Ilmalämpöpumpun sulatusjakson tehostaminen PCM lämpövaraston avulla
Lämpöpumput ovat keskeisessä asemassa vihreän siirtymän ratkaisuissa ja vähähiilisyyttä tavoiteltaessa. Maalämpöpumppuja on Suomessa käytetty jo vuosikymmenet pienentämään lämmityskustannuksia. Viime vuosina ilmalämpöpumput ja ilma-vesilämpöpumput ovat saavuttaneet maassamme yhä kasvavan markkinaosuuden. Tämä johtuu pitkälti niiden edullisemmasta hankintahinnasta sekä helpommasta asennuksesta. Lisäksi ilmalämpöpumppu on näistä kolmesta ainoa vaihtoehto suoraa sähkölämmitystä käyttävissä rakennuksissa. Ilmalämpöpumput ottavat energiaa ulkoilmasta ja siirtävät sitä kylmäaineen avulla sisätiloihin. Ulkolämpötilan ollessa nollan tietämissä, esiintyy ilmalämpöpumpun ulkoyksikössä yleisesti huurtumista, joka heikentää lämpöpumpun toimintadellytyksiä ja edellyttää säännöllistä sulattamista. Tässä opinnäytetyössä perehdyttiin sulatuksen tehostamiseen lämpövaraston avulla.
Sähkölämmityksen tehostamisohjelma Elvarin mukaan maalämpöön siirtyminen säästää sähkölämmitteisen omakotitalon kokonaiskulutuksesta noin 50–60 %, vesi-ilmalämpöpumppu 40% ja ilmalämpöpumppu keskimäärin 3000 kWh, joka on keskimääräiseen sähkölämmitteisen omakotitalon 20 000 kWh:n vuosikulutuksesta noin 15 %. Ilmalämpöpumppujen osalta tuloksissa oli suurta vaihtelua. Elvari-selvitys on toteutettu vuosina 2008-2015, joten ilmalämpöpumppujen suorituskyvyn osalta tämän jälkeen on toki tapahtunut kehitystä.
Ilmalämpöpumppujen huurtumisongelma
Elvarin yhteydessä on laadittu raportti, Jälkiasennetun ilmalämpöpumpun vaikutus energiankäyttöön. Raportissa mm. todetaan, että ”Lämmityskäytössä alle +5 °C:n keleillä lämpöpumpun ulkoyksikön patteriin kertyy huurretta, jonka pumpun automaattinen sulatustoiminto poistaa. Joillakin keleillä sulatus tapahtuu jopa 1/2–1 tunnin välein.” Ilmalämpöpumpun ulkoyksikön kennon sulatustarve heikentää laitteen lämmöntuottoa kahdella eri tavalla. Sulatukseen tarvittava energia otetaan osassa pumpuista suoraan kompressorin kuumakaasusta, mutta tämän lisäksi tarvitaan energiaa myös sisäyksikön kennosta. Tässä tilanteessa kertaalleen sisälle vietyä energiaa pumpataan takaisin ulos sulatustyöhön. Toinen vuosittaista lämpökerrointa heikentävä seikka on lämmöntuotannon keskeytyminen sulatuksen ajaksi. Lämmityksen keskeytymisestä aiheutuva lämpötilan heilunta vähentää osaltaan myös asumisviihtyvyyttä. Ilmalämpöpumppujen tuotekehityksessä on siirrytty kohti älykkäämpiä sulatusohjauksia, jotta sulatus käynnistyisi vain silloin, kun se on todella tarpeen. Tästä huolimatta sulatusjaksot vähentävät haastavissa olosuhteissa lämmöntuotantoa merkittävästi.
Lämpövarastosta ratkaisu
Lämpöpumppujen sulatuksen tehostamiseen ja sen aiheuttamien haittavaikutusten vähentämiseen liittyvää tutkimusta on tehty maailmalla usean vuoden ajan. Näissä tutkimuksissa korostuu faasimuunnosmateriaalien hyödyntäminen sulatusta tehostavassa lämpövarastossa. Tuotantoon saakka lämpövarastotekniikka on päätynyt tiettävästi ainakin Panasonicin Heatcharge -tuoteryhmän pumpuissa. Tässä sovelluksessa lämpövarasto on integroitu ulkoyksikön sisälle, kompressorin vaipan ympärille.
Lämpövarasto voidaan liittää myös osaksi lämpöpumpun kylmäainekiertoa. Yksinkertaisimmillaan kylmäaine laitetaan kulkemaan lämpöä varaavan massan läpi, jolloin lämmityskäytössä oleva pumppu luovuttaa sisäyksiköstä palaavaa ylijäämälämpöä lämpövarastoon. Sulatuksen käynnistyessä lämpöä otetaan lämpövarastosta, jolloin sulatukseen käytettävä aika lyhenee ja sisältä otettavan lämmön määrä vähenee oleellisesti.
Opinnäytetyössä perehdyttiin aikaisempaan tutkimustietoon koskien lämpövaraston integrointia osaksi lämpöpumppua. Opinnäytetyön osana rakennettiin koelaitteisto, jossa lämpöä varastoitiin faasimuunnoksen avulla parafiinivahaan. Koelaitteiston suunnittelussa hyödynnettiin aikaisemmin rakennettujen lämpövarastojen suunnitelmia ja laskelmia. Laitteistolla suoritetun koeajon yhteydessä havaittiin sulatusaikojen lyhenevän keskimäärin 55 % verrattuna ilman lämpövarastoa tapahtuvaan sulatukseen vastaavissa olosuhteissa. Tämän lisäksi sisäyksikön kennon lämpötila ei lämpövarastoa käytettäessä juurikaan laskenut sulatuksen takia. Koelaitteistosta saadut myönteiset kokemukset rohkaisevat jatkamaan lämpövarastojen tuotekehitystä.
Kuva 1. Koelaitteiston ulkolämmönsiirtimen lämpötila sulatusjakson aikana
Ilma-vesilämpöpumpuissa sulatus on helposti tehostettavissa vesivaraajasta saatavan lämmön avulla. Ilmalämpöpumppujen osalta potentiaalia toiminnan tehostamiseen on selvästi olemassa. Tätä kehitystyötä jarruttaa osaltaan markkinoiden pienuus, jolloin toimijoiden halukkuus panostaa erityisolosuhteiden tuotekehitykseen on rajallista.
Lähteet:
Hautakoski, P. (2023). Ilmalämpöpumpun sulatusjakson tehostaminen lämpövaraston avulla – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
Panasonic Heatcharge Energy Charge System https://www.aircon.panasonic.eu/IE_en/happening/new-heatcharge/
Sähkölammityksen tehostamisohjelma Elvari https://www.motiva.fi/koti_ja_asuminen/rakentaminen/sahkolammityksen_tehostamisohjelma_elvari