Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut · 2016-12-23 · Kuva 5. Kaukojäähdytyksen tuotantotehon...

ASIAKASRAPORTTI VTT-CR-05415-16 | 16.12.2016

Jäähdytyksen teknologisetratkaisutKirjoittajat: Ari Laitinen, Miika Rämä, Miimu Airaksinen

Luottamuksellisuus: Julkinen

ASIAKASRAPORTTI VTT-CR-05415-162 (63)

Sisällysluettelo

1. Toimeksiannon kuvaus ja tavoitteet .................................................................................. 3

2. Menetelmät ja toteutus ...................................................................................................... 3

3. Jäähdytyksen nykytila ....................................................................................................... 3

3.1 Jäähdytyksen tarve ................................................................................................... 33.2 Rakennusten jäähdytysjärjestelmät........................................................................... 4

3.2.1 Suorahöyrystysjärjestelmät ........................................................................... 43.2.2 Välilliset järjestelmät ..................................................................................... 5

3.2.2.1 Kiinteistökohtaiset järjestelmät ............................................................63.2.2.2 Kaukojäähdytysratkaisut .....................................................................7

4. Jäähdytysteknologioiden kartoitus .................................................................................. 10

4.1 Jäähdytyksen tuotantoteknologiat ........................................................................... 104.1.1 Kompressoriteknologia................................................................................ 11

4.1.1.1 Kylmäainetilanne ...............................................................................114.1.1.2 Kompressorivaihtoehdot....................................................................13

4.1.2 Muut jäähdytysteknologiat ........................................................................... 154.1.2.1 Kiinteän olomuodon teknologiat ........................................................154.1.2.2 Elektromekaaniset teknologiat...........................................................174.1.2.3 Lämpökäyttöiset jäähdytysteknologiat ...............................................19

4.1.3 Vapaajäähdytys .......................................................................................... 334.1.3.1 Ulkoilma ............................................................................................334.1.3.2 Maaperä ............................................................................................364.1.3.3 Vesistöt .............................................................................................374.1.3.4 Pohjavesi ..........................................................................................394.1.3.5 Lumi- ja jäävarasto ............................................................................41

4.2 Jakelu ..................................................................................................................... 424.2.1 Nanofluidit ................................................................................................... 424.2.2 Hiilidioksidi .................................................................................................. 43

4.3 Varastointi............................................................................................................... 434.3.1 Vesivaraajat ................................................................................................ 434.3.2 Faasimuutosvaraajat ................................................................................... 44

5. Kyselyn tulokset .............................................................................................................. 46

6. Jäähdytyksen tuotantoteknologioiden analyysi ................................................................ 47

7. Johtopäätökset ja yhteenveto.......................................................................................... 52


1. Toimeksiannon kuvaus ja tavoitteet

Rakennusten energiankulutus on muuttunut viime vuosikymmenien aikana. Vaikka edelleenkoko rakennuskannassamme lämmitysenergiankulutus on merkittävässä asemassa, onjäähdytyksen osuus kasvussa. Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ja sitä kauttalämpötiloille ovat kasvaneet, mikä on lisännyt jäähdytyksen tarvetta sekä uusissa ettäperuskorjattavissa rakennuksissa. Samanaikaisesti energia- ja päästötavoitteet antavatreunaehtoja tuottaa jäähdytys mahdollisimman tehokkaasti, jolloin ei ole yhdentekevää,miten jäähdytys rakennuksiin tuotetaan.

Hankkeen tavoitteena oli selvittää eri jäähdytysteknologioiden nykytilanne ja mahdollisuudetuuden liiketoiminnan kehittämiseksi. Selvityksessä tarkasteltiin lähtökohtaisestikaukojäähdytyksen tuotantoon soveltuvia teknologioita, mutta myös kiinteistökohtaisenjäähdytyksen ratkaisuja. Kiinteistökohtaisissa teknologioissa ensisijaisena tarkastelunkohteena on mahdollisuudet hyödyntää kaukolämpöä energialähteenä.

2. Menetelmät ja toteutus

Tutkimuksessa koostuu kolmesta kokonaisuudesta 1) olemassa olevienjäähdytysteknologioiden kartoitus, 2) olemassa olevien jäähdytysteknologioiden analyysi ja3) teknologian kehityssuunnat.

Olemassa olevia jäähdytysteknologioita ja niiden soveltuvuutta Suomen olosuhteisiinkartoitettiin kirjallisuuteen, julkaistuihin uusimpiin tutkimustuloksiin sekä uusimpiin pilotteihinpohjautuen. Suomen lisäksi tarkasteltiin myös muissa maissa käytettyjä teknologioita. Lisäksitehtiin kysely muutamille suuria kiinteistömassoja omistaville tahoille sekä muutamilleteknologiatoimittajille.

Analyysissä pohdittiin teknologian soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin, energiatehokkuutta,ympäristöystävällisyyttä sekä investoinnin suuruutta. Kaikista teknologioista ei ollut saatavillakattavasti investointitietoja ja osittain teknologiat eivät ole suoraan vertailtavissa toisiinsa,josta syystä analyysia voidaan pitää suuntaa antavana.

Teknologioiden kehityssuuntia arvioitiin tulevaisuuden tarpeiden fokuksesta (ts. minkälaisiateknologioita tarvitaan) sekä mihin teknologinen kehityssuunta tällä hetkellä on menossa jamitkä voivat olla uusia kehityssuuntia jäähdytysteknologioissa.

3. Jäähdytyksen nykytila

3.1 Jäähdytyksen tarve

Suomen jäähdytysenergian tarve koostuu teollisten prosessien sekä rakennustenjäähdytyksen tarpeesta. Teollisten prosessien jäähdytyksen kriteereinä ovat luonnollisestiprosessin tarpeet. Teollisten prosessien jäähdytyksen tarpeen kehitystä on vaikeampiarvioida kuin rakennusten tarvetta, sillä se on kiinni teollisuuden suhdanteista. (Airaksinen etal. 2015)

Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ja lämpötiloille ovat kasvaneet. Tämä onlisännyt jäähdytyksen tarvetta sekä uusissa että peruskorjattavissa rakennuksissa.Energiakulutuksen ja päästöjen vähennystavoitteet velvoittavat tuottamaan jäähdytyksenmahdollisimman tehokkaasti ja uusiutuvia energialähteitä hyödyntäen.Energiatehokkuusdirektiivin artikla 14 velvoittaa jäsenvaltioita selvittämään tehokkaankaukojäähdytyksen potentiaalin.


Suomessa liike- ja julkiset rakennukset sekä arvokkaimmat kerrostalorakennukset onvarustettu jo jonkin aikaa jäähdytysjärjestelmällä. Viime vuosien helteisinä kesinä myöserityisesti pientaloja sekä jossain määrin kerrostaloja on alettu varustaa ilmalämpöpumpuilla,joita voidaan käyttää lämmittämisen lisäksi tilojen jäähdyttämiseen. Järjestelmät ovattyypillisesti kiinteistökohtaisia ja toimivat sähköllä. (Airaksinen)

Myös rakennusten jäähdytysmarkkinoiden koon määritykseen liittyy paljon epävarmuutta.Noin 2100 gigawattitunnin jäähdytystarpeeseen vuodessa päästään laskemallabruttojäähdytystarve olettamalla rakennusten ikkunat hyvin valoa läpäiseviksi ja vaillakaihtimia. Auringonsuojauksella ja ylilämmön tuuletuksella jäähdytystarve pienenee 850gigawattituntiin. Trendiennusteen mukaan jäähdytystarpeen kasvu vuoteen 2030 mennessäon noin 2 prosenttia vuodessa, joka on hieman enemmän kuin rakennuskannan kasvu.(Airaksinen et al. 2015)

Kaukojäähdytyksen toimitusten kasvu 190 GWh:iin viime vuosina on johtunut tarjonnanlisääntymisestä. Kaukojäähdytykseen on liitetty sekä vanhoja että uusia kiinteistöjä.Paikallisesti markkinaosuus on suurin Helsingissä, missä myös jäähdytysenergiatiheys onsuurin. Vuoteen 2030 toimitusten määrä voi kasvaa keskimäärin 6 prosenttia vuodessa noin490 GWh:iin. Tämä edellyttää kuitenkin sitä, että Suomen talous kehittyy myönteisesti jarakennusten jäähdytykseen kehitetään uusia toimintamalleja. (Airaksinen et al. 2015)

Kaukojäähdytys on vain yksi malli rakennusten jäähdytysliiketoimintaan. Se sopiijäähdytysenergian kulutuksen intensiivisille alueille. Väljillä alueilla sijaitsevienrakennuskeskittymien jäähdyttämiseen sopivat yksittäisten rakennusten järjestelmistäskaalatut järjestelmät, joissa käytetään joko uusiutuvia energialähteitä tai kierrätetäänenergiaa. Oleellista on energiayhtiöiden kyvykkyys tarjota ja neuvotella asiakkaan kanssamolempia tyydyttävä toimintamalli.

Euroopan (EU27) jäähdytysmarkkinoiden koko on noin 330 TWh, jonka arvioidaan nousevan500 TWh:iin vuoteen 2030 mennessä. Kaukojäähdytyksen osuus noin prosentti, 3 TWh.Eniten kaukojäähdytystä tuotetaan Ranskassa (0,9 TWh), Ruotsissa (0,9 TWh), Saksassa(0,3 TWh), Suomessa (0,19) ja Norjassa (0,15 TWh). Kaukojäähdytyksen määränennakoidaan pysyvän Euroopassa nykytasolla lähinnä talouden tilan takia. Ruotsin mallinmukainen kehitys nelinkertaistaisi kaukojäähdytyksen tuotannon vuoteen 2030 mennessä.(Airaksinen et al. 2015)

3.2 Rakennusten jäähdytysjärjestelmät

Rakennuksen tilojen ja ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmät voidaan jakaa esimerkiksisuorahöyrysteisiin ja välillisiin järjestelmiin, jota jakoa käytetään seuraavassa esityksessä.

3.2.1 Suorahöyrystysjärjestelmät

Suorahöyrystysjärjestelmissä höyrystimellä jäähdytetään suoraan ilmanvaihdon ilmaa(höyrystin ilmanvaihtokoneessa) tai tilan ilmaa jäähdytetään kierrättämällä höyrystimen läpi,kuva 1. Tyypillisiä suorahöyrystysjärjestelmiä ovat pientaloissa käytettävät ilma-ilmalämpöpumput, joilla voidaan sekä jäähdyttää että lämmittää huoneistoa. Nämäpientalojen ilmalämpöpumput ovat tyypiltään ns. split-järjestelmiä, joissa höyrystin sijaitseerakennuksen sisällä ja lauhdutin sekä kompressori sijaitsevat ulkona. Isommissarakennuksissa voi olla käytössä useampia, eri tiloihin asennettuja höyrystimiä kytkettynäsamaan ulkoyksikköön. Tällöin puhutaan ns. multisplit-järjestelmästä, jossa eri höyrystimientehoa säädetään kuristamalla kylmäainevirtausta tilan jäähdytystarpeen mukaan (ns. VRF-teknologia = Variable Refrigerant Flow) ja kompressoria säädetään järjestelmänkokonaisjäähdytystarpeen mukaan esimerkiksi kierroslukusäätöisesti invertterillä.


Kuva 1. Suorahöyrystysjärjestelmän periaate (Motiva).

Suorahöyrystysjärjestelmät ovat suhteellisen yksinkertaisen tekniikkansa ansiostahankintakustannuksiltaan edullisia ja lähtökohtaisesti energiatehokkaita, koska järjestelmissäei tarvita ylimääräisiä lämmönsiirtimiä ja pumppuja. Järjestelmän edut ovat hyödynnettävissäerityisesti pientaloissa. Järjestelmän negatiivisiin ominaisuuksiin kuuluvat mahdollisetmeluhaitat sekä sisällä että ulkona eikä laitteiden sijoittaminen isompiin rakennuksiin oleongelmatonta. Järjestelmällä ei voida hyödyntää vapaajäähdytystä. Jäähdytys on usein myöstilakohtaista, jolloin osa huoneistosta jää toiminta-alueen ulkopuolelle.

Suorahöyrystysjärjestelmissä käytetään lähes yksinomaan sähkökäyttöisiä kompressoreita.Laitteiden tekniikka on viime vuosina kehittynyt erityisesti säätöjärjestelmän osalta, jossahyödynnetään invertteritekniikkaa. Sen ansiosta nykyisillä laitteilla saavutetaan hyväenergiatehokkuus (COP = coefficient of performance) osakuormitustilanteissa. Laitteitavoidaan usein käyttää sekä jäähdytykseen että lämmitykseen.

3.2.2 Välilliset järjestelmät

Välillisissä järjestelmissä tilojen ja ilmanvaihdon jäähdytys on toteutettu erillisilläjäähdytyspattereilla, joiden läpi kierrätetään jäähdytysnestettä. Jäähdytysneste onrakennusten jäähdytysratkaisuissa useimmiten vettä. Vesi jäähdytetään jäähdytyskoneikossasijaitsevalla höyrystimellä ja prosessissa syntyvä lämpö siirretään joko suoraanlauhduttimella ulkoilmaan, maahan (porakaivo), vesistöön (meri, järvi, joki) tailämmöntalteenottojärjestelmään, kuva 2. Lauhduttimen ylijäämälämpö voidaan siirtää myösvälillisesti lämmönsiirtonesteen välityksellä edellä mainittuihin lämpönieluihin, jolloinlämmöntalteenotto on joustavampaa.


Kuva 2. Välillisen jäähdytysjärjestelmän periaate (Motiva).

3.2.2.1 Kiinteistökohtaiset järjestelmätKiinteistökohtaiset järjestelmät ovat lähes poikkeuksetta välillisiä järjestelmiä. Tyypillisessäjärjestelmässä kylmäntuotto on toteutettu sähkökäyttöisillä kompressoreilla ja rakennuksenjäähdytyspiirissä kiertää vesi, jolla jäähdytetään ilmanvaihdon tuloilmaa (ilmastoinninjäähdytyspatteri) sekä tiloja (suutinkonvektorit, palkit, kattojäähdytys, lattiaviilennys).Lauhdutus on järjestetty useimmiten välillisesti kylmäliuoskierrolla (pakkasenkestävä liuos,esimerkiksi glykoli) ja lämpö siirretään ulkoilmaan liuosjäähdyttimellä. Tapauksissa, joissarakennuksessa on jäähdytystarvetta myös keväisin ja syksyisin, käytetään useinvapaajäähdytyskytkentää (kuva 3). Vapaajäähdytyksellä voidaan jäähdyttää suoraanrakennusta silloin kun ulkoilman lämpötila on riittävän alhainen. Järjestelmässä käytetäänpienehköä vesivaraajaa kytkettynä rakennuksen jäähdytyspiiriin, jolla lähinnä tasataankompressoreiden käyntiä. Rakennuksen jäähdytyspiirin tyypilliset mitoituslämpötilat ovat +7°C / +12 °C, joita käytetään myös tuloilman jäähdytyspattereissa sekä konvektoreissa.Palkkiverkosto ja rakenteisiin integroidut jäähdytysjärjestelmät, mitoitetaan huomattavastikorkeammalle lämpötilatasolle esimerkiksi +15 °C / +18 °C.

Kiinteistökohtaisessa järjestelmässä on mahdollista valita rakennuksen jäähdytyspiirinmitoituslämpötilat joustavasti ja vaihdella lämpötilatasoja jäähdytystarpeen mukaan, jolloinkylmäkoneiston energiatehokkuutta voidaan optimoida. Järjestelmä on myös mahdollistavarustaa lauhdelämmön talteenotolla, jos kiinteistössä on samanaikaista jäähdytys- jalämmitystarvetta. Kiinteistökohtaisia jäähdytysjärjestelmiä käytetään etenkintoimistorakennuksissa.


Kuva 3. Kiinteistökohtainen välillinen jäähdytysjärjestelmä, jossa on myösvapaajäähdytysmahdollisuus (Laine).

3.2.2.2 KaukojäähdytysratkaisutKaukojäähdytyksellä tarkoitetaan keskitetyssä tuotantolaitoksessa liiketoimintana tuotetunjäähdytetyn veden jakelua putkiston välityksellä useille rakennuksille tilojen ja ilmastoinninjäähdytykseen, kuva 4. Tämä määritelmä kattaa myös kirjallisuudessa käytetyn ns.aluejäähdytyksen. Jäähdytysenergiaa voidaan toimittaa myös teollisuuden prosessien taielintarviketeollisuuden valmistus- ja säilytystilojen jäähdyttämiseen. Toimintaperiaate onverrattavissa kaukolämmitykseen, sillä poikkeuksella, että kaukojäähdytyksessä asiakkaaltasiirretään ylimääräinen lämpö energiayrityksen kaukojäähdytysveteen.

Kuva 4. Kaukojäähdytysjärjestelmä, jossa kylmäntuoton lauhde-energiaa hyödynnetäänkaukolämpöjärjestelmässä (Helen Oy).

Rakennuskohtaiseen jäähdytykseen verrattuna kaukojäähdytys on ympäristöystävällinen,vaivaton ja luotettava jäähdytysenergian lähde. Kaukojärjestelmissä päästään suurempiinyksikkökokoihin, jolloin jäähdytysenergiaa voidaan tuottaa energia- ja kustannustehokkaastija ympäristöystävällisesti. Kaukojäähdytysjärjestelmässä on mahdollista helpommin


hyödyntää vapaajäähdytystä, kylmän varastointia ja jäähdytyksessä syntyväälauhdutuslämpöä. Asiakkaat hyötyvät myös monin muin tavoin: jäähdytyskoneidenaiheuttamat ilma- ja runkoäänet ja tärinä vältetään, jäähdytyskoneille varatut tilat vapautuvatmuuhun käyttöön, julkisivua rumentavia lauhdutusyksiköitä ei tarvita ja jäähdytyskoneidenhuolto ja kunnossapito poistuu kiinteistön vastuulta.

Seuraavassa on esitetty Energiateollisuus ry:n jäsenyritysten kaukojäähdytyksentuotantotehon kehitys viimeisen viidentoista vuoden ajalta (kuva 5) sekäkaukojäähdytysenergian tuotannon jakauma vuodelta 2015 (kuva 6). Lisää tilastotietoa löytyyEnergiateollisyys ry:n tilastoista (http://energia.fi/tilastot-ja-julkaisut).

Kaukojäähdytyksen tuotantoteho on kasvanut voimakkaasti viimeisten kymmenen vuodenaikana, kuva 5. Vapaajäähdytyksen tuotantoteho on suurin, jonka jälkeen tulee lämpöpumputsekä absorptio ja kompressorilaitokset. Energiamääräisesti kaukojäähdytystä tuotetaanselvästi eniten lämpöpumpuilla, kuva 6. Lämpöpumput ovat kompressorikäyttöisiäjäähdytyslaitteita, joiden lauhdelämpöä hyödynnetään kaukolämmön tuotannossa. Merkillepantavaa on, että absorptiojärjestelmiin ja pelkästään jäähdytykseen käytettäväänkompressoritekniikkaan ei kymmeneen vuoteen ole investoitu.

Kuva 5. Kaukojäähdytyksen tuotantotehon kehittyminen vuosina 2001 – 2015(Energiateollisuus ry 23.2.2016).

Kuva 6. Kaukojäähdytysenergian tuotannon jakauma vuonna 2015, kun kokonaistuotanto oli182 GWh (Energiateollisuus ry 23.2.2016).


3.2.2.2.1 SunZeb-konseptiSunZeb-konsepti on kaukolämmitetyn ja -jäähdytetyn alueen plusenergiaratkaisu, jossahuomioidaan rakennuksen mahdollisuudet energian kierrätykseen. Tämä lisää paikallistauusiutuvan energian käyttöä ja vähentää päästöjä. Energiatehokkaan rakennuksen jakaupunkirakenteen suunnitteluratkaisun perustana on aluetason kaukolämmitys ja -jäähdytys. Konsepti mahdollistaa jäähdytysenergian kierrättämisen uusiutuvana energianatakaisin kaukolämpöverkkoon. Konsepti käsittää myös integroidun lämmön ja kylmänjakelujärjestelmän rakennustasolla, missä sama huonelaite tuottaa sekä lämpö- ettäjäähdytyspalvelut. Uusiutuvan aurinkoenergian saanto kierrätettäväksi mahdollistetaanrakennuksen laajoilla lasipinnoilla. Tasokas aurinkoarkkitehtuuri yhdessä talotekniikankanssa mahdollistaa käyttäjille laadukkaat sisäolosuhteet. (Shemeikka et al. 2015)

3.2.2.2.2 4:nnen sukupolven kaukolämmitys ja -jäähdytysEuroopassa kehitellään ns. 4:nnen sukupolven kaukolämpö ja -jäähdytysjärjestelmää(4GDH). Terminä ja määritelmänä 4GDH on verraten uusi, sillä tieteellisessä artikkeliaiheesta on julkaistu vasta 2014 (Lund et al. 2014). Neljännen sukupolvenkaukolämmitysjärjestelmä yhdistää kaukolämmityksen ja -jäähdytyksen älykkäisiinenergiajärjestelmiin. 4GDH:oon keskeisiä tavoitteita ovat matalalämpötilaiset järjestelmät,jotka edistävät ylijäämälämmön ja uusiutuvien energioiden hyödyntämistä. 4GDH yhdistääeri energiaverkot (lämmitys + jäähdytys + sähkö), jossa optimoidaan energiajärjestelmäntoimintaa eli energian tuotantoa, jakelua ja varastointia vastaamaan tiettyä kulutusta (kuva7).

