Tämän raportin on kirjoittanut teukka ilma-vesilämpöpumppu projektistaan. Foorumille tekstin muokkasi Samppa.
ILMASTA VETEEN
Kirjoittanut: Teukka 6.5.06
Tämän rustailun lähtökohtana on uteliaisuus, joka on kasvanut syksystä lähtien askarrellessani ilmalämpöpumpun kanssa. Tässä toteutuu se erään papin lausuma, että tutkimuksella ei voi olla muuta perustetta kuin älyllinen huvi tai elämän helpotus. Tässä tapauksessa paino on tuolla edellisellä. Rikkautta ja helpotusta ei konkreettisesti tule – eikä kehujakaan. Viime päivinä vaimo on kommentoinut korkealla äänellä veden lämpötilaa suihkussa käydessään!
LAUHDUTIN
Mutta asiaan. Yksinkertaisesti olen rakentanut kupariputkesta lauhduttimen pyörittämällä 3/8 tuuman kupariputkea noin 5 metriä spiraalille 42 millin rautaputken ympärille. Spiraalista tuli noin puolen metrin pituinen ja ulkohalkaisijaltaan noin 50 milliä. Tämä kuparikierukka on sijoitettu 2,5 tuuman rautaputkeen, jonka päihin on hitsattu laipat. Niistä lähtee tuuman ja vartin putket, joilla lauhdutin on yhdistetty kattilan ja varaajan välisiin tuuman ja vartin putkiin. Laipoissa on myös reiät kierukan ulostuloille, jotka on juotettu.
Kuva 1. Spiraali ja lauhduttimen putki, joka on vielä toisesta päästä auki.
Kuva 2.
Kuvassa 2 on valmis lauhdutin paikallaan vasemmalla olevan kattilan kyljessä. Oikealla on 1000 litran varaaja, jota olen käyttänyt puilla lämmitettäessä. Lauhduttimen yläosaan tulee höyrystimeltä 3/8 tuuman eristetyllä kuparilla kaasu ja alaosasta lähtee neste takaisin ¼ tuuman kuparilla. Tulevassa putkessa näkyy kätevä digitaalinen lämpömittari, jonka voi terävän kärjen vuoksi työntää vaikkapa ihon alle. Maksoi muistaakseni Ohlssonin tarviketalossa muutaman euron. Alhaalla näkyy punainen hana, joka on yksi neljästä, joilla voi määrätä missä vesi kiertää. Kylmätekniikassa käytetään muuten tuumakokoisia kupariputkia eikä millikokoja. Lieneekö syynä jokin ainejuttu vaiko joku standardi. Mieleen palautui taas sekin, että rautaiset vesiputket ovat tuumakokoja, joiden tosimitoilla ei ole mitään tekemistä tuumien kanssa. Esim. tuuman ja vartin putki on ulkoa n. 42 mm ja sisältä n. 38 mm. 1,25 tuumaa on taas vajaa 32 milliä.
ILMALÄMPÖPUMPUN ULKOYKSIKKÖ
En tehnyt mitään tiedettä laitteen valinnasta, vaan muutaman kyselyn jälkeen tilasin YIT:ltä Carrier 38 YE009 ulkoyksikön. Se on pienitehoisin (ja halvin) kyseisestä sarjasta. Jäähdykkeenä on R407c. Kävi kyllä mielessä hankkia laite, jossa on 410
jäähdykkeenä, mutta tämä hankinta oli jotenkin vaivaton. Samalla on ollut mahdollisuus keskustella tästä tekniikasta kokeneiden kylmämiesten kanssa.
Kuva 3. Carrierin tyyppikilpi ja laite avattuna. Oikealla on Toshiban kompressori ja kuten näkyy laite on tehty Kiinassa. Carrier taitaa olla melko huomattava firma tällä alalla.
KYTKENNÄSTÄ
Usein on tullut esille, että invertteriä ei kannata sekoittaa tällaiseen juttuun. Vaikka tämä on ”yksinkertainen” ON/OFF- laite, niin silti paljon ohjausta on siinä puuttuvassa sisäyksikössä. Tulee mieleen lähinnä ajoitukset eri osien toiminnalle (kompressori, puhallin, 4-tieventtiili,….).
Kuva 4.
Kuvassa 4 näkyy liitin mistä on toistaiseksi ohjattu melko tavalla käsipelillä yksikön toimintaa. Käskyt tulevat normaalisti sisäyksikön logiikasta.
1=jännite kompressorille,
2=nollajohto,
3=jännite 4-tieventtilille, joka on ilman jännitettä jäähdytysasennossa,
4=jännite puhaltimelle.
Oleellista näyttää olevan, että puhallin on pysäytettävä välillä lämpimällä säällä – muuten kompressorin poistopaine kasvaa kovan höyryntuoton vuoksi liikaa. Tähän tarkoitukseen on laitettava painekytkin. Lauhduttimeen tuleva höyry menee jopa yli 70 asteen hyvin helposti ja silloin kompressorin ylikuormituskytkin saattaa laueta. Kyseinen kytkin ei ole kuitenkaan tarkoitettu ohjaamaan laitteen toimintaa tässä tapauksessa.
Tulevan kaasun lämpötila ei ole se merkittävin tekijä, koska siinä on ns. tulistuslämpöä, jonka osuus lämmöntuotosta lienee pieni (siis kaasun jäähtyminen). Todellinen tuotto on nesteytymisessä.
