20.02.2024

Taustaa

Ilmastonmuutoksen hidastaminen on nostanut erilaiset lämpöpumput asuntojen suosituimmaksi lämmönlähteeksi. Kiinteistöjen pääasiallisena lämmönlähteenä toimivissa lämpöpumpuissa lämpö on yleisimmin peräisin maaperästä tai porakaivosta. Nyt kuitenkin yleistyvät ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävät ilma-vesilämpöpumpuiksi kutsutut laitteet.

Ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävissä lämpöpumpuissa ulkoilmanjäähdytyksestä peräisin oleva lämpöenergia nostetaan lämpöpumpun avulla kiinteistön lämmitykseen käyttökelpoiselle lämpötilatasolle. Kaikissa tällaisissa lämpöpumpuissa ulkoilman sisältämää vesihöyryä jäätyy sopivissa olosuhteissa huurteeksi höyrystinpatterin lämpöpinnoille. Huurre tukkii vähitellen ilman virtaustietä estäen lopulta lämpöpumpun toiminnan. Siksi kaikki ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävät lämpöpumput on varustettu jonkinlaisella sulatusjärjestelmällä. Sulatuksen toteuttamiseen on useita teknisiä ratkaisuja, mutta niille kaikille on yhteistä patteriin kertyneen jään sulattaminen rakennukseen jo toimitettua lämpöenergiaa käyttäen. Jaksottainen sulatustoiminto estää patterin tukkeutumisen ja pitää lämpöpumpun toimintakuntoisena.

Sulatusjakson aikana lämpöpumppu siirtää lämmitysjärjestelmästä lämpöä lämpöpumpun ulkoyksikköön patteriin kertyneen jään sulattamiseksi. Rakennuksesta ulos suuntautuvan lämpövirran lisäksi on lämpöpumpun lämmitystoiminto keskeytynyt sulatuksen ajaksi. Laitteita myyvät ja valmistavat eivät yleensä anna sulatuksen vaikutuksista ja merkityksestä juuri mitään tietoja. Asiaa vähätellään ilmeisesti siksi ettei asiaa tunneta.

Turun ammattikorkeakoulun tutkimushankkeessa tutkittiin ilma-vesilämpöpumppujen toimintaa pienehkön kerrostalokiinteistön lämmönlähteenä. Hankkeessa kerätyn mittausaineiston perusteella selvitettiin myös sulatuksen toimintaa, vaikutuksia ja merkitystä. Tutkimushankkeen varsinaisessa raportissa (Leimu ja muut, 2023) on käsitelty sulatukseen käytettyä energiamäärää vuositasolla sekä sulatusenergian tarpeen riippuvuutta ulkoilma lämpötilasta ja kosteudesta. Tässä artikkelissa tarkastellaan saman aineiston perusteella tarkemmin sulatukseen käytetyn ajan ja energian riippuvuutta ulkoilman tilasta ja vaikutuksia laitoksen energiatalouteen.

Johdanto

Ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävät lämpöpumput ovat yleistyneet voimakkaasti viime vuosina. Yleisin rakennusten lämmityslaitteena käytetty ilmalämpöpumppu on sellainen, missä ulkoilman jäähdyttämisestä talteen saatu lämpöenergia siirretään kompressorin tekemän puristustyön avulla sisäilman lämmitykseen. Näissä hinnaltaan edullisissa laitteistoissa on yleensä vain yksi sisäyksikkö, joka luovuttaa lämmön suoraan sisäilmaan. Suurissa rakennuksissa kuitenkin lämpöä on kyettävä jakamaan laajalle alueelle ja erilaisiin tiloihin ja järjestelmiin. Silloin käytetään laitteistoja, joista käytetään nimitystä ilma-vesilämpöpumppu. Lämpö on näissäkin peräisin ulkoilman jäähdytyksestä, mutta lämpöpumppu siirtää lämmön lämmitysjärjestelmän veteen, eikä suoraan sisäilmaan. Talon automaatiojärjestelmä jakaa lämpöä tarpeen mukaan käyttöveden ja kiinteistön eri osien lämmitykseen. Mielenkiinto ilma-vesilämpöpumppuja kohtaan näyttäisi olevan kasvussa, koska maalämmityksen edellyttämiä keruuputkistoja kaivantoineen tai porakaivoineen ei tarvita lainkaan. Näin maalämpöjärjestelmää huomattavasti pienempi investointi on houkutteleva ilma-vesilämpöpumpun jonkin verran alhaisemmasta vuosilämpökertoimesta huolimatta.

