Soojuspump

Tööpõhimõte

Nagu eespool mainitud, on soojuspump seade, mis võimaldab soojust üle kanda madalama temperatuuriga keskkonnast kõrgema temperatuuriga keskkonda. Kuivõrd üldjuhul levib soojus kõrgema temperatuuriga keskkonnast madalama temperatuuriga keskkonda, peavad soojuspumbad suutma muuta soojuse liikumise suunda vastupidiseks. Selleks kasutatakse lisa (elektri)energiat kompressori käitamiseks või soojusenergiat adsorberis. Soojuspumbad võivad olla kompressoriga või adsorptsiooni tüüpi (samuti kui külmkapid).

Kompressorsoojuspump

Kompressorsoojuspump (joonis 1) koosneb neljast torustikuga ühendatud põhiosast: 
kondensaator 1; paisventiil 2 (rõhu langetamine); aurusti 3; kompressor 4 (rõhu tõstmine). Külmaaine keemispunkt peab olema madalam kui välise keskkonna temperatuur. Aurustunud külmaaine surutakse kompressoriga kokku 10–20 baari võrra, see veeldub, temperatuur tõuseb mitukümmend kraadi, ja soojuskandja suunatakse edasi kondensaatorisse. Kondensaatoris annab see ära oma soojuse soojendatavale keskkonnale: ruumi õhule või väljast sisenevale õhule. Külmaaine suubub edasi läbi paisventiili aurustisse, kus ta aurustub, tema rõhk ja temperatuur langevad. Seega on külmaaine temperatuur madalam aurustit ümbritseva keskkonna temperatuurist ja ta on võimeline võtma soojust väliskeskkonnast. Nii toimubki soojuse pumpamine madalatemperatuurilisest keskkonnast kõrgema temperatuuriga keskkonda, mille juures kulutatakse lisaenergiat külmaaine teisaldamiseks. Külmaaine rõhk ja temperatuur sõltuvad eelkõige kompressori tüübist, võimsusest ja küttevajadusest. Kõrge rõhu ja temperatuuri saavutamine kahandab soojuspumba tõhusust. Seetõttu on arendatud invertertehnoloogia (sagedusmuundur), mis võimaldab vähendada kompressori võimsust väiksema küttevajaduse korral elektrimootori kiiruse sujuva vähendamise teel ja selle kaudu suurendada soojuspumba soojustegurit. Soojuspumbast väljuva küttevee vajalik temperatuur sõltub ka sellest, kas hoones on põrandküte (küttevee temperatuur kuni 35 °C) või radiaatorid (tempetatuur kuni 50–60 °C).

Adsorptsioonsoojuspump

Adsorptsioonpumbad erinevad eelmistest selle poolest, et külmaainet ei pane liikuma kompressor, vaid soojusenergia. Töökehas osaleb peale külmaaine ka absorbent. Adsorptsioonpumba töötsükkel erineb kompressoriga soojuspumba omast selle poolest, et absorberis neelatakse aurustist tulev töökeha – aur – vedela absorbendi poolt. Seega toimub töökeha aurustumine aurustis, selle tulemusena on aurusti temperatuur madal ja ta võtab soojuse väliselt soojuskandjalt. Edasi läheb see külmaainega küllastatud vedelik soojendisse (seda köetakse mingi välise soojusenergiaga: elekter, gaas, vedelkütus jmt), kus suurema rõhu ja lisasoojusenergia toimel külmaaine aurustub lahusest, satub kondensaatorisse, kondenseerub ja annab selle tulemusel oma soojuse ära. Kondensaatorilt saab soojuse näiteks ruumiõhk. Väikese külmaaine sisaldusega absorbent läheb läbi paisventiili jälle absorberisse. Külmaainena kasutatakse siin tavaliselt ammoniaagi ja liitiumbromiidi vesilahuseid. Adsorptsioonsoojuspumpade soojustegur on ideaaljuhul kuni kaks. Alati jääb aga seda tüüpi seadmete soojustegur väiksemaks kompressorsoojuspumpade omast. Samas saab sellist soojuspumpa või külmutit kasutada kohas, kus elekter või muu mehaaniline energiaallikas puudub.

Pööratav soojuspump

Pööratav soojuspump töötab ühes või teises suunas, st soojuspump võib ruumi kütta või jahutada. Neil on külmaaine ümberlülitusventiil, mis suunab külmaaine kompressorist kondensaatorisse või aurustisse. Kütteolukorras on välisõhus (pinnases) aurusti torustik, samas kui siseruumides on kondensaatori torustik. Soojusvahetuspinna ja soojusülekande suurendamiseks õhu keskkonnas on need torustikud varustatud jahutusribidega. Sisuliselt on tegemist kalorifeeridega. 
Külma ilmaga tuleb välist soojusvahetit aeg-ajalt üles sulatada. Seda tehakse elektrilise küttekehaga. Samuti on võimalik välist soojusvahetit üles sulatada sooja külmaainega. Kondensaatori ja aurusti ventilaatorid ei tööta sulatamise ajal.
Ruumide jahutusolukorras on tsükkel sarnane, kuid väljas on väline soojusvaheti muudetud kondensaatoriks ja siseruumis on aurusti. Selline olukord saavutatakse külmaaine liikumissuuna muutmise teel. Soojuspumba töö ümberpööramiseks tuleb kompressori imemis- ja survepool vahetada kondensaatori-aurusti suhtes vastava ümberlülitusventiili abil. Joonisel 1 nooltega näidatud külmaaine liikumissund muudetakse vastupidiseks. Ruumi jahutamisel, kui aurusti temperatuur on madalam kastepunkti temperatuurist, tekib aurusti pinnale kondensatsioonivesi ruumi õhus olevast veeaurust. See vesi juhitakse kanalisatsiooni või lihtsalt toru abil ruumist läbi seina välja.

