OT3-Katri Valan lampopumppulaitos

11.9.2015 ©Kari Alanne
ENE-C3001 Energiasysteemit
Oppimistehtävä 3: Katri Valan lämpöpumppulaitos
Sisällysluettelo
1 Johdanto ............................................................................................................................................ 1
2 Kompressorilämpöpumpun toimintaperiaate ja tunnusluvut ............................................................ 2
3 Osakuorma-ajo .................................................................................................................................. 4
4 Katri Valan lämpöpumppulaitos ....................................................................................................... 5
5 Tehtävänanto ..................................................................................................................................... 6
Kirjallisuutta......................................................................................................................................... 6
1 Johdanto
Rakennetun ympäristön ja siihen liittyvän teknologian kehittyessä vaatimukset olosuhteiden
hallinnalle ovat kasvaneet. Esimerkiksi yhdyskuntien osalta tämä merkitsee, että osaa rakennuksista
on kyettävä lämmittämään ja osaa jäähdyttämään samanaikaisesti. Tarvitaan siis sekä lämmitys- että
jäähdytysenergiaa. Energian varastointimahdollisuuksien rajallisuuden vuoksi eri energiamuotojen
tuotannon ja kulutuksen on oltava jatkuvasti tasapainossa, joten tuotantokapasiteettia on kyettävä
sopeuttamaan kulutuksen mukaiseksi. Sopeutus voi tapahtua ajamalla osa tuotantolaitoksista alas tai
ajamalla yksittäistä tuotantolaitosta osakuormalla eli säätämällä sen tuottamaa lämpö- tai
jäähdytystehoa. Säätö puolestaan vaikuttaa kaikkiin tuotantolaitoksen yksikköprosesseihin, joten
säätöongelma on relevantti systeemiajattelun näkökulmasta.
Oppimistehtävän aiheena on Katri Valan lämpöpumppulaitos, joka tuottaa sekä lämpöä että
jäähdytysenergiaa lämpöpumppuprosessin avulla. Tehtävänä on tutkia lämpöpumppuprosessia
osakuormatilanteessa. Työssä selvitetään energiataseiden avulla, miten laitoksen tila- ja
toimintapisteet sekä COP muuttuvat. Lisäksi pohditaan eri säätötapojen toteutuskelpoisuutta. Työ
raportoidaan kirjallisesti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja palautetaan MyCourses-järjestelmän
kautta 14.10.2015 klo 12 mennessä.
11.9.2015 ©Kari Alanne
2 Kompressorilämpöpumpun toimintaperiaate ja tunnusluvut
Kompressorin tuottamaan mekaaniseen työhön perustuvan lämpöpumppuprosessin yksikköprosessit
ovat höyrystin, lauhdutin, kompressori ja paisuntaventtiili. Työaine (kylmäaine) käy vastaavasti läpi
seuraavat vaiheet:
1. Höyrystimessä työaine höyrystyy matalassa paineessa ja lämpötilassa sitoen lämpöenergiaa
höyrystymislämmön eli latenttilämmön verran kylmävarastosta (esim. kaukojäähdytysverkosta). Höyrystymislämpötilan tulee olla alhaisempi kuin kylmävaraston lämpötilan.
2. Kompressori puristaa työainehöyryn pieneen tilavuuteen, jolloin sen paine ja lämpötila
kasvavat.
3. Lauhduttimessa työainehöyry luovuttaa lämpöenergiaa lauhtumislämmön eli latenttilämmön
verran) korkeassa lämpötilassa ja paineessa lämpövarastoon (esim. kaukolämpöverkkoon).
Lauhtumislämpötilan tulee olla korkeampi kuin lämpövaraston lämpötilan.
4. Jäähtynyt lauhde virtaa paisuntaventtiilin läpi, jolloin sen paine putoaa niin alas, että
höyrystyminen alhaisessa lämpötilassa tulee mahdolliseksi.
