Ilmalämpöpumppu

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Ilmalämpöpumpun ulkoyksikkö.

Ilmalämpöpumppu (lyh. ILP) on laitteisto, jolla siirretään lämpöenergiaa ulko- ja sisäyksikön avulla. Sisätilan lämpötilaa säädellään siirtämällä lämpöä ulkoilmasta sisäilmaan ja tarvittaessa päinvastoin sisäilman jäähdyttämiseksi. Perustoimintaperiaate on samanlainen kuin esimerkiksi jääkaapilla. Tärkeimmät erot ovat puhaltimet, nelitieventtiili ja ulko- ja sisäyksikön ohjauselektroniikka.

Ilmalämpöpumpulla lämpöä voidaan siirtää ulkoilmasta sisäilmaan huomattavasti edullisemmin kuin tavanomaisella sähkönvastukseen perustuvalla sähkölämmityksellä. Nykyisin ilmalämpöpumppujen ilmoitettu suorituskerroin (COP, Coefficient Of Performance) lämmityskäytössä on jopa yli viiden (COP > 5), kun ulkolämpötila on +7 °C. Tällöin yhdellä kilowattitunnilla sähköä saadaan siirrettyä yli viisi kilowattituntia lämpöä. Ulkoilman kylmetessä suorituskerroin ja pumpun lämmönsiirtokyky heikkenevät. Kehittyneimmät pumput tuottavat vielä liki -20 °C pakkasella lämpöä lähes kahden suorituskertoimella (COP ≈ 2).

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilmalämpöpumpun sisäyksikkö.

Kompressorin sähkömekaanisella työllä siirretään lämpöä kahden kennon välillä käyttäen hyväksi laitteen putkistossa kiertävän kylmäaineen olomuodon muutosta. Kun kylmäaine muuntuu nesteestä höyryksi 1. kennossa (eli höyrystimessä) se sitoo voimakkaasti lämpöä itseensä ja kun se tiivistyy takaisin nesteeksi 2. kennossa (eli lauhduttimessa) vapautuu lämpöä. Sama perusilmiö on havaittavissa meille talvella tutun veden ja jään olomuodon muutoksissa kun mitataan lämmön sitoutumista aineeseen. Kennojen välillä lämpöä siirretään kaasun mukana eli konvektiolla hyvin nopeasti paikasta toiseen. Tehokkaan järjestelmän yleistavoitteena on siis saavuttaa maksimaalinen olomuodon muutos molemmissa kennoissa niiden läpi kulkevalle lämmön välittämisestä vastaavalle kylmäaineelle. Tätä kylmäaineessa hyödynnettävää jyrkkää molekyylien energiatasojen siirtämistä tilasta toiseen kutsutaan fysiikassa yleisemmin myös faasimuutokseksi. Ilmalämpöpumppu onkin näin suora sovellus termodynamiikan I ja II säännön hyödyntämisestä käytännössä.

Lämmityskäyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämmityskäytössä kylmäaine ulkoyksikön kennossa höyrystyessään sitoo lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee ulkoyksikön höyrystimellä. Höyrystyessään kylmäaine sitoo paljon lämpöä kun kylmäaineen olomuoto muuttuu nesteestä kaasuksi. Ulkoyksikön puhallin siirtää ilmaa kennon läpi tehostaen muuten passiivisen kennon lämmönsiirtokykyä. Kun höyry sisäyksikön kennolla myöhemmin tiivistetään nesteeksi, se luovuttaa tuon saman ulkoa saadun lämpöenergian pois. Aivan kuten ulkoyksikössäkin tuulettimella puhalletaan vapautuva lämpöenergia osaksi talon huoneen sisäilmaa. Kompressori tuottaa sisäyksikön kennolle tarvittavan ylipaineen ja ulkoyksikön kennolle alipaineen.

