SJ,i = jäteilman lämpötilan ja sisäilman lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
SS = sisäilman lämpötilan ja ulkoilman lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
Yhtälö 19 voidaan kirjoittaa myös yhtälön 20 osoittamaan muotoon, mikäli ilmavirtojen tiheydet ja ominaislämpökapasiteetit oletetaan yhtä suuriksi.
S i
i J i P
S i
i T i T
S p i
i J i p
a S
S R S
S R S
q S
q , , , , , ,
(20)
, missä
a = vuosihyötysuhde [-]
qp,i = lämmön talteenottovaatimuksen piiriin kuuluva poistoilmavirta tai virrat yhteensä [m3/s]
SJ,i = jäteilman lämpötilan ja sisäilman lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
SS = sisäilman lämpötilan ja ulkoilman lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
RT,i = ilmanvaihtokoneen tuloilmavirran ja lämmön talteenottovaatimuksen piiriin kuuluvien poistoilmavirtojen summan suhde [-]
ST,i = tuloilman lämpötilan ja ulkoilman lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
RP,i = ilmanvaihtokoneen poistoilmavirran ja lämmön talteenottovaatimuksen piiriin kuuluvien poistoilmavirtojen summan suhde [-]
Yhtälöissä esiintyvä termi SS on määritelty yhtälössä 21, termi SJ yhtälössä 22 ja termi ST
yhtälössä 23.
u s
S t t
S (21)
, missä
SS = sisäilman lämpötilan ts ja ulkoilman tu lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
= ajanjakso vuodesta, jolloin lämpötilaero (ts - tu) esiintyy [d]
j s
J t t
S (22)
, missä
SJ = sisäilman lämpötilan ts ja jäteilman tj lämpötilan välinen lämmöntarveluku [Kd]
= ajanjakso vuodesta, jolloin lämpötilaero (ts - tj) esiintyy [d]
u tLTO
T t t
S (23)
, missä
ST = tuloilman lämpötilan ttLTO ja ulkoilman lämpötilan tu välinen lämmöntarveluku [Kd]
= ajanjakso vuodesta, jolloin lämpötilaero (ttLTO - tu) esiintyy [d]
Lämmöntarveluvun laskentaa on tarkemmin esitelty Ympäristöministeriön monisteessa 122 ja sen luvussa 7. Lisäksi Ympäristöministeriön julkaisemassa Suomen rakentamismääräys- kokoelman osassa D5 liitteessä 1 on annettu Suomen eri alueille mitoittavat ulkolämpötilat ja ulkolämpötilojen esiintymistiheydet sekä kuukausittaiset keskilämpötilat. Lisäksi Ympäristöministeriön monisteessa 122 on esimerkkilaskelmat toimisto- ja omakotitalon lämmöntarveluvun määrityksestä, vuosihyötysuhteen laskennasta ja lämpöhäviöiden tasauslaskelmasta. (Ympäristöministeriö 2003) (Ympäristöministeriö 2007)
3.3 Investointilaskelmat ja kannattavuuden arvionti
Yritykselle muodostuu tarve investoida, kun se haluaa säästää taikka kasvattaa olemassa olevia järjestelmiä. Investointiin ei kannata kuitenkaan ryhtyä tekemättä kannattavuuden arviointia. Tässä kappaleessa esitetään kaksi toistaan tukevaa tapaa arvioida investoinnin kannattavuutta. Investoinnin kannattavuuden arviointiin voi ottaa mukaan myös eettiset seikat, esimerkiksi ilmastonmuutoksen hillintä. Tässä työssä sitä ei ole eritelty erilliseksi tavoitteeksi, vaan sen on ajateltu täyttyvän, kun energiankulutusta saadaan pienennettyä.
3.3.1 Investointi- ja takaisinmaksulaskelmat
Valittavaan LTO-ratkaisuun vaikuttaa paitsi käytännön toteutus, mutta myös siitä aiheutuvat kustannukset ja vuosittaisten kustannusten aleneminen investoinnin johdosta.
Tässä osiossa esitellään kustannusten ja säästön laskenta. Säästöä arvioidaan vuosittaisen sähkön hankinnan vähenemisen kautta. Eri LTO-ratkaisut pyritään laittamaan takaisinmaksuaikojen mukaiseen järjestykseen kuvaajalla. Tämän osion lähteenä toimii vuonna 2009 pidetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston kurssi Energiatalous (Tarjanne 2009).