Soojustegur

Soojuspumba kütteenergia koosneb kahest osast: energiast, mis võetakse madalatemperatuurilisest keskkonnast aurusti kaudu, ning kompressori tarbitud ja soojuseks muundatud energiast. Soojuspumba töö efektiivsust võib iseloomustada soojusteguriga (ingl k COP – coefficient of perfomance), mis on kogu saadud soojus­energia ja kompressori tarbitud energia suhe. Soojuspumpade soojustegur võib teoreetiliselt olla 3–10. Määravaks on temperatuuritõus. Mida väiksem on temperatuuritõus (keskkondade temperatuuride vahe), seda suurem on soojustegur.
 Soojustegurit ei peaks nimetama kasuteguriks, sest viimasel on tehnikas väga kindel tähendus: saadud energia suhe tarbitud energiasse ja see on alati väiksem kui üks (ehk väiksem kui 100%). Vaata ka soojusmasina kasutegur.
Kuna soojustegur muutub hooaja jooksul, siis peegeldab küttelahenduse efektiivsust paremini hooaja keskmine soojustegur (SPF – seasonal perfomance factor). Hooaja keskmine soojustegur (SPF) jääb maasoojuspumpade puhul järgmistesse vahemikesse: põrandkütte puhul 3,5–4 ning radiaatorkütte puhul 3–3,5. Soojustegurite erinevused on tingitud asjaolust, et radiaatorkütte puhul on vajalik maksimaalne väljundtemperatuur kõrgem (~50 °C) kui põrandkütte puhul (~35 °C).