Ulkoilma sisältää aina jonkin verran kosteutta. Ilmassa olevan vesihöyryn määrä riippuu ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Jos lämpöpumpun ulkoyksikössä olevan höyrystinpatterin lamellien pintalämpötila on riittävän alhainen, muodostuu kosteudesta jäätä lamellien pinnoille. Kun jäätä muodostuu riittävän paljon, se alkaa haitata ilman virtausta ja ilman toimenpiteitä tukkisi patterin kokonaan estäen laitteiston toiminnan. Siksi kaikissa ulkoilmaa lämmönlähteenä käyttävissä lämpöpumpuissa on sulatusautomatiikka, joka estää liiallisen jään kertymisen höyrystinpatteriin. Jään sulattaminen tapahtuu yleisimmin käyttäen rakennuksen sisäilman tai lämmitysverkoston lämpöä. Lämpöpumpun kompressori on usein kytketty nelitieventtiiliin, joka käskyn saatuaan kääntää kompressorin syöttämään lämpöä ulkoyksikön höyrystinpatteriin. Tämä jatkuu niin kauan, että jää on sulanut ja valunut vetenä pois patterista. Sulatuksen jälkeen laitteisto palaa normaaliin toimintaa ja alkaa jälleen ulkoilmaa jäähdyttäen syöttäämään lämpöä rakennukseen. Koska sulatustarvetta muodostuu myös ulkoilman lämpötilan ollessa nollan yläpuolella, voidaan käyttää passiivista sulatusta. Silloin kompressori pysäytetään, höyrystinpatterin jäähdytys lakkaa ja puhallin sulattaa patteria ulkoilman avulla. Sulatus on välttämätön osa kaikkien ulkoilmalämpöpumppujen toimintaa. Sulatuksella on vaikutusta laitoksen energiatalouteen kahdella tavalla. Sulatuksen aikana lämpöpumppu syöttää kerran jo tuotettua lämpöä ulos rakennuksesta ja toiseksi sulatukseen käytettynä aikana lämpöpumppu ei tuota lämpöä rakennukseen.

Vaikka kaikissa ilmalämpöpumpuissa on sulatustoiminto, ei sen toiminnasta, merkityksestä tai energiankulutuksesta kerrota juuri mitään. Laitevalmistajien dokumentoinnissa on asia lähes tyystin ohitettu. Myös myyntitilanteissa asiaa vähätellään ja pyritään ohittamaan. Tärkein syy tähän lienee se, ettei asiaa ole tutkittu. Tässä artikkelissa tarkastellaan sulatuksen toimintaa ja merkitystä laitoksen energiatalouteen. Tämä tarkastelu perustuu Turun ammattikorkeakoulun tutkimushankkeen kohteena olleesta pienestä kerrostalosta kerättyyn mittausaineistoon. Kohteessa on kolme ulkoilmalämpöpumpun ulkoyksikköä. Lämpöpumppuihin ja rakennuksen lämmitysjärjestelmään asennettiin noin sata kappaletta erilaisia virtaus-, lämpötila-, paine- ja energia-antureita, joiden arvot tallennettiin minuutin välein palvelimelle vuoden kestävän tutkimusjakson ajan. Tutkimusjakson kestäessä Aleksi Elomäki teki sulatukseen käytettävästä energiasta insinöörin (AMK) opinnytetyön nimeltään Ilma-vesilämpöpumpun sulatusenergian määrittäminen (Elomäki, A. 2022). Tämän artikkelin energiatarkastelu perustuu suurelta osin Elomäen tuloksiin.

