21.02.2024

Taustaa

Artikkeli käsittelee lämpimän käyttöveden tuottamista lämpöpumpulla todellisen kohteen mittausaineistoon perustuen. Tutkimuksen kohteena oli vuonna 2018 valmistunut uusi 26:n asunnon kerrostalo Varsinais-Suomessa. Mittausjaksona oli vuoden pituinen ajanjakso 6/2022 – 5/2023. Kohteen rakennus, rakennuksen talotekniikka, lämmitysjärjestelmä ja suoritetut mittaukset on kuvattu tutkimushankkeen varsinaisessa raportissa (Leimu ja muut 2023).

Ilmastonmuutoksen hidastaminen on nostanut erilaiset lämpöpumput asuntojen suosituimmaksi lämmönlähteeksi. Kiinteistöjen pääasiallisena lämmönlähteenä toimivissa lämpöpumpuissa lämpö on yleisimmin peräisin maaperästä tai porakaivosta. Viime aikoina ovat yleistyneet ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävät ilma-vesilämpöpumput, jossa ilmasta otettu energia siirretään järjestelmässä kiertävään veteen.

Johdanto

Julkaistua tutkimustietoa ilma-vesilämpöpumppujen lämpökertoimesta ja toimivuudesta on saatavilla hyvin vähän. Lämpöpumpun lämpökerroin paranee mitä viileämpää vettä lämmitykseen tuotetaan. Suomessa rakentamismääräyksissä käyttöveden lämpötilana on kuitenkin vähintään 55 astetta. Määräys perustuu legionellariskin välttämiseen. Suuremmissa asuinrakennuksissa lämmintä vettä halutaan viimeiseenkin käyttöpisteeseen nopeasti. Siksi lämpimän käyttöveden lämpötilaa pidetään verkostossa yllä lämpimän käyttöveden kiertojohdolla. Kiertojohdossa ja lämminvesijohdossa virtaa jatkuvasti käyttöön valmista kuumaa käyttövettä. Vesi jäähtyy kierron aikana tyypillisesti 2-3 astetta ja siksi verkostoon syötettävän veden tulee olla tuon verran tavoitearvoa lämpimämpää, esimerkiksi 58 °C, jotta vaadittu 55 °C saavutetaan myös kierron viimeisissä käyttöpisteissä. Käyttövettä ei saa lämmittää Suomessa suoraan lämpöpumpun lämmönsiirtimellä, jossa lämmönsiirtopinnan toisella puolella virtaa kylmäaine. Siksi käyttövesi on lämmitettävä väliaineella eli useimmiten lämmitysvedellä. Jotta saadaan 58 °C käyttövettä, on lämmönsiirtimeen syötettävä noin 60 °C lämmitysvettä.

Käyttöveden lämpötilan vaatimukset

Tärkeimmät käyttöveden suunnittelua ohjaavat määräykset ja ohjeet on koottu Talotekniikka-Infoon, jossa ne ovat kaikkien vapaasti käytettävissä. Ohjeissa on esitetty kuvan 1 muodossa käyttöveden lämpötilan raja-arvot. Sivustolla on esitetty perusteita ja asetukset, joissa raja-arvot on määrätty.

Lämpötilan minimiraja ei siis määrity käyttäjän mukavuuden perusteella vaan taudinaiheuttajien ja erityisesti legionellariskin välttämiseksi. Kuvan kaavion oikealla puolella olevat mustat tekstit ja arvot 55 °C ja 65 °C kuvaavat lämpimän käyttöveden suunnitteluraja-arvoja ja rakentamista. Oikealla oleva punainen arvo 50 °C kuvaa asumisterveysasetuksen minimirajaa vanhan rakennuksen terveysriskiä arvioitaessa.

Ohjeissa ei esiinny tarkempia vaatimuksia esim. lämpötilan säädön aiheuttamille poikkeamille raja-arvoista. Suurin osa Suomen asuinrakennuksista lämpiää kaukolämmöllä ja Energiateollisuuden kaukolämpömääräyksissä (K1/2021) suurin vähintään 2 minuuttia jatkuva poikkeama voi olla +/- 2 astetta ja hetkellinen poikkeama -10 astetta. Nämä kaukolämpömääräykset asettaisivat kaukolämpöjärjestelmän lämmönsiirtimeltä lähteväksi lämpimän käyttöveden minimilämpötilaksi 56° ja esimerkiksi säädön hitaudesta johtuvaksi hetkelliseksi minimiraja-arvoksi 48 °C.