Kompressori painaa höyryn sisäyksikön kennoon, jossa se tiivistyy nesteeksi paineen vaikutuksesta ja yksikön kenno lämpenee. Lämmenneen kennon läpi puhalletaan ilmaa, joka lämpenee. Sisäyksikön jälkeen neste jatkaa paineen vaikutuksesta ulkoyksikön kennoon. Ennen ulkokennoa on kuristin eli pieni reikä, joka jarruttaa nesteen menoa ja säilyttää kompressorin paineen. Uusimmissa ilmalämpöpumpuissa käytetään kuristimen apuna jopa tarkemmin automatiikalla ohjattavaa elektronista paisuntaventtiiliä ja kompressorityyppinä scroll-kompressoria.

Lämmityskäytössä pumpun jatkuvan lämmöntuoton lisäksi katkaisevat aika ajoin tapahtuvat sulatussyklit, joissa prosessi käännetään tarkoituksella hetkeksi jäähdytystilaan, jotta ulkokennoon syntyneet jääkerrostumat saadaan sulatettua puhtaaksi. Näiden normaalien sulatussyklien tiheys ja kesto ovat erittäin merkittävässä roolissa kun pyritään maksimoimaan nykyisten ilmalämpöpumppujen lämmöntuoton tehokkuutta talviemme aivan kylmimpien kuukausien aikana. Johtuen ulkolämpötilasta ja ilmankosteudesta ulkoyksiköllä olisi hyvä olla pohjapellin lämmitysvastus estämässä jään kerääntyminen sulatuksen jälkeen, kaikki pumput eivät kuitenkaan tällaista vastusta kaipaa.

Tähän prosessiin liittyy vähän yksinkertaista laskentoa, jonka aikoinaan Sadi Carnot esitti:

Ulkoilman lämpötila olkoot -10 °C eli n. 263 astetta Kelvinin asteikolla ja sisäkennon lämpötila +50 °C eli n. 323 K. Lämpötilaero on siis 60 °C. Carnot´n lämpöpumpun teoreettinen maksimitehokerroin, COP, jota usein väärin kutsutaan hyötysuhteeksi, on nyt 323 ÷ 60 = 5,4. Lämpötilaeron pienentyessä COP suurenee.

Luku 5,4 ilmoittaa kuinka moninkertaisena ilmalämpöpumppuun syötetty sähköenergia voi teoriassa tulla lämpönä ulos. Käytännössä COP-arvot ovat selvästi pienempiä.

Jäähdytyskäyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jäähdytyskäytössä nelitieventtiili kääntää kylmäaineen virtauksen vastakkaiseksi – sisäyksikön kennossa höyrystyvä kylmäaine sitoo lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee. Sisäyksikön puhallin kierrättää kennon lävitse sisäilmaa joka viilenee. Tiivistyessään ulkoyksikössä kylmäaine luovuttaa sisäyksikön kennolta saamansa lämpöenergian ulkoyksikön kennon ja puhaltimen avulla ulkoilmaan. Kylmäaineen virtaus tapahtuu siis vastakkaiseen suuntaan kuin lämmityskäytössä samalla kun höyrystin ja lauhdutin vaihtavat myös keskenään paikkaansa.

Laitekokoonpanot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Teknisesti katsoen ilmalämpöpumput jakautuvat joukkoon erilaisia peruskokoonpanoja riippuen siitä miten monta ulko- ja sisäyksikköä yhdessä järjestelmässä myydään paketissa kerralla. Karkea jako on seuraava: ns. split- vs multi-split -laitteet.

Split -laite on kaikkein yksinkertaisin ja suosituin kuluttajamarkkinoilla: yhteen ulkoyksikköön on kytketty vain yksi sisäyksikkö kylmäaineputkituksen kautta. Tällainen laite soveltuu tyypillisesti yhden huoneiston tai pienen talon lämmitykseen ja jäähdytykseen jos sisäyksikkö on sijoitettu järkevästi.

Multi Split -laite puolestaan sisältää yhden ulkoyksikön ja useamman sisäyksikön. Tällä pyritään kustannustehokkuuteen koska reilummalla ulkoyksikön tehon mitoituksella voidaan nyt ruokkia useampaa sisäyksikköä. Näitä järjestelmiä yleisimmin myydään hotellien, supermarkettien ja toimistotilojen käyttöön. Toki suuremmissa omakotitaloissa ja maatiloilla on mahdollisuus myös soveltaa tätä kokoonpanoa, jossa lämpö tai viilennys saadaan tasaisemmin leviämään suurempaankin tilaan.