Kuva 7. Kaukolämmityksen ja kaukojäähdytyksen sukupolvet (Lund et al. 2014).

Jäähdytyksen tuoton osalta kehityssuunta painottaa kaukojäähdytysratkaisuarakennuskohtaisten jäähdytysjärjestelmien sijaan.


4. Jäähdytysteknologioiden kartoitus

4.1 Jäähdytyksen tuotantoteknologiat

Jäähdytysteknologiat on tässä raportissa jaoteltu kuvan 8 mukaisesti kolmeen erikategoriaan: 1) kompressoritekniikat, 2) muut menetelmät ja 3) vapaajäähdytys.Kompressorijäähdytys perustuu perinteiseen kylmäainekiertoon (käänteinen Clausius-Rankine-prosessi). Kompressoritekniikat on jaoteltu kompressorityypin perusteella.Vapaajäähdytystekniikat on jaoteltu lämpönielun perusteella neljään eri luokkaan.

Muut menetelmät (englanniksi not-in-kind eli NIK) on tässä raportissa jaoteltu lähteessäGoetzler 2014 esitettyyn tapaan kolmeen eri ryhmään (kuva 9): 1) kiinteän olomuodontekniikat (solid-state technology), 2) elektromekaaniset tekniikat (electro-mechanicaltechnology) ja 3) lämpökäyttöiset menetelmät (thermally driven technology).

Kuva 8. Jäähdytysteknologioiden jaottelu tässä raportissa.

Kuva 9. Muiden jäähdytysteknologioiden (NIK) jaottelu tässä raportissa (Goetzler et al.2014).


4.1.1 Kompressoriteknologia

Kompressoriteknologiat ovat ehdottomasti käytetyimmät jäähdytysteknologiatkylmätekniikassa ja rakennusten jäähdytyksessä jopa yli 90 % sovelluksista perustuukompressorijäähdytykseen.

4.1.1.1 KylmäainetilanneKompressoriteknologioissa käytettyjen kylmäaineiden kehitystä on viime vuosikymmentenaikana ohjannut voimakkaasti ilmastonsuojelu. Kylmäaineiden ilmastovaikutuksista nousiensin esille otsonikato, jota hillitsemään sovittiin kansainvälisesti tiettyjen kylmäaineidenkäytön rajoituksista ja vähittäisestä käytöstä poistamisesta jo 1980-luvulla (Montrealinpöytäkirja 1987). Osaltaan nämä kylmäaineiden käyttörajoitukset ovat olleet menestyksellisiäviime vuosina raportoitujen tutkimustulosten valossa, joissa on havaittu otsoniaukkojenpienentyneen merkittävästi. Otsonikadon jälkeen on havahduttu siihen, että klooriasisältäneitä kylmäaineita korvaamaan käyttöön otetut fluoratut hiilivedyt ovat voimakkaitakasvihuonekaasuja, jotka ilmakehään joutuessaan myötävaikuttavat ilmastonlämpenemiseen. Näiden kylmäaineiden käyttöä ollaan voimakkaasti rajoittamassakansainvälisillä sopimuksilla. Euroopassa on vuonna 2014 julkistettu uusi kylmäaineidenkäyttöä rajoittava F-kaasuasetus (EU) N:o 517/2014. F-kaasuasetuksen myötäkasvihuonekaasujen päästöjä pyritään hillitsemään vaiheittaisilla rajoituksilla vuoteen 2030mennessä (taulukko 1). Kylmäaineiden käytön rajoituksilla on ollut merkittävä vaikutus kokokylmäsektoriin ja suuria muutoksia on edelleen käynnissä. Tavoitteena on kehittää uusiaympäristöystävällisiä kylmäaineita ja niiden käyttöön soveltuvia komponentteja jajärjestelmiä.

Kylmäaineiden kasvihuonevaikutusta mitataan GWP-indeksillä. GWP-luku (Global WarmingPotential) kertoo, kuinka paljon suurempi on kyseessä olevan kylmäaineen vaikutus ilmastonlämpenemiseen 100 vuoden aikana kuin vertailuarvona käytettävän hiilidioksidin (CO2).Hiilidioksidin GWP-arvo on 1 ja esimerkiksi kylmäaineen R404A GWP-luku on 2088 eli senvaikutus ilmaston lämpenemiseen on runsaat parituhatta kertaa suurempi kuin hiilidioksidin.

Taulukko 1. Kylmäaineiden käytönrajoitusten aikataulu (Bitzer). HFC-kylmäaineidenkäyttömäärä määritellään CO2-ekvivalenttitonneina ja taulukossa tämä on ilmaistuprosentteina verrattuna vuosien 2009 – 2012 keskimääräiseen kulutukseen (Bitzer).

Vuosi HFC-kylmäaineidenkäyttömäärä

Teoreettinen vastaavakeskimääräinen GWP-arvo

2015 100 % 22502016 - 2017 93 % 21002018 – 2020 63 % 14502021 - 2023 45 % 10002024 - 2026 31 % 7002027 - 2029 24 % 5502030 21 % <500

Jäähdytystekniikassa on yleisesti käytössä voimakkaita kasvihuonekaasuja, kuten R404A,R407C ja R410A. Näiden kylmäaineiden käyttöä korvaamaan on kehitetty uusiakylmäaineita, joiden GWP-indeksi on alhainen, ja toisaalta on otettu käyttöön ns. luonnollisiakylmäaineita, joiden GWP-indeksi on korkeintaan 1.

4.1.1.1.1 Vaihtoehtoiset uudet kylmäaineetVaihtoehtoisia kylmäaineita on kehitetty HFO-yhdisteistä (R1234yf ja R1234ze(E)) sekäniiden ja HFC-yhdisteiden seoksista, esimerkiksi R448A, sekä myös alhaisen GWP-arvonHFC aineista, kuten R32. Seuraavassa on esitetty hieman tarkemmin vaihtoehtoisiakylmäaineita yleisimpien jäähdytyksessä käytettyjen korkeahkon GWP-arvon omaavienkylmäaineiden tilalle.


R134a:n korvaavat kylmäaineetKylmäainetta R134a käytetään yleisesti ilmastoinnin jäähdytyskoneikoissa ja myöskaukojäähdytysratkaisuissa. Kiinteissä järjestelmissä R134a ei toistaiseksi kuulu uuden F-kaasuasetuksen käyttökiellon piiriin, suhteellisen alhaisen GWP-arvonsa 1430 johdosta. Senkäyttö on kuitenkin kiellettyä liikkuvien järjestelmien (ajoneuvot) jäähdytyslaitteissa. VaikkaR134a ei kuulu suoranaisesti kiellettyjen aineiden joukkoon, sen käyttöä hankaloittaatulevaisuudessa F-kaasuasetuksessa HFC kylmäaineille määritellyt kiintiöt ja kiintiöidenvähittäinen pienentäminen vuoteen 2030 mennessä. Taulukossa 2 on esitettykirjallisuudessa (Bitzer) esitettyjä vaihtoehtoja ja joitain niiden ominaisuuksia.

Taulukko 2. R134a:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer).Kylmäaine OminaisuuksiaR152a Palava aine, joka rajoittaa sen käyttöä.

Lämpöteknisiltä ominaisuuksiltaan melko lähelläR134a:ta. GWP = 124

R1234yf Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudetlähellä R134a:ta, GWP=4. Käyttö erityisestiautojen ilmastoinnissa

R1234ze(E) Lievästi palava aine, tilavuustuotto pienempi kuinR134a, GWP = 7

R407C:n korvaavia kylmäaineitaR407C kylmäaineen GWP-arvo on 1774, ja vaikka se ei kuulukaan suoranaisesti F-kaasuasetuksen kiellettyjen aineiden listalle, niin sille etsitään alhaisemman GWP-arvonomaavia vaihtoehtoja. R407C:tä käytetään verraten yleisesti kierukka-, mäntä- jaruuvikompressoreilla varustetuissa jäähdytyskoneikoissa. Ainakaan toistaiseksivaihtoehtoisia uusia synteettisiä kylmäaineita ei juuri ole esitetty paitsi taulukossa 3 mainitutR32:n ja HFO-kylmäaineiden seokset.

Taulukko 3. R407C:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer).Kylmäaine OminaisuuksiaR32 ja HFO-kylmäaineiden seokset Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet

lähellä R410A:ta, GWP=400–500.

R410A:n korvaavia kylmäaineitaR410A:n GWP-indeksi on 2088 eli melko korkea, mutta sen käyttöä ei ole suoranaisestikielletty nykyisen F-kaasuasetuksen mukaan. Korkean GWP-arvon vuoksi sille etsitäänkorvaavia vaihtoehtoja, joita on lueteltu taulukossa 4. R410A:ta käytetään laajasti mm.kierukkakompressorikäyttöisissä ilma-ilmalämpöpumpuissa. Muutama laitetoimittaja on jokorvannut R410A:n uusissa koneikoissa R32:lla.

Taulukko 4. R410A:n korvaavia uusia kylmäaineita (Bitzer).Kylmäaine OminaisuuksiaR32 Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet

lähellä R410A:ta, GWP=675.R32 ja HFO-kylmäaineiden seokset Lievästi palava aine, lämpötekniset ominaisuudet

lähellä R410A:ta, GWP=400-500.R290 Palava aine, tilavuustuotto merkittävästi pienempi

kuin R410A:lla, GWP = 7R1270 Palava aine, tilavuustuotto merkittävästi pienempi

kuin R410A:lla, GWP = 7

4.1.1.1.2 Luonnolliset kylmäaineetLuonnollisia kylmäaineita ovat: 1) erilaiset hiilivedyt (HC) kuten isobutaani (R600a), propaani(R290), 2) hiilidioksidi (R744), 3) ammoniakki (R717), 4) vesi (R718) ja 5) ilma. Rakennusten


jäähdytykseen näistä soveltuvat muut paitsi ilma, jonka sovellusalue on parhaimmillaanerittäin matalissa, alle -50 °C:een, lämpötiloissa, kuva 10.

Kuva 10. Luonnolliset kylmäaineet ja niiden tyypilliset sovelluslämpötilat(http://www.mayekawausa.com/markets/natural5.html).

4.1.1.2 KompressorivaihtoehdotTaulukossa 5 on esitetty nykyisin käytössä olevat kompressorivaihtoehdot ja arviosovellusten tehoalueista (Siemens).

Taulukko 5. Käytössä olevat kompressoritekniikat ja niiden tyypilliset tehoalueet (Siemens).Tekniikka Tehoalue

(jäähdytyslämpötila 0 °C)Kierukka 0 – 500 kWMäntä 0 – 1 MWRuuvi 0,2 – 5 MWTurbo 0,35 – 30 MW

Viimeaikojen kehitys on johtamassa jäähdytysteholtaan yhä suurempiin yksikkökokoihin.Seuraavassa on lyhyesti esitelty kaikki kompressorityypit ja niiden erityispiirteitä.

4.1.1.2.1 KierukkakompressoritKierukkakompressoreita (scroll-kompressori) käytetään yleisesti pienissä teholuokissaesimerkiksi jääkaapeissa, lämpöpumpuissa ja ilmastoinnin jäähdytyslaitteissa.Kierukkakompressoreiden (kuva 11) hyötysuhde ja tuotto ovat paremmat kuinmäntäkompressoreiden, lisäksi niiden ääniominaisuudet ja säädettävyys (invertteri) ovathyvät. Ne ovatkin syrjäyttäneet monessa pienen teholuokan sovelluksessamäntäkompressorit. Käytetyimmät kylmäaineet ilmastoinnin jäähdytyksessä ovat R410A jaR407C. Käytetyin säätötapa ilmastoinnin jäähdytyksessä perustuu kompressorienpysäytykseen ja käynnistykseen (on-off-säätö), myös taajuusmuuttajien käyttö onmahdollista. Mitään erityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina.

Lämpötila HC CO2 NH3 H2O Air100 °C

60 °C

20 °C

0 °C

-20 °C

-40 °C

-100 °C

KäyttövesiIlmastointiJäähdytys

Käyttövesi

Kylmä-liuos

Jäähdytys

Pakastus

IlmastointiJäähdytys

KylmävarastoPakastus

IlmastointiJäähdytys

Pakastus


Kuva 11. Kierukkakompressori (Danfoss).

4.1.1.2.2 MäntäkompressoritMäntäkompressorit ovat perinteistä ja edelleen kilpailukykyistä tekniikkaa monissasovelluksissa. Esimerkiksi hiilidioksidia kylmäaineena käyttävissä jäähdytysjärjestelmissäkäytetään mäntäkompressoreita. Ilmastoinnin jäähdytysratkaisuissa mäntäkompressorienkäyttö tosin on nykyisin harvinaisempaa. Tehonsäätö perustuu sarjavalmisteisissakoneikoissa usein on-off-säätöön. Taajuusmuuttajien käyttö on mäntäkompressoreillakinmahdollista. Mitään erityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina.

4.1.1.2.3 RuuvikompressoritRuuvikompressoreita käytetään yleisesti ilmastoinnin jäähdytyksessä etenkin hiemansuuremmissa teholuokissa. Käytetyimmät kylmäaineet ovat R134a, R410A ja R407C.Taajuusmuuttajien käyttö tehonsäädössä on mahdollista, joskin edelleen harvinaista. Säätötoteutetaan yleisimmin luistisäädöllä. Taajuusmuuttajasäädöllä pystytään parantamaanlaitteiston osakuormituksen kylmäkerrointa merkittävästi luistisäätöön verrattuna. Mitäänerityistä teknologista kehitystä ei ole tapahtunut viime aikoina.

4.1.1.2.4 TurbokompressoritTurbokompressoreita käytetään erityisesti teholuokaltaan suurimmissa jäähdytyskoneissa,tyypillisesti yli 1 MW:n koneistoissa. Käytetyimmät kylmäaineet ovat ilmastoinninjäähdytyksessä R134a ja teollisuussovelluksissa R717 (ammoniakki). Monella valmistajallaon tarjota myös uusilla kylmäaineilla, erityisesti R1234ze(E) toimivia ratkaisuja.Tehonsäädössä käytetään taajuusmuuttajia ja johtosiipisäätöä. Turbokompressoreidenteknisessä kehityksessä on tapahtunut parannusta ennen kaikkea magneettisen laakeroinninmyötä. Magneettinen laakerointi (kuva 12) mahdollistaa öljyttömän kompressorin jakompressorien kierrosnopeuden kasvattamisen. Suuremmat kierrosnopeudet merkitsevätsuurempia tehoja. Lisäksi kompressoreiden energiatehokkuus parantuu pienentyneen kitkanja parantuneen lämmönsiirron (ei öljyä lämmönvaihtimissa) ansiosta. Etuina ovat myösyksinkertaisempi järjestelmä, koska öljynkäsittelyyn liittyviä komponentteja ei tarvita.Magneettinen laakerointi vähentää kompressoreiden kulumista pidentäen käyttöikää,huoltotarvetta (ei öljynvaihtoja), melua ja värähtelyjä. Useilla valmistajilla on jo tarjotamagneettista laakerointia.


Kuva 12. Turbokompressorin magneettinen laakerointi mahdollistaa öljyttömän ratkaisun(Hinckley 2010).

Magneettilaakeroidut turbokompressorit ovat erään valmistajan antamien tietojen mukaannoin 10 % kalliimmat kuin teholtaan vastaavat ruuvikompressorit, mutta huolto- jaenergiakustannuksiltaan edullisemmat, jolloin magneettisen laakeroinnin takaisinmaksuajaksion laskettu alle 5 vuotta.

4.1.2 Muut jäähdytysteknologiat

4.1.2.1 Kiinteän olomuodon teknologiatKiinteän olomuodon teknologioista esitellään magneettinen jäähdytys ja lämpösähköinenjäähdytys. Lämpösähköinen jäähdytys on jo pitkään käytetty jäähdytysteknologiaerikoiskohteissa, kuten kuljetettavissa jäähdytyslaitteissa, joissa jäähdytysjärjestelmältäedellytetään vähäistä tilantarvetta ja keveyttä. Magneettinen jäähdytys on vasta tulossamarkkinoille, ja ensimmäisinä sovelluskohteina ovat jääkaapit ja kaupan kylmäkalusteet.

4.1.2.1.1 Magneettinen jäähdytysMagneettinen jäähdytys perustuu eräiden materiaalien magnetokaloriseen ilmiöön: kunmagnetokalorinen materiaali liikkuu magneettikentässä, syntyy lämpöä magnetoitumisessa.Syntynyt lämpö siirretään esimerkiksi jäähdyttävän liuoskierron välityksellä prosessista pois.Tämän jälkeen magnetokalorinen materiaali demagnetoidaan, joka sitoo lämpöäympäristöstä, esimerkiksi jäähdytyspiirin liuoksesta. Tätä prosessia on havainnollistettu javertailtu perinteiseen kompressoriprosessiin kuvassa 13.

Kuva 13. Kompressori- ja magneettijäähdytyksen vertailua (Viuf 2012).


Magneettista jäähdytystä on käytetty jo pitkään, kun on tavoiteltu äärimmäisen alhaisialähellä absoluuttista nollapistettä olevia lämpötiloja. Magneettista jäähdytystä on kehitettyvarsin nopeasti viimeisen vuosikymmenen aikana erityisesti jääkaappien jäähdytykseen jaensimmäiset kaupalliset tuotteet on julkistettu vuonna 2015. Ensimmäiset sovellukset olivat:Basfin, Astronauticsin ja Heierin muodostaman yrityskoalition julkistama viinikaappi jaCooltec Applicationsin julkistama myymälän kylmäkaappi. Kummatkin sovellukset ovatpienitehoisia, jäähdytysteholtaan alle 400 W, mutta kehitteillä on suurempitehoisia laitteitaesimerkiksi ilmastoinnin jäähdytykseen. Magneettijäähdytyksen odotetaan ensimmäisenäyleistyvän kotitalouksien jääkaapeissa. Tekniikan etuina mainitaan energiatehokkuus, jonkaodotetaan olevan jääkaappisovelluksissa 20 – 35 % parempi kuin kompressoritekniikalla.Lisäksi etuina mainitaan ympäristöystävällisyys (ei kylmäaineita) ja meluttomuus. Tällähetkellä teknologian yleistymisen esteenä on ennen kaikkea korkeampi hinta, joka johtuumm. magnetokaloristen materiaalien kustannuksista. Toisaalta Basf ilmoittaa käyttävänsätavallisia ja yleisesti saatavilla olevia materiaaleja, jolloin myös kustannusten oletetaanputoavan nopeasti massatuotannon myötä. Toistaiseksi laitteiden tarkempia teknisiä tietojaei ole julkistettu.

Tähän mennessä julkaistuissa tutkimuksissa magneettisten materiaalien pääraaka-aineenaon käytetty kadoliniumia (Gd) ja sen seoksia eri aineiden kesken. Basf ilmoitti käyttäneensärautaseosta viinikaapin jäähdytyskoneikossa. Taulukossa 6 on esitelty tekniikanominaisuuksia.

Taulukko 6. Teknologian hyvät ja huonot puolet.

Hyvää Selitys

Toimintavarma ja kohtuullisenyksinkertainen rakenne

Vähemmän liikkuvia osia kuin kompressoritekniikassa

Äänetön Ei meluavaa kompressoriaYmpäristöystävällinen Prosessissa ei tarvita kylmäainetta Kylmänsiirtoon tarvitaan

edelleen jäähdytysliuosEnergiatehokas yli 20 % energiatehokkaampi kuin kompressoritekniikkaan

perustuvaEdullisuus Jää nähtäväksiSkaalautuva Sopii sekä pieniin kotitalouden laitteisiin että

teollisuusmittakaavan jäähdytyslaitteisiinSopii eri lämpötila-alueille Soveltuu sekä ilmastoinnin jäähdytykseen että teolliseen

kylmäntuottoonHuonoa SelitysKallis Magnetokaloriset materiaalit kalliitaJärjestelmäliityntä hankala Lämmönsiirto kylmällä ja kuumalla puolella ympäristöön hankala

toteuttaa liikkuvan kiinteän magnetokalorisen materiaalin vuoksiKehitys on kesken Käytettävät materiaalit ja magneettikentän luomiseen tarvittavat

laitteistot vielä kehitteilläKaupallisesti saatavilla olevat tuotteet soveltuvat vain rajattuihin,pienitehoisiin, sovelluksiin

4.1.2.1.2 Lämpösähköinen jäähdytysLämpösähköiset ilmiöt ovat fysikaalisia ilmiöitä, joissa joko lämpötilaero synnyttääsähkövirran tai sähkövirta aiheuttaa lämpötilaeron. Peltier-ilmiöön perustuvassajäähdytyselementissä sähkövirta aiheuttaa lämpötilaeron elementin puolten välille. Ilmiötäkäytetään hyväksi yksinkertaisissa ja pienissä jäähdytyslaitteissa, kuten elektroniikanjäähdytyksessä ja matkajääkaapeissa. Peltier-ilmiön energiatehokkuus on kaupallisilla tuotteillaollut toistaiseksi huono, josta syystä sitä ei käytetä rakennusten jäähdytyksessä. Toinen syy on,että kaupallisten moduulien jäähdytystehot ovat hyvin vaatimattomia, korkeintaan joitain satoja


watteja. Materiaalikehityksen myötä energiatehokkuutta voidaan parantaa, jolloin tekniikan onmahdollista yleistyä laajempaan käyttöön tulevaisuudessa. Lämpösähköisen jäähdytyksenperiaate on esitetty kuvassa 14.