Lämpöpumppuprosessi käyttöveden lämmityksessä

Lämpöpumppuprosessissa käytetään kiertoaineena kylmäaineiksi kutsuttuja yhdisteitä, jotka saadaan kiehumaan ja lauhtumaan tarkoituksenmukaisissa paineissa ja lämpötiloissa. Kylmäaineen valinta on haasteellista, koska määräykset ovat muuttuneet muutaman vuoden välein ja aiemmin käytettyjä kylmäaineita on kielletty. Kiellot johtuvat siitä, että varsinkin vanhimmat kylmäaineet osoittautuivat tuhoisiksi ilmakehän otsonikerrokselle. Uusien kylmäaineiden myötä on haittoja pystytty vähentämään merkittävästi. Vaikka kylmäaineiden ja komponenttien kehitykseen on panostettu paljon, ovat korkeat lauhtumislämpötilat edelleen osoittautuneet haasteellisiksi.

Ilmalämpöpumpuissa yleisesti käytetty kylmäaine on R410A, ja se on käytössä myös koekohteessa. Kuvassa 2 on piirretty esimerkkikohteen lämpöpumppuprosessi kylmäaineen paine-entalpiakaavioon esimerkkilämpötiloja käyttäen. Ulkoilma on -5 °C ja käyttövesi lämmitetään 58 °C:een. Höyrystymislämpötilan oletetaan olevan 8 astetta ulkoilmaa kylmempää eli -13 °C ja lauhtumislämpötila 2 astetta haluttua menoveden lämpötilaa (60 °C) korkeampi eli 62 °C. Imukaasun tulistukseksi arvioidaan 4 astetta ja kompressorin isentrooppiseksi hyötysuhteeksi 0,75. Näillä arvoilla viiden asteen pakkasessa kuumakaasun lämpötila kohoaa 117 °C:een. Lämpöpumpuissa yleisesti käytetty kuumakaasun maksimiarvo on 120 °C. Tämän lämpötilan ylittäminen lyhentää kompressorin elinikää merkittävästi.

Tuotetun lämpimän käyttöveden lämpötilan ei pitäisi olla riippuvainen ulkoilman lämpötilasta. Ulkolämpötilan laskiessa -5 °C alapuolelle, kohoaa kompressorin jälkeisen kuumakaasun tulistuslämpötila. Jos noudatetaan yleisenä rajana pidettyä kuumakaasun korkeimman lämpötilan arvoa 120 °C, ei tällaisella laitteistolla voisi tuottaa riittävän kuumaa vettä alle -5 °C ulkolämpötiloilla. Kompressorin ikääntyessä sen hyötysuhde heikkenee ja 120 °C raja-arvo saavutetaan jo muutamaa astetta korkeammalla ulkoilman lämpötilalla.

Edellä esitetyn yksinkertaisen teoreettisen tarkastelun perusteella valmistajan ilmoitus, jonka mukaan laitteisto soveltuu lämpimän veden valmistamiseen aina 65 °C saakka, tuntuu erikoiselta. Seuraavaksi tarkastellaan mittausten perusteella, millaisia lämpötiloja laitoksessa todellisuudessa on esiintynyt ja miten ne suhtautuvat voimassa oleviin määräyksiin.

Lämpimän käyttöveden lämpötila

Kuten aiemmin on todettu, mahdollistaa koekohteen kattava instrumentointi käyttöveden lämpötilojen ja lämpövirtojen hyvinkin täsmällisen tarkastelun.

Tutkimusjakson aikana on mittausaineistoon tallennettu kaikkien anturien lukemat minuutin välein. Lämpimän käyttöveden lämpötila mitattiin käyttövettä lämmittävän lämmönsiirtimen jälkeen verkostoon lähtevästä putkesta. Lämpimän käyttöveden vuoden pysyvyyskäyrä on esitetty kuvassa 3. Pysyvyyskäyrässä käyttöveden lämpötilan minuuttikohtaiset arvot on lajiteltu nousevaan järjestykseen. Vuoden keskiarvo oli 50,9 °C. Virtaaman vaihtelun huomioon ottava virtaamalla painotettu vuosikeskiarvo oli 50,8 °C.

