Ilmanvaihdon lämmön talteenoton (LTO) hyötysuhde

Edellä esitettyjen tietojen mukaan uimahallin ilmanvaihdon kautta poistuu merkittävä osa rakennuksessa käytettävästä kaukolämmöstä. Haihtuneeseen allasveteen ja ilmanvaihdon lämmitykseen kulutetaan laskennallisesti noin puolet koko rakennuksessa käytettävästä kaukolämmöstä. Tämä lämpö poistuu rakennuksesta poistoilman mukana. Esimerkinomaisten mittaustulosten perusteella kyseisten osa-alueiden yhteenlasketut osuudet vaihtelivat noin 30 % ja 60 % välillä. Joka tapauksessa uimahallin allasosaston poistoilmassa on valtava määrä lämpöenergiaa, jota voidaan käyttää uudelleen rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseksi.

Uimahallit ovat paljon lämmitysenergiaa kuluttavia laitoksia, sillä niiden tarjoamat palvelut vaativat korkeita lämpötiloja ja runsasta lämpimän käyttöveden kulutusta. Uimahallin allasosaston sisäilman lämpötila onkin käytännössä ympäri vuoden ulkoilmaa lämpimämpää, joten hallin tuloilmaa on lämmitettävä jatkuvasti enemmän tai vähemmän. Toinen uimahallille ominainen piirre on suuri veden kulutus. Vettä kuluu niin allasveden vaihtoon kuin lämpimään käyttöveteen. Keskeistä on kuitenkin se, että valtaosaa käytetystä vedestä lämmitetään huomattavasti. Uimahalleissa on siis jatkuva lämmitysenergian tarve ympäri vuoden.

Uimahallin allasosaston poistoilmassa oleva valtava energiamäärä voidaan hyödyntää käyttämällä lämmön talteenottoa. Sen tarkoitus on käyttää poistoilmassa olevaa lämpösisältöä muihin lämmitystä vaativiin prosesseihin. Poistoilman lämmön talteenoton yleisimmin käytetty ja luonnollisin kohde on siirtää lämmitysenergiaa ilmanvaihdon tuloilmaan, joka on esitetty kuvassa 15. Uimahallien ilmanvaihtomäärät ovat suuria, jolloin tuloilman lämmittäminen haluttuun lämpötilaan vaatii huomattavan määrän energiaa. Tätä tarvittavan energian osuutta voidaan pienentää esilämmittämällä ilma lämmön talteenotolla ja vasta sitten lämmittää jäljelle jäävä osuus muulla tavalla (lämmityspatterilla). Parhaassa tapauksessa tuloilmaa ei tarvitse lämmittää ollenkaan muilla tavoilla, vaan koko tarvittava energia saadaan otettua talteen poistoilmasta.

Kuva 15. Lämmön talteenoton perusperiaate. Lähde http://www.easicooling.co.uk/images/other/Heat%20Recovery%20Diagram.jpg

Toisaalta saattaa esiintyä myös tilanteita, jossa poistoilmasta saadaan otettua talteen enemmän energiaa kuin tuloilman lämmitys vaatii. Tällaisessa tilanteessa kaiken tarjolla olevan lämmön syöttäminen tuloilmaan aiheuttaisi liian korkean sisälämpötilan ja tätä kautta epäviihtyvyyttä käyttäjissä. Ei ole kuitenkaan suotavaa madaltaa tästä syystä poistoilmasta talteen otettavan lämmön määrää, vaan se tulisi käyttää muissa prosesseissa. Esimerkiksi poistoilmasta talteen otettua lämpöä voitaisiin käyttää lämpimän käyttöveden valmistukseen tai allasveden lämmitykseen. Lämmön talteenotolla uudelleenkäytettävälle energialle on aina hyvä olla useampi mahdollinen käyttökohde. Poistoilmasta kannattaa siis ottaa talteen mahdollisimman paljon energiaa, sillä se voidaan tehdä keskitetysti yhdestä paikasta, jonka lisäksi se on myös erittäin tehokasta poistoilman korkean lämpötilan ansiosta.

