Ilmalämpöpumppu
Ilmalämpöpumppu ("lyh." ILP) on laitteisto, jolla siirretään lämpöenergiaa ulko- ja sisäyksikön avulla. Sisätilan lämpötilaa säädellään siirtämällä lämpöä ulkoilmasta sisäilmaan ja tarvittaessa päinvastoin sisäilman jäähdyttämiseksi. Perustoimintaperiaate on samanlainen kuin esimerkiksi jääkaapilla. Tärkeimmät erot ovat puhaltimet, nelitieventtiili ja ulko- ja sisäyksikön ohjauselektroniikka.
Ilmalämpöpumpulla lämpöä voidaan siirtää ulkoilmasta sisäilmaan huomattavasti edullisemmin kuin tavanomaisella sähkönvastukseen perustuvalla sähkölämmityksellä. Nykyisin ilmalämpöpumppujen ilmoitettu suorituskerroin (COP, Coefficient Of Performance) lämmityskäytössä on jopa yli viiden (COP > 5), kun ulkolämpötila on +7 °C. Tällöin yhdellä kilowattitunnilla sähköä saadaan siirrettyä yli viisi kilowattituntia lämpöä. Ulkoilman kylmetessä suorituskerroin ja pumpun lämmönsiirtokyky heikkenevät. Kehittyneimmät pumput tuottavat vielä liki -20 °C pakkasella lämpöä lähes kahden suorituskertoimella (COP ≈ 2).
Toisin päin käyttämällä ilmalämpöpumppu jäähdyttää sisäilmaa.
Kompressorin sähkömekaanisella työllä siirretään lämpöä kahden kennon välillä käyttäen hyväksi laitteen putkistossa kiertävän kylmäaineen olomuodon muutosta. Kun kylmäaine muuntuu nesteestä höyryksi ensimmäisessä kennossa (eli höyrystimessä), se sitoo voimakkaasti lämpöä itseensä, ja kun se tiivistyy takaisin nesteeksi toisessa kennossa (eli lauhduttimessa), vapautuu lämpöä. Sama perusilmiö on havaittavissa talvella tapahtuvassa veden ja jään olomuodon muutoksissa, kun mitataan lämmön sitoutumista aineeseen. Lämpöä siirretään kaasun mukana eli konvektiolla hyvin nopeasti kennosta toiseen. Tehokkaan järjestelmän yleistavoitteena on siis saavuttaa maksimaalinen olomuodon muutos molemmissa kennoissa niiden läpi kulkevalle lämmön välittämisestä vastaavalle kylmäaineelle. Tätä kylmäaineessa hyödynnettävää jyrkkää molekyylien energiatasojen siirtämistä tilasta toiseen kutsutaan fysiikassa yleisemmin myös faasimuutokseksi. Ilmalämpöpumppu on siten suora sovellutus termodynamiikan I ja II säännön hyödyntämisestä käytännössä.
Lämmityskäytössä kylmäaine sitoo ulkoyksikön kennossa höyrystyessään lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee ulkoyksikön höyrystimellä. Höyrystyessään kylmäaine sitoo paljon lämpöä, kun kylmäaineen olomuoto muuttuu nesteestä kaasuksi. Ulkoyksikön puhallin siirtää ilmaa kennon läpi tehostaen muuten passiivisen kennon lämmönsiirtokykyä. Kun höyry sisäyksikön kennolla myöhemmin tiivistetään nesteeksi, se luovuttaa tuon saman ulkoa saadun lämpöenergian pois. Aivan kuten ulkoyksikössäkin tuulettimella puhalletaan vapautuva lämpöenergia osaksi talon huoneen sisäilmaa.
Kompressori tuottaa sisäyksikön kennolle tarvittavan ylipaineen ja ulkoyksikön kennolle alipaineen.
Kompressori painaa höyryn sisäyksikön kennoon, jossa se paineen vaikutuksesta tiivistyy nesteeksi, ja yksikön kenno lämpenee. Lämmenneen kennon läpi puhalletaan ilmaa, joka lämpenee. Sisäyksikön jälkeen neste jatkaa paineen vaikutuksesta ulkoyksikön kennoon. Ennen ulkokennoa on kuristin eli pieni reikä, joka jarruttaa nesteen menoa ja säilyttää kompressorin paineen. Uusimmissa ilmalämpöpumpuissa käytetään kuristimen apuna jopa tarkemmin automatiikalla ohjattavaa elektronista paisuntaventtiiliä ja kompressorityyppinä scroll-kompressoria.