Maasoojusenergia liigid

Maasoojus hõlmab nelja liiki energiaallikat: energiakaev, maapind (maakollektor), põhjavesi ja veekogu (veekollektor). Soojuspumbale sobiv energiaallikas valitakse lähtuvalt hoone energiavajadusest ja asukohast.
Maakollektor
Suvel salvestub maapinna ülemistesse kihtidesse päikeseenergia. Lisaks päikeseenergiale salvestub maapinda ka vihmavee- ja maapinna lähedase õhu soojusenergia. Kollektori pikkus sõltub soojuspumba võimsusest, ulatudes 250–5000 m. Torustik paigaldatakse 100 cm sügavusele vahekaugusega vähemalt 1 m ja täidetakse külmumiskindla vedelikuga (soojuskandja). Torustikus ringlevale soojuskandjale ülekandunud maasoojusenergiat kasutatakse soojuspumba abil hoonete kütmiseks ja sooja tarbevee tootmiseks. Maakollektori kasutamine on ülimalt säästlik meetod. Suurim soojuspumba tootlikkus saavutatakse niiske pinnase korral.
Veekollektor
Kui maja on ehitatud veekogu lähedale, siis saab soojuspumbaga veekogu põhja paigaldatud kollektori abil ammutada kütmiseks vajalikku soojusenergiat.
Energiakaev
Maapinna sügavamas aluskihis asub peaaegu konstantse temperatuuriga aastaringne geotermiline energiaallikas. Energiakaevudeks nimetatakse vertikaalseid või kaldu puurauke, millesse paigaldatud torustiku kaudu ammutatakse pinnasekihti salvestunud päikeseenergiat hoonete ja tarbevee kütmiseks.
Puuraugu läbimõõt on enamasti 50–160 mm. Väikesema läbimõõduga puuraukudesse (50–100 mm), mida kasutatakse otseaurustumisega soojuspumpade korral, paigaldatakse 15–30 m sügavusele väikese läbimõõduga vasktorud. Plasttorustikuga energiakaevud vajavad suurema läbimõõduga (100–160 mm) ja sügavusega (100–200 m) puurkaeve. Kui energiakaevud ei täitu veega, siis nad täidetakse. Energiakaevust saadav soojus kollektori toru meetri kohta on vähemalt kaks korda suurem võrreldes horisontaalse kollektoriga. Energiakaevu ei saa kasutada veevõtuallikana, kuna see võib jäätuda.
Põhjavesi
Põhjavett saab kasutada soojusallikana, sest temperatuur on aastaringselt 4–12 °C. Soojuspump kogub põhjavette salvestunud soojusenergiat. Tavaliselt kasutatakse kahte üksteisest 15–20 m kaugusel asuvat puurkaevu, ühte vee võtmiseks ja teist vee tagasijuhtimiseks. Rohke veetootlikkusega pinnastes on põhimõtteliselt võimalik kasutada vee pumpamist läbi soojuspumbas oleva aurusti (avatud süsteem) ning siis tagasi maapinda (soovitavalt teise puurauku), kus see taas soojeneb ja tekib ringlus kahe puurkaevu vahel. Puurkaevude süsteemi moodustavad puurkaevud peavad olema ühesügavused ning asuma ühes veekihis ennetamaks eri veekihtide segunemist ja veehulkade vähenemist väljapumbatavast veekihist. Sellise süsteemi negatiivseks küljeks on kindluse puudus maapinnas piisava veeringluse tekkimise osas. Põhjavee reostamise oht tekib ainult siis kui on eiratud paigaldusnorme. Õigesti koostatud süsteemis on põhjavee reostus välistatud.
Kasutatakse kahte liiki tööprintsiibiga maasoojuspumpasid.
Konstantse kondenseerumistemperatuuriga (fikseeritud kondenseerumine) – sel juhul hoiab soojuspump küttevee temperatuuri fikseeritud tasemel. Sõltumata küttesüsteemi temperatuurist töötab soojuspump kõrgel kondenseerumistemperatuuril. Sellisel puhul on soojuspumba soojatootlikkus madalam ja kompressori eluiga lühem. Oluliselt madalam COP ja väiksem energiasääst. Eeliseks on lihtne juhtimissüsteem ning puudub tundlikkus vooluhulga muutuste suhtes.
Muutuva kondenseerumistemperatuuriga (muutuv kondenseerumine) – sel juhul hoiab soojuspump küttevee temperatuuri vastavalt hetke küttevajadusele. See tähendab, et kütmiseks vajalik soojuskandja temperatuur reguleeritakse pöördvõrdeliselt välistemperatuuriga. Sooja tarbeveevee saamiseks on vajalik külmaaine kondenseerumistemperatuur umbes 60 °C. Muutuva kondenseerumistemperatuuriga süsteemi eeliseks on kõrge soojatootlikkus madala kondenseerumistemperatuuri juures ning maksimaalne energiasääst. Puuduseks on vajadus keerukama juhtimissüsteemi järele ning tundlikkus küttesüsteemi vooluhulga muutuste suhtes.
Otseaurustumisega maasoojussüsteem – otseaurustumisega maasoojussüsteemiks nimetatakse sellist, kus puudub vahepealse soojuskandjaga (etüleenglükool) tsirkulatsiooniring. Soojuse ülekanne väliskeskkonnast toimub otse külmaainele (külmutusagens). Tööpõhimõttelt sarnaneb see õhk-vesi-soojuspumbaga. Erinevus on vaid selles, et aurusti paikneb maa sees ja soojusenergiat saadakse maapinda akumuleerunud päikeseenergiast, mitte õhust. Torustik paigaldatakse analoogselt plasttoruga pinnasesse kaevamise teel horisontaalselt, või puuritavasse energiakaevu kas vertikaalselt või kaldu. Aurusti torumaterjalina kasutatakse enamasti hea soojusjuhtivusega vasktoru. Oluline on saavutada hea kontakt pinnasega, selleks puurkaevud täidetakse.

Külmaained

Maailmapraktikas on kasutusel põhiliselt aurukompressor-soojuspumbad (ja ka külmutusseadmed), kus termodünaamiliseks kehaks – külmaaineks (külmutusagensiks) on freoon. Freoonid ehk klorofluorosüsinikud on keemilised ühendid, milles üks või kõik orgaanilise ühendi vesiniku aatomid on asendunud kloori või fluori aatomitega. Üks levinumaid freoone on diklorodifluorometaan (CCl2F2), HCFC (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon) – ühendid, näiteks R22 (CHF2Cl), R142 (C2H3F2Cl) jt ning kloor-fluor-süsinikühendid, CFC (Chloro-Fluoro-Carbon) ühendid, näiteks R12 (CF2Cl2), R113 (C2F3Cl3) jt. CFC – ühendite tootmine Euroopas on aastast 1996 keelatud. Allpool vaadeldakse kloorivabadel freoonidel R134a, R152a ja R407C töötavate soojuspumpade mõningaid näitajaid. Soojuspumba kondensaatorist tarbijale antava soojuskandja võimalik maksimaalne temperatuur on 80 °C (R407C) kuni 100 °C (R152a). Normaalrõhul 101,3 kPa on nende freoonide keemispunkt (keemistemperatuur) tunduvalt alla 0 °C, s.t soojuspumba kõigis osades on võimalik ülerõhk. Seega võimalike ebatiheduste kaudu välisõhk süsteemi ei imbu. Soojuspumbas kasutatava külmaaine sattumine põhjavette on kinniste soojussüsteemide puhul välistatud. Samas avatud ja otseaurustiga süsteemide puhul on olemas võimalus, et külmaaine puutub kokku pinnase või põhjaveega. Kasutatavad ained on välistemperatuuri ja õhurõhu juures gaasilised ja lekete korral lenduvad ning seetõttu ei kujuta nad ohtu veekeskkonnale.