Kuva 14. Lämpösähköisen menetelmän periaate eli ns. Peltier-ilmiö.

4.1.2.2 Elektromekaaniset teknologiatElektromekaanisista jäähdytysteknologioista termoelastinen jäähdytys on mielenkiintoisin jayksi mahdollisista tulevaisuuden jäähdytystekniikoista. Tämän vuoksi se esitellään tässäraportissa.

4.1.2.2.1 Termoelastinen jäähdytysTermoelastinen jäähdytys perustuu muistimetallien (shape-memory alloys, SMA)martensiittiseen muutokseen liittyvään latenttilämpöön. Termoelastiseen jäähdytykseenperustuvassa laitteessa muistimetallista valmistettua rainaa, vuoroin venytetään javapautetaan, jolloin vuoroin sitoutuu ja vapautuu lämpöä (kuva 15). Termoelastisenjäähdytyksen potentiaali tulevaisuuden jäähdytysteknologiana on merkittävä, mutta tutkimusja tuotekehitys ovat vasta alussa. Ensimmäiset tieteelliset raportit järjestelmäkehityksestä onjulkaistu vasta vuonna 2012, joskin materiaalitason tutkimusta on tehty jo huomattavastipidempään. Ensimmäisissä prototyypeissä on käytetty titaanin ja nikkelin seoksia (Ti-Ni).

Kuva 15. Termoelastisen jäähdytyksen periaate (Cui et al. 2012).


Kuvassa 16 on esitetty esimerkki Ni-Ti-langan lämpötiloista lankaa jännitettäessä jajännityksen vapautuessa. Ni-Ti-langan lämpötila nousee jännitettäessä noin +47 °C:seen jajäähtyy +5 °C:seen jännityksen vapautuessa. Kyseiset lämpötilat soveltuvat esimerkiksirakennuksen jäähdytysratkaisuihin. Taulukossa 7 on esitetty tekniikan hyviä ja huonojaominaisuuksia.

Kuva 16. Ni-Ti langan (halkaisija 3 mm) lämpötila ja jännityskäyrät ajan funktiona (Cui et al.2012).

Taulukko 7. Teknologian hyvät ja huonot puolet.

Hyvää Selitys

Toimintavarma jayksinkertainen rakenne

Vähemmän liikkuvia osia kuin kompressoritekniikassa

Äänetön Ei meluavaa kompressoriaYmpäristöystävällinen Prosessissa ei tarvita kylmäainetta Kylmänsiirtoon tarvitaan

edelleen jäähdytysliuosEnergiatehokas Yli 30 % energiatehokkaampi kuin kompressoritekniikkaEdullisuus Jää nähtäväksiSkaalautuva Sopii sekä pieniin kotitalouden laitteisiin että teollisuusmittakaavan

jäähdytyslaitteisiinSopii eri lämpötila-alueille

Soveltuu sekä ilmastoinnin jäähdytykseen että teolliseenkylmäntuottoon

Huonoa SelitysHinta kysymysmerkki Muistimetallit kalliitaJärjestelmäliityntähankala

Lämmönsiirto kylmällä ja kuumalla puolella ympäristöön hankalatoteuttaa liikkuvan rainan vuoksi

Kehitys on kesken Käytettävät materiaalit ja tarvittavat laitteistot vielälaboratorioasteella.Ei kaupallisia tuotteita


4.1.2.3 Lämpökäyttöiset jäähdytysteknologiatSeuraavassa esiteltävät lämpökäyttöiset teknologiat perustuvat sorptioon.Sorptioprosesseissa kaasumainen kylmäaine liukenee joko nesteeseen (absorptio) taisitoutuu kiinteän aineen pintaan (adsorptio).

Kirjallisuudessa käytetään kylmäkertoimelle usein merkintää COP (coefficient ofperformance), mutta eurooppalaisissa lämpöpumppustandardeissa COP:tä käytetäänlämpökertoimelle ja EER:ää kylmäkertoimelle. Tässä raportissa kylmäkertoimet (EER =energy efficiency ratio) on jaettu lämmönkäytön kylmäkertoimeen EERlämpö ja sähkönkäytönkylmäkertoimeen EERsähkö. Lämmönkäytön kylmäkerroin määritellään jäähdytystehonsuhteena käytettyyn lämpötehoon. Sähkönkäytön kylmäkerroin puolestaan määritelläänlaitteiston jäähdytystehon ja sähkötehon suhteena. Sähkötehontarve muodostuusorptiolaitteen sisäisten pumppujen ja välijäähdytyspiirin pumppujen ja puhaltimiensähkötehontarpeista. Valmistajat ilmoittavat kylmäkertoimen usein pelkästään tietyssänimellisolosuhteessa ja se edustaa vain kyseisen tilanteen kylmäkerrointa. Laitteistontoimintaa käytännössä kuvaisi huomattavasti paremmin vuosikylmäkerroin SEER (seasonalenergy efficiency ratio), joka ottaa huomioon vuotuisesti vaihtelevat olosuhteet. SEER-arvotmääritellään tehojen sijaan energiankulutusten suhteina. Valitettavasti standardointi ei oleedennyt lämpökäyttöisten jäähdytyslaitteiden osalta vielä näin pitkälle.Vuosilämpökertoimelle on tässä raportissa käytetty merkintää SCOP (seasonal coefficient ofperformance).

4.1.2.3.1 AbsorptiojäähdytysAbsorptiojäähdytys perustuu liuottimen ja kylmäaineen (absorbentti) muodostaman aineparinkäyttäytymiseen liuoksena. Tietyssä paineessa ja lämpötilassa höyryn ja nesteeseenabsorboituneen kaasun välillä vallitsee tasapaino. Paineen ja lämpötilan muuttuessa, höyryävapautuu tai sitoutuu.

Absorptioprosessi koostuu neljästä pääosasta; imeyttimestä, keittimestä, lauhduttimesta jahöyrystimestä (kuva 17). Imeyttimessä väkevöitynyt liuos sekoittuu höyrystimestä palaavanlauhtuvan liuoksen kanssa matalassa painetasossa, jonka jälkeen se nostetaan pumpullakorkeampaan painetasoon keittimelle. Täällä liuos höyrystetään ulkopuolisen pääasiallisenakäyttöenergiana toimivan lämmön avulla, josta se jatkaa edelleen lauhduttimelle.Lauhduttimessa höyrystynyt neste lauhtuu ja se ohjataan paisuntaventtiilin kauttamatalammassa painetasossa toimivalle höyrystimelle. Täällä neste höyrystyy uudelleenjäähdyttäen kylmäainepiirin virtausta. Imeyttimen ja lauhduttimen toiminta vaatii jäähdyttävänvesivirtauksen (ns. välijäähdytys), lämpötilatasoltaan keittimen ja höyrystimen välillä,tyypillisesti noin +30 °C. Keittimen ja imeyttimen välillä on usein lämmönsiirrin, jossaväkevöitynyt liuos luovuttaa lämpöä keittimelle pumpattavaan liuokseen parantaen prosessinhyötysuhdetta (Energiateollisuus 2006).


Kuva 17. Absorptioprosessi, jossa keittimen lämmitys voidaan toteuttaa kaukolämmöllä.Kuvaan merkityt lämpötilat ovat esimerkkejä (http://www.solair-project.eu).

Yleisimmät käytetyt aineparit ovat vesi/litiumbromidi (H2O-LiBr) ja ammoniakki/vesi (NH3-H2O). Ensiksi mainitussa vesi toimii kylmäaineena ja toisessa taas liuottimena. Vainkylmäaine kiertää lauhduttimen ja höyrystimen kautta. LiBr–pohjainen prosessi toimiialipaineessa, ammoniakkipohjainen prosessi taas korkeassa, kompressorijäähdytykseenverrattavissa olevassa paineessa. Ammoniakkiprosessissa tarvitaan lisäksirektifikaatiokolonni keittimen ja lauhduttimen väliin, jotta ammoniakin mukana kulkeutuva vesiei kerääntyisi höyrystimeen ja muuttaisi näin prosessiolosuhteita epäedullisempaansuuntaan. (Energiateollisuus 2006). Kaupallisissa tuotteissa käytetään pääsääntöisestivesi/litiumbromidia kun jäähdytyslämpötila on korkeampi kuin 0 °C ja ammoniakki/vesiaineparia, kun jäähdytyslämpötila on alle 0 °C.

Seuraavissa kappaleissa on käyty läpi eri absorptioprosessien ominaisuuksia. Pohjanatarkastelulle on absorption hyödyntäminen kaukojäähdytyksessä, mutta luvut ovatvertailukelpoisia myös rakennuskohtaisille järjestelmille.

Käyttöenergiana toimivan vesivirtauksen lämpötila tulee H2O-LiBr prosessissa olla yli 80 °C.Tätä matalammissa lämpötiloissa kylmäkerroin (EER) laskee nopeasti. Yksivaiheisenprosessin (englanniksi single effect) EER on noin 0,7, kaksivaiheisena (englanniksi doubleeffect) päästään jo yli yhden ja kolmivaiheisella (englanniksi triple effect) toteutuksella ollaannoin 1,5 tienoilla. Vaiheiden (paine- ja lämpötilatasojen) lisääminen luonnollisesti kasvattaainvestointikustannuksia ja nostaa keittimen lämpötilavaatimusta, mutta parantaa prosessinhyötysuhdetta. (Koljonen et al. 1998) Yhtenä haasteena prosessille on estää litiumbromidinkiteytyminen alhaisia lämpötilatasoja käytettäessä. Tähän ratkaisuna on löydetty erilaistenmuiden suolojen lisääminen liuokseen (Sun et al. 2012).

NH3-H2O prosessi vaatii käytännössä yli 100 °C:n lämpötilan. Kylmäkertoimeltaan se jääH2O-LiBr alemmas, noin 0,60 - 0,65 tienoille. (Koljonen et al. 1998) Natriumhydroksidinlisääminen liuokseen parantaa ammoniakin ja veden erottumista parantaen hyötysuhdettanoin 20 % (Sun et al. 2012).

Kuvassa 18 on esitelty erilaisia absorptioprosesseja, joista matalalämpötilaisissa ratkaisuissakäytetään single effect -prosessia. Kuvissa 18 ja 19 esitetään teoreettisia laskentatuloksiakylmäkertoimen riippuvuudesta prosessin lämpötilatasoista erilaisille absorptioprosesseille(Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014). Esitetyt kylmäkertoimen arvot tuntuvat hiemanoptimistisilta, mutta antavat hyvän kokonaiskuvan eri tekijöiden vaikutuksestakylmäkertoimeen.


Kuvasta 19 nähdään, että half effect -prosessilla päästään matalimpiin keitinlämpötiloihin,jopa alle 60 °C, single effect kytkennällä käyttölämpötilat ovat suunnilleen 70 °C - 95 °C jadouble effect kytkennät edellyttävät jo huomattavasti korkeampia lämpötiloja. Teoreettisetkylmäkertoimet ovat single effect kytkennällä huomattavasti double effect kytkentäähuonommat. Half effect kytkennällä kylmäkertoimet jäävät kaikkein huonoimmiksi.

Kuvasta 20 havaitaan, että kylmäkertoimet riippuvat keittimen käyttölämpötilasta jajäähdytys- ja kylmäpiirin lämpötiloista: mitä korkeampi jäähdytyspiirin lämpötila on, sitähuonompi on kylmäkerroin ja toisaalta mitä matalampi kylmäpiirin lämpötila on, sitähuonompi on kylmäkerroin. Half effect -prosessi olisi käyttölämpötila-alueensa vuoksi sopivakaukolämpösovelluksiin, mutta sen kylmäkerroin jää huonoksi. Lisäksi half effect -prosession huomattavasti monimutkaisempi kuin single effect -prosessi, mikä merkitsee korkeampaahankintahintaa. Double effect -prosesseilla saavutetaan hyvä kylmäkerroin, mutta needellyttävät myös korkeaa käyttölämpötilaa. Lisäksi prosessit ovat monimutkaisempia ja siksihintavampia kuin single effect laitteet. Näistä syistä single effect laitteita tutkitaan jasovelletaan kaukolämpö- ja aurinkolämpökäyttöön ehdottomasti eniten.

a) half effect b) single effect

c) douple effect in series d) douple effect inverse

Kuva 18. Erilaisia absorptioprosesseja: a) half effect, b) single effect ja c) double effect inseries sekä d) double effect inverse. Merkinnät: A on imeytin, HE on lämmönsiirrin, CG onlauhdutin/keitin, G on keitin ja E on höyrystin. (Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014)


Kuva 19. Eri absorptioprosessien laskennallisia kylmäkertoimia lämmönlähteen lämpötilanfunktiona. Höyrystyslämpötila on +8 °C, lauhdutuslämpötila on +39 °C ja välikeittimenlämpötila on +105 °C (Domínguez-Inzunza, L. A., et al. 2014).

a) Kylmäkertoimet höyrystyslämpötilan funktiona,single effect ja half effect. Keittimen lämpötila 75 °C jalauhdutuksen (välijäähdytys) 35 °C.

b) Kylmäkertoimet höyrystyslämpötilan funktiona,double effect in series ja double effect inverse.Keittimen lämpötila 155 °C, välikeittimen 105 °C jalauhdutuksen (välijäähdytys) 35 °C.

c) Kylmäkertoimet lauhdutuslämpötilan (välijäähdytys)funktiona, single effect ja half effect. Keittimenlämpötila 80 °C ja jäähdytyspiirin 8 °C.

d) Kylmäkertoimet lauhdutuslämpötilan (välijäähdytys)funktiona, double effect in series ja double effectinverse. Keittimen lämpötila 137°C, välikeittimen 90°Cja jäähdytyspiirin 8 °C.

Kuva 20. Eri absorptioprosessien laskennallisia kylmäkertoimia höyrystyslämpötilanfunktiona a) half effect ja single effect b) double effect in series ja double effect inverse sekälauhdutuslämpötilan (välijäähdytys) funktiona c) half effect ja single effect ja d) double effectin series ja double effect inverse (Domínguez-Inzunza, L. A., et al 2014).


Seuraavassa on vertailtu tyypillistä single effect -absorptioprosessia jakompressoriprosessia, kun jäähdytystehontarve on 10 kW. Kuvassa 21 on esitettyabsorptioprosessin tarvitsemat keitinteho ja välijäähdytysteho, kun laitteiston kylmäkerroin on0,71. Kylmäpiirin lämpötilat soveltuvat ilmastoinnin jäähdytykseen (+12 °C / +7 °C) jakaukolämmön lämpötilat ovat kesäiset (+75 °C / +65 °C). Esimerkin10 kW:n kylmätehontuottaminen absorptiolaitteistolla edellyttää 14 kW:n kaukolämpötehoa ja 24 kWvälijäähdytystehoa. Vertailulaitteisto on kompressorikylmäkoneisto, jonka kylmäkerroin on 3.Tällöin 10 kW:n jäähdytystehoon tarvitaan noin 3 kW:n sähköteho, ja lauhdutustehontarve on13 kW. Absorptioprosessiin verrattuna kompressorilaitteiston käyttötehontarve on vain noinviidesosa ja lämmöntuotto puolet pienempi. Absorptioprosessin jäähdytysteho jakylmäkerroin ovat herkkiä välijäähdytyksen lämpötilalle, eikä sen lämpötilatasoa kannatanostaa hyötykäyttöä ajatellen. Myös kompressorilaitteiston jäähdytysteho ja kylmäkerroinheikkenevät lauhdutuslämpötilaa nostettaessa, mutta eivät läheskään niin voimakkaasti kuinabsorptiolaitteistolla. Absorptioprosessin suurempi välijäähdytystehon tarve nostaa laitteistonhintaa ja aiheuttaa myös suuremmat pumppaussähkön ja mahdolliset puhallinsähköntarpeet. Huonosti suunnitellun absorptiolaitteiston sähkön EERsähkö voi olla lähellä hyvänkompressorilaitteiston kylmäkerrointa, on raportoitu jopa alle 5:n arvoja. Hyvin suunnitellussaabsorptiolaitteistossa sähkön EERsähkö pitäisi olla suuruusluokkaa 10 – 20.

Kuva 21. Tyypillisen absorptioprosessin ja kompressoriprosessin tehontarpeet jatoimintalämpötilat. Vertailutilanteessa kummankin laitteiston jäähdytystehontarve on 10 kW.

Läpikäydyssä aineistossa ei tullut esille absorptiolaitteiston hyödyntämistä kesälläjäähdytykseen ja talvella lämmitykseen. Yhteiskäytössä laitteiston käyttöaste paranisi jamyös energiakustannuksia voitaisiin pienentää. Ajatuksena tällaisessa käytössä on, ettäkesällä lämpöpumpun lämmönlähde on rakennuksen jäähdytysverkko ja talvella uusiutuvaenergialähde kuten porakaivo. Kesällä porakaivoratkaisussa välijäähdytysenergia, jota eihyödynnetä, voidaan ajaa maahan ja pitää välijäähdytyspiirin lämpötila sopivan alhaisellatasolla, mikä parantaa kylmäkerrointa. Talvella porakaivosta saadaan lähes ilmaistauusiutuvaa energiaa, joka pienentää lämmityskustannuksia. Rajoittavana tekijänälämmityskäytössä on, että välijäähdytyslämpötila on kovin alhainen (30 - 35 °C). Näinalhainen lämpötilataso sopii uudisrakennusten matalalämpötilajärjestelmään, muttaolemassa olevassa rakennuskannassa se on ongelma. Talvella ja kesällä välijäähdytystävoidaan hyödyntää käyttöveden esilämmittämiseen. Useimmissa absorptiolaitteissakäytetään kylmäaineena vettä, joka rajaa esimerkiksi ulkoilman pois mahdollisenalämmönlähteenä. Myös porakaivoratkaisussa maapiirin lämpötilatasot ovat talvella noin 0 °Cja jopa hieman pakkasen puolella. Tällöin pitäisi käyttää esimerkiksi ammoniakki-vesiabsorptiolaitteita, joilla höyrystin voidaan ongelmitta ajaa reilusti pakkasen puolelle, joskinlämpökertoimen kustannuksella.

4.1.2.3.2 Kaupallisten tuotteiden ominaisuuksiaAbsorptiolaitteiden toimittajia löytyy useita suurissa teholuokissa, esimerkiksi Thermax,Broad, Yazaki, Sanyo, Trane ja Carrier. Pienemmän teholuokan (10 – 300 kW)kuumavesikäyttöisten laitteiden valmistajia on rajallisesti mm. EAW, Pink, Sortech ja York.Pienemmän teholuokan laitteista suurin osa on tarkoitettu ensisijaisesti integroitavaksi


aurinkolämpöjärjestelmään. Samat laitteet soveltuvat yhtä hyvin kaukolämpökäyttöön, koskakeittimen toimintalämpötilat ovat kummassakin järjestelmässä samaa tasoa (70 - 90 °C).Absorptiolaitteille ilmoitetuissa nimellistoimintalämpötiloissa näyttää olevan paljoneroavaisuuksia. Alla on esimerkkinä erään valmistajan kahden eri nimellistehoisen (15 kW ja250 kW) laitteen nimellistoimintalämpötilat. Pienemmän laitteen nimellistehoa vastaavattoimintalämpötilat ovat: lämmönlähde 90 °C, kylmäpiirin menolämpötila 11 °C jajäähdytyspiirin tulolämpötila 30 °C. Suuremmalle laitteelle vastaavat toimintalämpötilat ovat:lämmönlähde 86 °C, kylmäpiirin menolämpötila 9 °C ja jäähdytyspiirin tulolämpötila 27 °C.Vertailtaessa eri laitteiden ominaisuuksia on siis oltava tarkkana millä toimintalämpötiloillajäähdytysteho ja EER on annettu.

Absorptiolaitteiden toiminta-arvoihin (jäähdytysteho ja EER) vaikuttavat voimakkaastilämmönlähteen, kylmäpiirin ja jäähdytyspiirin lämpötilat. Toimintalämpötilojen muuttuessajäähdytystehon suhteelliset muutokset ovat suuria ja esimerkiksi lämmönlähteen pienetkinlämpötilavaihtelut voivat aiheuttaa suuria tehomuutoksia, kuten kuvista 22 ja 23 havaitaan.

Kuva 22. EAW GmbH:n valmistaman vesi/litiumbromidi absorptiolämpöpumpun WEGRACALSE15 kylmäteho lämmönlähteen lämpötilan ja kylmäpiirin paluulämpötilan (koneelle tulevanveden lämpötila) funktiona. (http://www.eaw-energieanlagenbau.de/index.php/absorber-akm.html).

Kuva 23. EAW GmbH:n valmistaman vesi/litiumbromidi absorptiolämpöpumpun WEGRACALSE250 kylmäteho lämmönlähteen lämpötilan ja kylmäpiirin paluulämpötilan (koneelle tulevanveden lämpötila) funktiona. (http://www.eaw-energieanlagenbau.de/index.php/absorber-akm.html).


Kylmäkertoimet riippuvat laitteen toimintalämpötiloista samoin kuin jäähdytystehotkin, muttavalmistajat eivät juurikaan julkaise näitä arvoja. Ei sovi unohtaa myöskäänabsorptiolaitteiston sähkönkäyttöä, joka voi huonosti suunnitellussa järjestelmässä ollayllättävän suuri. Absorptiolaitteistossa sähköä kuluu ennen kaikkea välijäähdytysjärjestelmänpumppuihin ja puhaltimiin, ei niinkään prosessin sisäiseen pumppaukseen ja automaatioon.