Sulatuksen toteutus ja ohjaus

Höyrystinpatterin sulatus voidaan tehdä patteriin upotettujen sähkövastusten avulla, lämpimällä vedellä sijoittamalla vesiputkia kylmäaineputkien sekaan, tai ohjaamalla kompressorin kuumakaasu suoraan höyrystinpatteriin. Lähes kaikki ulkoilmalämpöpumput käyttävät viimemainittua menetelmää. Siinä kompressori on kytketty kylmäainepiiriin 4-tieventtiilin avulla. Sulatuksen alkaessa 4-tieventtiili vaihtaa kylmäaineenvirtaussuunnan siten että varsinainen höyrystin alkaa toimia lauhduttimena ja varsinainen lauhdutin höyrystimenä. Lämpöpumpun molemmat lämmönsiirtimet on varustettu paisuntaventtiilillä, jonka rinnalle on kytketty yksisuuntaventtiili. Näin molemmat lämmönsiirtimet voivat toimia sekä höyrystimenä että lauhduttimena. Kompressorin kuumakaasu ohjataan suoraan höyrystimeen, missä kaasu ensin jäähtyy kylläiseksi ja sen jälkeen alkaa lauhtua. Lauhtuvan höyryn tehokas lämmönsiirto sulattaa nopeasti patteriin kertynyttä jäätä. Lämpö on peräisin rakennuksen lämmitysjärjestelmästä tai sisäilmasta. Kun jää on sulanut, sulatus päättyy ja kylmäaineen virtaussuunta kääntyy normaaliksi ja lämpöpumppu palaa lämmityskäyttöön.

Myös sulatuksen käynnistyksen ohjaukseen on useita ratkaisuja. Yksinkertaisissa laitteissa käytetään ajastusta kun ulkolämpötila alittaa annetun arvon. Tämä on halpa ja yksinkertainen toteuttaa, muttei kovin energiatehokas. Suuremmissa laitteissa automaatio tarkkailee ulkolämpötilan ja höyrystymislämpötilan välistä eroa, joka kasvaa huurtumisen heikentäessä lämmönsiirtoa. Lämpötilaeron kasvaessa riittävän suureksi käynnistyy sulatus. Kehittyneet järjestelmät saattavat huomioida myös lämmönsiirtimen lämpövirran, joka kasvaessaan kasvattaa myös lämpötilaeroa lämmönsiirtimessä.

Tutkimuskohteen Nibe-lämpöpumput on varustettu 4-tieventtiileillä ja sulatuksen ajoitus lasketaan ulkoilman ja höyrystimen lämpötiloista tavalla, jota valmistaja ei paljasta.

Sulatusten tiheys ja kesto

Lämpötilaero höyrystyvän kylmäaineen ja ulkoilman välillä vaihtelee riippuen ulkoilman lämpötilasta, kosteudesta, lauhtumislämpötilasta sekä höyrystinpatterin mahdollisesta huurtumisesta. Lämmön matka ilmasta kylmäaineeseen kulkee yleensä ohutta alumiinilamellia pitkin ja sitten vielä kupariputken seinämän läpi. Näiden muodostama vastus lämmön siirtymiselle edellyttää lämpötilaeroa. Kuten todettu, asiaan vaikuttavia muuttujia on runsaasti, mutta karkeasti arvioiden alkaa jäätyminen höyrystinpatterin lamellien pintalämpötilan laskiessa -3 °C asteen alapuolelle. Samalla tavalla suuruusluokkaa arvioiden on höyrystymislämpötila usein n. 8 °C astetta ulkoilman lämpötilaa alhaisempi nollan tuntumassa olevilla ulkolämpötiloilla. Tämä tarkoittaa sitä, että jäätymisriskiä esiintyy yleensä alle 5 °C asteen ulkolämpötiloissa. Kuvassa 1 on esitetty ilman maksimi vesisisältö lämpötilan funktiona. Nollan tuntumassa olevilla lämpötiloilla ulkoilmassa on runsaasti vettä, mutta ulkolämpötilan laskiessa myös höyrystymislämpötila laskee ja kylmempiin lämmönsiirtopintoihin huurtuu suurempi osa ilmassa olevasta vedestä.