Esimerkki kuvatunlaisesta kiertoprosessista kylmäaineen R22 termodynaamisia ominaisuuksia
vastaavissa lämpötiloissa on esitetty kuvassa 1 ja vastaava kiertoprosessi h, log p- diagrammissa
kuvassa 2.
Kuva 1. Kompressorilämpöpumpun toteutus ja lämpötase kylmäaineella R22.
11.9.2015 ©Kari Alanne
Kuva 2. Kompressorilämpöpumpun kiertoprosessi h, log p- diagrammissa kylmäaineella R22.
Lämpöpumpun suorituskykyä kuvaava tunnusluku on tehokerroin (engl. Coefficient of
Performance, COP). Se ilmaisee, kuinka suuri lämpö- ja/tai jäähdytysteho suhteessa kompressorin
vaatimaan sähkötehoon (P) saadaan hyödyksi. Näin muodoin kuvan 1 merkintöjä käyttäen prosessin
tehokerroin silloin, kun jäähdytysteho (Qin) lasketaan hyödyksi saatavaksi tehoksi, määriteltäisiin
yhtälöllä
(1)
Käytännön sovelluksissa tehokerroin COP määritellään yleensä kokonaiselle järjestelmälle
(järjestelmän tehokerroin). Jälkimmäisessä tapauksessa sähkötehoon (P) lasketaan kompressorin
lisäksi kaikki kokonaisen järjestelmän taserajan sisään luettavien apulaitteiden (taserajasta riippuen
pumput, lisälämmitysvastukset jne.) vaatimat sähkötehot.
Lämpöpumpun suorituskyky on riippuvainen työaineen painetasoista ja lämpötiloista. Jos
lämpöpumppua käytetään esimerkiksi rakennuksen lämmönlähteenä, sen toimintapistettä joudutaan
muuttamaan vuoden aikana sääolosuhteista ja lämpimän veden kulutuksesta riippuen. Tällöin
myöskään COP ei ole vakio. Systeemitarkasteluissa käyttökelpoisempi tunnusluku olisikin
vuotuinen lämpökerroin (Seasonal Coefficient of Performance, SCOP), joka saadaan jakamalla
lämpöpumppujärjestelmästä vuoden aikana hyödyksi saatu lämmitysenergia [kWh] vuotuisella
järjestelmään syötetyllä sähköenergialla [kWh].
11.9.2015 ©Kari Alanne
3 Osakuorma-ajo
Kaukolämmityksen (kuten myös talokohtaisen lämmityksen) tehonsäätö perustuu verkostoon
menevän veden lämpötilan asetusarvon muuttamiseen ulkolämpötilan mukaan siten, että kylmillä
ilmoilla verkostoon syötetään kuumaa vettä isolla virtaamalla, kun taas leudoilla säillä riittää
matalampi lämpötila ja pienempi virtaama. Lämpöpumppujärjestelmän kannalta osakuorma-ajossa
on siis pystyttävä muuttamaan lämpövaraston (ts. lauhduttimen) lämpötilaa ja sen kautta kulkevia
kylmäaineen ja kaukolämpöveden massavirtoja. Lämmönsiirto varmistetaan siten, että ylläpidetään
jatkuvasti verkoston menoveden lämpötilaa korkeampi kylmäaineen lämpötila. Valittua
lämpötilaeroa kylmäaineen ja kaukolämpöveden välillä kutsutaan asteisuudeksi.