ALKUKOKEMUKSIA
Parin päivän kokeilun tuloksena voin sanoa, että laite toimii suurin piirtein kuten etukäteen ajattelinkin. Laitteen tarkoitus on tuottaa peruslämpöä, jolla toimii vesikiertoinen lattialämmitys keväästä syksyyn. Öljyä säästyisi ehkä 500 litraa. Lisäksi lämpimän käyttöveden valmistus on halvempaa kun se tehdään vaikkapa 40-asteisesta vedestä sähkövastuksella. Sain kattilan lämmön kohoamaan 50 asteeseen, kun annoin laitteen pyöriä muutaman tunnin. Se alkaisi jo riittää suihkuunkin. Sitten tulin siihen uskoon, että se painekytkin on hankittava ja lisäksi pitää laitella termostaatti.
Käyttöveden lämmitykseen minulla on tarvittaessa vanha sähköpatruuna, jonka teho riittänee sellaisenaan ilman boileria.
On myös kokeilemalla selvitettävä, käytänkö kattilaa vaiko varaajaa vaiko kumpaakin. Molemmissa on käyttöveden kierukka ja ne voi kytkeä peräkkäin.
Kuva 5.
Kuvassa viisi on kulutusmittari, josta näkyy laitteen ottama teho, kun puhallin on päällä. Ilman puhallusta teho laskee noin 850 wattiin. Lämpimällä ilmalla puhalluksen kanssa teho saattoi nousta yli 1400 wattiin, joka saattaa olla liikaa. Pitää tutkiskella.
Oikeassa reunassa näkyy myös tehokerroin eli cos(fii), joka on siis noin yksi ja näin ollen virta ja jännite ovat samassa vaiheessa.
JATKUU 23.8.06
KOKEMUKSIA KESÄLTÄ 2006
On kohta kesä mennyt – tunnen lämpöä nyt. Kun tämä kokeilu alkoi, niin oli suurin piirtein Tshernobylin 20-vuotispäivä. Nyt olen onnellinen ja monta kokemusta rikkaampi, vaikkakin rahallisesti ehkä köyhempi. Ilmasta veteen ilppi on suorituskyvyltään ollut sitä, mitä arvelin. Monet lämpöpumppuun liittyvät asiat ovat selkiytyneet.
SUORITUSKYKY
Alussa perustelin, miksi on järkevää hankkia ON/OFF-ulkoyksikkö. Sen kytkeminen ja käyttö on tarpeeksi yksinkertaista ja siihen ei liity mitään tietokoneohjausta. Valinta näyttää olevan oikea. Varsinaiset mietinnän kohteet ovat tässä olleet ulkoyksikön käyntipaineet, tehot ja kylmäaineen määrä ja toisaalta lauhdutussysteemi. Nämä jutut ovat toisistaan riippuvia.
Lauhdutin, jonka mitoitin tunteella, ei ehkä ole paras mahdollinen. Mietin silloin alussa, että pitäisi saada mitata kokoonpanoon tarkoitetun sisäyksikön lauhdutintilavuus. Jäi tekemättä, kun ajattelin, että veden lauhdutusteho on huomattavasti suurempi kuin ilman. Onhan se ja ei ole. Syynä on se, että ei ole käytettävissä riittävän kylmää vettä, ja näin lauhdutin vaikuttaa riittämättömältä lopputilanteessa. Tämä ongelma tulee vastaan silloin, jos yrittää vedättää lämpötilaa mahdollisimman ylös eli yli 45 asteeseen. Ilmapuhalluksella toimiva lauhdutin saa varmasti noin 20-asteista ilmaa ja sitä riittää – eihän kukaan lämmittäne asuntoaan yli 30 asteeseen. Veden lämmitys on eri asia kuin ilman lämmitys. Vaikka lauhdutin olisikin suurempi, niin riittävän kylmän veden saanti on ongelma, joka pitäisi ratkaista. Tässä ratkaisussahan vesi kiertää vapaakierrolla ja kerrostumiset ovat mitä sattuu.
Laite näyttää olevan riittävä siihen tarkoitukseen, mihin se on ajateltu. Näin lämpimänä kesänä sillä siirretään energiaa noin 15-20 asteen ulkotilasta veteen jonka alkulämpötila on vaikkapa 25 astetta. Vesi on jäähtynyt yön aikana, koska lattialämmitys on käyttänyt sitä. Vesi, jota on noin 1200 litraa lämpenee parissa kolmessa tunnissa sinne 35 asteeseen, mikä on riittävä ja toisaalta edullisesti saatava tila. Sähköä menee noin kilowatin teholla. Mitään termostaattiohjausta en ole vielä asennellut, vaan laita töpselin seinään, kun haluan toimintaa.
Paljon puhuttu COP on lämmitysjakson alussa varmaankin yli 10, mutta pienenee 45 asteen lämpötilaa lähestyttäessä melkein arvoon 1. Tuossa 35 asteen kohdalla tulee lämpenemiskäyrään selvä huononnus eli COP pienenee rajusti juuri siinä. Siis ei kannata tingata ylemmäksi. Tarkemmin ei COP-arvoja kannata laskea, sillä veden lämpötila muuttuu melkoisella viiveellä vapaakierron vuoksi.
Kuva 6.
Tässä näkyy tyypillinen lämmitysjakso, jossa alkulämpötila on ollut noin 24 astetta (sininen käyrä). Veden lämpötila on mitattu noin kattilan keskikohdalta. Punainen käyrä esittää lauhduttimeen tulevan höyryn lämpötilaa, missä näkyy painekytkimen toiminta puhaltimen ohjaajana. Lämpötila on noin 65 astetta. Sinisessä käyrässä näkyy selvä muutos huonompaan 35 asteen tienoilla ja lämpeneminen on käytännössä loppunut 44 asteessa. Pystyviivojen väli on 2000 sekuntia.