4.1.2.3.3 AdsorptiojäähdytysAdsorptiojärjestelmät eroavat absorptiolaitteista siinä, että kylmäaineen imeyttimenä toimiinesteen sijasta kiinteä aine. Rakennusten adsorptiojäähdytysratkaisuissa käytetyimmätaineparit ovat vesi-silikageeli ja vesi-zeoliitti. Adsorptioprosessissa (kuva 24) kylmäaineenatoimiva vesi höyrystetään alhaisessa paineessa jäähdytyspiirin energialla höyrystimessä(lämpötila esimerkiksi +6 °C). Toisessa vaiheessa vesihöyry johdetaan adsorbaattoriin, jossahöyry adsorboituu esimerkiksi silikageeliin, jolloin vapautuu lämpöä. Seuraavaksi vapautunutlämpö jäähdytetään välijäähdytyspiiriin, jonka lämpötilataso on noin + 30 °C. Tämän jälkeenadsorbaattoriin ajetaan lämpöä (yli +55 °C:sta), jolla vesi höyrystetään irti silikageelistä jasamalla kasvaa kammion paine. Kuumentunut vesihöyry johdetaan lauhduttimeen, jossahöyry jäähdytetään välijäähdytyspiirin (+30 °C) avulla ja vesihöyry lauhtuu vedeksi. Tämänjälkeen vesi johdetaan paineenalennusventtiilin kautta takaisin höyrystimeen ja prosessialkaa alusta. Koska prosessi on vaiheittainen, laitteet varustetaan kahdellaadsorptiokammiolla, jolloin prosessista saadaan jatkuva, kuten kuvassa 24 onhavainnollistettu.

Kuva 24. Adsorptioprosessi: A – Lämmitys ja paineistus, B – Desorptio ja kondensoituminen,C – Jäähdytys ja paineen alennus, D – Adsorptio ja höyrystys (Wang et al. 2011).

Adsorptiolaitteen toiminta-arvo riippuvat voimakkaasti laitteen toimintalämpötiloista, josta onesitetty esimerkkinä erään pienitehoisen (10 kW) kaupallisen laitteen jäähdytystehonriippuvuus käyttölämpötilasta ja välijäähdytyslämpötilasta, kuva 25.

Adsorptiolaitteiden kylmäkertoimet jäävät hieman pienemmiksi kuin absorptiolaitteilla,suuruusluokaltaan noin 0,6. Kuvassa 26 on esitetty kaupallisen laitteen kylmäkertoimenarvoja, jotka jäävät alhaisilla käyttölämpötiloilla (alle +65 °C) alle 0,6. Toisaaltaadsorptiolaitteiden käyttöenergian lämpötilataso voi olla matalampi kuin absorptiolaitteilla,


suuruusluokka 60 °C tai jopa alle. Etu on myös alhaisemmat huoltokustannukset, koskajärjestelmässä ei tarvita monimutkaista liuoskiertoa. Myöskään käyttölämpötilat eivät ole niinkriittisiä kuin absorptiolaitteistolla, jossa pitää varoa kylmäaineliuoksen kristallisoitumistatietyissä olosuhteissa.

Kuva 25. Erään laitevalmistajan adsorptiolaitteen jäähdytystehoja lämmönlähteen lämpötilanfunktiona, parametrina välijäähdytyslämpötila (SorTech AG).

Kuva 26. Erään laitevalmistajan adsorptiolaitteen kylmäkertoimia lämmönlähteen lämpötilanfunktiona, parametrina välijäähdytyslämpötila (SorTech AG).

4.1.2.3.4 KuivausjäähdytysKuivausjäähdytysratkaisut on useimmiten integroitu rakennuksen ilmastointiin eli niilläjäähdytetään rakennuksen tuloilmaa. Kuvassa 27 esitetään esimerkki ilmanvaihtoonintegroidusta kuivausjäähdytysprosessista, jossa hyödynnetään aurinkolämpöä ja/taiesimerkiksi kaukolämpöä.


Kuva 27. Desiccant cooling prosessi, jossa lämmitys on toteutettu aurinkolämmöllä jalisälämmöllä, joka voi olla esimerkiksi kaukolämpöä (http://www.solair-project.eu).

Ilman jäähdytys kuivausjäähdyttimessä perustuu veden höyrystymiseen kuivassa ilmassa, eliitse jäähdytysprosessi ei tarvitse mitään käyttövoimaa kuten sähköä tai lämpöä. Suomenkaltaisessa ilmastossa pärjätään osan aikaa vuotta pelkästään ilman kostutusjäähdytyksellä.Ensimmäisessä säätöportaassa jäähdytetään pelkästään poistoilmaa kostuttamalla sitä jasisälle puhallettavaa ulkoilmaa jäähdytetään epäsuorasti poistoilmallalämmöntalteenottopatterilla. Jos pelkästään poistoilman kostutus ei riitä, voidaan avuksi ottaatuloilman suora kostutusjäähdytys. Tuloilman kostutus edellyttää, että ulkoilma on riittävänkuivaa. Kesällä ulkoilma on kuitenkin niin kosteaa, että riittävää jäähdytystä ei saada pelkälläilman kostutuksella aikaiseksi. Tällöin otetaan avuksi ilman kuivausroottori, jolla ensinkuivataan ulkoilmaa ennen kuin sitä esijäähdytetään lämmöntalteenottolämmönsiirtimessä jalopulta jäähdytetään tuloilman puhalluslämpötilaan kostuttamalla vedellä. Kuivausroottorissaon esimerkiksi silikageeliä, johon ulkoilman vesihöyry adsorboituu ja ulkoilma kuivuu samallalämmeten. Kuivausroottori täytyy regeneroida eli siihen sitoutunut vesi poistaa. Tämätapahtuu lämmittämällä poistoilmaa matalalämpötilaisella lämmönlähteellä (esimerkiksiaurinkolämpö tai kaukolämpö) ja ajamalla lämmitetty poistoilma kuivainroottorin kautta ulos,jolloin vesi höyrystyy roottorista poistoilmaan. Kuivausprosessilla itsellään päästään noin0,67:n kylmäkertoimeen, mutta hyödyntämällä osan vuotta pelkästään kostutusjäähdytystä,voidaan päästä vuosikylmäkertoimeen 1,5 (Claesson 2013).

Kuivausroottorissa voidaan käyttää kiinteää materiaalia, esimerkiksi silikageeliä kutenadsorptiolaitteissa, mutta myös muita aineita käytetään. Kiinteän adsorbentin sijaan voidaankäyttää esimerkiksi nestemäisiä absorbentteja sekä hybridiratkaisuja, joissa kiinteäänaineeseen on lisätty jotain nestemäistä ainetta. Erilaisia kuivausmateriaaleja, joita on tutkittu,on esitetty liitteessä 1.

Kuivausjäähdytys harvoin kattaa yksin rakennuksen koko jäähdytyskuormaa, mutta senavulla voidaan pienentää jäähdytystarvetta ja toisaalta sillä voidaan jossain määrin hallitasisäilman kosteutta. Kuivausjäähdytyksellä on mahdollista jäähdyttää Suomen olosuhteissaulkoilma +30 °C:sta sisäänpuhalluslämpötilaan +16 °C. Kuvassa 28 on esitettyilmastointikoneeseen integroidun kuivausjäähdytyslaitteiston komponentit. Kuvassa 29 onesitetty jäähdytysprosessin lämpötiloja ja ilmavirtojen vesisisältöjä mitoitusolosuhteessa.Mitoitustilanteessa poistoilma lämmitetään ennen kuivausroottoria noin +55 °C:seen. Tähäntarvittava lämmitysveden lämpötila lienee minimissään +60 °C:sta. Kuuman ja kosteanpoistoilman (45 °C, 15 g/kg) lämmöntalteenottoa laitteistoon ei kuulu.

Laitteita löytyy suunnilleen ilmavirta-alueelle 2 - 12 m3/s. Ilmavirta-alue vastaatoimistorakennuksen ilmavirralla 1,5 dm3/s/m2 noin 1000 - 8000 m2:n lattiapinta-alaa.Laitteiden mitoitustilanteen veden kulutus vaihtelee em. ilmavirtaa vastaaville laitteille 1 - 2dm3/h. Vuotuinen vedenkulutus riippuu täysin kohteen jäähdytystarpeesta, siksi vuotuista


kulutusta on vaikea arvioida. Vedenkulutuksen suuruusluokka-arvio on satoja kuutioitavuodessa.

Huomionarvoista on, että laitteistolla päästään lämmityskäytössä talvella erittäin hyväänpoistoilman lämmöntalteenoton hyötysuhteeseen (90 %).

Ilman kostutukseen saattaa liittyä hygieniaongelmia, erityisesti legionella bakteeri mielletäänhelposti kostutusjärjestelmien ongelmaksi. Laitevalmistajien mukaan hygieniaan on kiinnitettyhuomiota ja laitteille on haettu hygieniasertifikaatteja. Ongelmaa ei kuulemma ole, koskatuloilmaan ei siirry prosessissa aerosoleja, vaan vesi siirtyy ilmaan höyrystymällä.

Kuva 28. Kuivausjäähdytyslaitteen komponentit, kaupallinen tuote, Munters DesiCool®(https://www.munters.com/globalassets/inriver/resources/products/coolers--humidifiers/desicool_product_brochure.pdf).

Kuva 29. Kuivausjäähdytysprosessin toimintaparametreja (Claesson 2013):

Aurinkolämmöllä toimivia kuivausjäähdytysratkaisuja on käytössä satoja lähinnä Saksassa jaEspanjassa. Ruotsissa on muutama kohde, joissa on käytössä kaukolämpöön liitettykuivausjäähdytys, esimerkiksi IKEA:n myymälä Västeråsissa ja Örebron vanha konserttitalo.Öreboron kohteessa käytetään huippujäähdytystarpeen aikana +60 °C:sta lämmitysvettä.Jäähdytys on lisännyt konserttitalon kaukolämmönkulutusta arvosta 88 kWh/m2 arvoon 144kWh//m2 eli 64 %.

Kuivausjäähdytyksen kustannussäästöt edellyttänevät verraten edullista lämmön hintaa.


4.1.2.3.5 AurinkokeräinjäähdytinEräs innovatiivinen ratkaisu on integroida absorptiojäähdytin ja aurinkokeräin (ClimateWellAB). Tässä laitteessa absorptiolaitteiston reaktorina toimii tyhjöputkiaurinkokeräin, kuva 30.

Kuva 30. Aurinkokeräimeen integroitu absorptiojäähdytin (http://www.climatewell.se/suncool).

Järjestelmä toimii vuorokausisyklissä. Päivällä kuivataan reaktorissa oleva suolaliuosaurinkolämmöllä. Kuivausprosessissa syntyvä vesihöyry siirtyy lauhduttimeen jalauhdutuslämpö hyödynnetään varaajan kautta tilojen ja käyttöveden lämmitykseen. Yöllälaite tuottaa sekä lämpö- että jäähdytysenergiaa. Jäähdytyksen ollessa käytössä vesihöyrystyy lauhduttimessa, joka toimii nyt höyrystimenä. Vesihöyry siirtyy reaktoriin, jossakuiva suola absorboi sen. Höyrystysprosessi sitoo lämpöä rakennuksenjäähdytysjärjestelmästä. Järjestelmästä lähtevän jäähdytyspiirin lämpötila on tyypillisesti +5 -+7 °C. Jäähdytysenergiaa voidaan hyödyntää suoraan rakennuksen jäähdytykseen taivarastoida päiväkäyttöä varten. Jäähdytystoiminnassa, vesihöyryn absorboituessa, syntyylämpöä, jota voidaan käyttää lämmitystarkoituksiin.

Järjestelmää on testattu täyden mittakaavan demonstraatiokohteessa Ruotsissa vuonna2014 (kuva 31). Aurinkokeräinpinta-alaa kohteessa on 180 m2. Demonstraatiokohteessasaavutettiin 42 %:n energiakustannussäästö verrattuna aikaisempaan järjestelmään.Sähkönkäytön kylmäkertoimeksi määritettiin mittauksiin perustuen 10.

Kuva 31. Aurinkokeräinjäähdytysjärjestelmä asennettuna, Karlstadt Ruotsi(http://www.climatewell.se/suncool).

Kyseinen järjestelmä ei sovellu kaukolämmön hyödyntämiseen jäähdytyksessä. Ajateltavissaoleva hybridijärjestelmä voisi olla aurinkokeräinjäähdyttimen ja kuivausjäähdytyksenyhdistelmä. Tässä järjestelmässä aurinkokeräinjäähdytintä käytettäisiin tilojen jäähdytykseen


ja kuivausjäähdytystä ilmanvaihdon jäähdytykseen. Kuivausjäähdytyksessä on mahdollistahyödyntää kaukolämpöä.

4.1.2.3.6 Sorptiojärjestelmien taloudellisuusJäähdytyslaitoksen investointikustannus riippuu useista eri tekijöistä, kuten lauhdepiirintoteutuksesta. Lauhdutus voi kompressoritekniikalla olla toteutettu ilmalauhdutteisena tainestelauhdutteisena, joista ilmalauhdutteinen on halvempi. Sorptiotekniikalla välijäähdytysvoidaan toteuttaa monin eri tavoin. Hintaan vaikuttaa myös varustetaanko laitoslauhdelämmön talteenotolla vai ei. Asennuskustannukset vaihtelevat kohteen olosuhteidenmukaan. Tässä vain osa hintaan vaikuttavista tekijöistä. Tiettyyn kohteeseen oikean hinnansaa vain tarjouskyselyllä, jolloin myös vertailu eri tekniikoiden suhteen on yksiselitteistä.Seuraavassa esitettäviin, ruotsalaisiin selvityksiin perustuviin, hintatietoihin onkinsuhtauduttava vain suuntaa antavina.

Kuvassa 32 on esitetty pienten alle 300 kW:n jäähdytystehon sorptio jakompressorijäähdytyslaitosten investointihintojen vertailua (Sagebrandt et al. 2015).Sorptiojärjestelmän hinnat soveltuvat sekä absorptio että adsorptiolaitteille. Hinnat sisältävätkoko järjestelmän kustannukset ilman asennuskustannuksia ja ne perustuvat eri lähteistäkerättyyn tietoon. Hintataso on yritetty määrittää kummallakin tekniikalla vuoden 2014tasossa. Kummallakin tekniikalla ominaishinnat laskevat suuremmilla jäähdytystehoilla.

Kuva 32. Jäähdytysteholtaan alle 300 kW:n sorptio- ja kompressorikylmälaitoksen investointi-kustannukset ilman asennuskustannuksia (Sagebrandt et al. 2015).

Suurempien järjestelmien hintatietoja on esitetty kuvassa 33 (Holmström et al. 2013), jossasorptiolaitteista hintatiedot liittyvät absorptiojärjestelmiin. Absorptiojärjestelmäninvestointikustannukset pienemmillä tehoilla ovat selvästi suuremmat kuinkompressorijärjestelmien. Noin 1 MW:n teholuokassa absorptio- ja kompressoritekniikanhinnat ovat samaa suuruusluokkaa. Kaukojäähdytyksen investointikustannus on selvästipienin kaikissa teholuokissa. Kuvasta havaitaan, kuinka esimerkiksi kompressorilaitostenhintaero voi saman suuruusluokan laitoksella (300 kW) olla yli kaksinkertainen vertailtaessahalvinta ja kalleinta hintaa. Hintaeroon vaikuttaa monet tekijät, kuten käytetäänköilmajäähdytteistä vai nestejäähdytteistä lauhdutusta, kompressorityyppi, lämmöntalteenotontoteutus, jne.


Kuva 33. Jäähdytysteholtaan alle 3000 kW:n kauko-, kompressori- jaabsorptiojäähdytyslaitteiston investointikustannukset sisältäen myös asennuksen (Holmströmet al. 2013).

Kuivausjäähdytyslaitteista ei löytynyt kattavia hintatietoja. Claesson on diplomityössäänkäyttänyt kuivausjäähdytyskoneikolle noin kaksinkertaista hintaa verrattuna samanlaiseenilmastointikoneeseen ilman kuivausjäähdytystä. Kun ilmastointikoneeseen liitetäänperinteinen kompressorijäähdytys, päädytään suunnilleen samaan investointihintaankummassakin tapauksessa (Claesson 2013). Claessonin käyttämä hintakuivausjäähdytyskoneikolle 7,65 m3/s mitoitusilmavirralla on noin 100 k€.

Eri tekniikoilla on eroja myös huolto- ja kunnossapitokustannusten suhteen. Mitään tarkkojatietoja em. kustannuksista ei kirjallisuudesta löytynyt. Peukalosääntönä esitetäänsorptiotekniikan hoito- ja kunnossapitokustannusten olevan kaksinkertaiset verrattunakaukojäähdytykseen ja kompressoritekniikan kaksinkertaiset verrattuna sorptiotekniikkaan(Holmström et al. 2013). Sorptiotekniikoiden välilläkin on eroja: adsorptiolaiteiden huolto- jakunnossapitokustannukset ovat pienemmät kuin absorptiolaitteilla, mutta kirjallisuudesta eiselvinnyt asiasta mitään tarkempaa tietoa. Vuotuiset huolto- ja kunnossapitokustannuksetarvioidaan yleensä prosentteina investointikustannuksista. Oletusarvoissa on suuria eroja erilähteissä.

Seuraavassa sorptio- ja kompressorilaitteistojen taloudellisuutta tarkastellaan yksinkertaisestipelkästään energiakustannusten näkökulmasta. Tarkemmissaelinkaarikustannustarkasteluissa täytyisi ottaa huomioon monia muita tekijöitä, kuteninvestointikustannukset, huolto- ja korjauskustannukset, tarkastelujakson pituus sähkön jalämmön hintakehitykset ja korkokanta. Tällaisia laskelmia on esitetty ruotsalaisessatutkimuksessa (Sagebrand et al. 2015), mutta koska suuri osa käytetyistä lähtöarvoista jäisiväistämättä spekulatiivisiksi, sellaisia ei tässä raportissa esitetä. Edellä mainitussaruotsalaisessa tutkimuksessa on elinkaarikustannustarkastelulla päädytty yli kahdensadankilowatin laitteilla sähkön ja lämmön hintasuhteeseen noin 5 ja pienemmillä laitteilla selvästisuurempiin hintasuhteisiin.

Kuvassa 34 on esitetty hyvin suoraviivainen laskelma siitä, millä sähkön ja lämmönhintasuhteella kompressori- ja sorptiolaitteiston energiakustannukset olisivat yhtä suuret.


Kuva 34. Sähkön ja lämmön hintasuhde, jolla jäähdytyksen energiakustannukset ovatkompressori- ja sorptiolaitteilla yhtä suuret. Kuvassa on esitetty hintasuhdekompressorikoneikon vuosikylmäkertoimen funktiona ja muutamalla sorptiolaitteistonvuosikylmäkertoimella (SEERlämpö = 0,6, 0,7 ja 0,8). Sorptiolaitteiston sähkönvuosikylmäkerroin on kaikissa tapauksissa SEERsähkö=15, joka on erittäin hyvää tasoa.

Kuvasta 34 nähdään, että sähkön hinta saa olla perustason kompressorilaitteistonvuosikylmäkertoimella (SEER = 3) noin viisinkertainen lämmönhintaan nähden ja erittäinhyvällä kompressorilaitteistolla (SEER = 5) jo kymmenkertainen, jotta energiakustannuksetolisivat yhtä suuret. Asiakkaan kannalta sähkön ja lämmön hintasuhteen pitäisi olla vieläedellä mainittujakin suurempia, jotta sorptiolaitteiston suuremmat investointikustannuksettulisivat katetuksi jollain järkevällä takaisinmaksuajalla.

Edellisessä kappaleessa esitetyn idean, käyttää sorptiolaitetta myös lämmitykseen,kannattavuus energiakustannusten näkökulmasta on esitetty kuvassa 35. Koskanykyaikaisen kompressorikäyttöisen lämpöpumpun vuosilämpökertoimet ovatsuuruusluokkaa SCOP = 4, pitäisi sähkön olla runsaat 3 kertaa kalliimpaa kuin lämmön, ettälämmityksen energiakustannukset olisivat sorptiokoneistolla pienemmät.

Kuva 35. Sähkön ja lämmön hintasuhde, jolla sorptio- ja kompressorilaitteiston lämmityksenenergiakustannukset ovat yhtä suuret. Herkistely on tehty muutamalla sorptiolaitteistonvuosilämpökertoimella (SCOPlämpö=1,6, 1,8 ja 2,0). Sorptiolaitteiston sähkönkäytönlämpökertoimeksi on oletettu SCOPsähkö=16.

4.1.2.3.7 Sorptiolaitteiston vaikutus kaukolämpöpiirin paluulämpötilaanAbsorptiolaitteiston vaikutuksia kaukolämpöverkon toimintaan on tutkittu Ruotsissalaskennallisesti (Sagebrandt et al. 2015). Tutkimuksessa on laskennallisesti todettuabsorptiolaitteiston nostavan kaukolämmön paluuveden lämpötilaa, kuva 36.


