Miksi inverter –kompressori on ylivoimainen lämmön talteenotossa?

Avaamme tässä kirjoituksessa maalämpö- sekä poistoilman lämmön talteenottojärjestelmän ja erityisesti niiden lämpöpumpun toimintaa. Maalämpö on siis tekniikka joka siirtää lämpöä maasta taloon ja lämmön talteenotto (eli LTO) siirtää lämpöä poistoilmasta taloon. Lämmönlähteinä on maalämmössä tietenkin maaperässä oleva lämpö ja lämmön talteenotossa talosta poistettava lämmin sisäilma.

Lämpöpumpussa on neljä pääkomponenttia joilla toiminta tapahtuu. Lauhdutin, höyrystin, kompressori ja paisuntaventtiili. Karkeana esimerkkinä toiminta on seuraavanlaista:

• Lauhdutin on kuumempi kuin lämpöpumpulle tuleva vesi
• Vesi tulee lauhduttimelle ja sen lämpötila nousee
• Höyrystin on kylmempi kuin lämpöpumpulle tuleva keruuneste
• Keruuneste tulee höyrystimelle ja sen lämpötila laskee

Maalämpöjärjestelmässä on siis lämmönlähteenä maa. Sen lämpötila on keskimäärin noin +7C. Maalämpöpumpun höyrystimeltä lähtee maahan noin 0 asteinen keruuneste. Neste lämpenee maassa noin +3 asteeseen ja palaan takaisin höyrystimelle jossa se taas viilenee uudelleen 0 asteiseksi. Jos maa ei pystykään lämmittämään keruunestettä +3 asteeseen vaan esim. vain +2 asteeseen niin se on merkki siitä että maalämpökaivojen lämmitysteho ei ole riittävän korkea. Eli toisin sanoen lämpöpumpun jäähdytysteho on siis suurempi kuin mitä maalämpökaivojen lämmitysteho. Tämä on ongelma joka johtaa siihen että maalämpökaivot saattavat jäätyä ja niitä rasitetaan liikaa. Tämän vuoksi lämpökaivojen määrän/syvyyden pitää olla aina riittävä ja mielellään jopa hieman ylimitoitettu.

Poistoilman LTO:ssa on lämmönlähteenä poistoilma. Eli talosta ulos puhallettava ilma. Sen lämpötila on keskimäärin +21 C. Tosin sen lämpötila vaihtelee kohtalaisen paljon riippuen esim. ulkolämpötilasta, kanavisto kun on vanhemmissa taloissa usein huonosti eristetty. Poistoilman lämpötila on usein talvella +19 C kun taas kesällä se on helposti yli +23 C. Eli lämmönlähteen lämpötila vaihtelee toisin kuin maalämmössä. Eli lämmönlähteen lämmitystehossa on siis heiluntaa, se on huonompi kun poistoilman lämpötila on matalampi ja taas parempi kun poistoilman lämpötila on korkeampi. Tarkoittaa siis sitä että lämpöpumpun jäähdytystehossa pitäisi olla säätyvyyttä jotta lämmönlähde ei jäädy. Jäähdytystehohan ei saanut olla isompi kuin lämmönlähteestä saatava lämmitysteho. Poistoilma sisältää hyvin paljon energiaa lämpöisyytensä, mutta myös kosteutensa vuoksi, siksi se on erinomainen lämmönlähde.

Kuitenkin poistoilman lämpötila ja kosteus vaihtelevat ja tämä tuo lisävaatimuksia järjestelmälle. Poistoilman lämpötilan muutos voi siis aiheuttaa ongelman jos lämpöpumppu jäähdyttää liikaa lämmönlähdettä. Lämpöpumpun pitäisi siis ”osata” laskea jäähdytystehoa jos lämmönlähteestä ei olekaan saatavana riittävästi energiaa, tämä voi johtua lämpötilan tai kosteuden muutoksista poistoilmassa.

Oikeanlainen kompressori – tehokkaampi lämmön talteenotto

Esimerkki:

• Talosta poistettava ilmamäärä on 1000 litraa/sekunti. Poistoilman lämpötila on +19 C. Poistoilmaa voidaan jäähdyttää noin 19 kW teholla. Jos jäähdytysteho on isompi, LTO-kennosto alkaa jäätyä.
• Talosta poistettava ilmamäärä on 1000 litraa/sekunti. Poistoilman lämpötila +21 C. Poistoilmaa voidaan jäähdyttää noin 22 kW teholla. Jos jäähdytysteho on isompi, LTO-kenno alkaa jäätyä.
• Lämpöpumpun pitäisi siis pystyä säätämään jäähdytystehoa välillä 19 kW – 22 kW.