SÄHKÖLLÄ LOPUT
Aikoinaan saneerasin lämmitysjuttuja, ja silloin jäi autotallin hyllylle sellainen vajaan metrin pituinen kolmen tuuman putki, missä on sisällä 6 kilowatin vastus. Asentelin patruunan käyttöveden lähtöön termostaatteineen, jolloin se antaa sen puuttuvan loppusilauksen varaajan ja kattilan kierukoista tulevalle vedelle.
Mittailin veden tuloa ja lämpötiloja ja totesin sen, minkä yksinkertainen laskukin sanoo: Kilo vettä lämpenee asteen verran yhdellä kilokalorilla, joka on noin 4,2 kilojoulea. Jos minuutissa tulee suihkusta 6 litraa, niin sekunnissa 0,1 litraa. Kun sekunnissa laitetaan tuon 0,1 litran lämmittämiseen 4,2 kilojoulea, niin se on 4,2 kilowatin teho ja vesi lämpenee sillä 10 astetta. Tuo on riittävä, jotta saadaan noin 40-asteista vettä suihkusta, kun lähtönä on 30-asteinen vesi.
KÄYTTÖTOTTUMUKSET MÄÄRÄÄVÄT
Tiedän, että tuo edellä oleva on vastoin kaikkia LVI-tekniikan mitoitusarvoja. Niissä mitoitetaan lämpimän veden käyttö siten, että on yhtä aikaa monessa suihkussa täysi valutus. Ja tietenkin merkittävää on se, että lämmin käyttövesi valmistetaan 10-asteisesta vedestä, joka tulee verkosta. 10 asteesta 40 asteeseen on kolminkertainen matka verrattuna matkaan 30 asteesta 40 asteeseen ja näin muuttuu myös tarvittava teho.
Jos isäntäväki ei tykkää köyhäilystä ja itsetunto saa kolauksen, kun viides suihkussa peräkkäisesti peseytyvä saunavieras ei saa aivan haluamansa lämpöistä vettä hetkessä ja täysillä, niin kannattaa pitäytyä noihin LVI-normeihin ja mitoittaa veden lämmitys kalliimmaksi.
KOKEILUN TERMODYNAMIIKKAA
Tällainen ilmalämpöpumppu on eräs tapa toteuttaa Carnot`n kiertoprosessia – eikä ole paras. Alla olevassa kuvassa on arvioinnin ja yleisen tiedon perusteella piirretty prosessi paine-enthalpia tasoon, mikä on yleinen tapa kuva asiaa.
Kuva 7. Prosessi log(p)-enthalpia tasossa. Vasemmalla olevat tushimerkinnät ovat painearvoja
Laatikon alareuna esittää höyrystymistä, jolloin jäähdyke sitoo lämpömäärän 155 yksikköä, alkupiste on 5 bar, -4 astetta. Kun oikea alakulma on juuri höyryn alueella (5 bar, 0 astetta), niin kompressori puristaa höyryn ja käyttää siihen energian 40 yksikköä. Puristamista esittävä viiva menne ns. isentrooppia myöten oikealle ylös (adiabaattinen puristus). Ollaan pisteessä 18 bar, 65 astetta.
Lämmön (195 yksikköä) luovutus alkaa. Tulistuneen höyryn jäähtyessä isotermiltä 65 isotermille 50, ollaankin jo tilanteessa, missä nesteytyminen alkaa. Tämä tapahtuu yksinkertaisessa mallissa ja aseotrooppisilla jäähdykkeillä vakiolämpötilassa. Tässä näkyy R407A:n liukuma, noin 7 astetta.
Kun ylitetään raja ja tullaan nestealueelle (18 bar, 40 astetta), niin kuvaaja kääntyy alaspäin ja neste laajenee paisuntaventtiilin kautta siihen pisteeseen, mistä kiertomatka alkoi.
Lopputuloksena on siis ylempään lämpötilaan saatu 40 yksikön energialla 195 yksikköä, mistä tuo paljon puhuttu COP on siis noin 5. Jos laatikon alareuna olisi ylempänä, niin kompressorin käyttämä 40 olisi pienempi ja COP suurempi.
Lukija miettiköön, mitä vaaditaan siihen, että koko laatikkoa nostettaisiin ylemmäksi, ja mitä sitten saataisiin….
Laatikon vasen reuna siirtyisi vasemmalle, jos olisi käytettävissä lisää jäähdytystä eli kylmempää (esim. 30 astetta) vettä. Tällöin laite toimisi paremmin.
MONENLAISTA LÄMPÖÄ
Edellä kuvatussa prosessissa lämmön luovutus alkaa 65 asteisen höyryn jäähtymisellä. Jos tätä energiaa (rusina pullassa) otettaisiin pienempään vesimäärään, niin saataisiin noin 60 asteista vettä. Sitä voitaisiin käyttää lämpimän käyttöveden viimeistelyyn, joka tässä kokeilussa hoidettiin sähköllä. Pääosa (nesteytyminen) lauhdutettaisiin säiliöön, johon muodostuisi n. 40 asteista vettä. Tätä voitaisiin käyttää lämmityskiertoon ja käyttöveden esilämmitykseen. Jos vielä olisi käyttöä tuolle 30-asteiselle vedelle, niin se energia olisi ilmaista.
Näillä periaatteillahan kaupalliset ratkaisut toimivat. Varaajia on siis ainakin kaksi tai sitten on huolehdittu siitä, että kerrostuminen säilyy varaajassa, jolloin yläosassa on kuumempaa.
Hiilidioksidilla toimivassa ylikriittisessä prosessissa ei ole ollenkaan nesteytymistä luovutusvaiheessa, vaan kaikki energian luovutus tapahtuu kaasua jäähdyttämällä. Tällöin luovutetun energian lämpötila laskee jatkuvasti prosessin edetessä.