Kuva 36. Kaukolämpöön liitetty absorptiolaitteisto nostaa kaukolämpöverkonpaluulämpötilaa. Kuvassa sinisellä on merkitty kaukolämmön paluulämpötila ilmanabsorptiolämpöpumppua ja vihreällä absorptiolaitteiston ollessa kytkettynä (Sagebrandt et al.2015).

Edellä absorptiolaitteistolle esitetty kaukolämmön paluuveden lämpötilan nousu pätee myösadsorptiolaitteistolle ja luultavasti myös kuivausjäähdytykselle.

4.1.3 Vapaajäähdytys

4.1.3.1 UlkoilmaUlkoilman jäähdytyspotentiaalia on hyödynnetty rakennusten jäähdytysratkaisuissa jopitkään. Myös kaukojäähdytyksessä on käytössä ulkoilmaa hyödyntäviä järjestelmiä ainakinPorissa. Yksinkertaisimmillaan rakennusten jäähdytyksessä ulkoilmajäähdytys voidaantoteuttaa niin sanotulla yötuuletuksella, jossa rakennukseen puhalletaan ilmastointilaitteellahuoneilmaa viileämpää ulkoilmaa erityisesti yöaikaan, jolloin ulkoilman lämpötila on sopivanalhainen. Myös monimutkaisempia yötuuletusjärjestelmiä on kokeiltu, esimerkiksimassiivisten betonisten ontelolaattojen jäähdytys kierrättämällä viileää ulkoilmaa onteloidenkautta on mahdollista, joskaan tällaiset ratkaisut eivät ole yleistyneet.

Koneellisissa jäähdytysratkaisuissa käytetään suuremmissa kohteissa aina kun mahdollistamyös ns. vapaajäähdytystä, jossa kylmäkoneiston ulkona sijaitsevaa nestejäähdytintähyödynnetään suoraan erillisen lämmönsiirtimen avulla rakennuksen jäähdytysverkostonjäähdytyksessä. Tällaisessa järjestelmässä ulkoilman lämpötilan täytyy olla jo useita asteitahuoneilmaa alhaisempi, että jäähdytys on järkevää. Näin siksi, että ulkoilman jajäähdytysveden välillä on kaksi lämmönsiirrintä. Tällainen järjestelmä soveltuu kohteisiin,joissa on jäähdytyskuormaa jo keväällä ja vielä syksyllä. Vapaajäähdytys voidaan toteuttaamyös suoraan kylmäainekierrolla, jolla voidaan joissain tapauksissa päästää parempaanenergiatehokkuuteen (kuva 37) kuin liuoskiertoisella järjestelmällä (katso kuva 3).


Kuva 37. Kylmäainekierrolla toteutettu vapaajäähdytysratkaisu (Carrier Oy, AquaSnap™).

Ulkoilman hyödyntämistä voidaan tehostaa kastelemalla liuosjäähdyttimen tai lauhduttimenulkopinta vedellä. Tämän kaltaisia ratkaisuja on varmaan myös käytännössä edelläkuvattujen vapaajäähdytysratkaisujen yhteydessä. Toinen ratkaisu on käyttää erityisestiliuosjäähdytykseen suunniteltuja jäähdytystorneja. Periaatteeltaan jäähdytystornit voivat ollakuivia (kuva 38) tai märkiä (kuva 39). Märillä jäähdytystorneilla päästään suurempiinjäähdytystehoihin kuin kuivatorneilla. Jäähdytystorneja käytetään yleisesti absorptio- jaadsorptiolaitteiden välijäähdytysratkaisuissa.

Kuva 38. Kuiva jäähdytystorni (Sagebrand et al. 2015).

Kuva 39. Märkä suljettu jäähdytystorni (Sagebrand et al. 2015).


Ulkoilmaa voidaan käyttää suoraan rakennusten jäähdytykseen ilmastointikoneenavustuksella, kun ulkoilma on huonelämpötilaa alhaisempi. Välillisissä nestekiertoisissajärjestelmissä ulkoilman lämpötila tulee olla selvästi alhaisempi kuin jäähdytysjärjestelmässäkierrätettävän veden lämpötila. Usein ulkoilman kuivalämpötilan vapaajäähdytyksenylärajaksi mainitaan 10 °C. Rajalämpötila vaihtelee tapauskohtaisesti riippuenjäähdytysverkon lämpötilamitoituksen lisäksi ulkoilmajäähdyttimen mitoitusparametreista.Ulkoilman lämpötilan ylärajan määrittelee vapaajäähdytyksen ja koneellisen jäähdytyksenkylmäkertoimet: koneelliseen jäähdytykseen siirrytään, kun vapaajäähdytyksen kylmäkerroinon koneellista huonompi.

Märällä jäähdytystornilla päästään pidempään vapaajäähdytyksen käyttöjaksoon. Kuvassa40 on esitetty energialaskennassa yleisesti käytetyn Vantaan testivuoden (TRY2012)ulkoilman kuivalämpötila, märkälämpötila ja niiden erotus. Kuvasta nähdään, ettäparhaimmillaan märkälämpötila on noin 10 °C kuivalämpötilaa matalampi.

Kuva 40. Vantaan testivuoden (TRY2012) ulkoilman kuivalämpötilan pysyvyys ja vastaavamärkälämpötila sekä kuiva- ja märkälämpötilojen erotus.

Kuvassa 41 on kuiva- ja märkälämpötilan kulku yhden vuorokauden jaksolta. Kuvasta käyilmi tyypillinen ilmiö, jolloin märkälämpötila on erityisesti päivällä matalampi kuinkuivalämpötila. Tämä ilmiö on myönteinen rakennusten jäähdytyksessä, jossajäähdytyskuormat ovat tyypillisesti korkeimmillaan iltapäivällä.

Kuva 41. Vantaan testivuoden (TRY2012) ulkoilman kuivalämpötila ja märkälämpötila yhdenvuorokauden jaksolla kesäkuussa.

05

10152025

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

9

6

Läm

pötil

a,o C

Kuivalämpötila, oC

Märkälämpötila, oC


4.1.3.2 MaaperäMaanpinnan keskilämpötila vaihtelee vuosittaisen ilmalämpötilan mukaan, mutta vakiintuuEtelä-Suomessa 14–15 metrin syvyydessä 5–6 °C:seen. Syvemmällä kallioperässägeoterminen energia nostaa lämpötilaa keskimäärin 0,5–1 astetta / 100 m. Näin ollen maaneteläosissa kallioperän lämpötila 300 metrin syvyydessä on noin 6,5–9 C (Juvonen et al.2013).

Maaperän jäähdytyspotentiaalin hyödyntäminen tapahtuu käytännössä usein kallioonporattavien maksimissaan 300 – 350 metriä syvien energiakaivojen avulla, kuva 42.

Kuva 42. Energiakaivon rakenne (Juvonen et al. 2013).

Energiakaivoista voidaan muodostaa laaja porakaivokenttä, jolla pystytään kattamaansuurenkin kiinteistön tai vaikka pientaloalueen jäähdytystarve. Yksi Suomen suurimmistakohteista on SOK:n Sipoon logistiikkakeskus (kuva 43), jossa on kaikkiaan 150energiakaivoa kukin syvyydeltään noin 300 m. Energiakaivojen suunniteltujäähdytyskapasiteetti on 3,2 GWh, josta kaivon pituusmetriä kohti laskettuna saadaanjäähdytysenergiaksi runsaat 70 kWh/kaivo-metri. Kaivoja käytetään sekä lämmitykseen(maalämpöpumppu) että jäähdytykseen, jolloin lämmityskäyttö parantaa kaivojenhyödyntämistä jäähdytyskäyttöön.

Kuva 43. Energiakaivokenttä, SOK:n Sipoon logistiikkakeskus. Energiakaivoja kaikkiaan 150kappaletta syvyydeltään 300 m, porakaivokentän laajuus noin 100 000 m2 (kuva Parviainenarkkitehdit).


Toinen tapa hyödyntää maaperää jäähdytyksessä ovat energiapaalut, kuva 44.Energiapaalut soveltuvat erityisesti toimistoihin, hotelleihin sekä yksi- ja monikerroksisiinliikerakennuksiin, jotka tarvitsevat sekä lämmitystä että jäähdytystä vuodenajasta riippuen.Energiapaaluja hyödynnetään rakennuskohteissa, jotka on joka tapauksessa paalutettava.

Kuva 44. Energiapaaluratkaisu (Ruukki).

4.1.3.3 VesistötPintavesien hyödyntämiseen soveltuvat parhaiten syvät järvet ja meri sekä virtaavat vedet,joissa veden lämpötila pysyy riittävän alhaisena jäähdytyssovelluksiin. Pintavesiähyödynnetään kaukojäähdytyksessä useassa laitoksessa, Suomessa lähinnä merivettä(Helsinki). Ruotsissa, Sollentunassa, hyödynnetään myös jokivettä. Sollentunan ratkaisussakäytetään jopa suoraan jokivettä rakennusten jäähdytysverkoissa (kuva 45). Useimmitenkäytetään kuitenkin lämmönsiirtimiä (kuva 46), jolloin energiatehokkuus kärsii, muttakäytettävyys paranee.

Kuva 45. Jokiveden hyödyntäminen kaukojäähdytyksessä Sundsvallissa(http://sundsvallenergi.se/foretag/fjarrkyla/sa-fungerar-fjarrkyla/).


Kuva 46. Pintavesien jäähdytyspotentiaalin hyödyntämiseen soveltuva muovista valmistettulämmönsiirrinratkaisu (Unonor Oy).

Suurimpien järvien ja Suomenlahden sekä Pohjanlahden pintavesien lämpötilatietoja löytyySYKE:een nettisivuilta (http://wwwi4.ymparisto.fi/i4/fin/sst/2012/sst_aikasarjat.html).Tilastotietoa löytyy vuodesta 2005 lähtien. Suurimpienkin järvien pintaveden lämpötilatnousevat kesällä +20 °C:een tuntumaan (kuva 47) eli useimpiin jäähdytystarpeisiin liiankorkeaksi. Syvänteissä veden lämpötila sen sijaan saattaa olla kymmenenkin astettaviileämpää, mikä soveltuu jo moneen käyttöön (kuva 48).

Kuva 47. Etelä-Suomen suurimpien järvien pintaveden lämpötiloja vuodelta 2015(http://wwwi4.ymparisto.fi/i4/fin/sst/2012/sst_aikasarjat.html).


Kuva 48. Kallaveden keskimääräinen vuotuinen lämpötila eri syvyyksillä jaksolla 1981 - 2000(Korhonen 2002).

4.1.3.4 PohjavesiPohjaveden hyödyntämisperiaate on esitetty kuvassa 49. Pohjavedenhyödyntämispotentiaalia lämmitykseen ja jäähdytykseen on Suomessa tutkinut Teppo Arolaväitöskirjassaan (Arola 2015).

Kuva 49. Pohjaveden käyttöperiaate, ns. akviferi (Socaciu 2011).

Tyypillinen pohjavesijärjestelmä perustuu avoimeen kiertoon, jossa pohjavettä pumpataanvedenottokaivosta lämmönsiirtimen kautta ja palautetaan pohjavesikerrokseen imeytyskaivonkautta (kuva 49). Lämmönsiirtimessä pohjavesi lämpiää muutamia asteita. Kuvassa 49 onesitetty käyttöperiaate, jossa pohjavettä käytetään sekä jäähdytykseen että lämmitykseen(lämpöpumpulla).

Arolan esittämän arvion mukaan Suomessa kaupunkialueiden pohjavedenlämmityspotentiaali on luokkaa 40 – 45 MW, joka vastaa lämpöpumpun lämmöntuottoa 60MW (COP 3,5). Jäähdytyspotentiaali jäänee hieman tätä pienemmäksi. Kuvassa 50 onesitetty Suomen pohjavesialueet ja arviot niiden lämmitystehopotentiaalista. Suurin osaalueista sijaitsee Etelä-Suomessa. Tarkemmin Arola on työssään tutkinut Turun, Lohjan jaLahden sekä Karhinkankaan alueita.


Kuva 50. Potentiaaliset jäähdytyksessä ja lämmityksessä hyödynnettävissä olevatpohjavesialueet Suomessa. Alueet on merkitty värikoodilla, joka ilmaiseelämmitystehopotentiaalin kilowatteina (Arola 2015).

Pohjaveden käyttö vaatii vesilain mukaisen luvan. Ympäristö- viranomaiset ovat perinteisestisuhtautuneet varauksellisesti pohjaveden hyödyntämiseen. Lähtökohta luvanmyöntämisessä kuitenkin on, että mikäli hankkeen hyöty on suurempi kuin haitat, vesilainmukainen toimenpidelupa myönnetään (Arola 2015).

Pohjavesijärjestelmien suunnittelu vaatii enemmän erityisosaamista kuin kallioenergianhyödyntämisen suunnittelu. Jokainen hanke vaatii tuekseen yksityiskohtaisen ja tarkansuunnitelman ja tutkimukset, joilla turvataan pohjaveden riittävyys ja energiajärjestelmäntoiminta sekä huomioidaan ja tunnistetaan mahdolliset ympäristöriskit. Erityisesti tuleesuunnitteluvaiheessa huomioida seuraavat asiat (Arola 2015):

hydrogeologiset olosuhteet (antoisuudet, pohjaveden virtaussuunnat, lämpötila,imeytymistekijät, pohjavesikemia jne.)

kohdekohtaiset tarkat maaperä- ja kalliotiedot pohjaveden pumppaamisen ja imeyttämisen mahdolliset vaikutukset

naapurikiinteistöjen pohjavesitilanteeseen mallinnus pohjaveden lämpötilan muutoksista, ns. thermal breakdown selvitys hankkeet mahdolliset muut ympäristövaikutukset.

Pohjavettä voidaan käyttää myös kylmävarastona, kuten Sollentunassa (kuva 51). Tässäjärjestelmässä jäähdytystarve katetaan ensisijaisesti merivedellä, kunnes sen lämpötilatasoei enää riitä ja pohjaveteen talvella varastoitu jäähdytysenergia otetaan käyttöön (heinä –syyskuu). Talvella pohjavesivaranto jäähdytetään merivedellä noin +3,5 °C:seen.Sollentunassa käytetty kaukojäähdytysveden lämpötilataso on hieman normaalia korkeampi(+9 °C / +18 °C).


Kuva 51. Pohjavesivarannon hyödyntäminen kylmävarastona Sollentunassa(http://www.seom.se/fjarrvarme/).

4.1.3.5 Lumi- ja jäävarastoLumi- ja jäävarastojen käyttö jäähdytyksessä on vanha idea, jota on käytetty mm.elintarvikkeiden jäähdyttämiseen kesällä. Ideana on talvella varastoida lunta tai jäätä jakäyttää sen jäähdytyspotentiaalia kesällä. Uusia, samaan vanhaan ideaan pohjautuvia,järjestelmiä on hieman kehitetty ja sovellettu rakennusten jäähdytykseen. Kuvassa 52 onesitetty ruotsalaisen Sundsvallin sairaalan jäähdytysratkaisun periaate ja taulukossa 8järjestelmän toiminta-arvoja.

Kuva 52. Sundsvallin sairaalan lumivarastoon perustuva jäähdytysratkaisu(http://www.snowpower.se/sundsvalls-kylanlaggning.asp).


Taulukko 8. Sundsvallin sairaalan jäähdytysjärjestelmän toiminta-arvoja. SEERlumi tarkoittaakylmäkerrointa kun jäähdytys otetaan pelkästään lumesta (SEERlumi = lumesta saatavajäähdytysenergia / jäähdytyspiirin pumppausenergia). SEERlumi / SEERkylmäkone onlumijäähdytyksen ja kompressorijäähdytyksen kylmäkertoimien suhde(http://www.snowpower.se/resultat_sundsvalls-kylanlaggning.asp).

Vuosi 2000 2001 2002 2003 2004 2005Lumen määrä (m3) 18 800 27 400 40 700 36 800 35 400 39 900Keinolumen osuus (%) 49 59 57 38 52 70

Lumijäähdytysjakso 6/6 - 29/8 26/3 -22/8

25/4 -29/8 6/5 - 17/8 28/4 - 3/9 22/4 -

19/9Kokonaiskylmäenergia (MWh) 655 1159 1345 1068 870 9412

Lumienergian osuus (%) 93 77 84 84 92 92Suurin jäähdytysteho (kW) 1366 1648 2004 2034 1919 1995

Lumijäähdytyksen suurin teho (kW) 1366 1148 1873 1508 1594 1610

SEERlumi 4.3 11.2 17.2 6.2 5.7 6.1SEERlumi/SEERkylmäkone 2.0 3.3 6.6 2.6 2.4 3.1

Varastoitava lumi on joko luonnonlunta ja/tai tekolunta. Lumivarastona voi toimia avonainenmaakuoppa, kalliovarasto tai suuri varastohalli. Avovarastoissa lumi on lämpöeristetty useinsahanpuruilla. Lumivaraston teoreettinen energiatiheys on noin 50 - 60 kWh/lumi-m3.Sundsvallin tietojen perusteella teoreettisesta potentiaalista on pystytty hyödyntämään noinpuolet eli 22 – 32 kWh/lumi-m3. Lumivarastoa voidaan hyödyntää myös koneellisenjäähdytyksen kylmäkertoimen parantamiseen alentamalla sen avulla kylmäkoneistonlauhdutuslämpötilaa.

Lisätietoa lumivarastoista löytyy insinöörityöstä (Joensuu 2015), joka käsittelee lumen jasadeveden hyödyntämistä jäähdytykseen sekä diplomityöstä (Heino 2015), jossa selvitetäänlumen varastointia ja käyttöä tilojen jäähdytykseen case-kohteena Kone Oyj. Kummassakinlähteessä todetaan suurimpana esteenä olevan korkeat investointikustannukset ja sitenpitkät takaisinmaksuajat.

4.2 Jakelu

Rakennusten jäähdytyksessä käytetään jakelujärjestelmissä lähes poikkeuksetta vettä. Vesionkin edullinen ja kohtuullisen tehokas sekä käytettävyydeltään melko hyvä aine.Tulevaisuuden järjestelmissä pyritään kehittämään jokaisen osa-alueen energiatehokkuutta,jolloin myös kyseenalaistetaan veden rooli jakelujärjestelmissä. Seuraavassa asiaakäsitellään suppeasti lupaavimpien tekniikoiden osalta.

4.2.1 Nanofluidit

Nanoliuokset ovat perusliuoksen ja siihen sekoitettujen nanopartikkeleiden, kooltaan 1 – 100nm, kolloideja. Nanopartikkeleina voidaan käyttää jalometalleja (kulta, kupari), metallienoksideja (alumiinioksidi, titaanioksidi, piioksidi), oksidikeraameja (Al2O3, CuO),metallikarbideja (SiC), metallinitridejä (AlN, SiN) ja hiiltä eri muodoissaan (timanttia, grafiittia,hiilinanoputkia, fullereeneja). Nanopartikkeleilla voidaan yleisesti ottaen parantaalämmönsiirto-ominaisuuksia. Toisaalta liuosten viskositeetti usein kasvaa ja siten myöspainehäviöt ja pumppauskustannukset kasvavat.

Erityisesti nanopartikkeleiden vaikutusta on tutkittu kompressorilaitteistojen kylmäaineissa(Alawi et al. 2015, Nair et al. 2016, ja Sidik et al. 2015) ja kompressorien voiteluöljyissä muttamyös aurinkojärjestelmissä (Kasaeian et al. 2015). Tekniikka on tutkimusja


kehitysvaiheessa ja käytännön sovelluksia saadaan vielä odottaa, mutta tulevaisuudessananokylmäaineet ja -nesteet ovat tulossa jäähdytysjärjestelmiin ja niillä odotetaansaavutettavan energiansäästöjä.

4.2.2 Hiilidioksidi

Hiilidioksidin käyttöä lämmönsiirtoaineena jäähdytysverkossa puoltaa sen mahdollistamasuuri jäähdytysteho massavirtayksikköä kohti, kun hyödynnetään höyrystyessä sitoutuvaalämpöenergiaa. Hiilidioksidin viskositeetti on myös pieni, joka pienentää painehäviöitä ja näinmyös pumppauskustannuksia. Haasteena hiilidioksidipohjaisessa jäähdytysjärjestelmässä onsuuri painetaso; lämpötilasta riippuen 40 - 50 bar. Tämä syö osin huomattavastipienemmästä putkikoosta syntyvää kustannusetua. Toinen tekninen haaste järjestelmässäon paluuputkiston kaksifaasi-virtaukseen mahdollisesti liittyvät ongelmat.