Tässä esitetty pysyvyyskäyrä poikkeaa hieman hankkeen raportissa (Leimu ja muut 2023) esitetystä vain lämmityskauteen rajoittuvasta pysyvyyskäyrästä. Lämpötilan mittauskohta järjestelmässä on esitetty kuvan 4 oikeassa yläkulmassa.

Lämpimän käyttöveden lämpötilan kannalta on ratkaisevaa, kuinka lämmintä lämmityspiirin vettä lämpöpumppu kykenee tuottamaan. Käyttövettä lämmittävälle lämmönsiirtimelle pyritään saamaan riittävän kuumaa vettä lämpöpumpulta, mutta matkalla on kaksi tuhannen litran kuumavesivaraajaa ja kolme automaatiojärjestelmän ohjaamaa venttiiliä.

Lämpöpumpulta lähtevän veden lämpötila on esitetty kuvassa 5 sinisenä pysyvyyskäyränä vuoden kestävän mittausjakson ajalta. Pystyakselilla on lämpötila ja vaaka-akselilla on aika minuutteina. Lämpöpumppu oli käynnissä 65 % vuodesta ja kaaviosta on nähtävissä että 65 % ajasta lämpöpumpulta käyttöveden lämmönsiirrintä kohti lähtevän veden lämpötila oli vastaavasti yli 55 °C. Pysyvyyskäyrän alkuosuus eli alle 55 °C asteen 35 % aikaosuus kuvaa aikaa, jolloin lämpöpumppu ei käynyt, oli käynnistymässä tai sammumassa tai lämpöpumpun sulatus oli käynnissä.

Kuvassa 5 näkyy myös lämmönjakohuoneesta lähtevän lämpimän käyttöveden lämpötila. Mitatut pisteet näkyvät mustana kerrostuneena jakaumana lämpötilan ollessa keskimäärin 50,9 °C. Lämpöpumpulta tuleva 55…57 °C asteinen lämmitysvesi olisi riittänyt käyttöveden lämmittämiseksi enemmän, mutta käyttöveden lämpötilan asetusarvoksi oli säädetty 51°C. Kuvassa 6 on esitetty kuvan 5 lämpötilojen mittauskohdat.

Lämpöpumpun meno- ja paluulämpötila

Kuvassa 7 on edellisen kuvaajan pysyvyyskäyrä punaisena. Käyttöveden pysyvyyskäyrän lisäksi kaaviossa on esitetty lämpöpumpun paluuveden lämpötilat sinisinä pisteinä. Vaakasuoran aika-akselin alkupään (0…35%) siniset pisteet kuvaavat tilannetta missä lämpöpumppu ei ole toiminnassa tai on sulatuksella, käynnistymässä tai sammumassa. Lämpöpumpun käydessä meno- ja paluuveden lämpötilaeroksi tuli kuvassa näkyvä noin 8 °C astetta. Lämpötilaeroa järjestelmä sääti muuttamalla ulkoyksikön vesivirtaa ja kompressorin kierrosnopeutta.

Lämpimän käyttöveden lämmöntarve ja lämpöpumpun tuottama lämpö

Lämpimän käyttöveden lämmönsiirtimen keskimääräinen tehontarve mitattiin kuvan 8 oikeassa yläkulmassa olevan lämmönvaihtimen käyttöveden puolella olevien putkien lämpötilaerosta ja virtaamasta. Lämmintä käyttövettä tuottavan lämpöpumpun LP1 teho mitattiin lämpöpumpun meno- ja paluuputken lämpötilaerosta ja virtaamasta.

Kuvassa 9 näkyvästä sinisestä käyttöveden lämmöntarpeen pysyvyyskäyrästä suurin osa on alle 2 kW tason. Se kuvaa lämpimän käyttöveden kiertojohdon jatkuvaa lämpöhäviöitä. Kiertojohdon keskimääräiseksi häviöksi arvioitiin 1,8 kW eli noin 16 000 kWh/vuosi. Kiertojohdon lämpöhäviöt ovat noin kolmannes käyttövesijohtoon tuodusta lämmitysenergiasta (49 074 kWh).