PARI KUVITELTUA TAPAUSTA
Seuraavista käytän termiä kuviteltu. En tiedä, onko tuon tapaisia olemassa, koska tekniikka ja järkevyys asettavat usein rajoja. Kuitenkin niiden avulla voi ymmärtää muutamia prosessin lainalaisuuksia.
Kuvassa kahdeksan on piirretty esimerkkinä kylmäaineen 404A kaavioon kaksi erilaista prosessia. Punainen on kuviteltu ylikriittinen, jossa höyry on höyrystymisen jälkeen kuivunut ja kuumennut pisteeseen 6 bar, 35 astetta. Kompressori puristaa höyryn pisteeseen 65 bar, 140 astetta isentroopista käyrää pitkin. Tällöin ollaan kriittisen pisteen yläpuolella, missä nestettä ei esiinny ollenkaan.
Lämpöä luovuttaessaan kaasu jäähtyy siis jotakuinkin tasaisesti 140 asteesta 55 asteeseen. Tällöin ei puhuta lauhtumisesta eli nesteytymisestä. Tämän jälkeen tapahtuu paisunta eli tullaan alas. Erään kirjallisen maininnan mukaan paisuntaventtiilistä tulee ylikriittisessä tapauksessa kosteaa höyryä.
Kuva 8. Kaksi kuviteltua prosessia kylmäaineelle 404A. Punainen on ylikriittinen ja vihreä alikriittinen eli tavanomainen.
Myös alikriittinen prosessi on ulotettu 30 barin paineessa isotermille 100 astetta. ”Normaalisti” se kulkisi pari isentrooppia vasemmalla, jolloin tultaisiin noin 70 asteen isotermille.
Luulisin, että tuo ylikriittinen tapaus ei ole järkevä tällä jäähdykkeellä, koska hiilidioksidilla saadaan samantapainen ja paljon parempi. Hiilidioksidin etuja kaikkiin muihin aineisiin nähden ovat hinta, myrkyttömyys ja paremmat lämpöominaisuudet.
MITÄ JÄI KÄTEEN JA MITEN HOMMA JATKUU?
Mikäli laitteen kokeilu ja kehittely jatkuvat, niin lauhdutin pitää rakentaa siten kahteen osaan kuin yllä on kuviteltu. Eräs tapa alijäähdytykselle eli kolmannelle fraktiolle voisi olla patterikierrosta palaava vesi, mikäli se on 30 asteen tietämissä. Jos rakentaisin vielä taloa, niin ainakin vesikiertoinen lämmitys pitäisi mitoittaa niin, että paluuvesi olisi riittävän viileätä. Tällöin lämpöenergian siirtäminen siihen voitaisiin tehdä riittävän alhaisessa lämpötilassa.
Laitteeseen pitää myös laittaa termostaattiohjaus ja se ei ole kovin vaikeaa toteuttaa. Sulatusautomaatio on jo vähän vaikeampi, mutta käsittelyn alla on logiikkayksikkö, jolla luultavasti voidaan hoitaa kaikenlaista ohjausta.
Kesän aikana sähkön eli kaiken energian kulutus on ollut 20 kWh/vuorokausi. Vesi-ilpin käyttöön on mennyt arvioni mukaan noin 3 kWh/vrk. Se ei ole paljon. Joskus mitattu kesäinen öljyn kulutus on ollut ainakin 2,5 l/vrk. Vuotuinen sähkön kulutus ilman ilppejä oli ennen 6000 kWh. Lattialämmitys ei ole nyt toiminut aivan sillä teholla kuin öljyllä, joten aivan vertailukelpoisia nuo luvut eivät ole. Lisäksi on otettava huomioon se, että syksystä lähtien ilpin laiton jälkeen seurasin energian käyttöä ja karsin tarpeetonta. Suuri vähennys tapahtui kun tietokoneen 200 w ja pyyhetelineen 80 wattia pantiin aisoihin. Jälkimmäisessä on kellokytkin.
Ajankohtaista on kuitenkin nyt, että ensi viikolla asennetaan kaukolämpö. Sitten pitää miettiä tuon vesi-ilpin kohtaloa.
LOPUKSI
Luultavasti samansuuntainen tulos kesän aikana saataisiin yksinkertaisella aurinkoenergian keräimellä. Laitetaan katolle tai muuhun aurinkoiseen paikkaan mustaksi maalattu säiliö. Verkosta tuleva vesi lämpenisi siinä ainakin 30 asteeseen. Käyttöveden tulo lämmittimeen ohjattaisiin kesän aikana sen kautta. Yleensä energiaa on runsaasti kaikkialla, mutta sen käyttö ei aina onnistu. Ehkä syksymmällä vielä kokeilen laitetta kylmemmillä keleillä.
Suoran sähkölämmityksen käyttö tulee vaikeutumaan jatkossa. Siinä on vähän saman suuntainen asia, kuin että leivotaan viinereitä ja syötetään niitä sioille. Sähkön tekeminen polttoaineilla tuottaa paljon saastetta ja lisäksi usein lämpöjätettä, joka on jonnekin toimitettava. On itse asiassa hyvin mieletöntä, että polttoaineesta jalostetaan sähköksi alle puolet ja loput heitetään menemään. Saadulla sähköllä sitten lämmitetään vettä….
Energian tuottaminen on yleisesti ottaen saasteellista ja sen hinnasta suurin osa on politiikkaa. Jos saasteetonta energiaa olisi saatavissa halvalla, niin luultavasti ihminen tuhoaisi maapallon nopeasti – jokainen kaalimaa saisi asvaltin. Energian hinta jarruttelee ja kannattanee ajatella, että käyttämällä kallista energiaa pelastamme maailman.
