Lämpöpumppu
Lämpöpumppu on laite, joka kykenee siirtämään lämpöenergiaa kylmemmästä tilasta lämpimämpään. Yleensä lämpöpumpulla tarkoitetaan sisätilojen lämmittämiseen tarkoitettuja laitteita, mutta myös monet jäähdyttävät laitteet, kuten ilmastointilaite, jääkaappi ja pakastin toimivat lämpöpumpun avulla.
Raskaassa energia- ja prosessiteollisuudessa on käytetty lämpöpumppuja jo vuosikymmeniä. Suomessa on vähintään 730 000 lämpöpumppua. Elinkaaren aikana ilmavesilämpöpumpun kustannukset neliöltä on noin 180 euroa, maalämmön 170 euroa ja kaukolämmön 225 euroa. Poistoilmalämpöpumpulla voidaan säästää rakennuksen energiasta 0–50 %.
Pääryhminä toteutustekniikan mukaan voidaan erotella seuraavat pumpputyypit:
Jälkimmäinen ryhmä on kasvattanut merkitystään kodin lämmitysenergian tuotannossa. Pumppuja luokitellaan myös lämpöenergian ottotavan mukaan:
Lämpöpumpun toimintaperiaate on havainnollistettu piirroksessa. Järjestelmä koostuu yksinkertaisimmillaan kahdesta lämmönvaihtimesta (osat 1 ja 3), kaasukompressorista (4) sekä kuristimesta (2). Järjestelmässä kiertää kylmäaine, jonka koostumus vaihtelee laitteiston suunnitellun käyttökohteen mukaan. Kylmäaineen olomuoto järjestelmässä on joko kaasu tai neste. Lämpöpumppu voidaan suunnitella täysin ilman säätyviä komponentteja. Mekaaniset tai elektroniset säätölaitteet kokoonpanossa mahdollistavat energiatehokkuuden tavoittelun.
Kompressori (4) muodostaa imupuolelle (3) riittävän matalapaineen. Kylmäaine höyrystyy kylmäaineen kiehumispisteen alittaessa lämmönvaihtimessa vallitsevan lämpötilan. Matalapainepuolen lämmönvaihdinta kutsutaan höyrystimeksi. Ilmiö on sama kuin veden kiehumispisteen aleneminen vuoristo-olosuhteissa. Mitä matalampi paine, sitä alhaisempi on kiehumispisteen lämpötila. Höyrystyminen sitoo energiaa aiheuttaen jäähtymistä.
Kuristin (2) säätelee höyrystimelle syötettävää nesteytynyttä kylmäainetta sellaiseksi, että kompressorin imuun päätyy täysin höyrystynyttä eli kylläistä kylmäainekaasua.
Kompressorissa matalapaineinen kaasu puristetaan korkeapainepuolelle (1). Kylmäaine palautuu nesteeksi korkeapaineessa kylmäaineen kiehumispisteen ylittäessä lämmönvaihtimessa vallitsevan lämpötilan. Tätä korkeapainepuolen lämmönvaihdinta kutsutaan lauhduttimeksi. Ilmiö on sama, kuin painekeittimessä veden kiehumispiste on esimerkiksi 120 °C. Mitä korkeampi paine, sitä korkeampi lämpötila tarvitaan höyrystymispisteen saavuttamiseksi. Aineen olomuoto on neste, jos lämpötila ei ole riittävä höyrystymiseen.
Nesteytyminen vapauttaa höyrystymisessä sitoutuneen energiasisällön, aiheuttaen lauhduttimen kuumenemisen. Kaasun mekaanisessa puristustyössä syntyy lämpöenergiaa. Lauhduttimelle päätyvä kaasu sisältää tulistuneen energiasisällön. Nesteytyminen ei ala välittömästi lauhduttimella, vaan tulistuksen osuus poistuu kaasusta ensin.
Jos lämmönsiirto ei jostain syystä ole mahdollista, johtaa se paineen nousemiseen ja siten lauhtumislämpötilan kasvuun eli kuumenemiseen edelleen. Järjestelmässä ei ole varsinaisesti lauhtumispainetta säätävää komponenttia, kuten höyrystimellä on kuristin. Lauhtumispainetta säädellään ulkoisin menetelmin tehostamalla lauhduttimen lämmönsiirtoa vaikkapa puhaltimen nopeutta kasvattamalla. Kompressorin nopeutta säätämällä voidaan vaikuttaa kaasun tilavuusvirtaan, joka muuttaa lauhtumis- ja höyrystymistehoa yhtäaikaisesti.