Lämmityskäytössä pumpun jatkuvan lämmöntuoton lisäksi katkaisevat aika ajoin tapahtuvat "sulatussyklit", joissa prosessi käännetään tarkoituksella hetkeksi jäähdytystilaan, jotta ulkokennoon syntyneet jääkerrostumat sulatetaan pois. Näiden normaalien sulatussyklien tiheys ja kesto ovat tärkeitä, kun pyritään maksimoimaan nykyisten ilmalämpöpumppujen lämmöntuoton tehokkuutta talven kylmimpien kuukausien aikana. Johtuen ulkolämpötilasta ja ilmankosteudesta ulkoyksiköllä olisi hyvä olla pohjapellin lämmitysvastus estämässä jään kerääntyminen sulatuksen jälkeen. Kaikki pumput eivät kuitenkaan tällaista vastusta kaipaa.
Jäähdytyskäytössä nelitieventtiili kääntää kylmäaineen virtauksen vastakkaiseksi, jolloin sisäyksikön kennossa höyrystyvä kylmäaine sitoo lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee. Sisäyksikön puhallin kierrättää kennon lävitse sisäilmaa, joka viilenee. Tiivistyessään ulkoyksikössä kylmäaine luovuttaa sisäyksikön kennolta saamansa lämpöenergian ulkoyksikön kennon ja puhaltimen avulla ulkoilmaan. Kylmäaineen virtaus tapahtuu siis vastakkaiseen suuntaan kuin lämmityskäytössä, samalla kun höyrystin ja lauhdutin vaihtavat myös keskenään paikkaansa.
Vaikka ilmalämpöpumpun toimintaperiaate on lämmitys- ja jäähdytyskäytössä sama, laitteen käyttötarkoitukset näissä tapauksissa eroavat toisistaan sen verran, että niille käytetään eri tavalla laskettua suhdelukua laitteen tehokkuuden mittana. Lämmityskäytössä tällaisena suhdelukuna käytetään lämpökerrointa, jolla tarkoitetaan lämmitettävään tilaan siirretyn lämpömäärän ("Q") ja tehdyn työn ("W") suhdetta:
missä "Q" on viileämmästä ympäristöstä (ulkoilmasta) otettu lämpömäärä. Jäähdytyskäytössä vastaavana suhdelukuna käytetään kylmäkerrointa eli jäähdytettävästä tilasta otetun lämpömäärän ("Q" ja tehdyn työn ("W") suhdetta:
missä "QH" on lämpimämpään ympäristöön luovutettu lämpömäärä.
Lämpö- tai kylmäkerrointa nimitetään toisinaan myös virheellisesti hyötysuhteeksi. Toisin kuin lämpövoimakoneen hyötysuhde, tämä kerroin on kuitenkin yleensä arvoltaan suurempi kuin 1. Sadi Carnot osoitti teoreettisesti, että lämmityskäytössä olevan lämpöpumpun lämpökerroin voi olla enintään
missä "T" on lämmitettävän tilan ja "T" ulkoilman absoluuttinen lämpötila. Vastaavasti jäähdytyslaitteen kylmäkerroin voi olla enintään
missä "T" on jäähdytettävän tilan ja "T" ulkoilman absoluuttinen lämpötila.
Jos esimerkiksi ulkoilman lämpötila on -10 °C eli noin 263 kelviniä ja sisäkennon lämpötila +50 °C eli noin 323 K, on lämpötilaero 60 °C. Carnot´n lämpöpumpun teoreettinen lämpökerroin on silloin COP = 323/60 = 5,4. Lämpötilaeron pienentyessä COP suurenee.
Edellä saatu luku 5,4 ilmoittaa, kuinka moninkertaisena ilmalämpöpumppuun syötetty sähköenergia voi teoriassa tulla lämpönä ulos. Käytännössä COP-arvot ovat selvästi pienempiä.
Teknisesti katsoen ilmalämpöpumput jakautuvat joukkoon erilaisia peruskokoonpanoja riippuen siitä, miten monta ulko- ja sisäyksikköä yhdessä järjestelmässä myydään paketissa kerralla. Karkea jako on seuraava: niin sanotut split-laitteet ja multi-split-laitteet.
"Split" -laite on kaikkein yksinkertaisin ja suosituin kuluttajamarkkinoilla: yhteen ulkoyksikköön on kytketty vain yksi sisäyksikkö kylmäaineputkituksen kautta. Tällainen laite soveltuu tyypillisesti yhden huoneiston tai pienen talon lämmitykseen ja jäähdytykseen, jos sisäyksikkö on sijoitettu järkevästi.