Hiilidioksidipohjaisen kaukojäähdytysverkon on tutkittu olevan investointikustannuksiltaan30 % vesipohjaista toteutusta halvempi ja pumppausteholtaan 61 % pienempi. Tarkastelussaesimerkkijärjestelmänä käytettiin vuoden 2020 suunnitelmaa Turku Energian kauko-jäähdytysjärjestelmästä. (Rämä 2006)

Hiilidioksidia voidaan käyttää lämmönsiirtoaineena myös yhdistetyssä kaukolämmitys- jakaukojäähdytysjärjestelmässä. Jäähdytys toimii tällöin kuten kaukojäähdytysverkontapauksessa ja lämmityksen tuottamiseen rakennuksissa tarvitaan lämpöpumppu. Riippuentasapainosta lämmityksen ja jäähdytyksen tarpeen välillä aluetasolla järjestelmä vaatiituekseen vaihtelevan, järjestelmäkohtaisen määrän ulkopuolista tuotantoa. Järjestelmänetuna on yhdistetty jakelujärjestelmä sekä monipuoliset tuotantomahdollisuudet. Toisaaltavaatimukset kuluttajatason laitteille kasvavat. Konseptin toimivuutta on tutkittukaupunkiympäristössä Geneven keskustassa case-tarkasteluna. (Weber et al. 2010 jaHenchoz et al. 2015)

4.3 Varastointi

Varaajia käytetään jäähdytysjärjestelmissä kahdesta syystä: 1) tasoittamaan huippu-tehontarvetta, jolloin laitteistoa ei tarvitse mitoittaa huipputehontarpeen mukaan ja 2) voidaanhyödyntää paremmin jotain lähes ilmaista (esimerkiksi aurinkoenergia) tai muuten edullista(esimerkiksi yösähkö) energialähdettä jäähdytysenergian tuotannossa. Varaajan käyttöjärjestelmässä heikentää useimmiten järjestelmän hyötysuhdetta (lämpöhäviöt,pumppausenergia, kylmäntuoton huonompi hyötysuhde, ym.) ja lisää järjestelmäninvestointikustannuksia.

4.3.1 Vesivaraajat

Vesivaraajat ovat ehdottomasti käytetyimmät varastotyypit niin lämmityksessä kuinjäähdytyksessä. Veden käyttö varaajissa perustuu varaajan suhteellisen edulliseen hintaan,kohtuulliseen varastointikapasiteettiin, ympäristöystävällisyyteen ja käytettävyyteen sekävapaajäähdytyslähteiden (maaperä, pintavedet, pohjavesi) hyödyntämiseen ilmanlisälaitteita. Kaukojäähdytyksessäkin on käytössä vesivaraajia, joista suurimmat löytyvätHelsingistä Pasilasta ja Esplanadin puiston alta. Helsingissä vesivaraajat on louhittukallioperään, jossa lämpöhäviöt ympäristöön on eliminoitu, kun varastojen lämpötila on hyvinlähellä kallion luontaista lämpötilatasoa. Varaajia ladataan yöaikaan ja puretaan iltapäivisinjäähdytyksen kulutushuippujen aikana.

Jäähdytyskäytössä vesivaraajien kapasiteettia rajoittaa pieni käytettävissä oleva lämpötila-alue, noin 0 °C - 20 °C.


4.3.2 Faasimuutosvaraajat

Faasimuutosmateriaalit voidaan luokitella kuvan 53 mukaisesti kolmeen eri ryhmäänkäytettävän materiaalin perusteella: 1) orgaaniset materiaalit, 2) epäorgaaniset materiaalit ja3) eutektiset seokset. Eutektisella seoksella tarkoitetaan kahden tai useamman aineenseosta, jonka mooliosuudet ovat sellaiset, että seoksen sulamispiste on mahdollisimmanalhainen.

Kuva 53. Faasimuutosmateriaalien luokittelu (Raam Dheep 2014).

Jäävaraajat ovat perinteisimpiä faasimuutokseen perustuvia jäähdytysvaraajia. Jäänsulamislämpö 333 kJ/kg (92.5 kWh/m3) on ylivertainen muihin kaupallisiinfaasimuutosmateriaaleihin verrattuna (kts. liite 2). Kuvissa 53 ja 54 on esitetty esimerkkejäkaupallisista tuotteista. Jäävaraajien ja muidenkin alle 0 °C:ssa toimivienfaasimuutosvaraajien latauksessa tarvitaan laitteistoa, joka pystyy tuottamaan pakkasenpuolella olevia lämpötiloja. Esimerkiksi yleisimpiä absorptio- ja adsorptiolaitteita, joissakylmäaineena on vesi, ei voida käyttää latauksessa. Kaupallisista absorptiolaitteista tähänsoveltuvat lähinnä ammoniakki-vesi- kylmäaineparia käyttävät järjestelmät.

Kuva 54. Viessmannin kaupallinen jäävaraaja pientalokäyttöön, varaajakoko 12 m3 (Kuva:Viessman Media Service, www.viessmann.de).


Kuva 55. Modulaarinen jäävaraaja ilmastoinnin jäähdytykseen (BAC).

Jäätä voidaan käyttää kylmävarastona myös vesi-jää -seoksen (engl. ice slurry) muodossa,missä veden seassa on jääkiteitä, kuva 56. Tällaisessa jääsohjovaraajassa saadaansuuremmat tehot varaajan purku- ja lataustilanteissa kuin kiinteän jään varaajissa, muttajärjestelmä on monimutkaisempi ja kalliimpi sekä käytettävyydeltään hankalampi.

Kuva 56 Vesi-jää -seos järjestelmä (http://www.icesynergy.com/).

Muut kaupalliset faasimuutosmateriaalit kuin vesi perustuvat joko parafiineihin taisuolayhdisteisiin. Kaupallisia faasimuutosmateriaaleja on esitetty liitteessä 2. Esitetyillämateriaaleilla faasimuutoksen varauskapasiteetti on noin puolet verrattuna vesijäänkapasiteettiin. Kuvassa 57 on esitetty erään yrityksen tuotevalikoimaa (Cristopia Energysystems).


Kuva 57. Esimerkki kaupallisten tuotteiden ominaisuuksista (www.cristopia.com).

Faasimuutosvaraajien tulemista laajempaan käyttöön on odoteltu pitkään, mutta toistaiseksinäin ei ole käynyt. Tähän on nähtävissä joitain selkeitä syitä: esimerkiksi hinta suhteessasaatuun käyttökustannussäästöön ei ole ollut riittävä, materiaalien käyttöikäongelmat jamateriaalien muut ominaisuudet, kuten lämpötilahystereesi (kuva 58) sekäympäristöystävällisyys. Lämpötilahystereesin vuoksi faasimuutosmateriaali täytyy”alijäähdyttää” ennen kuin se kiteytyy. Tämä johtaa mataliin latauspiirin lämpötiloihin ja sitenhuonontaa latausvaiheen kylmäkerrointa.

Kuva 58. Esimerkki kaupallisen tuotteen sulamis- ja kiteytymiskäyttäytymisestä (Climsel™C7).Sulamiskäyrää (oranssi) luetaan vasemmalta oikealle ja kiteytymiskäyrää (sininen) oikealtavasemmalle (http://climator.com/wp-content/pdf/Prodblad_Climsel_C7_4.1.pdf).

5. Kyselyn tulokset

Hankkeen yhteydessä tehtiin suppeahko kysely muutamalle suuria rakennusmassojaomistavalle taholle sekä muutamille laitetoimittajille. Liitteessä 3 on esitetty seikkaperäisestikyselyn tulokset ja seuraavassa esitetään lyhyt yhteenveto saaduista vastauksista.

Rakennusten jäähdytyksen merkitys hyvien sisäolosuhteiden ylläpitämisessä on tullut yhätärkeämmiksi. Hyvillä sisäolosuhteilla nähdään merkitystä rakennusten houkuttelevuuteenvuokraustilanteessa. Jäähdytystä pidetään jo oleellisena osana rakennuksenenergiaratkaisua.

Jäähdytyksen kannalta nähdään tärkeänä ennen kaikkea järjestelmän elinkaarikustannukset.Muita oleellisia ominaisuuksia ovat luotettavuus ja helppokäyttöisyys. Vähemmälläpainoarvolla on toistaiseksi ollut ympäristöystävällisyys, mutta sen odotetaanlähitulevaisuudessa vaikuttavan yhä enenevässä määrin päätöksentekoon.


Jäähdytyslaitteiston omistajuutta ei pidetä itseisarvona ja kiinteistön omistajat ovatkiinnostuneita sisäolosuhteiden ostamisesta. Käytännössä sisäolosuhteiden ostamistapalveluna ei ole tehty. Syynä tähän on, että sisäolosuhdepalveluja tarjoavia tahoja eioikeastaan ole.

Kiinteistön omistajat peräänkuuluttavat ennen kaikkea jäähdytysjärjestelmien hukkalämmönparempaa hyödyntämistä esimerkiksi lämpöpumpuilla.

Kompressorikäyttöisten jäähdytyslaitteiden kylmäaineet ovat vaihtumassa entistäympäristöystävällisempään suuntaan. Laitetoimittajat tarjoavat uusissa koneikoissaan jokons. luonnollisia kylmäaineita tai uusia synteettisiä vaihtoehtoja. Luonnollisista kylmäaineistaesille nousevat hiilidioksidi ja ammoniakki. Synteettisistä kylmäaineista yleisimpiä ovat ns.HFO -kylmäaineet.

Kompressoritekniikassa tarjonta on monipuolista ja kompressoritekniikka riippuu mm.jäähdytystehontarpeesta ja käytettävästä kylmäaineesta. Turbokompressoritekniikassa ontapahtunut kehitystä ja sen myötä odotetaan ko. tekniikan yleistymistä erityisesti suurissalaitoksissa. Taajuusmuuttajasäätöä tarjotaan kaikkiin teholuokkiin.

Lauhdelämmön hyödyntäminen on laitetoimittajien mielestä tullut erittäin tärkeäksi ja siihenpanostetaan. Uusi tekniikka sallii yhä korkeampilämpötilaisen lauhdelämmön tuoton.Lauhteen lämpötilatasossa päästään jo yli 100 °C.

Vapaajäähdytys on tärkeässä roolissa ja sen potentiaali pyritään aina kartoittamaantapauskohtaisesti.

Lämpökäyttöisten jäähdytyslaitteiden osalta odotukset eivät ole kovin suuret. Täysin uusienjäähdytystekniikoiden tuloa markkinoille ei lähitulevaisuudessa odoteta.

Jäähdytysenergian varastoinnin osalta uskotaan perinteisten menetelmien olevan myöslähitulevaisuudessa käytetyimmät tekniikat.

6. Jäähdytyksen tuotantoteknologioiden analyysi

Jäähdytysteknologian kehityksen rinnalla merkittävin muutos liittyy kaukojäähdytyksenkasvuun eli siirtymään talo- tai asuntokohtaisista yksiköistä keskitettyyn jäähdytyksentuotantoon. Teknistaloudelliset reunaehdot tosin rajaavat kehityksen suurempiinkulutuskohteisiin tai tiheän kehityksen alueille. Kaupunkialueilla kaukojäähdytystä tarjotaanasuinkiinteistöihin myös jo mukavuussyistä.

Kaukojäähdytyksessä suurempi jäähdytyskuorma mahdollistaa järjestelmän monipuolisen jaälykkään ohjauksen sekä luo luonnollisen tarpeen kustannustehokkaammillevarastointiratkaisuille kiinteistö- tai asuntokohtaisiin järjestelmiin verrattuna. Näidenjärjestelmien, kuten kaukojäähdytyksenkin, osalta jäähdytyksen integrointi lämmitykseenlisää energia- ja kustannustehokkuutta. Integroidusta järjestelmästä on hyvä esimerkkiHelenin SunZeb-konsepti, jossa rakennusten passiivisesti keräämää aurinkolämpöäkierrätetään jäähdytysverkosta kaukolämpöverkkoon lämpöpumpuilla (Shemeikka 2015).

Tulevaisuuden kaukojäähdytysjärjestelmät todennäköisesti hyödyntävät moniatuotantoteknologioita, erityisesti vapaajäähdytyksen mahdollisuuksia, sekä erilaisiavarastointiratkaisuja. Kylmäntuotossa syntyvän lauhdelämmön hyödyntäminen tulee myöslisääntymään. Kuten sähkö- ja lämmitysjärjestelmienkin puolella, joustavuus ja ohjattavuustulevat entisestään korostumaan taloautomatiikan, mutta myös itse jäähdytysjärjestelmänpuolella. Ohjausjärjestelmien kehitys ja kytkennät muuhun energiankulutukseen ovatkinoleellisia jäähdytysteknologioihin liittyviä asioita. Varsinkin uusissa kaukojäähdytysverkoissakylmäntuottoratkaisut, joissa hyödynnetään hajautettua tuotantoa voivat tulevaisuudessa


yleistyä. Hajautetussa tuotannossa voidaan hyödyntää jo valmiina olevia laitteistoja, kutenjäähallien, markettien ja teollisuuden vapaata jäähdytyskapasiteettia. Esimerkkinämainittakoon, että useissa jäähalleissa kesäisin ei ole toimintaa ja kylmäkoneet seisovat.Toimiessaan jäähallin lauhdelämmöntuotanto ylittää hallin lämmöntarpeen, jolloinylijäämälämpöä voitaisiin hyödyntää kaukolämmityksessä. Toinen esimerkki on, että talvisinmarkettien jäähdytystarve pienenee, mutta lämmöntarve kasvaa. Tällöin kylmäkoneidenkapasiteettia voitaisiin käyttää lämpöpumppuna tuottamaan tarvittavaa lisälämpöä jalämmönlähteenä voisi toimia kaukojäähdytysverkko.

KompressoritekniikkaKompressoritekniikka on melko pitkälle vakiintunutta tekniikkaa ja sitä käytetään laajaltijäähdytysjärjestelmissä. Tämä tilanne ei tule muuttumaan lähitulevaisuudessa jakompressoritekniikka on lähitulevaisuudessa edelleen ehdottomasti yleisinjäähdytysenergian tuotantoteknologia. Kompressoritekniikan kehittymistä leimaa ennenmuuta kylmäaineiden muutospaineet. Euroopan tavoitteena on pienentää kylmäaineidenkasvihuonepäästöjä nykyisestä tasosta lähes 80 % vuoteen 2030 mennessä. Tällä onkahdenlaisia seurauksia: ensinnäkin yhä useammat laitevalmistajat hyödyntävät ns.luonnollisia kylmäaineita, toiseksi kehitetään uusia synteettisiä kylmäaineita, joidenkasvihuonevaikutus on erittäin vähäinen. Myös kompressoritekniikassa tapahtuu muutoksia,esimerkkinä mainittakoon turbokompressorien magneettilaakeroinnit, jolla on moniavaikutuksia esimerkkinä öljyttömyys ja yksikkötehojen kasvu. Lisäksi kompressorien säätö- jaohjausjärjestelmät kehittyvät siten, että osatehokuormituksen hyötysuhteet paranevatmerkittävästi ja siten myös laitteiston vuosikylmäkertoimet. Kylmäkerroin ontapauskohtainen, mutta nykytekniikalla päästään usein huomattavasti parempaan arvoonkuin mitä perinteisesti esimerkiksi monissa vertailulaskelmissa käytetään. Perinteisestikäytetty kylmäkerroin on 3, mutta uusilla järjestelmillä on mahdollista päästä luokkaan 4 – 5.Tulevaisuudessa jäähdytyskoneikkojen lauhde-energiaa kierrätetään yhä tarkemminlämmityskäyttöön. Tarvittaessa osa lauhteesta korotetaan korkeampaan lämpötilaan erillisillälämpöpumpuilla. Uusilla jäähdytyslaitteilla lupaillaan olevan mahdollista nostaalauhdelämpötila tarvittaessa yli 100 °C:n, jolloin lauhteen käyttö mm.kaukolämmitysratkaisuihin on aiempaa joustavampaa.

Jäähdytystehon skaalautuvuudeltaan kompressorilaitteistot ovat hyviä. Laitteistoja löytyymuutaman sadan watin tehosta aina muutamaan kymmeneen megawattiin.Kompressoritekniikka soveltuu toimintalämpötilatasoiltaan mitä moninaisimpiinjäähdytysratkaisuihin: kaupan kylmäjärjestelmistä rakennusten jäähdytykseen ja paljonlaajemminkin.

Tutkimusasteella ovat nanokylmäaineet, joilla tarkoitetaan perinteisten kylmäaineiden janiihin lisättyjen nanopartikkelien seosta. Näiltä uusilta kylmäaineseoksilta odotetaan ennenmuuta parempia energiahyötysuhteita.

SorptiotekniikkaMaailmalla tutkitaan erityisesti matalalla lämpötilatasolla toimivia sorptiojärjestelmiä, joissavoidaan hyödyntää ennen kaikkea aurinkolämpöä. Samat järjestelmät soveltuvat tokikäytettäväksi myös matalalämpötilaisella kaukolämmöllä tai teollisuuden hukkalämmöllä.Laitteiden toimintalämpötiloja on kehitetty siten, että adsorptiolaitteita pystytään ajamaankohtuullisilla jäähdytystehoilla jo noin 65 °C:n lämpötilalla kylmäkertoimen ollessa noin 0,6.Absorptiolaitteistot vaativat toimiakseen korkeampaa lämpötilaa +75 °C, samalla päästäänmyös parempaan kylmäkertoimeen, EER noin 0,7. Koska sorptiolaitteiden hyötysuhteet ovatheikkoja, tarvitsevat ne huomattavasti kompressoritekniikkaa järeämmätjäähdytysjärjestelmät, jotta matalalämpötilainen (+30…+35 °C) hukkalämpö saadaanpoistettua järjestelmästä. Sorptiolaitteilla tätä välijäähdytyslämpötilaa ei voida korottaa,esimerkiksi lämmöntalteenottoa varten otollisempaan lämpötilatasoon toisin kuinkompressoritekniikalla.


Sorptiotekniikan jäähdytystehon skaalautuvuus on hyvä. Markkinoilla olevien laitteistojenjäähdytystehot vaihtelevat alle 10 kW:sta aina muutamaan megawattiin. Suurimmat laitteistotperustuvat absorptiotekniikkaan. Suurempia yksiköitä käytetään kaukojäähdytysratkaisuissa,jolloin laitteiden lämmönlähteenä voidaan käyttää mm. korkealämpötilaista höyryä. Korkeatkäyttölämpötilat mahdollistavat monimutkaisempien absorptioprosessien käytön, jolloinpäästään huomattavasti parempaan kylmäkertoimeen (EER = 1,6) kuin matalillakäyttölämpötiloilla.

Sorptiotekniikan mahdollisuudet ovat tilanteissa, joissa tarjolla on todellista ylijäämälämpöä,ja lämmönkäytöllä saadaan kokonaisjärjestelmätasolla hyötyjä. Tällainen tilanne saattaisi ollaesimerkiksi kaukolämpöverkossa, johon on liitetty olosuhteista riippumatonlämmöntuotantomuoto kuten datakeskus. Datakeskus tuottaa lämpöä lämmöntarpeestariippumatta ja tällöin sorptiolaitteet tuovat mahdollisuuden hyödyntää tätä ylijäämälämpöä.Tällaisessa tilanteessa pitäisi keksiä keinot, jolla kuluttajat saataisiin innostumaan asiasta.Luultavasti tämä edellyttäisi uusia liiketoimintamalleja.

Sähkön ja lämmön yhteistuotannossa sorptiotekniikka mahdollistaa sähkön lisätuotannon. 1MW:n jäähdytystehon tuottaminen sorptiojärjestelmällä (EER = 0,7) vastapainelaitoksessarakennussuhteella 0,5 tuottaa noin 0,7 MW:n verran lisää myytävää sähkötehoa jarakennussuhteella 1 saadaan noin 1,4 MW lisää sähkötehoa. Tämä voi parantaasorptiotekniikan kannattavuutta kaukojäähdytysjärjestelmissä, tosin nykyisessäsähkömarkkinatilanteessa tämä ei ole itsestäänselvyys.

Asuinrakennuksissa lämpökäyttöisten kylmäjärjestelmien (absorptio ja adsorptio)lähitulevaisuuden näkymät ovat huonot. Syynä tähän on puhtaasti laitteiden suuretinvestointikustannukset, huono kylmäkerroin ja jäähdytyksen vähäiset käyttötunnit, jollointakaisinmaksuajat muodostuvat kohtuuttomiksi. Toimiva ratkaisu voisi olla hybridijärjestelmä,jossa kesäaikainen jäähdytysenergia tuotettaisiin lähinnä aurinkolämmöllä ja talvella samaalaitetta käytettäisiin lämpöpumppuna ja käyttöenergia tulisi esimerkiksi kaukolämmöstä.Teknisesti tällaisen laitteiston esteenä on, että höyrystyslämpötilat lämmityskäytössämenevät helposti pakkasen puolelle käytettävissä olevien lämmönlähteiden alhaisenlämpötilatason vuoksi (energiakaivo, pohjavesi, ulkoilma, vesistöt). Pakkasen puolellatoimivia sorptiolaitteita ei ole kehitetty siinä määrin kuin puhtaasti pluspuolella toimivialaitteita ja näillä näkymin tällaisten laitteiden massatuotantoa ei synny ja sitä kautta hintatasoei tule pitkään aikaan laskemaan. Puhtaasti jäähdytyskäyttöön tarkoitettujen sorptiolaitteidenhinnatkin ovat vielä korkealla, joskin jonkinlaisia odotuksia on aurinkolämpöjärjestelmiinsoveltuvien laitteiden massatuotannosta, koska maailmanlaajuisesti niiden kiinnostavuus onhuomattavan suuri. Näidenkin järjestelmien ongelmana meidän olosuhteissamme on, ettätarvittava lämpöenergia on suuri verrattuna jäähdytystarpeeseen huonon hyötysuhteenjohdosta, ja suurin osa tästä energiasta tuuletetaan alhaisessa lämpötilassa (+30 °C) ulos.