Säädön kannalta keskeisin yksikköprosessi on kompressori, joka ylläpitää lämpötilavaatimuksen
mukaiset lauhduttimen ja höyrystimen painetasot sekä työainekierron. Käytössä on tyypillisesti
radiaali- eli keskipakokompressori, jonka energiatehokkain säätötapa on kompressorin
juoksupyörän pyörimisnopeuden muuttaminen. Pumppujen tapaan keskipakokompressorille pätevät
ns. affiniteettilait, jotka kertovat pyörimisnopeuden (n), paineenkorotuksen (Δp = paine
kompressorin painepuolella – paine kompressorin imupuolella) ja virtaaman (q) väliset
riippuvuudet. Lähtökohtaisesti virtaama on suoraan verrannollinen pyörimisnopeuteen (q ∝ n) ja
paineenkorotus pyörimisnopeuden neliöön (Δp ∝ n2). Lämpöpumppujen yhteydessä virtaavana
aineena on kokoonpuristuva kaasu, joka käyttäytyy termodynaamisesti reaalikaasun tavoin.
Sekaannusten välttämiseksi onkin affiniteettilakeja sovellettaessa perusteltua ilmoittaa virtaama
massavirtana ja käyttää suhteellista mitta-asteikkoa siten, että tunnettu toimintatila (nimellistila)
vastaa 100 % massavirtaa/paineenkorotusta ja osakuormatilanteet massavirran/pyörimisnopeuden
murto-osia. Tätä murto-osaa nimellistilan virtaamasta/pyörimisnopeudesta kutsutaan myös
osakuormakertoimeksi (r).
Kompressorin tuottama paine alennetaan paisuntaventtiilin avulla takaisin höyrystimen tasoon.
Tässä mielessä kylmäainekiertoa voi verrata pumppulaitokseen, jossa pumppu nostaa vettä
laaksossa sijaitsevasta järvestä kukkulan huipulle rakennettuun altaaseen. Sieltä vesi noruu edelleen
takaisin järveen, josta se pumpataan uudelleen kukkulan huipulle ja niin edelleen. Paisuntaventtiilin
(ja kylmäaineputkiston) paineenpudotus Δp on verrannollinen virtaaman neliöön (Δp ∝ q2). Toisin
sanoen on olemassa verrannollisuuskerroin K, jolle pätee
Δp = Kq2
(2)
Jotta kiertoprosessi voi toimia, kompressorin tuottaman paineenkorotuksen on oltava yhtä suuri
kuin järjestelmän paineenpudotus. Kun kompressorin pyörimisnopeutta muutetaan, virtaama ja
paineenkorotus (ja näiden mukana työaineen tila) muuttuvat, järjestelmän rakenne ja esimerkiksi
työainekierron venttiilien asennot eivät. Näin muodoin voidaan kullekin osakuormalle määritellä
toimintapiste, joka sovittaa yhteen kompressorin tuottaman paineenkorotuksen ja järjestelmän
paineenpudotuksen siten, että kompressorin pyörimisnopeuden muuttuessa liikutaan muutoksen
vaatimaan suuntaan yhtälön (2) kuvaajalla. Kuvassa 3 havainnollistetaan, kuinka laitoksen
toimintapiste täydellä kuormalla ja osakuormalla sijoittuvat kuvaajalle.
11.9.2015 ©Kari Alanne
Δp
Toimintapiste
täydellä
kuormalla
100%
Toimintapiste
osakuormalla
0
100%
q
Kuva 3. Kompressorin toimintapiste täydellä ja osakuormalla.
Höyrystimen ja lauhduttimen välinen paine-ero on toisinaan niin suuri, että puristus on
tarkoituksenmukaista toteuttaa kaksivaiheisella kompressorilla. Kaksivaiheinen kompressori
tarkoittaa virtausteknisesti kahden kompressorin kytkemistä sarjaan. Tällöin sama massavirta
kulkee molempien kompressorien kautta, mutta paineenkorotus on kompressorien yhteenlaskettu
paineenkorotus. Analogia on sama kuin sähköopissa, jossa kaksi virtalähdettä kytketään sarjaan.
Lämpöpumppuprosessissa sähkövirtaa vastaa työaineen massavirta ja jännitettä paineenkorotus.