Jotta takaisinmaksuaika voidaan määrittää, on keskimääräinen vuosittainen säästö saatava laskettua. Saatua säästöä kuvataan vuosittaiseksi kassavirraksi. Kassavirta diskontataan diskonttaustekijällä kulloiseenkin nykyarvoon, jonka jälkeen se vähennetään investointikustannuksesta. Tämän laskutoimituksen erotusta kutsutaan kumulatiiviseksi nettokassavirraksi, jonka pitäisi joka vuosi nousta, jotta investointi olisi kannattava.
Investointi on maksanut itsensä takaisin kun kumulatiivinen nettokassavirta tulee positiiviseksi. Yhtälöissä 24 ja 25 kuvataan takaisinmaksuajan määrittämiseen tarvittavia tekijöitä.
i n n i
i k V K i
NA 1
1 (24)
, missä
NAi = nykyarvo [€/a]
Ki = kassavirta [€/a]
Vn = diskonttaustekijä [-]
i = laskentakorko [%]
n = tarkasteluaika [a]
i i
i I NA
NKV (25)
, missä
NKVi = kumulatiivinen nettokassavirta [€/a]
Ii = vuosittainen investointi [€/a]
NAi = nykyarvo [€/a]
Investointikustannus on kertaluonteinen kuluerä, joka arvioidaan tässä työssä tapauskohtaisesti. Investoinnissa pyritään ottamaan huomioon kaikki ne kulut jotka laitteiston asennuksesta ja hankinnasta aiheutuu.
Tässä kandidaatintyössä kassavirta määritetään vuosittaisen säästön avulla. Vuosittainen säästö puolestaan määritetään vuosihyötysuhteen paranemisen avulla. Laskennan pohjalla on ajatus, että vuosihyötysuhteen parantuminen on suoraan verrannollinen kustannusten alenemiseen. Lisäksi kassavirtaan on otettu huomioon vuosittaiset huoltokustannukset.
Yhtälöissä 26 - 29 on esitelty kassavirran laskentaa.
h i jälkeen i ennen i
i k k k
K , , , (26)
, missä
Ki = kassavirta [€/a]
ki,ennen = kustannukset ennen investointia [€/a]
ki,jälkeen = kustannukset investoinnin jälkeen [€/a]
ki,h = vuosittaiset huoltokustannukset [€/a]
P i hs ennen
i k E E
k, (27)
, missä
ki,ennen = kustannukset ennen investointia [€/a]
khs = keskimääräinen sähkön hinta [€/kWh]
Ei = vuosittainen energiankulutus [kWh/a]
Ep = puhaltimen vuosittainen energiankulutus [kWh/a]
vanha a ennen i uusi a jälkeen
i
k k
, , ,
, 1 1 (28)
, missä
ki,jälkeen = kustannukset investoinnin jälkeen [€/a]
ki,ennen = kustannukset ennen investointia [€/a]
a,uusi = uuden LTO-laitteiston vuosihyötysuhde [-]
a,vanha = vanhan LTO-laitteiston vuosihyötysuhde [-]
a p p
p P t
E (29)
, missä
Ep = puhaltimen vuosittainen energiankulutus [kWh/a]
Pp = puhaltimen teho [kW]
p = puhaltimen hyötysuhde [-], käytetään 0,8 ta = käyttötunnit vuodessa [h/a]
3.3.2 Kannattavuuden arviointi
LTO-laitteiston kannattavuutta arvioitaessa on pyrittävä ottamaan huomioon kaikki asiat, jotka muuttuvat suhteessa toiseen vertailtavaan järjestelmään. Seppänen esittää teoksessa Ilmastointitekniikka ja sisäilmasto seuraavanlaisen jaottelun kustannuksien arvioinnissa (Seppänen 2008, s 300):
1. Hankintakustannukset Välittömät kustannukset - ilmastointilaitteet
o LTO-laitteisto
o muut (kanavat, suodattimet, pellit, puhaltimet) - putkilaitteet
o putket o viemärit - säätölaitteet - sähkölaitteet Välilliset kustannukset
- rakennustekniset työt o tilakustannukset o muut työt
- muutokset muissa laitteissa
o lämmitys- / jäähdytyslaitteet o sähkölaitteet
- maksut
o kaukolämmön liittymismaksu o sähkön liittymismaksu
2. Käyttökustannukset Energiakustannukset - lämpö
o polttoaine tai energiamaksut o perusmaksut
- jäähdytysenergia - sähkö
o energia (pumput, puhaltimet) o perusmaksu
Muut käyttökustannukset - huoltotyö
o pesu ja puhdistus o muut
- tarveaineet
o suodattimet o muut
Lisäksi Seppäsen mukaan kannattavuuslaskentaan on otettava mukaan kaikki kohteen käyttöajan kustannukset. Tarkasteluun soveltuu mm.:
- investoinnin nykyarvon määrittäminen - takaisinmaksuajan määrittäminen - investoinnin sisäisen koron laskenta tai
- energiansäästökustannusten laskenta
Kuva 11 Vuosikustannusten muodostuminen LTO-investoinnissa, mukailtu lähteestä: (Seppänen 2008, s. 300).
