Osa 5 

Sisältö

Osaamistavoitteet

Tässä osioissa tutustutaan lämpöpumppujen rakenteeseen, toimintaperiaatteeseen ja käyttökohteisiin.

Osion jälkeen opiskelija

• ymmärtää lämpöpumpun toimintaperiaatteen

• tuntee lämpöpumppujen lämmönlähteet ja niitä vastaavat kytkennät.

Johdanto

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. 

Lämpöpumput voivat olla joko mekaanisia kompressoritekniikkaan perustuvia tai absorptioon perustuvia. Kurssin tässä osiossa keskitytään mekaanisiin lämpöpumppuihin, mutta osion lopusta löytyvien lisämateriaalien avulla voi tutustua myös absorptiolämpöpumppujen toimintaan.

Toimintaperiaate

Lämpöpumppu perustuu aineen faasimuutokseen, eli muutokseen kaasumaisen ja nestemäisen olomuodon välillä. Faasimuutos joko sitoo tai vapauttaa energiaa, eli se on joko endo- tai eksoterminen reaktio. Faasimuutoksen avulla lämpöenergiaa saadaan siirrettyä paikasta toiseen. Lämpöpumpuissa kylmäaineen olomuotoa säädellään etupäässä paineen avulla - mitä matalampi paine, sen alemmassa lämpötilassa neste höyrystyy. Lämpöpumpuissa kiertävä kylmäaine on valittu sen höyristymispaineen perusteella.

Lämpöpumpun tehokkuutta kuvataan lämpökertoimella eli COP-arvolla (Coefficient of Performance). Lämpökerroin on laaduton luku, joka kuvaa lämpöpumpun tuottaman lämmön ja sen vaatiman sähkötehon suhdetta. Lämpökerroin vaihtelee paljon lämpöpumpun tyypistä ja lämmitysolosuhteista riippuen. Korkeimpaan COP-arvoon päästään, kun ulko- ja sisälämpötilat ovat mahdollisimman lähellä toisiaan. Tällöin lämmityksen ja jäähdytyksen tarve on luonnollisesti myös vähäisin. Vastaavasti COP-arvo laskee, kun lämpötilaero lämmitettävän kohteen ja lämmönlähteen välillä kasvaa. Tästä syystä Suomessa lämpöpumppua ei välttämättä ole taloudellista käyttää kovimmilla pakkasilla.

COP-arvon ohella käytetään myös SCOP-lukua (Seasonal Coefficient of Performance), joka huomioi ulkolämpötilan vaihtelun vuodenaikojen mukana. SCOP-luku on etenkin Suomen oloissa COP-arvoa parempi indikaattori lämpöpumpun tehokkuudesta, koska lämpöpumpun hyötysuhde lämmityskaudella on hyvin oleellinen lämpöpumpun kannattavuudelle.

Lämpöpumpun tuottama lämpö koostuu lämmönlähteestä kerättävästä keruuenergiasta ja kompressorin käyttämästä sähköstä. Lämmönlähteestä riippuen lämpöpumput voidaan jaotella neljään eri kategoriaan:

1. Maalämpöpumput

2. Ilma-vesilämpöpumput

3. Poistoilmalämpöpumput

4. Ilma-ilmalämpöpumput

Maalämpöpumppu (MLP)

Maalämpöpumppu hyödyntää maaperään, kallioon tai veteen varastoitunutta auringonlämpöä. Jos lämmönlähteenä käytetään syviä lämpökaivoja, niin Maan ytimestä johtuvan fissioenergian merkitys lämmönlähteenä kasvaa. Suurin osa maalämpöpumpuista hyödyntää lämpökaivoja, jotka ovat halkaisijaltaan tyypillisesti 115 - 165 mm ja syvyydeltään yleensä noin 300 metrin porakaivoja. Lämpökaivoista käytetään myös nimitystä energiakaivo. Kaivoon asennetaan putkisto, jossa lämmönkeruuneste kiertää siirtäen lämpöä maaperästä. Lämmönkeruuneste on tyypillisesti veden ja etanolin seos, jossa etanoli estää nesteen jäätymisen. Lämpökaivossa kiertävää nesteseosta ei tule sekoittaa lämpöpumpun kiertoaineeseen, vaan lämmönkeruupiirin kuljettama lämpö siirretään kylmäainepiiriin lämpöpumpun höyrystimessä.