"Multi Split" -laite puolestaan sisältää yhden ulkoyksikön ja useamman sisäyksikön. Tällä pyritään kustannustehokkuuteen, koska ulkoyksikön tehon suuremmalla mitoituksella voidaan nyt ruokkia useampaa sisäyksikköä. Näitä järjestelmiä yleisimmin myydään hotellien, supermarkettien ja toimistotilojen käyttöön. Myös suuremmissa omakotitaloissa ja maatiloilla voidaan soveltaa tätä kokoonpanoa, jossa lämpö tai viilennys saadaan tasaisemmin leviämään suurempaankin tilaan.
Edellä mainittujen lisäksi on ilmalämpöpumpuissa vielä erikoisempia laitekokoonpanoja, joissa voidaan esimerkiksi yhteen ulkoyksikköön kytkeä kylmäaineputkiston jatkeeksi vaikkapa yksi ilmaa puhaltava sisäyksikkö ja sen kanssa rinnalla tai sarjassa ohjattava lattialämmityksen vesipiirin lämmönvaihdin. Kunnollisia nimityksiä näille harvinaisemmille kokoonpanoille ei toistaiseksi ole. Laitevalmistajat testaavat kuitenkin mielellään näitä laitteita energiatehokkuuden parantamiseksi juuri kuluttajamarkkinoilla esimerkiksi Aasian maissa.
Ilmalämpöpumppujen teholuokka ilmoitetaan BTU-”johdannaisena”: teho, joka tarvitaan sulattamaan yksi tonni (short ton = n. 907 kg) jäätä 24 tunnissa. Kertomalla BTU-arvo 0,293:lla, esimerkiksi 12 000 × 0,293 = 3 516 W, jossa 12 000 vastaa kaupallisten ilmalämpöpumppujen niin sanottua 12-sarjan laitetta. Ilmalämpöpumpun lämmitys- ja jäähdytystehossa on eroja. Mikäli lämmityskäytössä tavoitellaan energiasäätöä ilmalämpöpumpussa lämmitysteho on, määrästä riippumatta, energiatehokasta vasta suotuisalla COP-kertoimella. Toisaalta pelkkä korkea COP ei lämmitä eikä korkea lämmitysteho ole välttämättä energiatehokasta. Yleensä ilmalämpöpumpun hyötysuhde koneen käydessä osateholla on merkittävästi suurempi kuin jos kone joutuisi käymään koko tehollaan. Siten lämpöpumppujen teholuokkia tarkasteltaessa on huomioitava lämmitysteho (kW), jäähdytysteho (kW), COP, ottoteho (kW), EER sekä energiatehokkuus osa- ja täysteholla.
Ilmalämpöpumppujen lämpöä siirtävät kylmäaineet ovat kaasuseoksia, joiden nesteytymislämpötilat on suunniteltu tukemaan asuntojen lämmitys ja jäähdytystarpeita parhaalla mahdollisella tavalla. Vanhoja kylmäaineita ovat muun muassa R12, R-22, R407c ja R134a, jotka ovat kiellettyjen aineiden listalla. Näiden jälkeen markkinoille tuli R-410A. Edeltäjiinsä verrattuna se aiheuttaa merkittävästi vähemmän haittaa otsonikehälle.
Vuonna 2008 kylmäaineiden käsittelyä sääteli Suomessa ympäristölainsäädäntö, ja kylmäpiirin kytkentä- ja huoltotyöt kuuluivat tähän toimiluvan saaneille kylmälaiteasentajille. Markkinoille oli tosin tullut myös niin kutsuttuja itse asennettavia pikaliittimin varustettuja lämpöpumppuja, joiden asennus on niin helppoa, että laitetoimittajat myivät niitä kuluttajille ilman asennuspalvelua. Suomen valvontaviranomaisena toimiva Turvallisuus- ja kemikaalivirasto Tukes ylläpiti julkista listaa hyväksytyistä asennusliikkeistä, eikä se ollut hyväksynyt tätä asennustapaa ja tekniikkaa vielä yleiseksi käytännöksi . CO -pohjaisten pumppujen myötä tilanne voi muuttua kuluttajille entistä helpommaksi, koska hiilidioksidi ei vahingoita ilmakehää, vaikka oma asennus aluksi epäonnistuisi ja kaasua pääsisi karkaamaan ilmakehään. Valvontaviranomainen tulkitsi omassa työssään HFC-yhdisteiden käsittelystä annettua vuoden 2001 valtioneuvoston asetusta
Toukokuussa 2014 EU julkaisi F-kaasuasetuksen, jonka tavoitteena oli ohjata asteittain kylmäalan teollisuutta siirtymään F-kaasuista ympäristölle vähemmän haitallisiin vaihtoehtoihin. F-kaasut ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, eli niiden ilmakehään vaikuttava lämmitysvaikutus on suhteessa suurempi kuin muilla kasvihuonekaasuilla. Kasvihuonekaasujen lämmitysvaikutus ilmoitetaan GWP-arvolla (Global Warming Potential), jossa yhden kilogramman kaasumäärän lämmitysvaikutusta verrataan hiilidioksidin lämmitysvaikutukseen. Kylmäaineina käytettävillä HFC-aineilla GWP-arvot ovat 4-4000. F-kaasuasetus kannustaa luonnollisiin kylmäaineisiin siirtymistä, ja esimerkiksi R410-kylmäaineen käyttöä alettiin rajoittaa siirtymäajalla, joka alkoi vuonna 2017. Vuodesta 2025 lähtien F-kaasuasetus kieltää kasvihuoneilmiötä kiihdyttävien kaasujen käytön alle kolme kiloa kylmäainetta sisältävissä ilmastointilaitteissa.