4 TEOLLISUUSRAKENNUKSEN ILMANVAIHTOKONE
4.1 Kandidaatintyön kohde
Tämän kandidaatintyön tutkimuskohteena on teollisuuskohde, joka sijaitsee Uudellamaalla Keravan kaupungissa. Kerava kuuluu Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D5 mukaan lämpötila alueeseen yksi. Mitoittavat lämpötilat kyseisellä alueella on esitelty taulukossa 1.
Taulukko 1 Mitoittavat ja keskimääräiset lämpötilat alueella 1. (Ympäristöministeriö 2007, s 56)
Säävyöhykkeen 1 mitoittavat ja keskimääräiset lämpötilat [oC]
Mitoittava ulkoilman lämpötila
Vuoden keskimääräinen ulkoilman lämpötila
Lämmityskauden keskimääräinen ulkoilman lämpötila
- 26 + 5 + 1
Kohteessa toimi heti valmistumisen jälkeen vuonna 1989 kokoonpanoteollisuutta, mutta vuoden 2000 jälkeen kohteen käyttötarkoitus on muuttunut. Nykyään siellä toimii metalliteollisuuden kokoonpanoyritys, kaksi kuntosalia ja maahantuontiyrityksiä. Kohteesta merkittävä osa on varastotiloina. Rakennuksessa on neljä ilmanvaihtokonetta, joiden kaikkien
maksimi ilmavirrat ovat yli 1 m3/s. Tässä kandidaatin työssä keskitytään tutkimaan kahta ilmanvaihtokonetta, joiden tilavuusvirrat ovat 1,6 m3/s ja niiden yhteinen palvelualue kattaa n.
60 % kohteen kokonaispinta-alasta. Kohteen wc-tiloista ja muutamista likaisen ilman lähteistä on suorat jäteilman poistot katolle omilla hippuimureilla. Kohteen ilmanvaihto on tehty vuonna 1989 rakentamisen yhteydessä, ja sen yhteyteen on integroitu myös rakennuksen lämmitys. Kohteessa ei ole muuta lämmitysjärjestelmää kuin ilmanvaihtokoneiden yhteydessä olevat sähköpatterit. Näin ollen sähkönkulutus ja siitä johtuvat kustannukset ovat suuria. Ne esitellään laskennan yhteydessä luvussa viisi. Johtuen rakennuksen suurista käyttökustannuksista tilavuusvirran määrää on rajoitettu siten, että ilmanvaihto on toiminut vain puolitehoisena suurimman osan vuotta. Siitä johtuen myös käyttömukavuus on kärsinyt.
Yksi tämän työn tavoitteista onkin parantaa energiatehokkuutta siten, että kohteen ilmavirrat voidaan pitää täysimääräisenä koko käyttöajan.
Kohteesta ei ollut käytettävissä ilmanvaihtosuunnitelmia. Niiden avulla päästäisiin käsiksi alkuperäisiin ilmamääriin ja ilmanvaihtokoneen toimintaperiaatteeseen tarkemmin.
Tutkimuksen kohteena olevan ilmanvaihtokoneen kaavio on esitetty kuvassa 12 ja kuvassa 13 on valokuva tuosta koneesta. Ilmanvaihtokoneessa on suora rekuperatiivinen LTO-kuutio, joka toimii ristivirtausperiaatteella. Ilmanvaihtolaitteessa on lisäksi käytössä poistoilman kierto, jonka tarkoituksena on estää LTO:n jäätymistä ja parantaa energiatehokkuutta kylmällä ilmalla. LTO-laitteiston jälkeen on sähköpatteri, joka lämmittää tuloilman haluttuun lämpötilaan.
