MAALÄMPÖ TEORIASSA JA KÄYTÄNNÖSSÄ

MAAPUTKISTON KERÄÄMÄ ENERGIA   maapiirin teho: Pmaapiiri = C * qm * Δt missä: P = teho (kW) C = ominaislämpökapasiteetti (kJ/kg* ͦC) qm = massavirta (kg/s) Δt = lämpötilaero (ͦC) esim: Pmaapiiri = 4,2 kJ/kg*Cº * 0,5 kg/s * 3 ͦC Pmaapiiri = 6,3 kJ/s Pmaapiiri = 6,3 kW ______________________

2. maapiirin energia:   Emaapiiri = P * t missä: E = energia (kWh) P = teho (kW) t = aika (s) esim: Emaapiiri = 6,3 kW * 3600 s Emaapiiri = 22680 kWs Emaapiiri = 22680 kWs / 3600 s/h Emaapiiri = 6,3 kWh

Yksikkö: kWh/(m*vuosi) PORAKAIVO: n. 40kWh/m*a (80 kWh/porausmetri*a)

Missä: D on putken halkaisija [m], v on fluidin keskimääräinen virtausnopeus [m/s], ρ on fluidin tiheys [kg/m3] ja μ on fluidin dynaaminen viskositeetti [Pa s]. Putkivirtauksessa Reynoldsin luku tulkitaan seuraavasti: alle 2300: laminaarinen virtaus 2300–4000: siirtymäalue, jossa virtaus voi olla laminaarinen tai turbulenttinen tai vaihdella näiden välillä yli noin 4000: turbulenttinen virtaus Putkivirtaukselle Reynoldsin luku merkitään muotoon[4]:

Virtauksen muuttuminen täysin turbulenttiseksi on vaikea ennustaa tarkasti, ja vasta kun Re on noin 10 000 voidaan virtausta pitää varmasti täysin turbulenttisena.

Yleisin lämpöpumppu perustuu Clausius-Rankine kiertoprosessiin.   Koneistossa kiertävä matalapaineinen kylmäaineneste höyrystyy ja kompressorin jälkeen korkeapaineinen höyry lauhtuu. Kylmäaineen höyrystyminen vaatii lämpöä ja lauhtumisessa lämpöä vapautuu kylmäaineesta lämmitettävään kohteeseen.

Höyrystymispaineeseen kuristettu kylmäaineneste höyrystyy lämmönkeräys-liuoksen luovuttamalla lämpöenergialla.   Yleensä kylmäaine myös tulistuu jonkin verran höyrystimessä. Syntyvä höyry puristetaan kompressorissa korkeampaan paineeseen, jolloin se lämpiää huomattavasti.

  Lämpöpumppuprosessin korkein lämpötila on kompressorin jälkeen, jolloin kylmäainetta nimitetään kuumakaasuksi. Korkeapaineinen lämmin kylmäainehöyry kiertää kompressorin jälkeen lauhduttimeen, jossa kylmäaineesta vapautuu lämpöä

HFC -kylmäaineiden alikriittisen perusprosessi esitetään kuvassa 5.2.

1. Kompressoriin menevä höyry höyrystimestä 2. Kuumakaasu kompressorin jälkeen 2s. Isentrooppinen puristustila 3. Lauhtumispiste, tulistus poistunut 4. Lauhtunut neste 5. Neste höyrystimeen paisuntaventtiilin jälkeen 6. Kylläinen höyry, dew point. Tilapisteiden arvot saadaan NIST RefProp -ohjelmasta. Lauhtumispiste (piste 3) on piste, jossa tulistus on poistunut, mutta kylmäaine on vielä täysin kylläistä höyryä. Lauhtumisen loppulämpötila (4) saadaan kylläisen nesteen arvoista, kun paine oletetaan vakioksi lauhtumisessa ja alijäähtyminen oletetaan nollaksi.

Höyrystymisen alkupiste (5) eli piste kuristusventtiilin jälkeen ennen höyrystintä saadaan olettamalla, että entalpia ei muutu kuristusventtiilissä ja paine on sama kuin höyrystymispaine. Paine saadaan höyrystymislämpötilasta (6) höyrystimen lopussa, jolloin kylmäaineneste (5) on höyrystynyt kokonaan kylläiseksi höyryksi (6), mutta se ei ole vielä tulistunut yhtään.

Höyrystymispisteen (6) lämpötila saadaan valitun maasta tulevan lämmönkeräysliuoksen lämpötilan ja höyrystimen lämpötilaeron avulla. RefProp - ohjelmassa voidaan määrittää häviöttömän eli isentrooppisen puristustilan entalpia h2s kompressorin jälkeiselle kuumakaasulle. Se saadaan lauhduttimen paineen ja kompressoriin menevän tulistuneen höyryn (1) entropiasta, kun oletetaan että entropia on vakio. Kuumakaasun todellinen lämpötila (2) saadaan isentrooppisen hyötysuhteen ηs avulla. Se määritellään isentrooppisen puristuksen ja todellisen puristuksen entalpioiden suhteena.

