Lämpöpumppu

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Ilmalämpöpumpun ulkoyksikkö

Lämpöpumppu on laite, joka kykenee siirtämään lämpöenergiaa kylmemmästä tilasta lämpimämpään. Yleensä lämpöpumpulla tarkoitetaan sisätilojen lämmittämiseen tarkoitettuja laitteita, mutta myös monet jäähdyttävät laitteet, kuten ilmastointilaite, jääkaappi ja pakastin toimivat lämpöpumpun avulla. Raskaassa energia- ja prosessiteollisuudessa on käytetty lämpöpumppuja jo vuosikymmeniä.

Tekniikan perusryhmittely[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääryhminä toteutustekniikan mukaan voidaan erotella seuraavat pumpputyypit:

  • lämpöenergialla toimivat absorptiopumput
  • mekaanisella kompressorin työllä toimivat kaasu- ja nestepumput

Jälkimmäinen ryhmä on kasvattanut merkitystään kodin lämmitysenergian tuotannossa. Pumppuja luokitellaan myös lämpöenergian ottotavan mukaan:[1][2]

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1. lauhdutin (lämmin puoli)
2. paisuntaventtiili
3. höyrystin (kylmä puoli)
4. kompressori

Lämpöpumpun toiminnallinen periaate on havainnollistettu oikealla näkyvässä piirroksessa. Järjestelmä koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta lämmönvaihtimesta (osat 1 ja 3), kaasukompressorista (4) sekä kuristimesta (2). Järjestelmässä kiertää ns. kylmäaine, jonka koostumus vaihtelee laitteiston suunnitellun käyttökohteen mukaan ja se esiintyy järjestelmässä sekä kaasuna, että nestemäisessä olomuodossa. Lämpöpumppu voidaan suunnitella täysin ilman säätyviä komponentteja, mutta energiatehokkuuden tavoittelu johtaa usein mekaanisten tai elektronisten säätölaitteiden sisällyttämiseen kokoonpanoon.

Kompressori (4) muodostaa imupuolelle (3) riittävän matalapaineen, jossa kylmäaineen kiehumispiste alittaa lämmönvaihtimessa vallitsevan lämpötilan, aiheuttaen silloin kylmäaineen höyrystymistä. Matalapainepuolen lämmönvaihdinta kutsutaan höyrystimeksi. Ilmiö on sama, kuin veden kiehumispisteen aleneminen vuoristo-olosuhteissa. Mitä matalampi paine, sitä alhaisempi lämpötila riittää kiehumispisteen saavuttamiseen. Höyrystyminen vaatii runsaasti energiaa aiheuttaen jäähtymistä.

Kuristin (2) säätelee höyrystimelle syötettävää nestetytynyttä kylmäainetta sellaiseksi, että kompressorin imuun päätyy täysin höyrystynyttä eli ns. kylläistä kylmäainekaasua.

Kompressorissa matalapaineinen kaasu puristetaan korkeapainepuolelle (1), jossa kylmäaineen kiehumispiste ylittää lämmönvaihtimessa vallitsevan lämpötilan, aiheuttaen silloin kylmäaineen palautumisen nestemäiseen olomuotoonsa. Tätä korkeapainepuolen lämmönvaihdinta kutsutaan lauhduttimeksi. Ilmiö on sama, kuin painekeittimessä veden kiehumispiste on esimerkiksi 120C. Mitä korkeampi paine, sitä korkeampi lämpötila tarvitaan höyrystymispisteen saavuttamiseksi, eli aineen luontainen olomuoto on nestemäinen jos lämpötila ei ole riittävä höyrystymiseen.

Nesteytyminen vapauttaa höyrystymisessä sitoutuneen energiasisällön, aiheuttaen lauhduttimen kuumenemisen. Koska kaasun mekaanisessa puristustyössä syntyy lämpöenergiaa, sisältää lauhduttimelle päätyvä kaasu myös tämän energiasisällön eli se on tulistunutta. Tästä syystä nesteytyminen ei ala välittömästi lauhduttimella, vaan tulistuksen osuus poistuu kaasusta ensin.

Jos lämmönsiirto ei jostain syystä ole mahdollista, johtaa se paineen nousemiseen ja siten lauhtumislämpötilan kasvuun eli kuumenemiseen edelleen. Järjestelmässä ei ole varsinaisesti lauhtumispainetta säätävää komponenttia, kuten höyrystimellä on kuristin, mutta sitä säädellään monesti ulkoisin menetelmin, kuten tehostamalla lauhduttimen lämmönsiirtoa vaikkapa puhaltimen nopeutta kasvattamalla. Kompressorin nopeutta säätämällä voidaan vaikuttaa kaasun tilavuusvirtaan, joka muuttaa lauhtumis- ja höyrystymistehoa yhtäaikaisesti.