Tämä poistoilman lämpötilan heittely ei kuitenkaan ole se suurin säätöä vaativa lämmityslähteen ominaisuuden muutos. Vielä sitäkin suurempi on poistoilmamäärän vaihtelu, eli se kuinka ilmaa talosta poistetaan. Ilmamäärähän ei ole aina vakiona sama, vaan se muuttuu tarpeen mukaan. Esimerkiksi vedon tunteen poistamiseksi ilmamäärää pienennetään usein sitä mukaa mitä kylmemmäksi ulkoilman lämpötila laskee. Käytössä on usein myös tehostusajanjaksot jolloin ilmamäärä saattaa olla kaksinkertainen suhteessa normaaliin käytössä olevaan ilmamäärään.

Nykyaikainen tapa on säätää molempia ilmamääriä ulkoilman lämpötilan mukaan. Eli tehostettu ilmamäärä on päällä silloin kun isompaa ilmamäärää tarvitaan ja muina aikoina mennään pienemmällä ilmamäärällä. Nämä molemmat ilmamäärät myös pienenevät mitä kylmempää ulkona on ja tehostettu ilmamäärä otetaan pois käytöstä kokonaan kun ulkolämpötila alittaa tietyn rajan, esimerkiksi -5 asteen (tämä tehdään vedon tunteen poistamiseksi).

Ilmamäärää säädetään portaattomasti, jotta saadaan asumismukavuus parhaalle mahdolliselle tasolle. Tämä tarkoittaa siis myös sitä että lämmönlähteen lämmitysteho muuttuu radikaalisti. Ja se taas tarkoittaa sitä että lämpöpumpun jäähdytystehonkin pitää sopeutua lämmönlähteen lämmitystehoon (tai muuten lämmönlähde jäätyy). Tässä esimerkissä lämmönlähteen maksimi lämmitysteho on 38,5 kW ja minimi 19,5 kW. Eli lämpöpumpun pitäisi pystyä säätämään jäähdytystehoa tällä välillä portaattomasti.

Inverter -lämpöpumppu

Inverter –sana tarkoittaa sitä että kompressorin tehoa ohjataan portaattomasti. Eli esimerkiksi maksiteholtaan 50 kW inverter–kompressori voi toimia portaattomasti esimerkiksi tehoalueella 10-50 kW.  Tämä olisi siis sopiva esimerkin kohteeseen.

On/Off -lämpöpumppu

On/off lämpöpumppuja on markkinoilla kahdentyyppisiä. Yhden kompressorin ja kahden kompressorin malleja. Jos tässä kohteessa käytettäisiin yhden kompressorin laitetta, olisi sen mitoitus hyvin vaikeaa ja vaikka sopivan tehoinen löydettäisiinkin, olisi lopputulos huono järjestelmän toimivuuden kannalta. Jos löydettäisiin lämpöpumppu jonka jäähdytysteho olisi lämmönlähteen vaatima 38,5 kW, tarkoittaisi tämä sitä että lämpöpumpun tehot olisivat 0 kW (laite pois päältä) tai 38,5 kW. Mitä tapahtuu kun ilmamäärät ovatkin pienempiä? Vastaus tähän on pätkäkäynti. Eli tämä yksi kompressori voi käydä vain hieman aikaa jolloin sen pitää sammua jotta lämmönlähde ei jäädy. Laite pysyy poissa päällä 5 min jonka jälkeen se taas käy hetken ja sammuu. (Voitaisiin verrata autoon jossa kaasupolkimella ei ole kuin kaksi asentoa, pois päältä ja pohjassa.)

Ja pitää muistaa että tämän lisäksi oli vielä se poistoilman lämpötila joka vaihtelee aiheuttaen entistä enemmän säätötarvetta.

Jos laitteessa on 2 kompressoria, on säätöä hieman enemmän. Jos maksimiteho on sama 38,5 kW niin silloin on käytössä 0 kW, 19,25 kW tai 38,5 kW. Toimii siis hieman paremmin kuin yhden kompressorin laite mutta ei siltikään pysty läheskään optimaaliseen lopputulokseen kuten inverter –lämpöpumppu.

Tietysti inverter –lämpöpumpuilla on myös lämmityksen puolella etuja koska niillä pystytään säätämään samalla tavalla myös lämmitystehoa kuten jäähdytystehoakin. Tämä mahdollistaa paremman hyötysuhteen ja säätyvyyden ansiosta varajaakapasiteettiakaan ei tarvita samaa määrää kuin on/off –laitteilla.

Maalämpöjärjestelmissä ei inverter –tekniikan hyödyt ole aivan yhtä suuria koska niissä on lämmönlähteenä teholtaan tasainen maa. Oikein mitoitetulla lämpökaivokentällä säätyvyyttä ei tällä puolella tarvita kun, kaivojen on tarjoama energiamäärä on suurempi kuin lämpöpumpun jäähdytysteho. Lämmön talteenottoratkaisuissa inverter –lämpöpumput ovat kuitenkin parhaita mahdollisia laitteita ja niiden hyödyt ovat selkeästi paremmat kuin perinteisillä on/off –lämpöpumpuilla.