TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO  
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma

SAKSI, HELI: Kylmäaineen vaikutus pientalomaalämpöpumpun energiatehokkuuteen

Diplomityö, 97 sivua, 23 liitesivua   Helmikuu 2009
Pääaine: Lämpö- ja virtaustekniikka
Tarkastaja: professori Antero Aittomäki
Avainsanat: maalämpöpumppu, kylmäaine, tulistuminen, lämpökerroin, käyttöveden lämmitys, energiatehokkuus

Tämä diplomityö on esiselvitys tulistuksenpoistoa hyödyntävän pientalomaalämpöpumpun tuotekehityshankkeelle. Järjestelmällä lämmitetään sekä keskuslämmitystä että käyttövettä. Turvallisuus, ympäristö ja suorituskyky asettavat jatkuvasti tiukentuvia vaatimuksia kylmäaineille. Vertailussa selvitetään vaatimukset täyttävien, lämpöpumppuprosessille potentiaalisten kylmäaineiden vaikutusta prosessin paineisiin, puristuslämpötilaan ja tulistuslämpöön sekä järjestelmän energiatehokkuuteen. Tulistuslämpö on energiamäärä, joka vapautuu, kun kompressorissa puristettu kuuma kylmäainekaasu jäähtyy lauhtumislämpötilaan. Päämääränä on löytää energiatehokkain yleisesti hyväksyttävä kylmäaine uuteen maalämpöpumpputuotteeseen. Lähtökohtana on yksiportainen prosessi. Sisäisen lämmönsiirtimen vaikutus todetaan työssä pieneksi.

Kylmäainevertailussa selvitetään eri kylmäaineilla saatavia lämpökertoimia. Työssä pyritään saavuttamaan Euroopan Komission asetuksen 2007/742/EY vaatimukset maalämpöpumpun lämpökertoimelle ja kylmäaineen GWP -arvolle (Global Warming Potential). Energia-analyysissä vertaillaan vuosienergiakulutuksia ja vuosilämpökertoimia. Kylmäaineiden termodynaamiset ominaisuudet saadaan NIST RefProp 8.0 -ohjelmasta. Kylmäainevertailu sekä vuosienergiankulutuksen tarkastelu suoritetaan Microsoft Office Excel -ohjelmalla. Hiilidioksidi (CO2) poikkeaa muista kylmäaineista, joten sitä tarkastellaan erillään. Sen painetasot ovat erittäin korkeita ja lauhdutinpuoli on kriittisen pisteen yläpuolella, jolloin lauhtumisen sijasta tapahtuu kaasunjäähdytys. CO2:n korkeapainepuolen paineet optimoidaan EES -ohjelmalla. Hyvä lämpökerroin edellyttää matalaa kaasunjäähdyttimen ulostulolämpötilaa, jolloin järjestelmässä täytyy olla lämmönsiirtimet käyttöveden esi- ja loppulämmitykselle sekä keskuslämmitykselle. Täystehoisia kaupallisia CO2 -maalämpöpumppuja ei vielä ole, mutta uusissa energiatehokkaissa taloissa niillä todetaan olevan potentiaalia.

EU: n lämpökerroinvaatimukset saavutetaan, kun höyrystimen tulistus ja lämmönsiirrinten lämpötilaerot saadaan pieniksi. Lämpökertoimen parantuminen vähentää sähkönkulutusta. Tulistusominaisuuksien ja lämpökertoimen yhteisvaikutukset ratkaisevat kylmäaineen energiatehokkuuden, koska lämmityksen lämpötilatasot ja lämpimän käyttöveden tuottotavat vaikuttavat kokonaisenergiankulutukseen. Työssä tarkastellaan tulistuksen riittävyyttä erilaisissa lauhtumislämpötiloissa, kun käyntiajat ja lämmöntarpeet muuttuvat vuodenajan mukaan. Käytännössä energiatehokkainta on lauhtumislämpötilatason nosto tarvittaessa ulkolämpötilan ja kesällä tulistuksen riittävyyden mukaan. Lauhtumislämpötilaa nostetaan lämpökertoimen kustannuksella, mutta samalla sähkövastuksen osuus pienenee. Työssä nähdään, että täystehoinen tulistuksenpoistoa hyödyntävä järjestelmä on selkeästi energiatehokkain ratkaisu. Osatehoisen järjestelmän sähkönkulutus on noin neljänneksen suurempi. Kahdesta lupaavimmasta kylmäaineesta R407C on hieman ainetta R410A energiatehokkaampi, mutta molemmilla on etuja.

Koko diplomityö on luettavissa tästä.

Tiivistelmä täysteho-osatehovertailun pääkohdista ladattavissa tästä.