Soojuspump

**Soojuspump** on seadeldis, mis kannab soojusenergiat madalama temperatuuriga keskkonnast kõrgema temperatuuriga keskkonda. Soojuspumbad on kasutusel nii kütte-, ventilatsiooni- kui ka konditsioneerimissüsteemides ning tehnoloogilistes protsessides. Jahedamast keskkonnast kantakse energia külmaaine (soojuskandja) abil köetavasse keskkonda. Kütteks kasutatakse välisõhu, maapinna, veekogude, puurkaevude, heitõhu jm energiat.

Eluruumides, kauplustes, külmhoonetes ja tehnoloogiliseks otstarbeks toodete jahutamiseks ning külmutamiseks kasutatavad külmkapid (külmikud) ja külmutid kasutavad tööks samuti soojuspumba põhimõtet, kuid seekord soojuse eemaldamiseks külmkapist, -hoonest või -kambrist (ruumist). Neid seadmeid ei nimetata soojuspumpadeks.

Kasutatavaimad soojuspumbad on aurukompressor- ja adsorptsioonsoojuspumbad. Adsorptsioon on molekulide kinnitumine pinnale; mitte segi ajada absorptsiooniga. Adsorptsioonpumbad kasutavad absorbente.

Sealjuures saab soojuspumbad jagada viide klassi: 
* maasoojuspump; 
* ventilatsioonisoojuspump; 
* kombineeritud ventilatsiooni-maasoojuspump; 
* õhk-õhk-soojuspump; 
* õhk-vesi-soojuspump.

Tänapäeval on kõige levinum aurukompressor-soojuspump. Väheselt määral kasutatakse gaasi-, kompressor-, keeristoru- ja termoelektrilisi soojuspumpasid. Termoelektrilisi soojuspumpasid kasutatakse näiteks mobiilsetes autokülmikutes.

## 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&nbsp;°C) või radiaatorid (tempetatuur kuni 50–60&nbsp;°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 [[kasutegur]]iks**, 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&nbsp;°C) kui põrandkütte puhul (~35&nbsp;°C).

## Soojuspumpade liigitus

### Maasoojuspumbad
**Maasoojuspump** on kütteseade, mis kasutab maapinda salvestunud päikeseenergiat. Maasoojuspump kasutab energiaallikana maapinda, pinnase ülemisi kihte, kaljut või lähedal asuvat veekogu. Juba meetri sügavusel maapinnas on temperatuur üsna konstantne, 4–12&nbsp;°C. Maapinda salvestunud soojusenergia kogutakse pinnasesse paigaldatud plasttorustiku ehk maakollektori abil. Kollektor on ühendatud soojuspumbaga, mis katab täielikult hoone küttevajaduse ja valmistab sooja tarbevett ning vajaduse korral jahutab ruume. Soojuspump vajab tööks (soojuse pumpamiseks) elektrienergiat. Kulutades ühe&nbsp;kWh elektrienergiat saab maasoojuspump toota kuni 5&nbsp;kWh soojusenergiat. Maasoojuspumba kasutamise korral vähenevad küttekulud kuni 80% otsese elekterküttega võrreldes. Maasoojuspumba kasutamine on mugav, keskkonnasõbralik ja peaaegu hooldusvaba.  

Geotermaalne soojusressurss võib olla 
* kõrgetemperatuuriline;
* madalatemperatuuriline ( 400&nbsp;m);
* madal.
**Puurkaevude ja -aukude** kasutamisel maasoojuspumpade soojusallikana tekivad teatud mõjud ja ohud pinnasele ning põhjaveele. Neid küsimusi on põhjalikult käsitletud töös (Jõeleht, A., Gaškov, M., Polikarpus, M. 2012).

Eestis kasutust leidev geotermaalne ressurss on madalatemperatuuriline (2 emissiooni ümbritsevasse keskkonda. Õhk-vesi-soojuspump sobib asendama traditsioonilisi küttekatlaid. Tavaliste õli- ja gaasikateldega saab 1&nbsp;kWh kütuse sisendenergiast vähem soojusenergiat kui 1&nbsp;kWh. Kasutades õhk-vesi-soojuspumpa saab 1&nbsp;kWh elektrienergiast keskmiselt 3&nbsp;kWh soojusenergiat.