Kiinteistön ilmanvaihtokoneen fyysiset mitat eivät anna mahdollisuutta rakentaa optimaalista lisälämmöntalteenottoa, joten tarkastelussa jouduttiin tekemään kompromisseja. Tästä syystä esimerkiksi regeneratiivinen järjestelmä ei tule kysymykseen optimaalista hyötysuhteen nostokeinoa tarkasteltaessa. Käytännössä soveltuvat keinot ovat epäsuorat rekuperatiiviset järjestelmät nestekiertojärjestelmä ja poistoilmalämpöpumppu. Lisäksi kandidaatintyössä tutkitaan mahdollista ulkopuolisen energialähteen käyttöä, käytännössä maalämpöpumppua.
Kiinteistö sijaitsee kaukolämpöverkon alueella. Liittyminen siihen vaatisi merkittäviä muutoksia, joten tämä vaihtoehto on rajattu pois tutkimuksesta. Eri laitteisto vaihtoehtoja ei tässä työssä kilpailuteta vaan investoinnin suuruus arvioidaan perustuen kokemusperäisiin arvoihin yhdessä insinööri Janne Ruusuvuoren ja kiinteistön omistajan kanssa.
Kuva 12 Tutkimuksen kohteena olevan teollisuuskiinteistön ilmanvaihtokoneen kaavio.
Kohteen omistajan toivomuksena on toteuttamiskelpoinen kustannusten alentamisratkaisu, jonka takaisinmaksuaika ei muodostu liian suureksi. Osioissa viisi ja kuusi esitellään ehdotus tämän kohteen ratkaisuksi.
Kuva 13 Toinen tutkimuksen kohteena olevan kiinteistön ilmanvaihtokoneista.
4.2 Teollisuuskohteen eroavaisuus verrattuna asuinrakennukseen
Teollisuuden piirissä ilmanvaihdolle asetetaan erivaatimukset kuin asuinkiinteistöissä.
Käytännössä tämä näkyy ilmamäärissä ja jäähdytyksen yleisyydessä. Esimerkiksi Suomen rakentamismääräys kokoelma asettaa eri vaatimuksia teollisuudelle ja muille julkisille tiloille, kuin asuinrakennuksille. Lisäksi teollisuudessa korostuu likaisten ilmavirtojen ja lämpökuormien hallinta.
Suomen rakentamismääräyskokoelmassa osassa D2 on määritetty tehdastyölle ulkoilmavirtaamaksi 10 dm3/s henkilöä kohti. Vastaavasti asuinhuoneistoissa sama ilmavirtamäärä on 6 dm3/s henkilöä kohti. Lisäksi henkilöiden lukumäärä pinta-alaa kohti teollisuuskiinteistöissä on usein suurempi, joten kokonaisilmavirrat teollisuuskiinteistöissä muodostuvat huomattavasti korkeammiksi kuin asuinkiinteistöissä. (Ympäristöministeriö 2008, ss 28-33)
Teollisuudessa käytetään myös yleisesti jäähdytystä työtehon nostamiseksi. Toisaalta, jos kiinteistössä on suuria lämpökuormia pitää oleskelualueille saada aikaan inhimilliset työolosuhteet. Usein tuloilman lämpökuormia pystytään hallitsemaan ilmanvaihtokoneeseen liitetyn jäähdytyksen avulla. Jäähdytysteho ei kuitenkaan usein riitä teollisuuden omista prosesseista muodostuneiden lämpökuormien hallintaan. Prosesseista muodostuneiden lämpökuormien hallitsemiseksi tarvitaan erillisiä kiertoilmakoneita jäähdytykseen itse tuotantotiloihin. Asuinrakennuksissa ainoa kohdepoisto on usein keittiön liesituuletin.
Teollisuudessa taas kaikkien vaarallisten aineiden ja esimerkiksi hitsauspisteiden yhteydessä pitää olla kohdepoistot. Lisäksi WC-tilojen ja muiden likaista ilmaa sisältävien kohteiden ilmaa ei saa johdattaa takaisin oleskelualueille, vaan se pitää poistaa suoraan ulkoilmaan.