ILMASTA VETEEN
Kirjoittanut: Teukka 6.5.06
Tämän rustailun lähtökohtana on uteliaisuus, joka on kasvanut syksystä lähtien askarrellessani ilmalämpöpumpun kanssa. Tässä toteutuu se erään papin lausuma, että tutkimuksella ei voi olla muuta perustetta kuin älyllinen huvi tai elämän helpotus. Tässä tapauksessa paino on tuolla edellisellä. Rikkautta ja helpotusta ei konkreettisesti tule – eikä kehujakaan. Viime päivinä vaimo on kommentoinut korkealla äänellä veden lämpötilaa suihkussa käydessään!
LAUHDUTIN
Mutta asiaan. Yksinkertaisesti olen rakentanut kupariputkesta lauhduttimen pyörittämällä 3/8 tuuman kupariputkea noin 5 metriä spiraalille 42 millin rautaputken ympärille. Spiraalista tuli noin puolen metrin pituinen ja ulkohalkaisijaltaan noin 50 milliä. Tämä kuparikierukka on sijoitettu 2,5 tuuman rautaputkeen, jonka päihin on hitsattu laipat. Niistä lähtee tuuman ja vartin putket, joilla lauhdutin on yhdistetty kattilan ja varaajan välisiin tuuman ja vartin putkiin. Laipoissa on myös reiät kierukan ulostuloille, jotka on juotettu.
Kuva 1. Spiraali ja lauhduttimen putki, joka on vielä toisesta päästä auki.
Kuva 2.
Kuvassa 2 on valmis lauhdutin paikallaan vasemmalla olevan kattilan kyljessä. Oikealla on 1000 litran varaaja, jota olen käyttänyt puilla lämmitettäessä. Lauhduttimen yläosaan tulee höyrystimeltä 3/8 tuuman eristetyllä kuparilla kaasu ja alaosasta lähtee neste takaisin ¼ tuuman kuparilla. Tulevassa putkessa näkyy kätevä digitaalinen lämpömittari, jonka voi terävän kärjen vuoksi työntää vaikkapa ihon alle. Maksoi muistaakseni Ohlssonin tarviketalossa muutaman euron. Alhaalla näkyy punainen hana, joka on yksi neljästä, joilla voi määrätä missä vesi kiertää. Kylmätekniikassa käytetään muuten tuumakokoisia kupariputkia eikä millikokoja. Lieneekö syynä jokin ainejuttu vaiko joku standardi. Mieleen palautui taas sekin, että rautaiset vesiputket ovat tuumakokoja, joiden tosimitoilla ei ole mitään tekemistä tuumien kanssa. Esim. tuuman ja vartin putki on ulkoa n. 42 mm ja sisältä n. 38 mm. 1,25 tuumaa on taas vajaa 32 milliä.
ILMALÄMPÖPUMPUN ULKOYKSIKKÖ
En tehnyt mitään tiedettä laitteen valinnasta, vaan muutaman kyselyn jälkeen tilasin YIT:ltä Carrier 38 YE009 ulkoyksikön. Se on pienitehoisin (ja halvin) kyseisestä sarjasta. Jäähdykkeenä on R407c. Kävi kyllä mielessä hankkia laite, jossa on 410
jäähdykkeenä, mutta tämä hankinta oli jotenkin vaivaton. Samalla on ollut mahdollisuus keskustella tästä tekniikasta kokeneiden kylmämiesten kanssa.
Kuva 3. Carrierin tyyppikilpi ja laite avattuna. Oikealla on Toshiban kompressori ja kuten näkyy laite on tehty Kiinassa. Carrier taitaa olla melko huomattava firma tällä alalla.
KYTKENNÄSTÄ
Usein on tullut esille, että invertteriä ei kannata sekoittaa tällaiseen juttuun. Vaikka tämä on ”yksinkertainen” ON/OFF- laite, niin silti paljon ohjausta on siinä puuttuvassa sisäyksikössä. Tulee mieleen lähinnä ajoitukset eri osien toiminnalle (kompressori, puhallin, 4-tieventtiili,….).
Kuva 4.
Kuvassa 4 näkyy liitin mistä on toistaiseksi ohjattu melko tavalla käsipelillä yksikön toimintaa. Käskyt tulevat normaalisti sisäyksikön logiikasta.
1=jännite kompressorille,
2=nollajohto,
3=jännite 4-tieventtilille, joka on ilman jännitettä jäähdytysasennossa,
4=jännite puhaltimelle.
Oleellista näyttää olevan, että puhallin on pysäytettävä välillä lämpimällä säällä – muuten kompressorin poistopaine kasvaa kovan höyryntuoton vuoksi liikaa. Tähän tarkoitukseen on laitettava painekytkin. Lauhduttimeen tuleva höyry menee jopa yli 70 asteen hyvin helposti ja silloin kompressorin ylikuormituskytkin saattaa laueta. Kyseinen kytkin ei ole kuitenkaan tarkoitettu ohjaamaan laitteen toimintaa tässä tapauksessa.
Tulevan kaasun lämpötila ei ole se merkittävin tekijä, koska siinä on ns. tulistuslämpöä, jonka osuus lämmöntuotosta lienee pieni (siis kaasun jäähtyminen). Todellinen tuotto on nesteytymisessä.
ALKUKOKEMUKSIA
Parin päivän kokeilun tuloksena voin sanoa, että laite toimii suurin piirtein kuten etukäteen ajattelinkin. Laitteen tarkoitus on tuottaa peruslämpöä, jolla toimii vesikiertoinen lattialämmitys keväästä syksyyn. Öljyä säästyisi ehkä 500 litraa. Lisäksi lämpimän käyttöveden valmistus on halvempaa kun se tehdään vaikkapa 40-asteisesta vedestä sähkövastuksella. Sain kattilan lämmön kohoamaan 50 asteeseen, kun annoin laitteen pyöriä muutaman tunnin. Se alkaisi jo riittää suihkuunkin. Sitten tulin siihen uskoon, että se painekytkin on hankittava ja lisäksi pitää laitella termostaatti.