Edellä mainittujen lisäksi on ilmalämpöpumpuissa vielä eksoottisempiakin laitekokoonpanoja, joissa voidaan esimerkiksi yhteen ulkoyksikköön kytkeä kylmäaineputkiston jatkeeksi vaikkapa yksi ilmaa puhaltava sisäyksikkö ja sen kanssa rinnalla tai sarjassa ohjattava lattialämmityksen vesipiirin lämmönvaihdin. Kunnollisia nimityksiä näille harvinaisemmille kokoonpanoille ei ole vielä luotu. Laitevalmistajat testaavat kuitenkin mielellään näitä laitteita energiatehokkuuden parantamiseksi juuri kuluttajamarkkinoilla esimerkiksi Aasian maissa.

Teholuokat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilmalämpöpumppujen teholuokka ilmoitetaan BTU-”johdannaisena”: teho, joka tarvitaan sulattamaan yksi tonni (short ton = n. 907 kg) jäätä 24 tunnissa. Kertomalla BTU-arvo 0,293:lla, esim. 12 000 × 0,293 = 3 516 W; jossa 12 000 vastaa kaupallisten ilmalämpöpumppujen nk. 12-sarjan laitetta. Ilmalämpöpumpun lämmitys- ja jäähdytystehossa on eroja. Mikäli lämmityskäytössä tavoitellaan energiasäätöä ilmalämpöpumpussa lämmitysteho, määrästä riippumatta, on energiatehokasta vasta suotuisalla COP-kertoimella. Toisaalta pelkkä korkea COP ei lämmitä eikä korkea lämmitysteho ole välttämättä energiatehokasta. Yleensä ilmalämpöpumpun hyötysuhde koneen käydessä osateholla on merkittävästi suurempi kuin jos kone joutuisi käymään koko tehollaan. Siten lämpöpumppujen teholuokkia tarkasteltaessa on huomioitava lämmitysteho (kW), jäähdytysteho (kW), COP, ottoteho (kW), EER sekä energiatehokkuus osa- ja täysteholla.

Kylmäaineiden kehitys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ilmalämpöpumpun ulkoyksikkö, joka käyttää R-410A -kylmäainetta.

Ilmalämpöpumppujen lämpöä siirtävät kylmäaineet ovat kaasuseoksia, joiden nesteytymislämpötilat on suunniteltu tukemaan asuntojen lämmitys ja jäähdytystarpeita parhaalla mahdollisella tavalla. Vanhoja kylmäaineita ovat mm. R12 ja R-22 jotka ovat jo kiellettyjen aineiden listalla koskien uusia asennuksia, uudemmille R407c ja R134a:lle on odotettavissa rajoituksia vuonna 2012. Kaikkein uusinta kylmäainetta kutsutaan lyhenteellä R-410A. Edeltäjiinsä verrattuna tämä kaasuseos vahingossa putkistosta karatessaan aiheuttaa merkittävästi vähemmän haittaa otsonikehälle. Silti synteettiset HFC-kylmäaineet kuten R410A ilmeisesti kielletään lähitulevaisuudessa. Yleinen trendi onkin kehittää yhä enemmän luonnonmukaisia mutta prosessille kuitenkin tehokkaita kylmäaineita lämmönsiirtoon höyrystimen ja lauhduttimen välillä. R410A:n jälkeen seuraava teknologian muutos johtaa mitä todennäköisimmin aivan tavallisen hiilidioksidin (CO2) valjastamiseen hyötykäyttöön ilmalämpöpumpuissa. Tämän aineen ympäristöhaitat ovat siten olemattomat ja täysin luonnonmukaiset. Ylikriittisissä sovelluksissa hiilidioksidi ei varsinaisesti nesteydy lainkaan. Tällöin paineet ovat korkeat, jopa 100 bar, mikä vaatii laitteiden vahvistamista kestämään korkeaa painetta.