Kylmäpiirissä on negatiivinen takaisinkytkentä kohoavan pumppauspaineen ja lauhtumistehon välillä, johtuen kompressorin häviöiden lisääntymisestä. Paineen kohotessa pumpatun kaasun tilavuusvirta vähenee eli teho pienenee. Samanaikaisesti tulistuksen suhteellinen osuus lisääntyy. Kompressori voi vaurioitua hyvin nopeasti mikäli lauhduttimen lämmönsiirto estetään kokonaan, pääasiassa tulistuslämpötilan vaikutuksesta, mutta myös kohonneen paineen vuoksi. Tätä tilannetta varten kompressorissa on suojamekanismi, joka katkaisee virransyötön ja lämpöpumppu pysähtyy joko tietyssä paineessa tai lämpötilassa.
Lämmityskäytössä laitteiston tärkein vaatimus on, että prosessi tuottaa enemmän lämpöä kilowatteina kuin mitä kompressori kuluttaa sähköä kilowatteina. Tällöin puhutaan lämpökertoimesta (engl. COP=coefficient of performance). Sillä tarkoitetaan siirretyn lämpömäärän suhdetta käytettyyn työhön:
missä "Q" on lämmitettävään kohteeseen siirretty lämpömäärä, "W" tehty työ (yleensä kulutettu sähköenergia) ja "Q" viileämmästä lämpösäiliöstä (esimerkiksi maaperästä tai ilmasta) otettu lämpömäärä.
Esimerkiksi kun kompressori käyttää 2 kWh sähköä ja lämpöpumppu tuottaa 4 kWh lämpöä, saadaan lämpökertoimeksi 2. Tällöin 2 kWh lämpöä on onnistuttu siirtämään sisätiloihin ulkoilmasta ja toiset 2 kWh lämpöä on tullut siirtotyöhön käytetystä sähköstä.
Lämpökerroin kertoo suoraan, kuinka moninkertaisesti lämpöä laite tuottaa verrattuna suoraan sähkölämmitykseen. Sekä energiatehokkuus että lämmitysteho ovat ilmalämpöpumpun tärkeimpiä ominaisuuksia. Vaatimuksena on hyvä suoritus kummassakin samanaikaisesti. Ilmalämpöpumppu ei täytä tehtäväänsä, jos sen lämmitysteho riittää mutta COP jää pieneksi.
Lämpökertoimen suurin teoreettisesti mahdollinen arvo on
missä "T" on lämmitettävän huoneen tai muun tilan tarkoitettu absoluuttinen lämpötila ja "T" sen ympäristön absoluuttinen lämpötila, josta lämpö otetaan. Esimerkiksi jos ulkolämpötila on 0 °C eli 273 K ja sisätilat aiotaan lämmittää 22 °C:n eli 295 kelvinin lämpötilaan, lämpöpumpun lämpökerroin voi olla enintään
Käytännössä lämpökertoimen suuruus kuitenkin riippuu voimakkaasti lämpöpumpputyypistä. Maalämpöpumpuille on ominaista lämpökertoimen pysyminen korkeana ja vakiona kovilla pakkasilla. Ilma-ilma- ja ilma-vesilämpöpumpuilla lämpökerroin selvästi pienenee kovilla pakkasilla. Ennen järjestelmän hankintaa kuluttajan kannattaa selvittää lämpöpumpun lämpökertoimet oman paikkakuntansa talven keskilämpötiloissa
Valmistajien keskuudessa vallitsevan kansainvälisen standardin mukaan lämpökerroin (COP) yleensä mitataan ja ilmoitetaan mainoskuvastoissa lämpötilassa +7 °C. Tämä on Suomen lämmitystarpeen pohjalta harhaanjohtava mittaustapa erityisesti ilmalämpöpumpuille, koska suurin lämmöntarve on talvella. Kuluttajien auttamiseksi Ruotsissa tätä ongelmaa ratkotaan siten, että markkinoista riippumattomat tahot (mm. Råd & Rön ja energiavirasto) testaavat ja mittaavat laitteiden lämpökertoimia myös talvella. Viime vuosina myös Suomessa on VTT testannut joitakin maahantuojien laitteita.
Lämpöpumppujen COP on paras silloin kun ulko- ja sisälämpötilat ovat samat, mutta silloin jäähdytyksen ja lämmityksen tarve on alhaisimmillaan.
Mikäli lämpöpumpulla korvataan lämmitysöljyn polttoa, vähenevät hiilidioksidin ja muiden haitallisten kaasujen päästöt. Esimerkiksi Japani on julkistanut laajan investointiohjelman lämpöpumpputekniikkaan päästäkseen Kioton ilmastosopimuksen päästörajoihin.