Käyttöveden lämmitykseen minulla on tarvittaessa vanha sähköpatruuna, jonka teho riittänee sellaisenaan ilman boileria.
On myös kokeilemalla selvitettävä, käytänkö kattilaa vaiko varaajaa vaiko kumpaakin. Molemmissa on käyttöveden kierukka ja ne voi kytkeä peräkkäin.
Kuva 5.
Kuvassa viisi on kulutusmittari, josta näkyy laitteen ottama teho, kun puhallin on päällä. Ilman puhallusta teho laskee noin 850 wattiin. Lämpimällä ilmalla puhalluksen kanssa teho saattoi nousta yli 1400 wattiin, joka saattaa olla liikaa. Pitää tutkiskella.
Oikeassa reunassa näkyy myös tehokerroin eli cos(fii), joka on siis noin yksi ja näin ollen virta ja jännite ovat samassa vaiheessa.
JATKUU 23.8.06
KOKEMUKSIA KESÄLTÄ 2006
On kohta kesä mennyt – tunnen lämpöä nyt. Kun tämä kokeilu alkoi, niin oli suurin piirtein Tshernobylin 20-vuotispäivä. Nyt olen onnellinen ja monta kokemusta rikkaampi, vaikkakin rahallisesti ehkä köyhempi. Ilmasta veteen ilppi on suorituskyvyltään ollut sitä, mitä arvelin. Monet lämpöpumppuun liittyvät asiat ovat selkiytyneet.
SUORITUSKYKY
Alussa perustelin, miksi on järkevää hankkia ON/OFF-ulkoyksikkö. Sen kytkeminen ja käyttö on tarpeeksi yksinkertaista ja siihen ei liity mitään tietokoneohjausta. Valinta näyttää olevan oikea. Varsinaiset mietinnän kohteet ovat tässä olleet ulkoyksikön käyntipaineet, tehot ja kylmäaineen määrä ja toisaalta lauhdutussysteemi. Nämä jutut ovat toisistaan riippuvia.
Lauhdutin, jonka mitoitin tunteella, ei ehkä ole paras mahdollinen. Mietin silloin alussa, että pitäisi saada mitata kokoonpanoon tarkoitetun sisäyksikön lauhdutintilavuus. Jäi tekemättä, kun ajattelin, että veden lauhdutusteho on huomattavasti suurempi kuin ilman. Onhan se ja ei ole. Syynä on se, että ei ole käytettävissä riittävän kylmää vettä, ja näin lauhdutin vaikuttaa riittämättömältä lopputilanteessa. Tämä ongelma tulee vastaan silloin, jos yrittää vedättää lämpötilaa mahdollisimman ylös eli yli 45 asteeseen. Ilmapuhalluksella toimiva lauhdutin saa varmasti noin 20-asteista ilmaa ja sitä riittää – eihän kukaan lämmittäne asuntoaan yli 30 asteeseen. Veden lämmitys on eri asia kuin ilman lämmitys. Vaikka lauhdutin olisikin suurempi, niin riittävän kylmän veden saanti on ongelma, joka pitäisi ratkaista. Tässä ratkaisussahan vesi kiertää vapaakierrolla ja kerrostumiset ovat mitä sattuu.
Laite näyttää olevan riittävä siihen tarkoitukseen, mihin se on ajateltu. Näin lämpimänä kesänä sillä siirretään energiaa noin 15-20 asteen ulkotilasta veteen jonka alkulämpötila on vaikkapa 25 astetta. Vesi on jäähtynyt yön aikana, koska lattialämmitys on käyttänyt sitä. Vesi, jota on noin 1200 litraa lämpenee parissa kolmessa tunnissa sinne 35 asteeseen, mikä on riittävä ja toisaalta edullisesti saatava tila. Sähköä menee noin kilowatin teholla. Mitään termostaattiohjausta en ole vielä asennellut, vaan laita töpselin seinään, kun haluan toimintaa.
Paljon puhuttu COP on lämmitysjakson alussa varmaankin yli 10, mutta pienenee 45 asteen lämpötilaa lähestyttäessä melkein arvoon 1. Tuossa 35 asteen kohdalla tulee lämpenemiskäyrään selvä huononnus eli COP pienenee rajusti juuri siinä. Siis ei kannata tingata ylemmäksi. Tarkemmin ei COP-arvoja kannata laskea, sillä veden lämpötila muuttuu melkoisella viiveellä vapaakierron vuoksi.
Kuva 6.
Tässä näkyy tyypillinen lämmitysjakso, jossa alkulämpötila on ollut noin 24 astetta (sininen käyrä). Veden lämpötila on mitattu noin kattilan keskikohdalta. Punainen käyrä esittää lauhduttimeen tulevan höyryn lämpötilaa, missä näkyy painekytkimen toiminta puhaltimen ohjaajana. Lämpötila on noin 65 astetta. Sinisessä käyrässä näkyy selvä muutos huonompaan 35 asteen tienoilla ja lämpeneminen on käytännössä loppunut 44 asteessa. Pystyviivojen väli on 2000 sekuntia.
SÄHKÖLLÄ LOPUT
Aikoinaan saneerasin lämmitysjuttuja, ja silloin jäi autotallin hyllylle sellainen vajaan metrin pituinen kolmen tuuman putki, missä on sisällä 6 kilowatin vastus. Asentelin patruunan käyttöveden lähtöön termostaatteineen, jolloin se antaa sen puuttuvan loppusilauksen varaajan ja kattilan kierukoista tulevalle vedelle.