Kun kompressori oletetaan adiabaattiseksi eli lämpöeristetyksi, kuumakaasun entalpia h2,ad saadaan kaavalla (5.3).  

Kylmäaineseokset jaetaan faasinmuutoskäyttäytymisensä perusteella atseotrooppisiin ja tseotrooppisiin seoksiin. Tseotrooppisilla kylmäaineilla on erilaiset koostumukset kaasu- ja nestefaasissa faasimuutoksen aikana, koska seoskylmäaineen eri komponentit höyrystyvät ja lauhtuvat puhtaina aineina eri lämpötiloissa. Höyrystymisessä herkemmin höyrystyvät komponentit muuttuvat nopeammin, jolloin lämpötilan on noustava höyrystymisen jatkumiseksi loppuun. Höyrystyminen ja lauhtuminen tapahtuvat tietyllä lämpötilavälillä, vaikka paine pysyy vakiona.

Hiilidioksidi kylmäaineena   Hiilidioksidia (CO2) käytettiin kylmäaineena 1800 -luvun loppupuolelta aina 1950 -luvulle asti, kunnes CFC -aineet syrjäyttivät sen ja siitä luovuttiin. Hiilidioksidin ongelmia olivat suuri höyrynpaine ja huono hyötysuhde.

1980 -luvulla norjalainen professori Gustav Lorentzen kehitti hiilidioksidijärjestelmien prototyyppejä, joiden avulla hän esitteli hiilidioksidin potentiaalia kylmäaineena.   Hiilidioksidia alettiin kehittää uudelleen kylmäaineeksi 1990 -luvun alussa, koska ympäristöasioiden rooli kasvoi yhä suuremmaksi.

Hiilidioksidi poikkeaa ominaisuuksiltaan huomattavasti muista kylmäaineista. Taulukosta 4.3 nähdään, että hiilidioksidin kriittinen lämpötila on huomattavasti alhaisempi ja paine korkeampi kuin muilla kylmäaineilla. Hiilidioksidin kriittisen pisteen lämpötila on noin 31 ºC ja paine 73,8 bar. Perinteisellä, maalämpöpumpuissa yleisesti käytetyllä, HFC -kylmäaineseoksella R407C kriittisen pisteen lämpötila on noin 86 ºC ja paine 46,3 bar.

Hiilidioksidilämpöpumpun transkriittisten prosessien korkeapaine-puolen paineet ovat noin 5 – 10 -kertaisia verrattuna perinteisten alikriittisten prosessien lauhdutuspuolen paineisiin. Höyrystimessä paine on 20 – 40 bar ja lämmön luovutus tapahtuu 80 – 130 barin paineessa

Hiilidioksidin transkriittinen prosessi on esitetty kuvassa 4. 5 Hiilidioksidin transkriittinen prosessi on esitetty kuvassa 4.5. Transkriittinen kiertoprosessi koostuu ylikriittisestä lämmönpoistosta ja höyrystimen alikriittisestä eli subkriittisestä lämmöntuonnista. HFC -kylmäaineilla myös lämmönpoisto tapahtuu subkriittisellä alueella eli höyry lauhtuu nesteeksi. Ylikriittisessä prosessissa ei tapahdu faasin muutosta, vaan nesteen ja höyryn seos ainoastaan jäähtyy. Kaasun jäähtyessä hiilidioksidinesteen ja -höyryn seoksen tiheys kasvaa ja samalla nopeus laskee.

Kuvasta 4.6 nähdään että hiilidioksidin isotermit ovat lähes vaakasuorat, kun paine ja lämpötila ovat lähellä kriittistä pistettä. Tällöin lämmönluovutuksen lämpötila on lähes vakio tietyssä paineessa. Prosessi muistuttaa perinteisten kylmäaineiden alikriittistä lauhtumista. Korkeammilla paine- ja lämpötilatasoilla lämpötila muuttuu voimakkaasti lämmönluovutuksessa. Hiilidioksidikaasun jäähtymisestä seuraa huomattavasti suurempi lämpötilaero kuin subkriittisessä prosessissa. Kaasu jäähtyy useita kymmeniä asteita. Termodynaamiset häviöt kasvavat, kun lämmönpoiston lämpötila ei ole vakio. Suurta lämpötilanmuutosta hyödynnetään lämpöpumppujen käyttöveden lämmityksessä.