Asian havainnollistamiseksi valittiin seitsemän esimerkkivuorokautta, joiden aikana sulatusta tarkasteltiin tarkemmin. Esimerkkivuorokausien keskilämpötilat, sulatusminuutit ja sulatuskertojen määrät on esitetty taulukossa 1. Vuorokaudet on valittu niin, että lämpötilan ja suhteellisen kosteuden vaihtelut kyseisen vuorokauden aikana ovat pieniä. Ulkoilman kosteus kaikkina vuorokausina oli n. 90 %.

Taulukko 1  Esimerkkipäivien sulatustiedot

 

vrk:n keskilämpötila	sulatusten lkm/vrk	sulatusminuutit/vrk	sulatusta/käyntitunti
-18,1	7	74	0,3
-17,4	8	80	0,3
-9,08	30	263	1,3
-5,04	24	226	1,2
-1,6	26	232	1,4
0,3	25	226	1,2
7,38	5	13	0,4

Yksittäisten vuorokausien tarkastelussa on aina vaaransa, koska emme tiedä, onko esimerkiksi ulkoyksikön viereen pysäköity ajoneuvo, tai onko kyseisenä vuorokautena tuiskuttanut lunta. Taulukossa on kaksi riviä, jotka eivät vastaa odotuksia. Ulkolämpötilassa -9,08 °C on ollut sulatusta odotettua enemmän, joka saattaa johtua tuiskulumesta. Ulkolämpötilassa 7,38 °C ei huurtumisen pitäisi olla mahdollista, mutta laite on silti käynnistänyt passiivisen sulatustoiminnon. Siis kompressori on pysäytetty ja ulkoyksikön puhallin on ollut käynnissä. Tämä on tapahtunut viisi kertaa vuorokauden aikana pari-kolme minuuttia kerrallaan. Tämä saattaa olla säätöjärjestelmän virhetoiminto tai sillä voi olla jokin tutkimuksessa tuntemattomaksi jäänyt tarkoitus.

Tärkein havainto kuitenkin on, että ulkolämpötiloilla -10 – +2 °C, eli pääosan lämmityskaudesta, oli tarkasteltu lämpöpumppuyksikkö sulatustilassa 1,2 – 1,4 kertaa tunnissa käyttäen sulatukseen aikaa 3-4 tuntia vuorokaudessa. Tällä lämpötila-alueella ei voida käyttää passiivista sulatusta.

Laitteiston lämpötilojen käyttäytyminen sulatusjakson aikana

Lämmityskäytössä lämpöpumppu jäähdyttää ulkoilmaa ja lämmittää lämmönsiirtimessä kiertävää lämmitysjärjestelmän vettä. Kuten aiemmin todettu, käännetään sulatuksen alkaessa kylmäaineen virtaussuunta päinvastaiseksi ja höyrystimen ja lauhduttimen roolit vaihtuvat. Lämpöpumppu jäähdyttää voimakkaasti lämmitysjärjestelmän vettä syöttäen lämmön höyrystimen sulatukseen. Valmistajan tehokäyrän mukaan lämpöpumppu tuottaa -15 °C lämpötilassa n. 12 kW lämpöä järjestelmään ja mittaukset vahvistavat tämän todeksi. Kuvan 2 kuvaajista voidaan nähdä, että sulatusjakson aikana lämpöpumppu jäähdyttää lämmitysjärjestelmän vettä hetkellisesti yli 15kW teholla. Lämpöpumppu syöttää tämän lämmön lisäksi vielä kompressorin sähkötehonkin höyrystinpatteriin. Tämä on merkittävästi suurempi lämpövirta, kuin mihin lämpöpumppu normaalikäytössä pystyy.

Lämmitysveden lämpötiloissa tämä näkyy niin, että lämpöpumppuun on syötetty 31 °C vettä, jonka lämpöpumppu on palauttanut lämmitysjärjestelmään n. 37 °C asteen lämpötilassa (kuva 3). Sulatuksen aikanakin lämpöpumppuun tulee 31 °C vettä, mutta lämpöpumppu palauttaa sen järjestelmään n. 20 °C asteen lämpötilassa.

