Maalämpöpumppu
1. Maalämpöpumppu, toimintaperiaate
Maalämpöpumpussa on sähkömoottorikäyttöinen kompressori, joka höyrystimen ja lauhduttimen avulla nostaa maaperästä saatavan varsin viileän lämmön talon ja käyttöveden lämmittämiseen soveltuvaksi lämmöksi. Yksinkertaistaen voidaan sanoa, että maalämpöpumpun kompressori ”puristaa” maaperän viileän lämmön korkeampaan lämpötilaan. Maalämpöpumppu muuttaa maaperästä lämmönkeruuputkistolla ja lämmönkeruunesteellä saatavan 1 – 4 asteisen lämmön 30 – 65 asteiseksi lämmöksi, jolla lämmitetään joko lattiaa tai lämmityspattereita sekä lämmintä käyttövettä.
Maalämpöpumppu toimii samalla periaatteella kuin jääkaappi. Jääkaapin höyrystin ja kompressori (=lämpöpumppu) hakevat jääkaapin sisältä lämpöä ja luovuttaa lauhduttimen avulla lämmön huonetiloihin. Jääkaapin sisäpuoli pysyy viileänä, ja huonetilat lämpenevät hieman. Vastaavasti maalämpöpumppu hakee maaperästä lämpöä lämmönkeruuputkistolla, ja luovuttaa maaperästä saadun lämmön kompressorin ja lauhduttimen kautta veteen, joka kiertää pattereissa tai lattialämmityksessä ja siirtyy huonetiloihin.
Vastaavalla tavalla kuin jääkaappi, tarvitsee maalämpöpumppu toimiakseen sähköenergiaa. Maalämpöpumpun tarvitsema sähköenergia on noin kolmannes tai neljännes maalämpöpumpun tuottamasta lämpöenergiasta. Jokaista ostettua kilowattituntia kohden maalämpöpumppu tuottaa kolme tai neljä, optimaalisissa olosuhteissa jopa viisi kilowattituntia lämpöenergiaa. Tästä johtuen maalämpöpumppu on erittäin energiataloudellinen ja ympäristöystävällinen lämmitysjärjestelmä.
Omakotitaloon soveltuva maalämpöpumppu on tyypillisesti jääkaappipakastimen kokoinen laite, leveys 60 cm, syvyys noin 60 cm ja korkeus noin 150 - 190 cm. Maalämpöpumppu voidaan sijoittaa lähes mihin tahansa tilaan, koska maalämpöpumpun käyntiääni on kehittyneimmissä malleissa varsin hiljainen. Maalämpöpumpun lämmitysteho on täysin riittävä omakotitalon lämmittämiseen ja lämpimän käyttöveden tuottamiseen, jolloin käytetään tyypillisesti noin 10kW tehoista maalämpöpumppua.
2. Maalämpöpumppu, osat
1. Sähkömoottorikäyttöinen kompressori, joka puristaa maalämpöpumpun kaasumaista kylmäainetta korkeampaan paineeseen ja lämpötilaan.
2. Lauhdutin, joka siirtää maalämpöpumpun kompressorin puristamasta kuumasta kaasumaisesta aineesta lämmön veteen, jolla lämmitetään rakennuksen pattereita tai lattiaa sekä lämmintä käyttövettä. Samalla kun kuumasta kylmäaineesta otetaan lämpöä, maalämpöpumpun kylmäaine tiivistyy nesteeksi.
3. Paisuntaventtiili, jonka kautta maalämpöpumpun nesteytynyt kylmäaine siirtyy alempaan paineeseen.
4. Höyrystin, johon tulee maalämpöjärjestelmän lämmönkeruupiirin tuloputki, jossa virtaava lämmönkeruuneste lämmittää nesteytynyttä ja matalammassa paineessa olevaa kylmäainetta. Höyrystimessä kylmäaine kaasuuntuu lämmönkeruunesteen lämmityksen vaikutuksesta.
Maalämpöpumppu sisältää siis suljetun kylmäainekierron, joka mahdollistaa maaperän viileän lämmön nostamisen korkeampaan lämpötilaan lattialämmitystä, patteriverkostoa ja lämmintä käyttövettä varten. Kylmäaine on freoniton hiilivetypohjainen aine, samantyyppinen kuin jääkaapissa ja pakastimessa. Kylmäaine on suljetussa tilassa maalämpöpumpun sisällä, eikä aiheuta päästöjä eikä haitallisia vaikutuksia ympäristölle.