Kuva 4.7 Kaasun ulostulolämpötilan vaikutus kylmäkertoimeen korkeapaineen funktiona jäähdytysjärjestelmässä Kaasunjäähdyttimen jälkeen virtaus paisuu kriittisen paineen alapuolelle paisuntaventtiilissä. Tällöin neste- ja höyryfaasit erottuvat toisistaan ja kylmäaine muuttuu kosteaksi höyryksi. Höyrypitoisuus riippuu paisunnan alku- ja loppupisteistä.

Hiilidioksidilämpöpumpun suunnittelu poikkeaa perinteisen lämpöpumpun suunnittelusta, koska sen ominaisuudet poikkeavat perinteisistä kylmäaineista. Painetasot ovat huomattavasti korkeammat kuin muilla kylmäaineilla, mikä asettaa omat vaatimuksensa laitteistolle. Toisaalta hiilidioksidin vaadittu massavirta on pienempi ja sen myötä komponentit sekä putkikoot ovat pienemmät kuin perinteisillä kylmäaineilla. Painelaitedirektiivin (PED, 97/23/EY) luokka määräytyy tilavuudesta tai putkikoosta sekä suurimmasta sallitusta käyttöpaineesta. Hiilidioksidilla putkikoot jäävät normaalisti alle direktiivin alarajan, jolloin luokka on yksi ja mitoitus ei aiheuta ongelmia.

Transkriittisessä prosessissa kaksiportainen puristus kompressorissa vähentää korkean lämmönpoistopaineen tuomia haittoja, koska painesuhde pienenee ja lämpötilataso laskee. Kaksiportaisella puristuksella voidaan parantaa prosessin tehokkuutta merkittävästi. Puristuksen porrastus voidaan toteuttaa laittamalla useampi kompressori sarjaan tai järjestämällä yhteen kompressoriin välijäähdytys.

4.8.5. Hiilidioksidi lämpöpumpuissa Laaja kaupallisten hiilidioksidilämpöpumppujärjestelmien kehitys asuinrakennuksiin alkoi Japanissa 1990 -luvun puolivälissä. Denson järjestelmä tuli markkinoille ensimmäisenä vuonna 2001, minkä jälkeen tulivat Sanyo ja Daikin vuonna 2002, ja Mitsubishi vuonna 2003. Nyt yli 17 yritystä myyvät järjestelmiä. Lämpökertoimet ovat parantuneet nopeasti yli arvon 4,0 kasvavan kilpailun myötä. Japanissa huomattiin, että veden varastoiminen erittäin korkeassa lämpötilassa pienentää tarvittavan varaajan kokoa. Varaajan eristyksellä on myös parannettu energiatehokkuutta vähentämällä lämmönhukkaa. Myös äänekkyyttä on pienennetty aktiivisesti.

Euroopan Unioni on rahoittanut käyttöveden lämmitykseen soveltuvien hiilidioksidi-lämpöpumppujen kehitysprojekteja ja myöhemmin hankkeisiin on sisältynyt myös vesikeskuslämmitysmahdollisuudet. Monet yliopistot ja tutkimuslaitokset ovat kehittäneet hiilidioksidilämpöpumpun prototyyppejä, mutta kaupalliseen sarja-tuotantoon ei ole vielä päästy järjestelmissä, jotka soveltuisivat kokonaisvaltaisesti sekä käyttö- että lämmitysveden tuottoon. (Sienel 2006, s. 41)

Kuva 4.8 Yksiportaisen transkriittisen hiilidioksidilämpöpumppuprosessin lämpökerroin (COP) kaasunjäähdyttimen hiilidioksidin ulostulolämpötilan (CO2 Outlet Temperature) ja korkeapaineen funktiona. Höyrystymislämpötila on -5 ºC, tulistus 5 ºC, isentrooppinen hyötysuhde kompressorille on 0,6 ja lämmönhukka kompressorista oletetaan olevan 10 %. Vaaka-akselilla on lämpötila ja käyrät kuvaavat eri paineita. Suluissa on ilmoitettu hiilidioksidin sisäänmenolämpötila kaasunjäähdyttimeen

Maksimilämmitystehontarve on 10,5 kW. Taulukossa 6 Maksimilämmitystehontarve on 10,5 kW. Taulukossa 6.2 esitetään käyttöveden lämmitystarpeen jakautuminen ylä- ja alavaraajaan eri lauhtumislämpötiloissa. Nähdään, että käyttöveteen menevä kokonaisteho tehdyillä oletuksilla on 0,5 kW. Tällöin lämmityksen maksimitehontarpeeksi jää noin 10 kW. Kokonais-lämmitysenergian tarve vuodessa lasketaan pysyvyyskäyrältä vuorokausien energiantarpeiden summana ja arvoksi saadaan 23955 kWh, josta käyttöveden lämmitysenergia on 4088 kWh vuodessa. Taulukko 6.2 Käyttöveden (200 l/vrk) lämmitystarpeen jakautuminen alkulämmitykseen ja loppukuumennukseen eri lauhtumislämpötilatasoissa.