Kuvan 9 alaosassa näkyy kolme päällekkäistä vyöhykettä. Ne kuvaavat lämpöpumpun tuottamaa lämpötehoa. Alin punainen vyöhyke nollan tuntumassa kuvaa tilannetta, jolloin lämpöpumppu ei ole ollut käynnissä. Lämpöpumppu kävi 65 % ajasta ja siksi 35 % eli noin kolmasosan vuoden minuuteista, lämpöpumpun teho on nollan tuntumassa. Lämpöpumpun kiertovesipumppu kierrätti lämmitysvettä lämpöpumpun lämmönsiirtimen läpi jatkuvasti koko vuoden. Nollatehon alapuolella olevat lämpöpumpun punaiset tehopisteet kuvaavat lämpöpumpun ulkoyksikön ja liitäntäputkien lämpöhäviöitä lämpöpumpun ollessa pois päältä sekä sulatusjaksoihin käytetty energiaa. Muun ajan eli 65 % vuodesta lämpöpumppu kävi 10-16 kW teholla.

Kuvasta voidaan nähdä, että lämpöpumpun lämmitysteho oli 85 % ajasta suurempi kuin lämmitystehontarve. Vastaavasti noin 15 % vuodesta lämpöpumpun teho ei riittänyt kattamaan lämmöntarvetta ja silloin tarvittiin varaajia ja niissä olevia sähkövastuksia (9 441 kWh). Lämpöpumpun käynnistymisen ja sammumisen ja sulatuksen aikana tallennetut mittaustulokset näkyvät kuvassa epämääräisinä punaisten pisteiden sumuna. Esimerkiksi käynnistyessään kompressori ottaa heti täyden tehon, mutta varaavien massojen takia lämmönsiirtimestä saatava teho saadaan viivellä.

Lämpimän käyttöveden valmistukseen käytetty lämpömäärä ja lämpöpumpun lämpökerroin

Kuvassa 10 on järjestelmäkaavioon merkitty järjestelmään tulevat ja lähtevät energiavirrat. Ulkoyksikön kuluttama sähköenergia 22 893 kWh . Tällä sähköenergialla ulkoyksikkö tuotti lämpöä 70 600 kWh, mutta käytti siitä sulatukseen ja ulkoyksikön lämpöhäviöihin 5 407 kWh (7,7 %). Näin sisälle rakennukseen ulkoyksiköltä siirtyi 65 193 kWh. Näillä arvoilla laskettuna ulkoyksikön eli lämpöpumpun LP1 lämpökertoimeksi tuli 2,8.

Rakennukseen siirretystä energiasta 68 % eli 44 140 kWh käytettiin käyttöveden lämmitykseen ja loput lämmitysverkostoon. Käyttöveden osuus lämpöpumpun sähkökäytöstä oli 15 500 kWh. Käyttöveden lämmittämiseen käytettiin lisäksi sähkövastuksia 9 441 kWh. Yhteensä sähkökäyttöä oli siten 24 941 kWh. Käyttöveteen päätyi 49 074 kWh. Varaajien sekä lämmönjakohuoneen käyttöveden valmistuksen muut lämpöhäviöt olivat yhteensä 4 507 kWh. Kun huomioidaan nämä lämpöhäviöt ja sähkövastusten käyttö aikoina jolloin lämpöpumpun teho ei riittänyt, tuli mittausjakson lämpökertoimeksi 2.

Kohteen tutkimusraportissa julkaistu kuva 11 esittää käyttövettä lämmittävän lämpöpumpun lämpökertoimen ulkolämpötilan funktiona. Kuvan punainen viiva on kaikkien mitattujen lämpökertoimien trendiviiva ulkolämpötilan funktiona, joka huomioi kaikki sulatukset, pysäytykset ja käynnistykset. Trendiviiva antaa mahdollisimman tarkan kuvan todellisesta käyttötilanteesta. Trendiviiva poikkeaa vain vähän valmistajan ilmoittamista arvoista ulkolämpötiloissa, joissa laite käyttää sulatusta. Kuvassa valmistajan ilmoittamat lämpökertoimet on esitetty oransseina pisteinä. Sulatuksesta julkaistaan tämän artikkelin kanssa samanaikaisesti artikkeli Ilma-vesilämpöpumpun sulatustoiminto kerrostalokohteessa (Leimu, Niemelä, Tuomaala, Vainio).