Lämpökaivot porataan useimmiten suoraan kohtisuoraan alaspäin, mutta ahtaissa kohteissa kaivoja voidaan porata myös vinottain. Omakotitalojen lämmitysjärjestelmiin riittää tyypillisesti yksi lämpökaivo, mutta suuremmat kiinteistöt vaativat yleensä useamman lämpökaivon. Useamman lämpökaivon muodostamaa aluetta kutsutaan energiakentäksi.

Maalämmön asennus on luvanvaraista, ja siihen on vaadittu toimenpidelupa 1.5.2011 lähtien. Toimenpidelupa koskee lämpökaivojen poraamista sekä keruuputkiston asentamista maaperään tai vesistöön. 

Energiakaivon vaihtoehtona maalämpöä voidaan kerätä myös maaperään noin metrin syvyydelle asennetulla vaakaputkistolla tai vesistöön pohjaan upotetulla keruuputkistolla. Maaperän pintaosaan asennetun keruuputkiston pituudeksi tulee noin 500 metriä pientalokohteissakin. Keruuputkistolta vaadittava pituus ja sitä vastaava maapinta-ala vaihtelevat merkittävästi maaperän laadun ja kosteuden mukaan. Vesistöihin asennettavilla keruupiireillä voidaan siirtää suurempia energia- ja tehomääriä kuin vastaavasta maaputkituksesta veden korkeamman lämmönsiirtokertoimen vuoksi.

Maalämpöpumpun etuihin kuuluu se, että se on varsin tehokas lämmitysmuoto myös kovilla pakkasilla. Heikkoutena on vastaavasti keruupiirin korkea alkuinvestointi verrattuna ilmavesilämpöpumppuihin.

Ilma-vesilämpöpumput (IVLP)

Ilma-vesilämpöpumppu vastaa maalämpöpumppua muuten paitsi lämmönlähteeltään. Maaperän tai vesistön sijaan lämmitykseen käytettävä lämpöenergia kerätään ulkoilmasta, ja kerätty lämpö siirretään lämpöpumpun avulla vesikiertoiseen lämmitysjärjestelmään. IVLP asennetaan yleensä kohteisiin, joissa maalämpöpumppu ei ole kannattava tontin rajoitusten vuoksi tai lämpöpumppu kytketään osaksi hybrilämmitysjärjestelmää tukemaan muita lämmitysmuotoja. 

Ilma-vesilämpöpumpuista suurin osa on niin kutsuttuja monoblock-laitteita, joissa koko kylmätekniikka on sijoitettu ulkoyksikköön. Toinen kytkentävaihtoehto on niin kutsuttu split-laitteisto, joissa kylmätekniikka on puolestaan jaettu ulko- ja sisäyksikköön.

Poistoilmalämpöpumput (PILP)

Poistoilmalämpöpumput keräävät lämmön rakennuksen ilmanvaihtoputkistosta poistoilmasta. PILP:n avulla ilmanvaihdosta poistettava lämpö siirretään tarpeen mukaan ilmanvaihdon tuloilmaan, käyttöveden lämmitykseen tai vesikiertoiseeen lämmitysjärjestelmään. PILP voidaan myös yhdistää osaksi maalämpöjärjestelmää esimerkiksi esilämmittämällä tuloilmaa pienellä maapiirillä. Parhaaseen tehokertoimeen päästään, kun PILP on kytketty matalalämpötilaiseen lämmitysverkkoon kuten osaksi lattialämmitystä. Poistoilmalämpöpumpun etuna on sen kompakti rakenne, kun lämpöpumppu huolehtii lämmityksestä, käyttövedestä ja myös ilmanvaihdosta. Poistoilmalämpöpumppua voidaan käyttää myös tuloilman viilentämiseen.