Maalämpöpumppu sisältää myös seuraavat osat: Lämpimän käyttöveden varaaja sekä kolmitieventtiili. Lämpimän käyttöveden varaajaan varastoidaan tyypillisesti n. 180 litraa lämmintä käyttövettä. Mikäli lämpimän käyttöveden tarve on poikkeuksellisen suuri, esimerkiksi jos rakennuksessa on kylpy- tai poraltaita, käytetään erillistä, suurempaa lämminvesivaraajaa. Maalämpöpumpun kolmitieventtiiliä ohjaa maalämpöpumpun ohjausjärjestelmä, joka päättää tehdäänkö lämmitysvettä vai lämmintä käyttövettä. Jos maalämpöpumppu on oikein suunniteltu, tuotetaan erikseen lämmitysjärjestelmän vaatimaa vettä tai lämmintä käyttövettä.
3. Tärkeä huomioitava asia maalämpöpumpun hankinnassa: oikean lämpötila-alueen maalämpöpumppu
Maalämpöpumppujen ominaisuuksissa on merkittäviä eroja. Yksi tärkeimmistä on lämmön tuoton energiatehokkuus. Lämmön tuoton energiatehokkuus eli hyötysuhde (COP-luku) ilmoitetaan normin mukaisella tavalla, eli kuinka paljon maalämpöpumppu tuottaa lämmitysenergiaa silloin, kun lämmönkeruuputkistosta saatava liuos on lämpötilassa 0 astetta, ja maalämpöpumppu tuottaa joko 35 asteista tai 50 asteista vettä. COP - luvuissa on jonkin verran eroja eri valmistajien kesken. Hyötysuhde laskee, mitä kuumempaa vettä lämpöpumppu joutuu tuottamaan.
Patterilämmitteisissä taloissa maalämpöpumpun COP – luku korkeissa lämpötiloissa on tärkeä ominaisuus, mutta vielä tärkeämpi ominaisuus on, kuinka lämmintä vettä maalämpöpumppu pystyy tuottamaan. Patterijärjestelmät on suunniteltu tyypillisesti 60/40 periaatteella, eli mitoituspakkasilla (Etelä – Suomessa n. -27 astetta Celsiusta) patterijärjestelmän menovesi on 60 astetta ja paluuvesi 40 astetta. Näissä lämpötiloissa voi olla rakennuskohtaisia poikkeamia. Patterilämmitteisissä rakennuksissa maalämpöpumpulta edellytetään, että se pystyy tuottamaan hyvällä hyötysuhteella 65 asteista lämmitysvettä. On tärkeää varmistaa, maalämpötoimittajasi tarjoaa patterilämmitteiseen rakennukseen korkean lämpötila-alueen maalämpöpumppua, jotta pakkasilla suurin osa lämmitysenergiasta ei ole tuotettu lisävastuksilla.
4. Tärkeä huomioitava asia maalämpöjärjestelmän hankinnassa: Älykäs maalämpöpumppu
Maalämpöjärjestelmä toimii parhalla mahdollisella hyötysuhteella silloin, kun lämpötilaa nostetaan mahdollisimman vähän. Esimerkiksi lämmönkeruupiiriltä saatava lämmönkeruuneste voi olla 0 asteen lämpötilassa, ja pakkasella lattialämmitystä varten lämmitysveden lämpötila nostetaan 35 asteeseen. Maalämpöpumppu nostaa siis lämpötilaa 35 astetta. Tällöin maalämpöpumppu toimii tyypillisesti eritäin hyvällä hyötysuhteella, COP – luku parhailla maalämpöpumpuilla tällä lämpötila-alueella n. 4,5, eli jokaista ostettua sähkökilowattituntia kohden maalämpöjärjestelmä tuottaa 4,5kWh.
Maalämpöpumppu lämmittää myös lämpimän käyttöveden, joka lämmitetään 55 asteeseen. Korkeampaan lämpötilaan nostettaessa maalämpöpumpun hyötysuhde eli COP - luku laskee, ja parhailla maalämpöpumpuilla COP luku on lämmintä käyttövettä tuotettaessa n. 3,2.
Rakennuksen lämmitysenergiasta tyypillisesti 75% tarvitaan rakennuksen lämmittämiseen ja 25% käyttöveden lämmittämiseen. Energiatalouden kannalta on siis tärkeää, että 75% lämmitysenergian tuotannosta on mahdollisimman energiataloudellista. Mikäli maalämpöpumppu on konstruoitu mahdollisimman energiataloudelliseksi, on maalämpöpumpussa kolmitieventtiili, jota ohjaa maalämpöpumpun ohjausyksikkö. Kolmitieventtiili ohjaa maalämpöpumpun tuottaman lämmitysveden joko lämmönjakojärjestelmään eli patteriverkostoon / lattialämmitykseen tai vaihtoehtoisesti lämpimän käyttöveden tuottamiseen. Oikein konstruoitu maalämpöpumppu tekee siis lämmitysvettä joko lämmitykseen tai lämmintä käyttövettä varten, ei siis molempia samanaikaisesti. Tämä mahdollistaa sen, että suurimman osan aikaa, eli tyypillisesti 75% ajasta maalämpöpumppu voi valmistaa hyvällä hyötysuhteella vettä matalamman lämötila-alueen lattia- tai patterilämmitykseen. 25% ajasta, kun maalämpöpumppu tekee lämmintä käyttövettä, nostetaan menoveden lämpötilaa n. 55 asteeseen, jolloin hyötysuhde laskee tyypillisesti COP - lukuun 3,2. Erillinen lämmitysveden ja lämpimän käyttöveden tuotanto on perusvaatimus silloin, kun pyritään suunnittelemaan mahdollisimman energiataloudellinen maalämpöpumppu.