Mikäli työaineen massavirta jakautuu useammalle eri reitille (esimerkiksi yksikköprosessien
ohitusten vuoksi), jakautuminen tapahtuu muutostilanteessa (osakuorma-ajossa) alkuperäisten
massavirtojen suhteessa, ellei järjestelmän rakenne (venttiilien asento) muutu. Virtauksen suunta on
aina kohti kompressorien imupuolta ja poispäin kompressorien painepuolesta.
Kun prosessi on paineiden ja lämpötilojen kannalta asianmukaisella alueella eli lähellä työaineen
neste-höyry-faasinmuutosaluetta (kuten on suotavaa lämpöpumppuprosessin tapauksessa),
työaineen termodynaamiset tilat ikään kuin ”napsahtavat” tietyissä kohdin tiettyihin arvoihin.
Erityisesti on hyvä tiedostaa, että 1) höyrystimen jälkeen, 2) lauhduttimen jälkeen ja 3) mahdollisen
välisäiliön jälkeen (2-vaiheinen puristus) vallitsee oikein toimivassa prosessissa aina kylläinen tila
(joko neste- tai höyryfaasin puolella).
4 Katri Valan lämpöpumppulaitos
Katri Valan lämpöpumppulaitos koostuu kaksivaiheisesta kompressorista, höyrystimestä,
välijäähdyttimestä, välisäiliöstä ja lauhduttimesta. Kompressorin jälkeinen tulistettu höyry (tilapiste
3, kuvan toimintatilanteessa 100°C) johdetaan lauhduttimelle, jossa tapahtuu faasimuutos (3-4).
Korkeapaineinen lauhde alijäähtyy välijäähdyttimessä (4-5) luovuttaen lämpöä kaukolämpöverkoston paluuveden esilämmitykseen. Paisuntaventtiilin (5-6) jälkeen lauhde johdetaan
välisäiliöön, josta valtaosa siirtyy paisunnan (7-8) kautta höyrystimelle ja (pieni) osa suoraan
puristuksen toiseen vaiheeseen (2). Kuten kuva 4 osoittaa, osa työaineesta voitaisiin johtaa
välijäähdyttimen ja –säiliön ohitse, mutta tätä mahdollisuutta ei ole käytetty.
11.9.2015 ©Kari Alanne
Kuva 4. Katri Valan lämpöpumppulaitoksen periaatekaavio.
5 Tehtävänanto
Tarkastellaan Katri Valan lämpöpumppulaitoksen kiertoprosessia ja oletetaan, että osakuorma-ajo
on toteutettavissa 2-vaiheisen kompressorin pyörimisnopeutta muuttamalla. Osakuormatilanteessa
kaukolämpöverkon meno- ja paluuveden lämpötilat ovat 65/25°C. Kaukojäähdytysverkon
menoveden lämpötila on myös osakuormatilanteessa sama kuin alkuperäisessä toimintatilassa eli
5.1°C. Lauhduttimen ja välijäähdyttimen asteisuudeksi voidaan olettaa 3°C.
1. Määrittäkää laitoksen toiminta- ja tilapisteet sekä massavirrat ja arvioikaa laitoksen COP
alkutilanteessa (kuva 4) ja osakuormalla.
2. Pohtikaa säätötavan toteutettavuutta. Millä muilla tavoin kompressoria voitaisiin säätää?
Kompressorien sähköhyötysuhde on 0.91 ja isentrooppihyötysuhde voidaan laskea korrelaatiosta
ηs = 0.8 × [1 – (0.191 – 0.409 × r + 0.218 × r2)]
(3)
missä r on osakuormakerroin.
Kirjallisuutta
Helsingin Energia Oy:n verkkosivu Katri Valan voimalaitoksesta:
https://www.helen.fi/kotitalouksille/neuvoa-ja-tietoa/tietoameista/energiantuotanto/voimalaitokset/katri-vala/
Höyrytaulukoita: http://www.peacesoftware.de/einigewerte/