Kylmäaineiden käsittelyä säätelee Suomessa ympäristölainsäädäntö, jonka takia kylmäpiirin kytkentä- ja huoltotyöt kuuluvat tähän toimiluvan saaneille kylmälaiteasentajille. Markkinoille on tosin tullut viime vuosina myös niin kutsuttuja itse asennettavia pikaliittimin varustettuja lämpöpumppuja, joiden asennus on niin helppoa että laitetoimittajat myyvät niitä ilman asennuspalvelua kuluttajalle. Suomen valvontaviranomainen (Turvallisuus- ja kemikaalivirasto), joka ylläpitää julkista listaa hyväksytyistä asennusliikkeistä, ei ole kuitenkaan hyväksynyt tätä asennustapaa ja tekniikkaa vielä yleiseksi käytännöksi. CO2 -pohjaisten pumppujen myötä tilanne voi muuttua kuluttajille entistä helpommaksi, koska hiilidioksidi ei vahingoita ilmakehää, vaikka oma asennus aluksi epäonnistuisi syystä tai toisesta ja kaasu karkaisi ilmakehään. Valvontaviranomainen tulkitsee omassa työssään HFC-yhdisteiden käsittelystä annettua vuoden 2001 valtioneuvoston asetusta[1][2].

Myynti ja markkinat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämmityskäyttöön tarkoitettujen ilmalämpöpumppujen kauppa on kiihtynyt jatkuvasti Suomessa sitä mukaa kun lämmitysenergian hinnat ovat nousseet jyrkästi. Pelkästään vuonna 2006 arvioitiin toimitettujen laitteiden määräksi 30 000 kpl[3]. Myös kaikista EU:n maista Suomen markkinat ovat kasvaneet suhteellisesti kaikkein voimakkaimmin. Suurimmat ilmalämpöpumppujen markkinat kuitenkin löytyvät Ruotsista, jossa perinteet lämpöpumppujen hyödyntämiseen ovat syvemmällä maan energiapolitiikassa.

Saavutettavien säästöjen suuruuteen vaikuttavat talon entinen päälämmitystapa, ilmalämpöpumpun asennuspaikka huoneistossa, sijaintipaikkakunnan talven ulkolämpötilat ja laitteen oikeanlainen taloudellinen käyttötapa. Tyypillinen säästö vuodessa sähkönkulutuksessa on 30–40 %.

Ilmalämpöpumpun asennus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jotta ilmalämpöpumppu toimisi energiatehokkaasti, tulee se asentaa oikein. Sisäyksikkö tulee asentaa paikkaan, josta puhallusilma virtaa mahdollisimman esteettömästi laajalle alalle. Ilmalämpöpumpun sijoitukseen vaikuttavat myös muut lämmönlähteet, kuten takka tai uuni. Lisäksi sisäyksikköä ei suositella asennettavaksi keittiöön, koska keittiön rasvaisessa ilmassa ilmalämpöpumpun suodattimet tukkeutuvat nopeasti vähentäen laitteen tehoa.

Ulkoyksikkö pyritään asentamaan mahdollisimman lähelle sisäyksikköä. Ulkoyksikköä ei kuitenkaan suositella asennettavaksi makuuhuoneen seinään, sillä sen aiheuttama pieni hurina saattaa häiritä herkkäunisempia. Ilmansuunnalla ei ole ulkoyksikön sijoittamisen suhteen merkitystä. Suositeltavaa kuitenkin on, että kesäaikaan ulkoyksikkö sijaitsisi varjossa.

Ilmalämpöpumpun asennus tulee aina jättää ammattilaiselle, sillä sen asennus vaatii erikoisosaamista muun muassa sähkötöiden osalta. Lisäksi ammattilaisen asentamana ilmalämpöpumpusta saadaan maksimaalinen hyöty.[4]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Wikiuutiset
Wikiuutisissa on aiheeseen liittyvä uutinen:

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]