Tehot ja lämpötilanmuutokset ovat rajuja, mutta lyhyen kestonsa takia niiden vaikutus keskimääräisiin lämpövirtoihin on pieni. Mittausaineistossa on tallennettu lämpötilat minuutin välein. Jos yhtä sulatusjaksoa tarkastellaan tarkemmin, voidaan nähdä esimerkiksi valikoituneen sulatusjakson kestäneen n. viisi ja puoli minuuttia matalin järjestelmään syötetyn veden lämpötila oli 20,5 °C astetta. (kuva 4)

Kompressorin imu- ja painelinjoista mitataan paine. Lämpöpumpun ohjausjärjestelmä ilmoittaa tästä paineesta lasketut kylmäaineen kylläisen tilan lämpötilat, jotka on esitetty kyseisen sulatusjakson ajalta kuvassa 5. Lämpötilan yksiköiden käyttö sulatuksen yhteydessä on lievästi harhaanjohtavaa, mutta kuvan 5 lämpötilakuvaajat osoittavat, että paine-ero kompressorin yli sulatustilanteessa on hyvin pieni. Lämpöpumppuprosessin lämpökerroin on sitä korkeampi, mitä pienempi on höyrystymisen ja lauhtumisen välinen lämpötilaero. Tämä lienee selitys sulatuksen huomattavan suurille lämpövirroille.

Kuvasta 6 voidaan nähdä viikon kestävällä tarkastelujaksolla, että ulkolämpötilan laskiessa kahdenkymmenen pakkasasteen tuntumaan, on sulatustarve hyvin pieni, vain muutamia kertoja vuorokaudessa. Lämpötilan noustessa sulatustarve kasvaa. Ilman kosteudella on myös vaikutusta siihen miten usein sulatusta tarvitaan, mutta lämpötilan vaikutus on määräävä.

Kuvaan 7 on viikon pituiseksi tarkastelujaksoksi valittu aika, jolloin ulkolämpötila on vaihdellut välillä -10 °C – +5 °C. Tällä lämpötila-alueella on ilman kosteudella suurempi merkitys ja sulatusten välinen aika vaihtelee kahdesta tunnista vajaaseen tuntiin. Kun ulkolämpötila ylitti +3oC, käytettiin passiivista sulatusta. Passiivinen sulatushan tarkoitti sitä, että kompressori pysäytetään, mutta puhallin on käynnissä sulattaen huurretta lämpimällä ulkoilmalla. Sitä ei kyetty nytkään pystytty selvittämään, onko patterissa todella huurretta +5 °C asteen lämpötilassa, vai onko kyseessä ohjausjärjestelmän varmuuden vuoksi suorittama toimenpide.

Kuvista 6 ja 7 voidaan nähdä että sulatusjaksoja on eniten nollan läheisyydessä olevilla lämpötiloilla, ja  ne käyvät harvemmiksi pakkasen kiristyessä. Tässä on se hyvä puoli, että lämpöpumput mitoitetaan yleensä pakkaskausien lämmöntarpeiden perusteella, ja sulatusenergian tarve kovilla pakkasilla on melko vähäinen. Silloin, kuin sulatusenergian tarve on suurimmillaan, on lämpöpumpuissa vapaata kapasiteettia. Siksi sulatusjaksojen lämmityskäyttöä haittaava vaikutus voidaan katsoa vähäiseksi.

Mittausaineistosta laskettiin lämpöpumpun sulatukseen käyttämä aika prosentteina käyntiajasta ulkolämpötilan funktiona. Riippuvuus on esitetty kuvassa 8. Eniten käyntiajasta kuluu sulatukseen, noin 18 %, kun ulkolämpötila on – 10 °C. Siitä lämpötilan laskiessa pienenee sulatuksen aikaosuus jyrkästi ollen – 20 °C asteen lämpötilassa enää neljä prosenttia. Nollan asteen tuntumassa sulatuksen osuus on noin 13 %. Ulkolämpötilan noustessa nollan yläpuolelle, putoaa sulatukseen käytettävä aika jyrkästi. Kolmen asteen ulkolämpötilan yläpuolella siirtyy sulatuksen painopiste passiiviseen sulatukseen. Koko käyrää tarkasteltaessa tulee huomata, että siinä on huomioitu kahdesta voimakkaasti vaikuttavasta muuttujasta, nimittäin ulkoilman lämpötila ja kosteus, vain ensimmäinen. Mittausjakson aikana ulkoilman kosteus on vaihdellut sään mukaan.