Sorptiotekniikkaan perustuu myös ns. kuivausjäähdytys, joka näyttäisi muita ko. tekniikkaanperustuvia laitteita mielenkiintoisemmalta. Kuivausjäähdytyksellä jäähdytetäänilmanvaihtoilmaa ja järjestelmä integroituu suoraan ilmastointikoneeseen. Tässäjärjestelmässä jäähdytysefekti saadaan aikaiseksi kostuttamalla sekä poistoilmaa ettätuloilmaa. Osan aikaa vuodesta sorptiojärjestelmää ei tarvitse käyttää lainkaan vaan riittäväjäähdytysteho saadaan aikaan kostutuksilla. Kun pelkkä kostutus ei riitä, jäähdytystätehostetaan kuivaamalla ensin tuloilma sorptiolaitteella, jolloin päästään suurempiin tehoihin.Järjestelmällä pystytään Suomen olosuhteissa jäähdyttämään +30 °C:nen ulkoilma +16°C:ksi tuloilmaksi. Sorptioprosessin hyötysuhteeksi mainitaan 0,67, mutta koska osan aikaavuotta pärjätään pelkästään kostutusjäähdytyksellä, päästään suuruusluokaltaan 1,6:nkylmäkertoimiin. Järjestelmän investointikustannukset pitäisivät olla kohtuulliset, suunnilleensamaa suuruusluokkaa verrattuna perinteiseen ilmanvaihtokoneeseen varustettunakompressorijäähdytyksellä (Claesson 2013). Energiansäästökin pitäisi olla mahdollista,joskaan täysin läpinäkyviä ja luotettavia laskelmia aiheesta ei löydetty. Kaikkiin kohteisiinkuivausjäähdytys ei yksin riitä, vaan rinnalle tarvitaan, joskin pienempitehoinenjäähdytysjärjestelmä.


Kaukolämpöön liitetyistä kiinteistökohtaisista sorptiolaitteista olisi apua kesäajankaukolämpöverkon toiminnalle, jossa etenkin verkoston loppupäässä, kulutuksenvähäisyyden vuoksi on ongelmana verkoston menoveden jäähtyminen.

VapaajäähdytysVapaajäähdytysratkaisujen rooli tulee korostumaan lähitulevaisuudessa entisestään.Vapaajäähdytyksessä hyödynnetään uusiutuvia energialähteitä, kuten ulkoilmaa, vesistöjä(meri, järvet, joet), maaperää (energiakaivot, pohjavesi). Syynä yleistymiselle on nähtävissäympäristönäkökohdat, erityisesti kasvihuonekaasupäästöjen vähentämispaineet, sekäenergiakustannusten pienentämistavoitteet. Yhä useammin vapaajäähdytysratkaisuja tullaanhyödyntämään samalla sekä jäähdytys- että lämmityskäytössä.

Muut tekniikatMuiden kylmäntuottoratkaisujen aika ei ole vielä lähivuosina. Lähimpänä markkinoille tuloaon magneettinen jäähdytys, jota käytetään jo ainakin yhden valmistajan kaupanjäähdytystiskeissä. Magneettinen jäähdytys tulee yleistymään ensin pienemmän teholuokanlaitteissa kuten jääkaapeista. Tulevaisuuden järjestelmistä, suuria odotuksia on asetettu mm.termoelastiseen jäähdytykseen, jonka pitäisi soveltua hyvin myös rakennustenjäähdytykseen. Termoelastinen jäähdytys perustuu joidenkin materiaalien ominaisuuteen,jossa lämpöä vapautuu materiaalia venytettäessä ja lämpöä puolestaan sitoutuu, kunjännitys vapautetaan.

Taulukossa 9 on esitetty eri tuotantoteknologioiden vertailua tämän hetkisen tilanteenperusteella. Analyysi perustuu suuressa määrin asiantuntija-arvioon.


Taulukko 9. Tuotantoteknologioiden analyysi. Tehoalue ja lämpötilatasot kuvaavat teknologian skaalautuvuutta ja soveltuvuutta erilaisiin kohteisiin. Vihreä värikuvaa hyvää soveltuvuutta tai tehokkuutta, punainen kuvaa huonoa soveltuvuutta tai tehokkuutta.

Tilakohtainen Kiinteistökohtainen Kaukojäähdytys

Kompressoritekniikka Kierukka Soveltuu joustavasti erilaisiin jäähdytystarpeisiin

Mäntä Soveltuu joustavasti erilaisiin jäähdytystarpeisiin

Ruuvi Soveltuu joustavasti erilaisiin jäähdytystarpeisiin

Turbo Soveltuu joustavasti erilaisiin jäähdytystarpeisiin

Lämpökäyttöiset tekniikat Absorptio Soveltuu erityisesti CHP-laitosten ja erilaisten teollisten prosessienylijäämälämmön hyödyntämiseen

Adsorptio Soveltuu erityisesti CHP-laitosten ja erilaisten teollisten prosessienylijäämälämmön hyödyntämiseen

Kuivausjäähdytys Soveltuu ilmastoinnin jäähdytykseen

Kiinteän olomuodon tekniikat Magneettinen jäähdytys Sovellus toistaiseksi jääkaapeissa

Lämpösähköinen jäähdytys Soveltuu toistaiseksi erityiskohteisiin, joissa pieni tehontarve

Sähkömekaaniset tekniikat Lämpöelastinen jäähdytys N/A N/A N/A N/A N/A Kehitysvaiheessa, ei toistaiseksi kaupallisia sovelluksia

Vapaajäähdytys UlkoilmaSoveltuu rakennusten ja erilaisten prosessien jäähdytykseen.Tarvitsee usein rinnakkaisen jäähdytysjärjestelmän kattamaan kesäaikaisenjäähdytyksen

Vesistö

Soveltuu rakennusten ja erilaisten prosessien jäähdytykseen.Tarvitsee usein rinnakkaisen jäähdytysjärjestelmän kattamaan kesäaikaisenjäähdytyksen.Ei aina saatavilla

Maaperä

Soveltuu rakennusten ja erilaisten prosessien jäähdytykseen.Tarvitsee usein rinnakkaisen jäähdytysjärjestelmän varmistamaan ja kattaman osanjäähdytyksestä.Ei aina saatavilla

Pohjavesi

Soveltuu rakennusten ja erilaisten prosessien jäähdytykseen.Tarvitsee usein rinnakkaisen jäähdytysjärjestelmän varmistamaan ja kattaman osanjäähdytyksestä.Ei aina saatavilla

Lumi- ja jäävarasto

Soveltuu rakennusten ja erilaisten prosessien jäähdytykseen.Tarvitsee usein rinnakkaisen jäähdytysjärjestelmän varmistamaan jäähdytyksenriittävyyden.Vaatii suurehkon alueen lumen varastointiin, joten ei aina käytettävissä

HuonostiHuonohkostiNeutraaliKohtuullisestiHyvinN/A Ei tietoa

Investointikustannus Käyttökustannus HuomioitaTuotantoteknologia Sovellusalue Tehoalue Lämpötilatasot Energiatehokkuus


7. Johtopäätökset ja yhteenveto

Jäähdytysmarkkinoiden kehitysSuomen jäähdytysenergian tarve koostuu teollisten prosessien sekä rakennustenjäähdytyksen tarpeesta. Teollisten prosessien jäähdytyksen kriteerinä ovat luonnollisestiprosessin tarpeet. Teollisten prosessien jäähdytyksen tarpeen kehitystä on vaikeampiarvioida kuin rakennusten jäähdytystarvetta, sillä se on kiinni teollisuuden suhdanteista.

Suomessa liike- ja julkiset rakennukset sekä arvokkaimmat asuinrakennukset on varustettujo jonkin aikaa jäähdytysjärjestelmällä. Käyttäjien vaatimukset sisäilman laatutasolle ovatkasvaneet ja siksi myös olemassa olevia asuinrakennuksia on alettu varustaailmalämpöpumpuilla, joita voidaan käyttää lämmittämisen lisäksi tilojen jäähdyttämiseen.Järjestelmät ovat tyypillisesti kiinteistökohtaisia ja toimivat sähköllä. Rakennustenjäähdytyspotentiaali vaihtelee 850 - 2 100 GWh välillä riippuen, kuinka paljon käytetäänaurinkosuojia ja ikkunatuuletusta. Trendiennusteen mukaan jäähdytystarpeen kasvu vuoteen2030 mennessä on noin 2 prosenttia vuodessa, joka on hieman enemmän kuinrakennuskannan kasvu. (Airaksinen et al. 2015)

Eri jäähdytysteknologioiden käyttöönottoon vaikuttavat energian hinta sekä tämänkehitysnäkymät, paikalliset olosuhteet ja resurssit sekä tietysti investointikustannukset.Vapaan jäähdytyksen ratkaisut ovat energiatehokkuudeltaan erinomaisia, mutta ovat useinpaikallisista olosuhteista riippuvaisia ja investointikustannuksiltaan vaihtelevia. Nykyinenmatala sähkön hintataso suosii kompressoriteknologiaan perustuvia ratkaisuja, muttaedullinen lämmönlähde (esim. teollisuuden ylijäämälämpö) voi tehdä nykytilanteessa myöslämpökäyttöisistä teknologioista varteenotettavia vaihtoehtoja. Lisäksi teknologisen ratkaisunvalintaan vaikuttaa jäähdytyksen kulutusprofiili. Kuten energiaan liittyviä valintojen suhteenusein on, näitä on tarpeen arvioida tapauskohtaisesti. Paras ratkaisu voi hyvin ollayhdistelmä erilaisia teknologioita.

Laitetekniikan kehitysnäkymätKompressoritekniikka on lähitulevaisuudessa edelleen yleisin jäähdytysenergiantuotantotapa. Kompressoritekniikan skaalautuvuus niin jäähdytystehojen kuinkäyttölämpötilojen suhteen on erittäin laaja. Kompressoritekniikan kehittymistä leimaa ennenmuuta kylmäaineiden muutospaineet. Euroopan tavoitteena on pienentää kylmäaineidenkasvihuonepäästöjä nykyisestä tasosta lähes 80 % vuoteen 2030 mennessä. Tällä onkahdenlaisia seurauksia: ensinnäkin yhä useammat laitevalmistajat hyödyntävät ns.luonnollisia kylmäaineita, toiseksi kehitetään uusia synteettisiä kylmäaineita, joidenkasvihuonevaikutus on erittäin vähäinen. Myös kompressoritekniikassa tapahtuu muutoksia,esimerkkinä mainittakoon turbokompressorien magneettilaakeroinnit, jolla on moniavaikutuksia esimerkkinä öljyttömyys ja yksikkötehojen kasvu. Lisäksi kompressorien säätö- jaohjausjärjestelmät kehittyvät siten, että osatehokuormituksen hyötysuhteet paranevatmerkittävästi ja siten myös laitteiston vuosikylmäkertoimet. Kylmäkerroin ontapauskohtainen, mutta nykytekniikalla päästään usein huomattavasti parempaan arvoonkuin mitä perinteisillä järjestelmillä. Perinteisesti käytetty kylmäkerroin on 3, mutta uusillajärjestelmillä on mahdollista päästä luokkaan 4 – 5. Tulevaisuudessa erillisetjäähdytyskoneikot korvautuvat yhä enenevässä määrin laitteilla, joilla hoidetaan sekälämmitys että jäähdytys.

Sorptiotekniikassa maailmalla tutkitaan erityisesti matalalla lämpötilatasolla toimiviajäähdytysteholtaan pienehköjä järjestelmiä, joissa voidaan hyödyntää ennen kaikkeaaurinkolämpöä, mutta samalla myös matalalämpötilaista kaukolämpöä tai teollisuudenhukkalämpöä. Laitteiden toimintalämpötiloja on kehitetty siten, että adsorptiolaitteitapystytään ajamaan kohtuullisilla jäähdytystehoilla jo noin 65 - 70 °C:n lämpötilallakylmäkertoimen ollessa noin 0,6. Absorptiolaitteistot vaativat toimiakseen korkeampaalämpötilaa 75 - 80 °C, samalla päästään myös parempaan kylmäkertoimeen, EER noin 0,7.


Suuremmissa teholuokissa, jotka soveltuvat lähinnä kaukojäähdytysratkaisuihin, ei oletapahtunut erityistä teknologista kehitystä. Kaukojäähdytysjärjestelmissä voidaan hyödyntääkorkeampia käyttölämpötiloja, jotka mahdollistavat matalalämpötilaisia järjestelmiähuomattavasti paremman kylmäkertoimen, suuruusluokaltaan 1,2 - 1,6.

Sorptiotekniikan jäähdytystehon skaalautuvuus on hyvä. Markkinoilla olevien laitteistojenjäähdytystehot vaihtelevat alle 10 kW:sta aina muutamaan megawattiin.Jäähdytyslämpötiloiltaan sorptiolaitteet rajoittuvat lähinnä sovelluksiin, joissa jäähdytyspiirinlämpötilat ovat yli 0 °C.

Sorptiolaitteiden hinnat ovat tällä hetkellä huomattavasti korkeammat kuinkompressorijärjestelmien alle megawatin jäähdytystehoilla. Lähitulevaisuudessapienempitehoisten laitteiden hintojen odotetaan putoavan massatuotannon myötä.Massatuotantoon päästäneen, koska maailmanlaajuisesti aurinkolämmöllä toimivienlaitteiden kysynnän odotetaan moninkertaistuvan.

Sorptiotekniikkaan perustuu myös ns. kuivausjäähdytys. Kuivausjäähdytyksellä jäähdytetäänilmanvaihtoilmaa ja järjestelmä integroituu suoraan ilmastointikoneeseen. Järjestelmälläpystytään Suomen olosuhteissa jäähdyttämään +30 °C:nen ulkoilma +16 °C:ksi tuloilmaksi.Sorptioprosessin kylmäkertoimeksi mainitaan 0,67, mutta koska osan aikaa vuotta pärjätäänpelkästään kostutusjäähdytyksellä, on mahdollista päästä suuruusluokaltaan 1,6:nvuosikylmäkertoimeen. Järjestelmän investointikustannukset pitäisivät olla kohtuulliset jaenergiansäästökin pitäisi olla mahdollinen, joskaan täysin läpinäkyviä laskelmia aiheesta eilöydetty. Kaikkiin kohteisiin kuivausjäähdytys ei yksin riitä, vaan tarvitaan rinnakkainen, joskinpienempitehoinen jäähdytysjärjestelmä.

Muiden kylmäntuottoratkaisujen aika ei ole vielä lähivuosina rakennusten jäähdytyksessä.Lähimpänä markkinoille tuloa on magneettinen jäähdytys, jota käytetään jo ainakin yhdenvalmistajan kaupallisissa jäähdytystiskeissä. Magneettinen jäähdytys tulee yleistymään ensinpienemmän teholuokan laitteissa kuten jääkaapeista. Tulevaisuuden järjestelmistä, suuriaodotuksia on asetettu mm. termoelastiseen jäähdytykseen, jonka pitäisi soveltua hyvin myösrakennusten jäähdytykseen. Termoelastinen jäähdytys perustuu joidenkin materiaalienominaisuuteen, jossa lämpöä vapautuu materiaalia venytettäessä ja lämpöä puolestaansitoutuu, kun jännitys vapautetaan.

Vapaajäähdytysratkaisujen rooli jäähdytyksessä tulee korostumaan lähitulevaisuudessaentisestään. Vapaajäähdytyksessä hyödynnetään uusiutuvia energialähteitä, kutenulkoilmaa, vesistöjä (meri, järvet, joet), maaperää (energiakaivot, pohjavesi). Syynäyleistymiselle on nähtävissä ympäristönäkökohdat, erityisesti kasvihuonekaasupäästöjenvähentämispaineet, sekä energiakustannusten pienentämistavoitteet. Yhä useamminvapaajäähdytysratkaisuja tullaan hyödyntämään samalla sekä jäähdytys- ettälämmityskäytössä.

Energiavaraajien käyttö lisääntyy ja tekniikkana yksinkertaiset ja toimivat vesivaraajat tulevatsäilymään lähitulevaisuudessa yleisimpinä jäähdytysenergiavarastoina. Vesivaraajillatasoitetaan vuorokautista jäähdytyslaitteiston huipputehontarvetta, jolloin pärjätäänpienempitehoisilla laitteilla. Toinen käyttötarkoitus on vapaajäähdytyslähteiden parempihyödyntäminen. Tilatehokkuudeltaan vesivarastoa huomattavasti parempi jäähdytysenergianvarastointimenetelmä on käyttää jäävarastoja tai tulevaisuudessa mahdollisesti muitafaasimuutosmateriaaleja. Faasimuutosvaraajien yleistymistä on odoteltu pitkään, muttatoistaiseksi näin ei ole käynyt eikä laajaa läpimurtoa ole vielä aivan lähivuosina näköpiirissä.Suurimpana esteenä on toistaiseksi saatavan hyödyn suhde hankintahintaan, myösfaasimuutosmateriaalien pitkäaikaistoimivuudessa on ollut toivomisen varaa.

Rakennusten jäähdytyksen jakojärjestelmien osalta on suuntaus ollut jo pidempään kohtikorkealämpötilaisia järjestelmiä, jotka toimivat mahdollisimman lähellä huonelämpötilaa.


Korkealämpötilajärjestelmillä saavutetaan jäähdytysenergian tuotannossa parempihyötysuhde.

Kiinteistökohtaiset järjestelmätAsuinrakennuksissa kiinteistökohtaiset ja vielä pienemmässä mittakaavassahuoneistokohtaiset järjestelmät tulevat lähitulevaisuudessa perustumaan jäähdytysenergiantuoton suhteen pääasiassa kompressoritekniikkaan. Näissäkin järjestelmissä jäähdytyksen jalämmityksen integrointi sekä vapaajäähdytyksen käyttö (energiakaivot, ulkoilma)kiinteistökohtaisissa järjestelmissä lisääntyy. Huoneistokohtaisissa järjestelmissäjäähdytyslaitteen käyttö lämmitykseen perustuu taloudellisuuteen, eli laitteella lämmitetään,jos sillä saadaan kustannussäästöjä.

Lämpökäyttöisten kylmäjärjestelmien (absorptio ja adsorptio) lähitulevaisuuden näkymätkiinteistökohtaisissa ratkaisuissa ovat huonot. Syynä tähän on puhtaasti laitteiden suuretinvestointikustannukset, huono kylmäkerroin ja jäähdytyksen vähäiset käyttötunnit, jollointakaisinmaksuajat muodostuvat kohtuuttomiksi. Jonkinlaisia odotuksia onaurinkolämpöjärjestelmiin soveltuvien laitteiden massatuotannosta, koskamaailmanlaajuisesti niiden kiinnostavuus on huomattavan suuri. Massatuotannossa laitteidenhinnat laskevat. Ruotsalaisen tutkimuksen (Sagebrand et. al. 2015) mukaan lämmön hintasaisi nykyisillä investointikustannuksilla muutaman sadan kilowatin laitteistolla ollakorkeintaan luokkaa 20 – 25 €/MWh.

Rakennuksen ilmanvaihtoon integroitava kuivausjäähdytys on lämpökäyttöisistäjärjestelmistä mielenkiintoisin, joskaan sillä ei aina pystytä kattamaan koko jäähdytystarvetta.Kaukolämpöön liitettyjä kuivausjäähdytysjärjestelmiä on jonkin verran käytössä toimisto- jaliikerakennuksissa mm. Ruotsissa. Aurinkokäyttöisiä järjestelmiä on maailmalla käytössäenemmänkin mm. Saksassa ja Espanjassa. Järjestelmän kannattavuuden kannalta ontärkeää, että suuri osa jäähdytystarpeesta pystytään kattamaan epäsuoralla ja suorallakostutusjäähdytyksellä, sillä kuivausprosessin kylmäkerroin on huono, luokkaa 0,67, jolloinkäytettävän lämmön hinta ei voi olla korkea. Järjestelmän toiminnasta ja käytettävyydestäpitäisi saada parempaa tietoa.

Asuintalossa ilmanvaihdon ilmavirrat ovat niin pieniä, että suurta jäähdytystehoakuivausjäähdytysjärjestelmällä ei pystytä tuottamaan, mutta kesäisiä lämpöolosuhteitavoitaisiin ainakin lievittää. Asuinrakennuksia paremmin kuivausjäähdytys sopii toimisto- jaliikerakennuksiin, koska käytetyt ilmavirrat ovat kolmin ja jopa nelinkertaiset lattiapinta-alaakohti. Tällöin saavutettavissa oleva tilojen jäähdytysteho on suurempi. Toimistojen jaliikerakennusten jäähdytystehontarpeet ovat usein niin suuret, että kostutusjäähdytyksenrinnalle tarvitaan kuitenkin toinen jäähdytysjärjestelmä.

KaukojäähdytysjärjestelmätKiinnostus kaukojäähdytysratkaisuihin kasvaa lähitulevaisuudessa. Kaukojäähdytyksellätarkoitetaan myös pienimuotoisia, yhtä aluetta palvelevia, järjestelmiä. Suurempijäähdytettävä kerrosala mahdollistaa järjestelmän monipuolisen ja älykkään ohjauksen sekäluo luonnollisen tarpeen kustannustehokkaammille varastointiratkaisuille kiinteistö- taiasuntokohtaisiin järjestelmiin verrattuna. Näiden järjestelmien osalta myös liitynnätlämmitysjärjestelmiin lisäävät energia- ja kustannustehokkuutta.