Yleinen trendi on kehittää yhä enemmän luonnonmukaisia mutta prosessille kuitenkin tehokkaita kylmäaineita lämmönsiirtoon höyrystimen ja lauhduttimen välillä. R410A:n jälkeen seuraava teknologian muutos johtaa mitä todennäköisimmin aivan tavallisen hiilidioksidin (CO) valjastamiseen hyötykäyttöön ilmalämpöpumpuissa. Tämän aineen ympäristöhaitat ovat siten olemattomat ja täysin luonnonmukaiset. Ylikriittisissä sovelluksissa hiilidioksidi ei varsinaisesti nesteydy lainkaan. Tällöin paineet ovat korkeat, jopa 100 bar, mikä vaatii laitteiden vahvistamista kestämään korkeaa painetta.
Vuonna 2016 ilmalämpöpumppujen valmistajat olivat siirtymässä R410-kylmäaineista R32-kylmäaineeseen. Kylmäaine R410 on kylmäaineiden R32:n ja R125:n seos massasuhteessa 50/50. Kylmäaine R32 on edeltäjiään vähemmän haitallinen.
Lämmityskäyttöön tarkoitettujen ilmalämpöpumppujen kauppa on kiihtynyt jatkuvasti Suomessa sitä mukaa kuin lämmitysenergian hinnat ovat nousseet jyrkästi. Pelkästään vuonna 2006 arvioitiin toimitettujen laitteiden määräksi 30 000 kpl. Vuoteen 2012 mennessä Suomessa oli myyty yli 400 000 ilmalämpöpumppua. Vuonna 2017 ilmalämpöpumppuja myytiin Suomessa yli 47 000 kappaletta.
Myös kaikista EU:n maista Suomen markkinat ovat kasvaneet suhteellisesti kaikkein voimakkaimmin. Suurimmat ilmalämpöpumppujen markkinat kuitenkin löytyvät Ruotsista, jossa perinteet lämpöpumppujen hyödyntämiseen ovat syvemmällä maan energiapolitiikassa.
Saavutettavien säästöjen suuruuteen vaikuttavat talon entinen päälämmitystapa, ilmalämpöpumpun asennuspaikka huoneistossa, sijaintipaikkakunnan talven ulkolämpötilat ja laitteen oikeanlainen taloudellinen käyttötapa. Tyypillinen säästö vuodessa sähkönkulutuksessa on 30–40 %.
Jotta ilmalämpöpumppu toimisi energiatehokkaasti, se tulee asentaa oikein. Sisäyksikkö tulee asentaa paikkaan, josta puhallusilma virtaa mahdollisimman esteettömästi laajalle alalle. Ilmalämpöpumpun sijoitukseen vaikuttavat myös muut lämmönlähteet, kuten takka tai uuni. Lisäksi sisäyksikköä ei suositella asennettavaksi keittiöön, koska keittiön rasvaisessa ilmassa ilmalämpöpumpun suodattimet tukkeutuvat nopeasti vähentäen laitteen tehoa.
Ulkoyksikkö pyritään asentamaan mahdollisimman lähelle sisäyksikköä. Ulkoyksikköä ei kuitenkaan suositella asennettavaksi makuuhuoneen seinään, sillä sen aiheuttama pieni hurina saattaa häiritä herkkäunisempia. Ilmansuunnalla ei ole ulkoyksikön sijoittamisen suhteen merkitystä. Suositeltavaa kuitenkin on, että kesäaikaan ulkoyksikkö sijaitsisi varjossa.
Ilmalämpöpumpun asennus tulee aina jättää ammattilaiselle, sillä sen asennus vaatii erikoisosaamista muun muassa kylmäaineiden ja sähkötöiden osalta. Lisäksi ammattilaisen asentamana ilmalämpöpumpusta saadaan maksimaalinen hyöty.