Varsinaisessa raportissa on lämpöpumpun 1 lämpökerroin 2,2. Ero johtuu siitä, että 32% lämpöpumpun tuottamasta energiasta meni lattialämmitykseen sellaisenaan ja tämä 32 % osuus tuotettiin lämpökertoimella 2,8.

Lämpimän käyttöveden varauskapasiteetti

Kuten edellä on todettu ei lämpöpumpun teho riitä kulutushuippujen kattamiseen, vaikka suurimman osan aikaa lämpöpumpussa on vapaata kapasitettia. Kulutushuippuja tasaamaan tarvitaan järjestelmään varauskapasiteettia. Kuvassa 12 on esitetty keskimääräinen tuntikohtainen tehontarve käyttöveden lämmitykseen. Aamulla klo 5-6 keskimääräinen käyttöveden tehontarve oli alle 2 kW, joka on yhtäsuuri kuin käyttöveden kiertojohdon lämpöhäviö eli kulutusta ei ole.

Varauskapasiteetin tarpeen arvioimiseksi voidaan tarkastella käyttöveden tehontarpeen kahden tunnin liukuvaa keskiarvoa, joka on esitetty kuvassa 13 watteina. Kertomalla yksittäinen pylväs kahdella tunnilla saadaan kahden tunnin aikana tarvittava energia [Wh].

Kuvasta on havaittavissa, että kahden tunnin keskimääräiset tehontarrpeet ovat lähes kaikki alle 25 kW. 25 kW teholla pylvään kahden tunnin energian tarpeeksi tulee 50 kWh. On syytä huomioida, että kuva esittää vain tehontarvetta ja ei ota huomioon lämpöpumpun tai varaajien samanaikaista toimintaa.

Kuvassa 14 on esitetty tehontarpeen ja lämpöpumpun lämmitystehojen eron kumulatiivinen vaje minuuttitasolla. Eli edelliseen kuvaan 13 verrattuna kuva 14 huomioi lämpöpumpun hetkellisen lämmitystehon.

Myös tästä kuvasta on luettavissa, että vuoden ajanjaksolla kumulatiivinen vaje kävi kaksi kertaa yli 50 kWh. Näin suoritettu minuuttitason tarkastelu antaa siten saman tuloksen (50 kWh) kuin edellisen kuvan 13 liukuvan keskiarvon avulla laskettuna. 50 kWh vastaa lämpömäärältään järjestelmän 2000 litran varaajatilavuuden 21 asteen lämpötilan pudotusta.

Käyttöveden lämpötilan nostaminen

Mittausjakso osoitti lämpimän käyttöveden lämpötilan nostamisen välttämättömäksi. Lämpötilan nosto ei merkittävästi vaikuta käytetyn käyttöveden tehontarpeeseen, koska asukas saa esimerkiksi suihkuvetensä samassa säätämässään lämpötilassa esimerkiksi suihkusekoittajan sekoittaessa halutun lämpöistä vettä. Ainoa merkittävä energian kulutuksen muutos on lämpimän veden kiertojohdon lämpöhäviöiden kasvu. Kiertojohdon lämpöhäviöt olivat 16 000 kWh . Jos kiertojohdon lämpötilaa nostetaan 7 asteella lämpötilasta 51 °C, nousee veden ja huonetilan (21 °C) välinen lämpötilaero 37 asteeseen eli 23 %. Kiertojohdon lämpöhäviö nousisi vastaavasti noin 4 000 kWh 20 000 kWh:iin.

Lämpimän käyttöveden lämpötilan nostamiseksi 58 asteeseen on useita teknisiä vaihtoehtoja. Jos lämpöpumpun osuutta ei haluta pienentää, on lämpöpumpun tuotettava 60 asteista vettä. Kuten aiemmin on todettu, saattaa tämä johtaa liian korkeisiin kuumakaasun lämpötiloihin lyhentäen lämpöpumpun käyttöikää.