Tulevaisuuden kaukojäähdytysjärjestelmät todennäköisesti hyödyntävät moniatuotantoteknologioita, erityisesti kompressorikäyttöisiä lämpöpumppuja, vapaajäähdytyksenmahdollisuuksia (energiakaivokentät, pohjavesi, vesistöt). Integroidut ratkaisut, joissajäähdytysverkon keräämää lämpöenergiaa kierrätetään lämpöpumpuilla kaukolämmitykseentulevat yleistymään, esimerkiksi SunZeb-konsepti (Shemeikka et al. 2015). Kuten sähkö- jalämmitysjärjestelmienkin puolella, joustavuus ja ohjattavuus tulevat entisestään korostumaantaloautomatiikan, mutta myös itse jäähdytysjärjestelmän puolella. Joustavuus ja ohjattavuusedellyttävät varastointitekniikan käyttöä. Kaukojäähdytyksen etu on skaala, jossa


järjestelmän suuruudesta johtuen saadaan etua jäähdytysenergian tuotannon paremmastahyötysuhteesta niin kompressori- kuin sorptiotekniikalla. Sorptiolaitteiden käyttö onmahdollista erityisesti silloin kun tarjolla on ylijäämälämpöä, jolla ei ole parempaa käyttöä.Toinen mahdollisuus on hyödyntää sorptioratkaisuissa aurinkolämpöä. Sähkön ja lämmönyhteistuotannossa sorptiotekniikka mahdollistaa sähkön lisätuotannon.

Varsinkin uusissa kaukojäähdytysverkoissa kylmäntuottoratkaisut, joissa hyödynnetäänhajautettua tuotantoa voivat tulevaisuudessa yleistyä. Hajautetussa tuotannossa voidaanhyödyntää jo valmiina olevia laitteistoja, kuten jäähallien, markettien ja teollisuuden vapaatajäähdytyskapasiteettia.

Kaukaisemmassa tulevaisuudessa on hahmottumassa myös ns. neljännen sukupolvenälykkäät kaukolämpöjärjestelmät (4DHG), jossa käsitellään kaikkia energiaverkoja (lämpö,sähkö ja jäähdytys) kokonaisuutena (tuotanto, varastointi, kuluttajat) ja optimoidaan sentoimintaa eri tavoin mm. hyödyntämällä matalalämpöjärjestelmiä ja kehittyneitä säätö- jaohjausjärjestelmiä.


Lähdeviitteet

Airaksinen, M., Vainio, T., Vesanen, T., Ala-Kotila, P. Rakennusten jäähdytysmarkkinat. VTTasiakasraportti VTT-CR-06168-15. 18.12.2015.

Alawi, O.,A., Sidik, N., A., N., Beriache, M. Applications of nanorefrigerant and nanolubricantsin refrigeration, air-conditioning and heat pump systems: A review. InternationalCommunications in Heat and Mass Transfer 68 (2015) 91 – 97.

Arola, T., Groundwater as an energy resource in Finland. Unigrafia. Helsinki. 34 pages and 7figures. Helsinki 2015.

Claesson, E., Analys av sorptiv kylning i industri- och kontorsbyggander. Examensarbete 30hp. Uppsala Universitet, December 2013.

Cui, J., Wu, Y., Muehlbauer, J., Hwang, Y., Radermacher,R., Fackler, S., Wuttig, M., Takeuchi,I., Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large T using NiTi wires.Applied Physics Letters 101. August 2012.

Cui,J., Wu, Y., Muehlbauer, J., Hwang, Y., Radermacher, R., Wuttig, M., Takeuchi, I.,.“Thermoelastic Cooling.” U.S. Patent No. US 20,120,273,158 A1. March 27, 2012.

Domínguez-Inzunza, L. A., Sandoval-Reyes, M., Hernándes-Magallanes, J. A., Rivera, J.,Comparison of the performance of single effect, half effect and double effect in seriesand inverse absorption cooling systems operating with the mixture H2O-LiBr. EnergyProcedia 57 (2014) 2534 – 2543.

Energiateollisuus ry, Lasse Koskelainen, Lauri Saarela, Kari Sipilä, and Arto Nuorkivi. 2006.Kaukolämmön Käsikirja. ISBN 952-5615-08-1. Energiateollisuus ry.

Goetzler, W., Zogg, R., Young, J., Johnson, C., Energy Savings Potential and RD&DOpportunities for Non-Vapor-Compression HVAC Technologies. U.S. Departmentof Energy. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. BuildingTechnologies Office. March 2014.

Heino, J., Lumen varastointi ja hyödyntäminen tilojen jäähdytykseen, Case: Kone Oyj.Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Energiatekniikan koulutusohjelma. Diplomityö2015.

Henchoz, S., Weber, C., Maréchal, F., Favrat, D.., 2015. Performance and profitabilityperspectives of a CO2 based district energy network in Geneva’s City Centre. Energy,85, pp.221–235. Available at:http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360544215003886.

Hinckley, M. New Levels of Performance with Magnetic Bearings. Design World, October 82010.

Holmström, D., Johnsson, J., Fjärrkyla och dess konkurrerande alternative. Profu, 2013-11-05.

IEA. 2011. “Technology Roadmap on Energy-Efficient Buildings: Heating and CoolingEquipment.” www.iea.org.

Joensuu, A., Lumen ja sadeveden hyödyntäminen rakennuksen jäähdyttämiseen. MetropolianAmmattikorkeakoulu, Talotekniikan tutkinto-ohjelma. Insinöörityö 2015.

Johansson, P.-O., Frederiksen, S., Ollerstrand J., Kombinerad fjärrvärme och fjärrkyla.Fjärrsyn. Svensk Fjärrvärme AB, rapport 2011:8


Juvonen, J., Lapinlampi, T., Energiakaivo, maalämmön hyödyntäminen pientalossa.Ympäristöopas 2013, ympäristöäministeriö. Helsinki 2013.

Kasaeian, A., Eshghi, A., T., Sameti, M., A review on the applications of nanofluids in solarenergy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 43 (2015) 584 – 598.

Koljonen, Tiina, and Kari Sipilä. 1998. “Uudemman Absorptiojäähdytystekniikan SoveltaminenKaukojäähdytyksessä [Modern Absorption Technology for District Cooling],” 55.http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/1998/T1926.pdf.

Korhonen, J., Suomen vesistöjen lämpötilaolot 1900-luvulla. Suomen ympäristö 566. Suomenympäristökeskus. Helsinki 2002.

Kovacs, P., Jardeby, Å., Nordman, R., Perers, B., Dalenbäck, J.O., Konkurrenskraftig soldrivenkomfortkyla. Fjärrsyn. Svensk Fjärrvärme, Rapport 2009:20.

La, D., Dai, Y.,J., Li, Y., Wang, Y., R.,Z., Ge, T.,S., Technical development of rotary desiccantdehumidification and air conditioning: A review. Renewable and Sustainable EnergyReviews 14 (2010) 130–147.

Laine, M., Ilmastoinnin vesikiertoisen jäähdytysjärjestelmän optimointi. Tampereen teknillinenyliopisto, ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma. Diplomityö 2016.

Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen S., Thorsen, J. E., Hvelplund, F., Mathiesen, B.V. 4th Generation District Heating (4GDH). Integrating smart thermal grids into futuresustainable energy systems. Energy 68 (2014) 1e11

Martin, V., Udomsri, S., Fjärrvärmeanpassad absorptionskyla. Fjärrsyn. Svensk FjärrvärmeAB, rapport 2013:8

Motiva, Viihtyisä työympäristö, Ilmastointi ja jäähdytys. Motiva Oy.

Nair, V., Tailor, P.,R., Parekh, A., D., Nanorefrigerants: A comprehensive review on its past,present and future. Internationa Journal of Refrigeration 67 (2016) 290 - 307

Raam Dheep, G., Sreekumar, A., Influence of nanomaterials on properties of latent heat solarthermal energy storage materials – A review. Energy Conversion and Management 83(2014) 133–148.

Ruukki, Energiapaaluilla energiatehokkaita rakennuksia. White paper.

Rämä, M., Diplomityö: Hiilidioksidi kaukojäähdytysverkon lämmönsiirtoaineena. Teknillinenkorkeakoulu. 2006.

Sagebrand, U., Zinko, H., Walletun, H., Värmedriven komfortkyla för mindre anläggningar.Fjärrsyn. Energiforsk, rapport 2015:184.

Sidik, N., A., N., Yazid, M., N., A., M., Mamat, R., A review on the application of nanofluids invehicle engine cooling system. International Communications in Heat and MassTransfer 68 (2015) 85 – 90.

Shemeikka, J., Lylykangas, K., Ketomäki, J., Heimonen, I., Pulakka, S., Pylsy, P., SunZeb –plusenergiaa kaupungissa. Uusiutuvaa energiaa asumiseen ja toimistoon. VTTTechnology 219. 2015.

Siemens, Refregeration technology.


Socaciu, L.,G., Seasonal Sensible Thermal Energy Storage Solutions. Leonardo ElectronicJournal of Practices and Technologies p. 49 - 68. Issue 19, July-December 2011. ISSN1583-1078.

Sun, J., Fu L., and Zhang, S. 2012. “A Review of Working Fluids of Absorption Cycles.”Renewable and Sustainable Energy Reviews. doi:10.1016/j.rser.2012.01.011.

Veerakumar, C., Sreekumar, A., Phase change material based cold thermal energy storage:Materials, techniques and applications – A review. international journal of refrigeration67 (2016) 271–289.

Wang, K., Vineyard, E., A., New opportunities for solar adsorption refrigeration. AshraeJournal. September 2011.

Weber, C. & Favrat, D., 2010. Conventional and advanced CO2 based district energysystems. Energy, 35(12), pp.5070–5081.http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360544210004354

Werner, A., Jonsson, R., Optimerad användning av fjärrkyla. Fjärrsyn. Svensk Fjärrvärme,rapport 2012:10.

Viuf, B., Magnetic fridge cuts electricity bill in half. ScienceNordic, May 28 2012.http://sciencenordic.com/magnetic-fridge-cuts-electricity-bill-half


Liitte 1: Adsorptiojärjestelmissä käytettyjä aineita

Ehdokkaita uusiksi adsorptioprosessin ainepareiksi on tutkittu vilkkaasti ja taulukossa 10 onesitelty eräs yhteenveto vaihtoehdoista.

Taulukko 10. Adsorptiojärjestelmissä eri sovelluksissa käytettyjä aineita ja niiden toiminta-arvoja. AC tarkoittaa aktiivihiiltä, SCP tarkoittaa ominaisjäähdytystehoa adsorpentin massaansuhteutettuna. (Wang et al.)).


Liitte 2: Kaupallisia faasimuutosmateriaaleja

Taulukossa 11 on esitetty yhteenveto kaupallisesti saatavilla olevistafaasimuutosmateriaaleista (Veerakumar 2016), joiden sulamispiste on yli 0 °C, ja jotkasoveltuvat rakennusten jäähdytykseen. Listaus ei ole täydellinen, mutta antaa hyvän kuvansaatavilla olevista materiaaleista ja niiden ominaisuuksista. Paria poikkeusta lukuunottamattafaasimuutosmateriaalit ovat joko parafiineja tai suoloja. Useimpien luetteloitujen materiaaliensulamislämpö on noin 50 - 60 % verrattuna vesijäähän (sulamislämpö 333 kJ/kg).

Taulukko 11. Kaupallisia faasimuutosmateriaaleja (Veerakumar 2016).


Liitte 3: Kyselyn vastaukset

Hankkeen yhteydessä tehtiin suppeahko kysely muutamalle suuria rakennusmassojaomistavalle taholle sekä muutamille laitetoimittajille.

Kiinteistön omistajien vastaukset kyselyyn:

Kysymys: Näettekö jäähdytyksen tärkeänä ominaisuutena kiinteistössä?

Hyvät sisäolosuhteet ovat yksi tärkeimmistä toimitilojen ominaisuuksista.Käytännössä kaikissa viimeisten vuosikymmenten aikana rakennetuissa taiperuskorjatuissa toimistotiloissa on koneellinen jäähdytys. Lähes kaikissa kohteissaon myös erilaisia laite- ja prosessitiloja, joita jäähdytetään. Jäähdytysjärjestelmienkäyttö on monissa kohteissa jatkuvaa riippumatta ulkolämpötilasta. Erityisestikesäaikaan jäähdytys on välttämätön, jotta kohteissa saavutetaan vuokrasopimustenmukaiset hyvät sisäolosuhteet.

Kiinteistön toimivuuden edellytys on hyvät sisäolosuhteet. Jäähdytys on osarakennuksen energiaratkaisua ja tulee nousemaan yhä merkittävämpään rooliintulevaisuudessa. Hyvät sisäolosuhteet vaikuttavat myös työn tuottavuuteen /oppimiseen.

Jäähdytys ja sen huomioiminen osana sisäilmastoa (rakennettua ympäristöä) on tullutyhä tärkeämmäksi. Jäähdytystarpeen estäminen on kuitenkin ykkösasia.

Kysymys: Mikä on kiinteistön omistajan kannalta tärkeää jäähdytyksen kannalta? (esim.helppokäyttöisyys, pienet käyttökustannukset, helppo huollettavuus, ympäristöystävällisyys)

Elinkaarikustannukset vaikuttavat päätökseen. Nyt elinkaarikustannusten vertailuissahuomioidaan lähinnä käyttökustannukset ja huollettavuus. Useissa kohteissatavoitteena on myös jäähdytyksen lauhdutusenergian hyödyntäminen / kierrättäminenkiinteistön sisällä. Ympäristöystävällisyys ei ole noussut vielä erityisemminvalintakriteeriksi, mainitaan kyllä.

Työskentelytiloissa: toimivuus, teho, säädettävyys, helppokäyttöisyys, vedottomuus,äänettömyys

Yleisesti: toimintavarmuus, elinkaarikustannukset, ympäristöystävällisyys Kaikki mainitut asiat ovat tärkeitä. Kokonaiskustannukset ja helppokäyttöisyys ovat

aina pinnalla. Mutta koska meillä on lukemattomia ympäristösitoumuksia, myösympäristönäkökohdat tulevat esiin.

Kysymys: Kumpi teille on tärkeämpää, jäähdytyslaitteiston oma omistaminen ja käyttö vaiitse sisäolosuhteiden laatu esim. palveluna?

Sisäolosuhteiden laadun ostaminen palveluna kiinnostaa, sitä tosin ei ole tehty tällätavalla kertaakaan. Se olisi kiinteistönomistajan näkökulmasta nimenomaan tärkeinasia. Jotain elementtejä on elinkaarihankkeissa mukana, mutta kokonaispalveluna eiole pelkästään sisäolosuhteita hankittu. Sopimustekniikkaan tarvitaan osaamista. Elitähän liittyy laaja sisäolosuhteiden seurantaraportointi (pysyvyys) ja siihen liittyvätsanktiomenettelyt.

Omistamiskysymys liittyy aika paljon kiinteistönomistajan strategiaan jasalkunhallintaan. Ja halutaanko omistajuutta pilkkoa järjestelmätasolle.

Sisäolosuhteiden ostoa palveluina on mietitty kyllä, mutta selvää kantaa ei vielä oleotettu. Laitteiston omistus ja oma käyttö ovat ne suosituimmat ratkaisut. Asiaajoudutaan kyllä miettimään erityisesti silloin, kun mietitään omaa kalliojäähdytystä.Silloin osaaminen, hallinnointi ja ”säätöjäähdytyksen” ostaminen voi tulla liianraskaaksi.

Laitteiston omistaminen ei ole itseisarvo ja olemme liittyneet käytännössä ainakaukokylmään, sikäli kun kohteeseen on saatavilla kaukokylmää


Jäähdytyslaitteiston omistaminen ei mielestäni ole myöskään mikään erityinenongelma, mutta miksei voisi olla lämpöyrittäjyyden tapaista kylmäyrittäjyyttäkin tarjolla

Kaukokylmässä toki ulkoistuu vain vedenjäähdytyskoneikon omistaminen, huolto jakäyttö => edelleen meille jää säädöt, pumppaukset, jakeluverkosto ja huonelaitteet

Meillä on jonkin verran myös vuokralaisten omistamia jäähdytyslaitteita janykysuuntaus on kuitenkin se, että me kiinteistönomistajana vastaamme tilojensisäolosuhteista ja sitä kautta myös jäähdytyksestä

Sisäolosuhteiden ostaminen palveluna taitaa käytännössä tarkoittaa tilanvuokraamista ulkoiselta kiinteistönomistajalta

Kysymys: Muuta tärkeää jäähdytyksen kannalta?

Jäähdytysjärjestelmissä ja hukkalämmön talteenotossa on vielä lunastamatontapotentiaalia

Kaivattaisiin tuotteistettuja ratkaisuja hukkalämmön hyödyntämiseen esim.lämpöpumppujen avulla

Vapaajäähdytys ei usein ole erityinen ekoteko, koska tällöin siirretään jo kerranostettua lämpöenergiaa taivaan tuuliin ja usein vielä huonolla hyötysuhteella(huonolla hyötysuhteella tarkoitetaan kesän huippujen mukaan mitoitettujenpumppujen pyörittämistä talven huomattavasti pienempiä tehontarpeita varten)

Laitetoimittajille osoitetussa kyselyssä udeltiin jäähdytysteknologian tulevaisuuden näkymiä.

Kysymys: kylmäaineiden käyttörajoitusten vaikutus kylmäaineen valintaan (mitä tilalle?)

Viiden vuoden aikajänteellä siirrytään suurilta osin vanhoista HFC-aineista pois jatilalle tulee HFO-aineet. Lämpöpumppuja ja vedenjäähdyttimiä on jo myynnissäuusilla kylmäaineilla.

Tilalle tulleet luonnon kylmäaineet (CO2, NH3 ja myös hiilivedyt jossain määrin).R134A:n tilalle R-513A (XP-10)

Kylmäaineiden tulee luonnollisesti olla ympäristöystävällisiä sekä taloudellisesti hyvinkäytettävissä

Kysymys: kompressoritekniikan kehitys (esimerkiksi yksikkötehot)

Scroll-kompressorit kasvavat, jolloin ne osaltaan korvaavat ruuveja. Mäntäkompressorien hyvät ominaisuudet lisäävät niiden käyttöä lämpöpumpuissa ja

CO2-sovelluksissa. Turbotekniikka yleistyy nyt myös isoissa lämpöpumpuissa. Valmistajia on jo useita. Taajuudenmuuttajakäytöt lähes kaikille tehoalueille. Korkeammat paineenkestävyydet

(lähinnä NH3-, R134A-, R-513A-lämpöpumput sekä CO2) Sovellettava yksikkökoko on selvästi kasvamassa nykyisestä tasosta 10 - 20 MW

noin kaksinkertaiseksi.

Kysymys: lauhteen hyödyntäminen (lauhdutuslämpötilan kehitys)

Kaikki lämmin hukkalämpö on tullut koko ajan entistä arvokkaammaksi. Myöslauhteen hyödyntäminen lämpöpumpuilla tulee yleistymään. Lämpimästä lauhteestasaadaan pienillä laiteinvestoinneilla huippu COP.

Käytettävissä väliaineissa tapahtuu jatkuvaa kehitystä, jonka seurauksenalämpöpumppujen lauhdutuslämpötiloja voidaan selvästi korottaa (yli 100 °C); myös”kylmänpään” toiminta-arvoissa on kasvavaa joustoa (paineissa/ lämpötiloissa)

Entistäkin useammin katsotaan yhdistettyjä kylmä & lämmitysratkaisuja, nämä voivatolla isompien kiinteistöjen erillisiä ratkaisuja tai laajempaan kaukolämpö/ -kylmäverkkoon liitettyjä


Kysymys: miltä lämpökäyttöisten (absorptio / adsorptio) tekniikoiden tulevaisuus näyttää

Kyselyjä on ja läpilyöntiä odotellaan, mutta konkreettista kehitystä tai myynnin kasvuaei tapahdu.

Ei tällä hetkellä suurempaa kasvua lähitulevaisuudessa

Kysymys: onko näköpiirissä aivan uudenlaisten tekniikoiden läpimurtoa (magneettinenjäähdytys, termoelastinen jäähdytys, ...)

Ei ole vielä kaupallista potentiaalia, eli kompressoreilla mennään vielä seuraava 10v. Läpimurtoa ei näkyvissä

Kysymys: keskitetty / hajautettu tuotanto

Hajautettu tuotanto nostaa päätään. On järkevää käyttää lämmönlähteet montakertaa jo niiden syntypaikalla ja tämä johtaa siihen että esim. kaukolämpöverkkoonsyntyy pienempiä tuotantosoluja.

Kaukokylmä selvässä kasvussa isommissa kaupungeissa

Kysymys: mitä vapaajäähdytyksen osalta on näköpiirissä

Edelleen on haluttua tekniikkaa aina kun on mahdollista. Pyritään käyttämään aina kun mahdollista/järkevää

Vapaajäähdytystä käytetään, mikäli se ympäristövaikutusten osalta on mahdollista

Kysymys: kylmän varastointi (käytetäänkö enemmän ja miksi, onko ”uusia”varastointiteknologioita esimerkiksi faasimuutosvaraajia tulossa laajemmin markkinoille)

Perinteiset tavat ovat edelleen käytössä (jäävesisiilot). Jäähdytysveden varastointi kallioluolaan (Hki). Faasimuutosvaraajat olleet marginaalissa jo kauan, mutta hinta ei kovin

kilpailukykyinen

Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut · 2016-12-23 · Kuva 5. Kaukojäähdytyksen tuotantotehon...

Documents

Transcript of Jäähdytyksen teknologiset ratkaisut · 2016-12-23 · Kuva 5. Kaukojäähdytyksen tuotantotehon...