Mittailin veden tuloa ja lämpötiloja ja totesin sen, minkä yksinkertainen laskukin sanoo: Kilo vettä lämpenee asteen verran yhdellä kilokalorilla, joka on noin 4,2 kilojoulea. Jos minuutissa tulee suihkusta 6 litraa, niin sekunnissa 0,1 litraa. Kun sekunnissa laitetaan tuon 0,1 litran lämmittämiseen 4,2 kilojoulea, niin se on 4,2 kilowatin teho ja vesi lämpenee sillä 10 astetta. Tuo on riittävä, jotta saadaan noin 40-asteista vettä suihkusta, kun lähtönä on 30-asteinen vesi.
KÄYTTÖTOTTUMUKSET MÄÄRÄÄVÄT
Tiedän, että tuo edellä oleva on vastoin kaikkia LVI-tekniikan mitoitusarvoja. Niissä mitoitetaan lämpimän veden käyttö siten, että on yhtä aikaa monessa suihkussa täysi valutus. Ja tietenkin merkittävää on se, että lämmin käyttövesi valmistetaan 10-asteisesta vedestä, joka tulee verkosta. 10 asteesta 40 asteeseen on kolminkertainen matka verrattuna matkaan 30 asteesta 40 asteeseen ja näin muuttuu myös tarvittava teho.
Jos isäntäväki ei tykkää köyhäilystä ja itsetunto saa kolauksen, kun viides suihkussa peräkkäisesti peseytyvä saunavieras ei saa aivan haluamansa lämpöistä vettä hetkessä ja täysillä, niin kannattaa pitäytyä noihin LVI-normeihin ja mitoittaa veden lämmitys kalliimmaksi.
KOKEILUN TERMODYNAMIIKKAA
Tällainen ilmalämpöpumppu on eräs tapa toteuttaa Carnot`n kiertoprosessia – eikä ole paras. Alla olevassa kuvassa on arvioinnin ja yleisen tiedon perusteella piirretty prosessi paine-enthalpia tasoon, mikä on yleinen tapa kuva asiaa.
Kuva 7. Prosessi log(p)-enthalpia tasossa. Vasemmalla olevat tushimerkinnät ovat painearvoja
Laatikon alareuna esittää höyrystymistä, jolloin jäähdyke sitoo lämpömäärän 155 yksikköä, alkupiste on 5 bar, -4 astetta. Kun oikea alakulma on juuri höyryn alueella (5 bar, 0 astetta), niin kompressori puristaa höyryn ja käyttää siihen energian 40 yksikköä. Puristamista esittävä viiva menne ns. isentrooppia myöten oikealle ylös (adiabaattinen puristus). Ollaan pisteessä 18 bar, 65 astetta.
Lämmön (195 yksikköä) luovutus alkaa. Tulistuneen höyryn jäähtyessä isotermiltä 65 isotermille 50, ollaankin jo tilanteessa, missä nesteytyminen alkaa. Tämä tapahtuu yksinkertaisessa mallissa ja aseotrooppisilla jäähdykkeillä vakiolämpötilassa. Tässä näkyy R407A:n liukuma, noin 7 astetta.
Kun ylitetään raja ja tullaan nestealueelle (18 bar, 40 astetta), niin kuvaaja kääntyy alaspäin ja neste laajenee paisuntaventtiilin kautta siihen pisteeseen, mistä kiertomatka alkoi.
Lopputuloksena on siis ylempään lämpötilaan saatu 40 yksikön energialla 195 yksikköä, mistä tuo paljon puhuttu COP on siis noin 5. Jos laatikon alareuna olisi ylempänä, niin kompressorin käyttämä 40 olisi pienempi ja COP suurempi.
Lukija miettiköön, mitä vaaditaan siihen, että koko laatikkoa nostettaisiin ylemmäksi, ja mitä sitten saataisiin….
Laatikon vasen reuna siirtyisi vasemmalle, jos olisi käytettävissä lisää jäähdytystä eli kylmempää (esim. 30 astetta) vettä. Tällöin laite toimisi paremmin.
MONENLAISTA LÄMPÖÄ
Edellä kuvatussa prosessissa lämmön luovutus alkaa 65 asteisen höyryn jäähtymisellä. Jos tätä energiaa (rusina pullassa) otettaisiin pienempään vesimäärään, niin saataisiin noin 60 asteista vettä. Sitä voitaisiin käyttää lämpimän käyttöveden viimeistelyyn, joka tässä kokeilussa hoidettiin sähköllä. Pääosa (nesteytyminen) lauhdutettaisiin säiliöön, johon muodostuisi n. 40 asteista vettä. Tätä voitaisiin käyttää lämmityskiertoon ja käyttöveden esilämmitykseen. Jos vielä olisi käyttöä tuolle 30-asteiselle vedelle, niin se energia olisi ilmaista.
Näillä periaatteillahan kaupalliset ratkaisut toimivat. Varaajia on siis ainakin kaksi tai sitten on huolehdittu siitä, että kerrostuminen säilyy varaajassa, jolloin yläosassa on kuumempaa.
Hiilidioksidilla toimivassa ylikriittisessä prosessissa ei ole ollenkaan nesteytymistä luovutusvaiheessa, vaan kaikki energian luovutus tapahtuu kaasua jäähdyttämällä. Tällöin luovutetun energian lämpötila laskee jatkuvasti prosessin edetessä.
PARI KUVITELTUA TAPAUSTA
Seuraavista käytän termiä kuviteltu. En tiedä, onko tuon tapaisia olemassa, koska tekniikka ja järkevyys asettavat usein rajoja. Kuitenkin niiden avulla voi ymmärtää muutamia prosessin lainalaisuuksia.