Kylmäpiirissä on negatiivinen takaisinkytkentä kohavan pumppauspaineen ja lauhtumistehon välillä, johtuen kompressorin häviöiden lisääntymisestä. Paineen kohotessa pumpatun kaasun tilavuusvirta vähenee eli teho pienenee. Samanaikaisesti tulistuksen suhteellinen osuus lisääntyy. Kompressori voi vaurioitua hyvin nopeasti mikäli lauhduttimen lämmönsiirto estetään kokonaan, pääasiassa tulistuslämpötilan vaikutuksesta, mutta myös kohonneen paineen vuoksi. Tätä tilannetta varten niihin sisällytetään suojamekanismi, jossa virransyöttö katkaistaan ja lämpöpumppu pysähtyy joko tietyssä paineessa tai lämpötilassa.

Lämpökerroin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämmityskäytössä laitteiston tärkein vaatimus on, että prosessi tuottaa enemmän lämpöä kilowatteina kuin mitä kompressori kuluttaa sähköä kilowatteina. Tällöin puhutaan lämpökertoimesta. Esimerkiksi kun kompressori käyttää 2 kWh sähköä ja lämpöpumppu tuottaa 4 kWh lämpöä, saadaan lämpökertoimeksi 2. Tällöin 2 kWh lämpöä on onnistuttu siirtämään sisätiloihin ulkoilmasta ja toiset 2 kWh lämpöä on tullut siirtotyöhön käytetystä sähköstä. Lämpökerroin merkitään usein lyhenteellä COP (engl. coefficient of performance).

Lämpökerroin kertoo suoraan sen kuinka paljon enemmän lämpöä laite tuottaa kuin suora sähkölämmitys. Kummatkin, energiatehokkuus ja lämmitysteho, ovat ilmalämpöpumpun tärkeimpiä ominaisuuksia; vaaditaan hyvä suoritus kummassakin ja niiden pitää toteutua samaan aikaan. Ilmalämpöpumppu ei täytä tehtäväänsä, jos sen lämmitysteho riittää mutta COP jää vaatimattomaksi.

Lämpökertoimen käyttäytyminen on hyvin erilaista riippuen siitä mitä lämpöpumppua käytetään. Maalämpöpumpuille on tyypillistä, että lämpökerroin pysyy korkeana ja vakiona korkeinta lämmitystarvetta vaativilla talven huippupakkasilla saakka. Ilmasta lämpöä ammentavilla järjestelmillä kuten ilma-ilma- ja ilma-vesilämpöpumpuilla taas lämpökerroin selvästi heikkenee kun pakkaset kiristyvät. Yleensä lämpöpumpulla lämmittäjän kannattaakin aina selvittää lämpöpumpun lämpökertoimet juuri oman paikkakuntansa talven keskilämpötiloissa[3] ennen minkään tietyn järjestelmän hankintaa.

Laitteiden valmistajien kansainvälisesti hyväksytyn standardin mukaan lämpökerroin (COP) yleensä mitataan ja ilmoitetaan mainoskuvastoissa lämpötilassa +7 °C. Tämä on kuitenkin Suomen lämmitystarpeen pohjalta hieman harhaanjohtava mittaustapa erityisesti ilmalämpöpumpuille, koska suurin lämmöntarve on talven pakkasissa. Ruotsissa on herätty ensimmäiseksi ratkomaan tätä ongelmaa siten, että markkinoista riippumattomat tahot (mm. Råd & Rön ja energiavirasto) testaavat ja mittaa aika ajoin laitteiden lämpökertoimia myös tyypillisissä pakkasolosuhteissa kuluttajia hankinnoissa auttaakseen. Myös Suomessa on aivan viime vuosina saatu muutama VTT:n maahantuojilla teettämä lämpökertoimien testaus aikaan tietyistä maahantuojien laitteista.

Toimintaperiaatteensa vuoksi tavanomaisten lämpöpumppujen COP on paras silloin kun ulko- ja sisälämpötilat ovat samat, mutta silloin jäähdytyksen ja lämmityksen tarve on alhaisimmillaan.

Lämpöpumput ja ilmastopäästöjen vähentäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikäli lämpöpumpulla korvataan lämmitysöljyn polttoa, vähenevät hiilidioksidin ja muiden haitallisten kaasujen päästötlähde?. Esimerkiksi Japani on julkistanut laajan investointiohjelman lämpöpumpputekniikkaan päästäkseen Kioton ilmastosopimuksen päästörajoihin.lähde?

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Lämpöpumppu.