Teollisuuden ilmanvaihtokoneilla käsiteltävät ilmamäärät ovat usein hyvin suuria, joten koneikot vaativat paljon tilaa. Ilmanvaihtokoneet sijoitetaankin usein paikkoihin, jotka ovat rakennuksen kannalta keskeisiä, mutta kuitenkin poissa rajoittamasta muiden tilojen käyttöä, kuten kuvasta 14 nähdään. Siinä konehuone on sijoitettu rakennuksen katolle, mutta kuitenkin keskelle sitä aluetta, jota se palvelee. Ilmanvaihtokonehuoneet ovat, kuten esimerkiksi lämmönjakohuoneet, toisarvoisia tiloja, jotka ovat kuitenkin rakennuksen toimivuuden kannalta tärkeitä.
Kuva 14 Yhden tutkimuksen kohteena olevan ilmanvaihtokoneen konehuone talvella 2010. Kuvassa näkyy myös huippuimureita, joilla poistetaan likaista ilmaa, esimerkiksi WC-tiloista.
5 LTO-LAITTEISTON TEHOSTAMINEN TARKASTELUKOHTEESSA Kandidaatintyön aiheen valintaa vaikutti kohteen mielenkiintoinen lähtöasetelma:
kiinteistössä on sähkölämmitys ja huonosti toimiva LTO-laitteisto. Alkuperäinen idea oli tutkia vain epäsuorien rekuperatiivisten LTO-järjestelmien käyttöä, mutta työn edetessä suunnitelmat muuttuivat. Diplomi-insinööri Jarkko Mäki, joka toimii LVI-tekniikan opettajana Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, ehdotti vanhan järjestelmän parantamista vastaamaan nykyaikaisia suoraa rekuperatiivista LTO-kuutioita. Lisäksi hän ehdotti huurtumiseneston logiikan päivittämistä niin, että se toimii oikealla tavalla. Tästä syystä laskenta laajeni ja se käsittää nyt neljä tarkasteltavaa vaihtoehtoa. Nämä neljä vaihtoehtoa ovat:
1. vanhan järjestelmän päivittäminen vastaamaan nykyaikaisia LTO-kuutioita 2. epäsuora rekuperatiivinen nestekiertoinen LTO-järjestelmä
3. epäsuora rekuperatiivinen poistoilmalämpöpumppu (jatkossa myös PILP) 4. maalämpöpumppu (jatkossa myös MLP) lämmönlähteenä
Laskenta on suoritettu yhdelle ilmanvaihtokoneelle, vaikka todellisuudessa tarkastelu ulottuu kahdelle koneelle. Nämä koneet ovat kuitenkin rakenteeltaan ja ilmamääriltään identtisiä, joten laskenta on tehty vain yhdelle.
Tämän luvun ensimmäisessä vaiheessa esitellään kohteen tämänhetkinen tilanne, joka perustuu kevättalven 2010 aikana tehtyihin mittauksiin kohteen ilmanvaihtokoneella.
Mittausten perusteella on laskettu yhden ilmanvaihtokoneen lämpötilahyötysuhteen keskiarvo, ja sen avulla saatu vuosihyötysuhde.
Seuraavassa vaiheessa laskettiin kohteen lämpöenergian kulutus, joka perustuu kiinteistön omistajan antamiin tietoihin kohteen sähköenergiankulutuksesta. Tässä vaiheessa voidaan todeta, että energiankulutusta ei voida kovinkaan tarkasti kohdentaa tietylle ilmanvaihtokoneelle, koska kiinteistössä ei ole konekohtaisia energiamittareita. Laskenta perustuu siis kiinteistön omistajan määrittämiin energiankulutussuhteisiin konekohtaisesti.
Kiinteistön omistajan ilmoittama energiankulutus ja sen suhteet on esitetty nykytilanne- osiossa.
Kolmannessa vaiheessa esitellään tehostamistoimet ja niillä aikaansaadut vuosihyötysuhteet.
Lisäksi siinä perustellaan miksi on päädytty juuri valittuun vaihtoehtoon. Neljännessä vaiheessa esitetään investointilaskelmat ja niiden laskennan vaiheet. Viimeisessä osiossa on tulokset ja niiden perusteella tehdyt johtopäätökset.
5.1 Nykytilanne
Tässä osissa on käyty läpi kohteen ilmanvaihtokoneen nykytilanteen laskenta. Ensin esitetään tuloilman lämpötilahyötysuhteen laskenta. Toisena esitetään sen perusteella laskettu vuosihyötysuhde. Kolmantena esitetään vielä energiankulutuksen laskenta.