Õhk-vesi-soojuspump sobib hästi põhikütteks uutes majades, kus soovitakse, et püsikulu oleks võimalikult madal, kuid maakütte paigaldamiseks ei ole võimalust. Õhk-vesi-soojuspump on väga säästlik ja erinevalt maaküttest suureneb soojustegur kohe kui päike välja tuleb. Samuti on suvine soe tarbevesi säästlikult soojaks köetud ning duširuumide ja muude sanitaarruumide põrandad meeldivalt soojad. See soojuspump tagab hea säästlikkuse ka vanemates majades, kus küttesüsteem on juba välja ehitatud. Puukatlaga võrreldes püsikulu soodsamaks ei lähe, küll aga jääb oluliselt rohkem vaba aega. Õli- või elekterkatlaga võrreldes on sääst püsikuludelt kuni 60%. Tänu invertertehnoloogiale on soojuspumpa võimalik säästlikult erineva soojusvõimsusega tööle rakendada. Näiteks töötab inverteriga seade efektiivselt ka sügisel ja kevadel, kui soojuskoormus on talvel vajaminevast palju väiksem.

Loomuliku või sundventilatsiooniga hoonetes on võimalik ventilatsiooniga väljuvast õhust võtta soojusenergiat ja soojuspumba vahendusel seda taaskasutada. **Väljatõmbeõhu soojuspump** ehk ventilatsioonisoojuspump võtab soojuse maja väljatõmbeõhust ja annab soojuse tarbe- või kütteveele. Kasutamine eeldab põrandkütte- või radiaatoritega vesiküttesüsteemi olemasolu. Väljatõmbeõhu soojuspump sobib väiksematele, kuni 150 m² majadele. Seda süsteemi kasutatakse ka suurte korrusmajade juures. Väljatõmbeõhu soojuspump tagab majas pideva õhuvahetuse ehk ventilatsiooni. Sellist maja õhuvahetussüsteemi nimetatakse soojuse taaskasutusega ventilatsioonisüsteemiks.

## Külmaained ja soojuskandjad vedelikud

### 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&nbsp;°C (R407C) kuni 100&nbsp;°C (R152a). Normaalrõhul 101,3 kPa on nende freoonide keemispunkt (keemistemperatuur) tunduvalt alla 0&nbsp;°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.

### Soojussüsteemides kasutatavad vedelikud ja nende keskkonnaohtlikkus
Kompressori külmaaine kontuur on tavaliselt soojusvahetiga eraldatud maa- või veekollektori kontuurist, viimastes ringleb mingi mittekülmuv vedelik. Kinniste soojussüsteemide kontuurides on vesilahused, mille lisanditena kasutatakse denatureeritud etanooli, etüleenglükooli või propüleenglükooli. Eestis on valdavaks piirituse kasutamine, glükoole kasutatakse harva. Enamasti on lisandi kontsentratsioon 30%, millega alandatakse vesilahuse külmumistemperatuuri −15&nbsp;°C. Piirituse denatureerimine on kooskõlas Euroopa Komisjoni määrusega nr 3199/93 (EÜT L 288, 23.11.1993) ja vastavalt alkoholi-, tubaka-, kütuse- ja elektriaktsiisi seadusele (RT I 2007, 45, 319) peab denatureeritud piiritus sisaldama 100 liitri 100-protsendilise etanooli kohta vähemalt:
*metüületüülketooni 2 liitrit ja metüülisobutüülketooni 3 liitrit või
*atsetooni 2 liitrit ja metüülisobutüülketooni 3 liitrit või
*atsetooni 3 liitrit ja denatooniumbensoaati 2 grammi.
Denatureerimise eesmärk on muuta piiritus joogikõlbmatuks. Ülaltoodud lisandid kutsuvad puhta denatureeritud piirituse tarvitamisel esile iiveldust ja oksendamist, kuid ei ole tervisele ohtlikud.
Propüleenglükool on mittetoksiline aine, mis laguneb õhu ja soojuse toimel piimhappeks. Propüleenglükooli kasutatakse toidutööstuse jahutusseadmetes. Etüleenglükool on lõhnatu magusa maitsega mürgine vedelik. See on keskmise toksilisusega (inimesele vähim surmav doos on 786&nbsp;mg kehakaalu kg kohta). Kuigi etüleenglükool on üldisemalt jahutusseadmetes kasutatavatest külmakandevedelikest üks levinumaid, tuleks selle kasutamine soojuspuuraukudes keelata.

## Viited