Markkinoilla on myös maalämpöpumppuja, joissa ei ole kolmitieventtiilirakennetta. Nämä maalämpöpumput eivät valmista erikseen lämmitysvettä ja lämmintä käyttövettä, vaan valmistavat maalämpöpumpulla kaiken tarvittavan lämmön erilliseen säiliöön, jossa pidetään lämpimän käyttöveden vaatimaa n. 55 asteen lämpötilaa. Tämä lämpötila on aina liian korkea johdettavaksi lattialämmitykseen ja useimmiten liian korkea johdettavaksi patteriverkostoon, mistä johtuen lämmitysveden lämpötilaa täytyy laskea erillisellä sekoitusventtiilillä eli shuntilla. Rakennuksen lattialämmitys tai patteriverkosto kuluttaa tyypillisesti 75% rakennuksen lämmitysenergiasta, eli 75% lämmöstä joudutaan turhaan nostamaan n. 55 asteeseen ja tämän jälkeen erillistä sekoitusventtiiliä eli shunttia kayttäen sekoittamaan matalampaan lämpötilaan. Tällä periaatteella toteutettu maalämpöpumppu on lattialämmitystaloissa energiantuotannon hyötysuhteeltaan keskimäärin 27% heikompi kuin maalämpöpumppu, joka valmistaa erikseen lämmitysveden ja lämpimän käyttöveden kolmitieventtiiliratkaisun avulla.
Perinteiset öljykattilat ja sähköllä toimivat varaajat toimivat periaatteella, että ensin nostetaan öljyllä tai sähköllä kattilan lämpötila n. 80 asteeseen ja tämän jälkeen käytetään sekoitusventtiilejä eli shuntteja laskemaan veden lämpötilaa lattialämmitystä ja patteriverkostoa varten. Tämä ei heikennä perinteisten öljy- ja sähkökattiloiden hyötysuhdetta, mutta perinteisellä öljy- ja sähkökattiloissa käytetyllä shunttaustekniikalla toteutettu maalämpöpumppu ei ole energiataloudellisin mahdollinen.
5. Tärkeä huomioitava asia maalämpöjärjestelmän hankinnassa: Lämpimän käyttöveden tarve
Lämpimän käyttöveden tarve riippuu rakennuksessa olevien suihkujen, kylpy- ja poreammeiden määrästä. Suurimmassa osassa rakennuksista tavanomainen, maalämpöpumppuun integroitu lämpimän käyttöveden varaaja riittää varmistamaan lämpimän käyttöveden riittävyyden. Maalämpöpumppuun integroidun lämpimän käyttöveden varaajan tilavuus on tyypillisesti 160 – 185 litraa. Varaajassa olevan veden lämpötila on tyypillisesti 52 astetta, jolloin tästä määrästä saadaan 210 – 240 litraa 40 asteista suihkuvettä. Tämä vastaa n. 5 peräkkäistä suihkussa kävijää. (n. 50 litraa 40 asteista vettä / suihkukäynti) Viiden peräkkäisen suihkussakäynnin aikana maalämpöpumppu ehtii tyypillisesti tuottamaan kuudennnen suihkussakävijän tarvitseman lämpimän käyttöveden. Integroidulla lämminvesivaraajalla varustettu maalämpöpumppu riittää siis vähintään kuuden henkilön peräkkäiseen suihkussa käyntiin tavanomaisella suihkuveden käytöllä.
Mikäli rakennuksessa on kylpyamme tai poreallas, varaudutaan siihen, että poreallas lasketaan täyteen lämmintä vettä, ja samaan aikaan suihkussa on useita perättäisiä kävijöitä. Tämä vaatii lisää kapasiteettia maalämpöjärjestelmän lämpimän käyttöveden tuottamiseen. Maalämpöpumppuun integroitu 160 – 185 litran varaaja ei tällöin riitä, vaan käytetään ulkoista varaajaa, esim. 200/90 tai 300/160 litran kaksoisvaippavaraajaa. Näillä varaajilla lämpimän käyttöveden kokonaistilavuus on 290 litraa (380 litraa 40 asteista käyttövettä) ja 460 litraa (600 litraa 40 asteista käyttövettä). Jälkimmäinen vaihtoehto mahdollistaa suuren, esimerkiksi 400 litran porealtaan täyttämisen lämpimällä vedellä, ja samanaikaisesti 4 henkilöä voi ottaa täyspitkän suihkun.