Kuvassa kahdeksan on piirretty esimerkkinä kylmäaineen 404A kaavioon kaksi erilaista prosessia. Punainen on kuviteltu ylikriittinen, jossa höyry on höyrystymisen jälkeen kuivunut ja kuumennut pisteeseen 6 bar, 35 astetta. Kompressori puristaa höyryn pisteeseen 65 bar, 140 astetta isentroopista käyrää pitkin. Tällöin ollaan kriittisen pisteen yläpuolella, missä nestettä ei esiinny ollenkaan.
Lämpöä luovuttaessaan kaasu jäähtyy siis jotakuinkin tasaisesti 140 asteesta 55 asteeseen. Tällöin ei puhuta lauhtumisesta eli nesteytymisestä. Tämän jälkeen tapahtuu paisunta eli tullaan alas. Erään kirjallisen maininnan mukaan paisuntaventtiilistä tulee ylikriittisessä tapauksessa kosteaa höyryä.
Kuva 8. Kaksi kuviteltua prosessia kylmäaineelle 404A. Punainen on ylikriittinen ja vihreä alikriittinen eli tavanomainen.
Myös alikriittinen prosessi on ulotettu 30 barin paineessa isotermille 100 astetta. ”Normaalisti” se kulkisi pari isentrooppia vasemmalla, jolloin tultaisiin noin 70 asteen isotermille.
Luulisin, että tuo ylikriittinen tapaus ei ole järkevä tällä jäähdykkeellä, koska hiilidioksidilla saadaan samantapainen ja paljon parempi. Hiilidioksidin etuja kaikkiin muihin aineisiin nähden ovat hinta, myrkyttömyys ja paremmat lämpöominaisuudet.
MITÄ JÄI KÄTEEN JA MITEN HOMMA JATKUU?
Mikäli laitteen kokeilu ja kehittely jatkuvat, niin lauhdutin pitää rakentaa siten kahteen osaan kuin yllä on kuviteltu. Eräs tapa alijäähdytykselle eli kolmannelle fraktiolle voisi olla patterikierrosta palaava vesi, mikäli se on 30 asteen tietämissä. Jos rakentaisin vielä taloa, niin ainakin vesikiertoinen lämmitys pitäisi mitoittaa niin, että paluuvesi olisi riittävän viileätä. Tällöin lämpöenergian siirtäminen siihen voitaisiin tehdä riittävän alhaisessa lämpötilassa.
Laitteeseen pitää myös laittaa termostaattiohjaus ja se ei ole kovin vaikeaa toteuttaa. Sulatusautomaatio on jo vähän vaikeampi, mutta käsittelyn alla on logiikkayksikkö, jolla luultavasti voidaan hoitaa kaikenlaista ohjausta.
Kesän aikana sähkön eli kaiken energian kulutus on ollut 20 kWh/vuorokausi. Vesi-ilpin käyttöön on mennyt arvioni mukaan noin 3 kWh/vrk. Se ei ole paljon. Joskus mitattu kesäinen öljyn kulutus on ollut ainakin 2,5 l/vrk. Vuotuinen sähkön kulutus ilman ilppejä oli ennen 6000 kWh. Lattialämmitys ei ole nyt toiminut aivan sillä teholla kuin öljyllä, joten aivan vertailukelpoisia nuo luvut eivät ole. Lisäksi on otettava huomioon se, että syksystä lähtien ilpin laiton jälkeen seurasin energian käyttöä ja karsin tarpeetonta. Suuri vähennys tapahtui kun tietokoneen 200 w ja pyyhetelineen 80 wattia pantiin aisoihin. Jälkimmäisessä on kellokytkin.
Ajankohtaista on kuitenkin nyt, että ensi viikolla asennetaan kaukolämpö. Sitten pitää miettiä tuon vesi-ilpin kohtaloa.
LOPUKSI
Luultavasti samansuuntainen tulos kesän aikana saataisiin yksinkertaisella aurinkoenergian keräimellä. Laitetaan katolle tai muuhun aurinkoiseen paikkaan mustaksi maalattu säiliö. Verkosta tuleva vesi lämpenisi siinä ainakin 30 asteeseen. Käyttöveden tulo lämmittimeen ohjattaisiin kesän aikana sen kautta. Yleensä energiaa on runsaasti kaikkialla, mutta sen käyttö ei aina onnistu. Ehkä syksymmällä vielä kokeilen laitetta kylmemmillä keleillä.
Suoran sähkölämmityksen käyttö tulee vaikeutumaan jatkossa. Siinä on vähän saman suuntainen asia, kuin että leivotaan viinereitä ja syötetään niitä sioille. Sähkön tekeminen polttoaineilla tuottaa paljon saastetta ja lisäksi usein lämpöjätettä, joka on jonnekin toimitettava. On itse asiassa hyvin mieletöntä, että polttoaineesta jalostetaan sähköksi alle puolet ja loput heitetään menemään. Saadulla sähköllä sitten lämmitetään vettä….
Energian tuottaminen on yleisesti ottaen saasteellista ja sen hinnasta suurin osa on politiikkaa. Jos saasteetonta energiaa olisi saatavissa halvalla, niin luultavasti ihminen tuhoaisi maapallon nopeasti – jokainen kaalimaa saisi asvaltin. Energian hinta jarruttelee ja kannattanee ajatella, että käyttämällä kallista energiaa pelastamme maailman.
Siinähän vain osa nesteestä höyrystyy, loput höyrystyy vasta höyrystimessä. Vaan mahdoitko tarkoittaa että sieltä höyrystimestä... ?
). Tällöin tarvitaan sen laatikon koko vasen reuna sinne rajan vasemmalle puolelle, mikä lienee mahdotonta ???. Jos taas sanotaan "paisuntaventtiilille tulee varmuudella vain nestettä", niin silloin riittää kun se yläkulma on siellä rajan ulkopuolella.