Poistoilmalämpöpumppu vaatii ilma-vesilämpöpumpun tavoin lisälämmönlähteen eikä useinkaan sovellu Suomessa ainoaksi lämmitysmuodoksi. Hyvin eristetyssä talossa PILP selviää ilman lisälämmitystä, vaikka lämpötila ulkona laskisi pakkasen puolelle. PILP kerää lämmön rakennuksen poistoilmasta, jonka lämpötila on aina melko vakio 21 - 25 °. Tämän vuoksi poistoilmalämpöpumpun tuottama lämpöteho on lähes vakio vuoden ympäri riippumatta ulkolämpötilasta.

Ilma-ilmalämpöpumput

Ilma-ilmalämpöpumput, tai usein lyhyemmin ilmalämpöpumput, käyttävät lämmönlähteenään ulkoilmaa ja siirtävät lämmön huoneilmaan. Ilmalämpöpumput koostuvat ulkoyksiköstä sekä yhdestä tai useammasta sisäyksiköstä. Ilmalämpöpumpun etuna on yksinkertainen rakenne sekä matala hinta. Ilmalämpöpumppua voidaan käyttää myös sisäilman viilentämiseen.  Ilmalämpöpumpulla voidaan kuitenkin lämmittää vain pientä osaa rakennuksesta, eikä se sovi käyttöveden lämmitykseen. Koko kiinteistön lämmitykseen vaaditaan useampi ilmalämpöpumppu. Ilmalämpöpumppu ei useimmiten sovi rakennuksen ainoaksi lämmitysmuodoksi, koska sen hyötysuhde ja lämpötehon tuotto laskevat ulkolämpötilan mukana. Lisäksi ilmalämpöpumpun tuottama lämpö ei leviä sisäilmassa tehokkaasti väliseinien ja muiden rakenteiden johdosta.

Teolliset lämpöpumput

Rakennus- tai asuntokohtaisten lämpöpumppujen lisäksi lämpöpumpuilla on merkittävä rooli vihreässä siirtymässä teollisen mittakaavan hukkalämpöjen talteenotossa ja hyödyntämisessä osana kaukolämpöverkkoa tai tuotantolaitoksen sisällä toiseen prosessiin. Hukkalämmön käyttäminen on kannattavinta silloin, kun lämpöenergian tuottaminen ja käyttäminen sijaitsevat mahdollisimman lähellä toisiaan ja samanaikaisesti. Hukkalämpöjen hyödyntäminen on vaikeaa, koska hukkalämmönlähteiden lämpötila on tyypillisesti matala. Lämpöpumppujen avulla hukkalämmön lämpötilaa voidaan kuitenkin nostaa, mikä mahdollistaa niiden käytön esimerkiksi osana kaukolämpöverkkoa. Alla olevissa linkeissä esitellään Suomessa toteutettuja suuren mittakaavan lämpöpumppulaitoksia.

Fortum: Suomenojan lämpöpumppulaitos 

Helen: Katri Valan lämpöpumppulaitos 

Helen: Esplanadin lämpöpumppulaitos 

Telia: Datakeskus osana kaukolämpöverkkoa 

Yle: Teollisuuden hukkalämmön odotetaan leikkaavan suuren osan Suomen hiilidioksidipäästöistä 

Lisämateriaalit

Energiateollisuus: Suuret lämpöpumput kaukolämpöjärjestelmässä (2016). 

Fabritius, J. (2021). Absorptiolämpöpumppu tulevaisuuden kaukolämpöjärjestelmässä. 

Lämpöpumppujen hankintaopas - kunnat ja taloyhtiöt 

Maaskola, I. & Kataikko, M. (2014). Ylijäämälämmön taloudellinen hyödyntäminen. 

Motiva: Lämpöpumput

The Engineering Mindset: Heat Pumps explained (video). (2018).  

YLE: Ilmastoystävällisempiä kylmäaineita koskevassa säätelyssä puutteita ja nurinkurisuuksia 

Testaa osaamistasi

HUOM: Alla oleva testi aukeaa uuteen ikkunaan klikkaamalla oikean yläkulman harmaassa neilössä olevaa nuolta ja on tehtävissä ilman kirjautumista.