Maalämpöjärjestelmän lämpimän käyttöveden kapasiteetti tulee aina mitoittaa tarvetta vastaavaksi. Maalämpöjärjestelmä ei aseta rajoitteita lämpimän käyttöveden kulutukselle, kyse on järjestelmän käyttövesitilavuuden oikeasta mitoittamisesta.
6. Tärkeä huomioitava asia maalämpöjärjestelmän hankinnassa: Maalämpöpumpun käyntiääni
Maalämpöpumpun käyntiääni muodostuu pääasiassa sähkökäyttöisen scroll – eli ruuvikompressorin käyntiäänestä. Pääosa markkinoilla olevista maalämpöpumpuista käyttää scroll – kompressoria, mikä on merkittävästi hiljaisempi ratkaisu kuin aikaisemmin yleinen mäntäkompressori. Scroll – eli ruuvikompressorilla varustetuissa maalämpöpumpuissa on eroja melutasossa. Huolellinen akustinen suunnittelu maalämpöpumpun koteloinnissa ja äänenvaimennusmateriaalien käytössä voi merkitä useiden desibelien eroja melutasossa.
Maalämpöpumpun kolmitieventtiilin käyttö on toteutettu markkinoilla olevissa maalämpöpumpuissa pääasiassa kahdella eri tavalla, joko magneettiventtilinä tai moottorikäytöisenä kolmitieventtiilinä. Magneettiventtiilin käyntiääni on terävä napsahdus, joka varsinkin yöaikaan voi kuulua häiritsevänä. Moottorikäyttöinen venttiili sulkeutuu pehmeämmin ilman havaittavaa ääntä.
Maalämpöpumpun melutaso on merkittävä ominaisuus varsinkin silloin, kun rakennuksessa ei ole asuintilojen ja teknisen tilan välissä massiivisia kiviseiniä tai välipohjaa. Varsinkin makuuhuoneen lähelle sijoitettavan maalämpöpumpun akustisten ominaisuuksien tulee olla huipputasoa.
7. Tärkeä huomioitava asia maalämpöjärjestelmän hankinnassa: oikealla kytkentätavalla asennettu maalämpöpumppu
Oikein mitoitettu ja oikean syvyisellä lämpökaivolla varustettu maalämpöpumppu ei vielä takaa toimivaa ratkaisua. Maalämpöpumpun asennus tulee suorittaa oikeaa kytkentätyyppiä käyttäen. Halvimman, eli suoran kytkennän ehdottomana edellytyksenä on, että lattialämmitys- tai patteriverkoston virtaus on läpi vuoden vähintään 70% maksimivirtauksesta. Tämän toteutumisesta ei ole mitään takeita, mistä johtuen maalämpöpumpun suorakytkentä ei ole suositeltava vaihtoehto. Kytkentä tulee suorittaa käyttäen ohivirtauskytkentää tai erillistä työsäiliötä. Nämä kytkentämallit varmistavat kaikissa olosuhteissa tarvittavan lämmitysveden kierron maalämpöpumppuun, ja varmistavat laitteiston oikean toiminnan. Ohivirtauskytkentää voidaan suositella käytettäväksi silloin, kun rakennuksessa on betonilaattaan valettu vesikiertoinen lattialämmitys. Patteriverkostolla varustetussa rakennuksessa on suositeltavaa tehdä kytkentä käyttäen erillistä työsäiliötä eli puskurivaraajaa.
Kun maalämpöpumppu asennetaan rakennukseen, jossa on vesikiertoinen patteriverkosto, suositellaan erillisellä työsäiliöllä eli puskurivaraajalla varustettua asennustapaa. Tämä varmistaa patteriverkoston toimivuuden sekä tasaa lämpötilavaihtelua patteriverkossa. Patteriverkoston lämpötilan vaihtelusta johtuva putkiston napsunta jää tällöin pois.
Erillinen työsäiliö lisää vesipatteri - lämmönjakojärjestelmän vesitilavuutta merkittävästi. Lisääntynyt vesitilavuus mahdollistaa maalämpöpumpun pidemmät käyntijaksot. Pitkät käyntijaksot parantavat maalämpöpumpun energiataloudellisuutta sekä pidentävät maalämpöpumpun käyttöikää.