Käyttöveden lämmittäminen voidaan tehdä myös varaajavastuksien asetuslämpötilaa nostamalla, mikä kasvattaa merkittävästi sähkön kulutusta. Jos varaajien asetuslämpötilaa nostetaan nostamatta samanaikaisesti lämpöpumpun asetuslämpötilaa (55 -> 60 °C) pienenee lämpöpumpun tuottaman edullisemman energian osuus merkittävästi .

Käyttöveden kierron vaatimat viimeiset asteet on myös mahdollista lämmittää järjestelmään lisättävässä käyttövesivaraajassa olevilla vastuksilla, jolloin käytännössä koko kierron lämpöhäviö 20 000 kWh lämmitettäisiin vastuksilla.

Yhteenveto

Ilmavesilämpöpumppujen yleistyessä kiinteistöjen lämmönlähteenä niitä on alettu käyttämään myös käyttöveden lämmitykseen. Eri valmistajien markkinointimateriaaleissa annetaan ymmärtää ettei riittävän lämpötilatason saavuttaminen olisi ongelma. Tässä tutkimuksessa selvitettiin käyttöveden lämpötilaa mittausten avulla todellisessa kerrostalokohteessa.

Lämpimän käyttöveden valmistus monoblock-tyyppisellä ilmavesilämpöpumpulla toteutui valmistuksen lämpöhäviöt ja varaajavastukset huomioiden lämpökertoimella 2. Ulkoyksikkö eli varsinainen lämpöpumppu toimi lähellä valmistajan ilmoittamia suoritusarvoja. Ulkoyksikön lämpökerroin mittausjaksolla oli 2,8 sulatus ja ulkoyksikön lämpöhäviöt huomioiden.

Mittausjaksolla käyttöveden maksimivarauskapasiteetin tarve oli 50 kWh, kun lämpöpumppu tuotti noin 15 kW lämmitysteholla käyttövettä. Lämpöpumpun nimellisteho oli 20 kW. Laitokseen rakennettua varauskapasiteettia olisi ollut mahdollista hyödyntää paremmin.

Lämpöpumppu valmisti 55 asteista lämmitysvettä käyttöveden lämmitykseen. Lämpöpumpun 55 asteen asetusarvolla ja käyttöveden säätöventtiilin asetusarvolla 51 astetta käyttöveden lämpötilan määräysten minimivaatimus 55 astetta ei toteutunut. Käyttöveden lämpötilan keskiarvo oli 51 astetta. Käyttöveden lämpötilaa oli välttämätöntä nostaa. Vaatimus käyttöveden minimilämpötilasta perustuu legionellariskin välttämiseen. Lämpötilaa nostettiin mittausjakson loputtua.

Mittausten perusteella suositeltiin lämpöpumpun, varaajavastusten ja lämmönsiirrinpaketin säätöventtiilin lämpötilan asetusarvojen samanaikaista nostamista sekä vaihtoventtiilin vaihtamista.

Tutkimuksen kestäessä havaittiin tarve lämpöpumpun kylmäprosessin todentamiseen mittauksin. Tällä hetkellä mitoitukset perustuvat teoreettiseen tarkasteluun ja laitevalmistajien hyvin niukkoihin tietoihin kylmäprosessista. Julkaistu kylmäprosessi toisi varmemman valinnan perustan suunnittelijalle ja valitsijalle. Lämpöpumput on suunniteltu ja mitoitettu suurimpien markkina-alueiden olosuhteisiin. Suomen kireät pakkaset aiheuttavat merkittävän haasteen määräysten mukaisen käyttöveden lämpötilan saavuttamiseksi. Luotettava tieto kylmäprosessin toiminnasta antaisi vahvemman pohjan käytännön mitoitustyöhön.

Lähteet

Leimu, Juha; Niemelä, Antti; Tuomaala, Erkki; Vainio, Juho (2023): Ilma-vesilämpöpumpun toiminta kiinteistön lämmönlähteenä. Ilma-vesilämpöpumpun toiminta kiinteistön lämmönlähteenä. Turun ammattikorkeakoulun raportteja 293.