Lämpöpumppu on käyttänyt aktiivista sulatusta jopa +12 °C asteen ulkolämpötilassa. Ei tunnu uskottavalta, että höyrystinpatterissa olisi noin korkeilla ulkoilman lämpötiloilla niin paljon jäätä sulatettavaksi, että siihen tarvitaan kompressorin apua. Tätä ei tosin ole pystytty todentamaan. Selitys todennäköisesti löytyisikin sulatuksen ohjauksesta, mitä laitteen valmistaja ei paljasta.

Sulatukseen käytettävä energia

Sulatukseen käytettävää energian määrää tutkittiin keväällä 2020 maaliskuun ja toukokuun välisenä aikana, jolloin Aleksi Elomäki teki aiheesta opinnäytetyönsä osana laajempaa lämpöpumppututkimusta. Tässä luvussa asian käsittely perustuu pitkälti Elomäen työhön. (Elomäki Aleksi, 2022, Ilma-vesilämpöpumpun sulatusenergian määrittäminen, insinöörin (AMK) opinnäytetyö, Turun ammattikorkeakoulu)

Tutkimuksessa havaittiin, että ulkolämpötilassa 0 °C sulatukseen käytettiin runsaasti energiaa, mutta lämpötilan noustessa siitä, romahtaa sulatusenergian tarve nopeasti nollaan. Sulatusenergian maksimitarve havaittiin hieman nollan yläpuolella olevilla lämpötiloilla ja suurilla ilman kosteuksilla. Lämpötilan laskiessa pienenee energian tarve ulkoilmassa olevan vesimäärän pienentyessä.

Mittausten perusteella pyrittiin muodostamaan mallifunktio, joka mahdollisimman hyvin selittäisi lämpöpumpun sulatusenergiantarpeen. Työn tuloksen syntyi regressioyhtälö (kaava 1). Kaavan 1 selityskerroin R2 on yli 0,99.

Kaava antaa tarkastelun kohteena olleen lämpöpumpun sulatusenergian tarpeen ulkoilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona.

𝑄𝑠 (𝑇𝑢 , 𝜑) = 0,5559 · ∆𝛿(𝑇𝑢 , 𝜑)2 + 4,9478 · ∆𝛿(𝑇𝑢 , 𝜑) + 9,883 (Kaava 1)

𝑄𝑠 = 𝑆𝑢𝑙𝑎𝑡𝑢𝑠𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 [𝑘𝑊ℎ]
𝑇𝑢 = 𝑈𝑙𝑘𝑜𝑖𝑙𝑚𝑎𝑛 𝑙ä𝑚𝑝ö𝑡𝑖𝑙𝑎 [°𝐶]
𝜑 = 𝑈𝑙𝑘𝑜𝑖𝑙𝑚𝑎𝑛 𝑠𝑢ℎ𝑡𝑒𝑒𝑙𝑙𝑖𝑛𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑢𝑠 [%]
∆𝛿 = 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑢𝑡𝑡𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑢𝑘𝑠𝑖𝑒𝑛 𝑚𝑢𝑢𝑡𝑜𝑠 [g/𝑚3 ]

Funktion muodostamiseen tarvitaan apusuureeksi kylläisen ilman vesisisältö lämpötilan funktiona
𝐴(𝑇𝑢 ) = 4,7299𝑒 0,0713𝑇𝑢 (Kaava 2)

Lisäksi määritettiin mittausaineiston perusteella arvioitu lamellin pintalämpötila
𝑇𝐻 (𝑇𝑢 ) = 0,7086𝑇𝑢 − 5,4771 (Kaava 3)

Korkea selityskerroin mitattujen ja laskettujen arvojen välille saatiin käyttämällä muuttujana kosteuden muutosta ulkoilman tilasta kylläisen tilan kosteuteen lämpötilassa, joka on lamellin pintalämpötilan ja ulkoilman lämpötilojen keskiarvo.
∆𝛿(𝑇𝑢 , 𝜑) = 𝐴(𝑇𝑢 )𝜑 − 𝐴 ((𝑇𝐻 (𝑇𝑢 ) + 𝑇𝑢)/2) (Kaava 4)

Sulatuksen prosenttiosuus lämpöpumpun tuottamasta energiasta on esitetty kuvassa 9 ulkoilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan funktiona kaavan 1 avulla laskettuna.