5.1.1 Lämpötilahyötysuhde
Lämpötilahyötysuhde on laskettu tuloilmapuolelle, ja se perustuu mittauksiin, jotka on suoritettu kohteen ilmanvaihtokoneella kevättalvella 2010. Taulukossa 2 on esitetty laskennan perusteella saatu lämpötilahyötysuhteiden keskiarvo. Hyötysuhteet on laskettu tässä työssä esitetyn yhtälön 1 mukaisesti, ja yhden mittauskerran laskenta on sijoitettu yhtälöön seuraavassa. Tilapisteiden sijainti ilmanvaihtokoneessa on nähtävissä kuvassa 12.
Taulukko 2 Mittaustulokset ja niiden perusteella saadut lämpötilahyötysuhteet.
Mittaukset [oC]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
tulko -6 -10 -10 -16 -10 -2 0 2 2
ttulo2 3 -9 -9 -10 -5 -2 1 0 4
tpoisto2 21 10 11 18 18 18 20 21 19
tjäte -5 -11 -11 -15 -10 -5 0 -3 3
tu
0,333 0,050 0,048 0,176 0,179 0,000 0,050 0,105 0,118
Mittausten perusteella kiinteistön ilmanvaihtokoneen LTO-järjestelmän lämpötilahyöty- suhteen keskiarvo tu,ka = 9,4 %.
5.1.2 Vuosihyötysuhde
Vuosihyötysuhde laskettiin yhtälön 18 mukaisesti käyttäen edellisessä osiossa saatua lämpötilahyötysuhteen keskiarvoa.
% 6 , 5 056 , 0 6
,
0 tu,ka
a
Saatu vuosihyötysuhde a = 5,6 % on todella huono tämän tyyppiselle LTO-järjestelmälle.
Syy huonoon vuosihyötysuhteeseen voi olla huonosti toimiva jäätymisen estojärjestelmä ja likaiset lämpöpinnat lämmönvaihtimessa.
5.1.3 Energiankulutus
Energiankulutus on määritetty kiinteistön omistajan ilmoittaman sähkönkulutuksen ja sen konekohtaisen jakautumisen perusteella. Energiankulutus on kiinteistöjen ilmanvaihdolla yhteensä 360 MWh/a, ja tarkasteltavia kahta konetta kohden se on 50 % koko kiinteistön sähköenergiankulutuksesta. Eli yhdellä tarkasteltavista koneista se on neljäsosa koko energiankulutuksesta, Ea = 90 MWh/a.
Ilmanvaihtokoneen vuosienergian kulutuksesta vähennetään vielä puhaltimen kuluttuma vuosienergia. Se voidaan laskea yhtälön 29 avulla. Ilmanvaihdon oheislaitteiden sähkön kulutus on oletettu niin pieneksi, ettei sillä ole merkittävää osuutta tässä laskelmassa.
Yhtälössä puhaltimen teho Pp = 0,82 kW, puhaltimen hyötysuhde p = 0,8 ja vuosittainen käyttötuntimäärä ta = 8760 h/a.
MWha kWha
P t
E a
p p
p 8979 8,98
Kokonaisuudessaan sähkönkulutus ennen muutoksia kiinteistön ilmanvaihtokoneella saadaan yhtälöstä 30. Siinä lasketaan yhden ilmanvaihtokoneen sähköenergian kulutuksen ja puhaltimen sähkönkulutuksen erotus.
MWha E
E
Ea,ennen a p 81,02
(30)
5.1.4 Tulosten arviointi
Kuten jo aikaisemmin on todettu, perustuu laskenta arvioihin tämän hetkisestä sähköenergian kulutuksesta. Tästä syystä ei laskennan perusteella saatuihin arvoihin voida täysin luottaa, vaan ennemmin olisi keskityttävä suuntaviivoihin, jotka laskenta antaa. Lisäksi hyötysuhteen laskenta perustuu mittauksiin, joita tehtiin yhdeksän kappaletta. Mittauksissa otettiin ylös ilmanvaihtokoneen omien lämpömittarien arvot ja kirjattiin puhaltimen asento sekä kulloinkin käytössä ollut sähkövastuksen teho. Mittaukset suoritti pääosin kiinteistön omistaja.
Epävarmuutta laskentaan tuo siis lämpömittareiden kalibrointi (tai sen puute) ja niiden sijainti koneen kanavassa. Lämpötilojen mittaus ei tapahtunut standardin SFS 5511 mukaisesti