Tarkastelujakson aikana sulatukseen käytettiin 4,59 % lämpöpumpun tuottamasta energiasta. Jos tarkastellaan sulatuksen vaikutusta lämpöpumpun lämpöketoimeen, oli lämpöpumpun lämpökerroin normaali käynnin aikana 3,21. Jos sulatusenergia otetaan huomioon, putoaa lämpökerroin arvoon 3,06.

Tarkastelemalla kuvia 8 ja 9 rinnakkain, on tärkeää huomata niiden esittävän eri asioita. Kuva 8 esittää lämpöpumpun käyttämää mitattua sulatusaikaa vaihtelevissa sääoloissa vuoden kestäneen mittausjakson aikana. Ulkoilman lämpötila ja kosteus ovat vaihdelleet voimakkaasti. Kuva 9 taas esittää, kuinka suuri osuus tuotetusta energiasta käytetään sulatukseen tietyssä lämpötilassa ja kosteudessa. Kuvia vertaamalla voisi päätyä johtopäätökseen, että mittausjakson aikana ilman suhteellinen kosteus on lämpötilavälillä – 15 – –5 °C ollut korkeampi, kuin nollan tuntumassa.

Yhteenveto

Jotta sulatusta tarvitaan, on höyrystinpatterin lamellien pintalämpötilan oltava selvästi pakkasen puolella. Silloin lamellin pinnalle tiivistyvä kosteus jäätyy. Tämän ehdon täytyttyä sulatuksen tarpeen ratkaisee ulkoilman vesisisältö. Vesisisältö on sitä suurempi, mitä lämpimämpää ilma on ja mitä korkeampi on sen suhteellinen kosteus. Tutkimuksen kohteena olleessa laitoksessa nämä kriteerit yhdistyivät niin, että sulatuksen tarve alkoi ulkolämpötilan laskiessa alle kolmen asteen. Silloin patterien lamellit olivat selvästi pakkasen puolella. Sulatukseen tarvittavan energian osuus tuotetusta lämpöenergiasta saavuttaa maksimiarvonsa nollan asteen tuntumassa, kun ulkoilman suhteellinen kosteus on korkea. Suhteellisen kosteuden lasku pienentää sulatuksen tarvetta samoin, kuin ulkoilman lämpötilan lasku. Kylmemmän ilman vesisisältö on pienempi korkeillakin suhteellisen kosteuden arvoilla. Siksi kovilla pakkasilla sulatuksen tarve on melko vähäinen. Tutkimuksen kohteena olleessa laitoksessa sulatukseen käytettiin vuositasolla 4,6 % tuotetusta lämpöenergiasta höyrystinpatterin sulatukseen.

Vuoden kestävän mittausjakson aikana tutkitut kolme lämpöpumppulaitteistoa käyttivät jokainen sulatukseen aikaa n. 300 h. Tämän ajan lämpöpumput ovat siis olleet poissa lämmöntuotannosta. Tämän merkitys on kuitenkin vähäinen, koska sulatuksen tarve kovilla pakkasilla on hyvin vähäinen. Silloin kun sulatuksen tarve on suurimmillaan, on lämpöpumpuissa kapasiteettia sulatukseen. Mitoitustilanteessa kovilla pakkasilla on sulatuksen vaikutus laitoksen toimintaan pieni johtuen ulkoilman pienestä vesisisällöstä.

Tutkimus tehtiin Turun talousalueella ja Niben lämpöpumpuilla. Tietopohjan laajentamiseksi olisi tärkeää saada tutkimustuloksia myös muiden valmistajien laitteilla ja eri puolilta Suomea.

Lähteet

Elomäki, Aleksi (2022): Ilma-vesilämpöpumpun sulatusenergian määrittäminen. Opinnäytetyö (AMK) Insinööri | LVI-tekniikka , Turun ammattikorkeakoulu.

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