Lämmön talteenotto voidaan toteuttaa usealla eri menetelmällä. Uimahalleissa on yleisesti käytössä perinteiset ristivirtalevylämmönsiirtimet sekä vesi-glykolikiertoiset lämmönsiirtimet. Uimahallien kohdalla lämmön talteenoton haasteena on se, ettei poistoilmassa olevaa kosteutta ja epäpuhtauksia haluta siirtää takaisin tuloilmaan. Tästä syystä regeneratiivinen lämmönsiirrin, eli tulo ja poistoilmakanavien välillä pyörivä massa/kiekko, ei ole yleisesti uimahalleissa käytetty ratkaisu. Nykyisin on olemassa myös erityisesti uimahalleihin suunniteltuja lämmön talteenottolaitteita, joilla päästään erittäin korkeaan hyötysuhteeseen poistoilman lämmön talteenotossa. Levylämmönsiirtimien ja vesi-glykolikiertoisen lämmön talteenoton ongelmana on kuitenkin se, ettei kaikkea poistoilmassa olevaa energiaa pystytä hyödyntämään. Kylminä vuodenaikoina ongelmaksi voi muodostua se, että lämmön talteenotossa poistoilman kosteus alkaa tiivistyä ja tämä vesi jäätyy lämmönvaihtimien pinnalle ulkoilman ollessa pakkasella. Jäätynyt vesi madaltaa voimakkaasti lämmön talteenoton hyötysuhdetta, eikä poistoilman lämpöä voida hyödyntää tehokkaasti.

Poistoilmasta voidaan ottaa lämpöä talteen myös lämpöpumpulla. Ratkaisu vaatii sähkön käyttöä, mutta se tuottaa huomattavan määrän energiaa korkean hyötysuhteen ansiosta. Käytännössä syötetyn sähkön määrä voidaan saada jopa nelinkertaisena hyötykäyttöön lämpöenergiana. Täten esimerkiksi 10 kilowatin lämpöpumpulla voidaan saada lämpöenergiaa jopa 40 kilowatin teholla. Lämpöpumpun käytöllä voidaan laskea poistoilman lämpötila jopa ulkoilman lämpötilaan, jolloin sen lämpösisältö saadaan hyödynnettyä kokonaisuudessaan.

Lämpöpumpun käytöllä saadaan hyödynnettyä myös haihdunnassa poistoilmaan vesihöyrynä sitoutunut energia. Tämän poistoilmassa olevan vesihöyryn tulee tiivistyä takaisin vedeksi, jotta siihen sitoutunut energia vapautuu. Lämpöpumpulla tämä onnistuu viilentämällä ilma alle sen kastepisteen. Prosessissa kondensoituva vesi voidaan johtaa viemäriin, jolloin se ei aiheuta ongelmia. Poistoilman hallittu ja tehokas viilentäminen onnistuu vain lämpöpumpulla, eikä siihen voida käyttää tavallisia lämmön talteenottopattereita.

Lämpöpumpun käyttö lämmön talteenotossa mahdollistaa myös ilman kuivatuksen lämpöpumpun avulla. Tällaisesta järjestelystä käytetään myös nimitystä kondenssikuivain. Kondenssikuivaimen käyttöä tarkastellaan tarkemmin tehostamiskonseptien osuudessa.

Lämmön talteenoton tehokkuutta voidaan kuvata sen hyötysuhteella. Hyötysuhde kuvaa prosentuaalisesti sitä osuutta, mikä käytettävissä olevasta lämmöstä hyödynnetään. Teoreettisesti kaikki poistoilmassa oleva energia voidaan siirtää takaisin tuloilmaan, mutta tällaiseen tilanteeseen ei käytännössä koskaan päästä. Poikkeuksen tähän muodostavat lämpöpumput, joilla hyötysuhde voi olla jopa yli 100 %, mutta tämä johtuu siitä, että prosessissa käytetään ulkopuolista sähkötehoa. Tavanomaisilla lämmön talteenottolaitteilla (levylämmönsiirtimet ja vesi-glykolijärjestelmät) ei voida päästä 100 % hyötysuhteeseen.

Lämmön talteenoton hyötysuhde voidaan laskea monella eri tavalla riippuen tarkastelutavasta. Tässä ohjeessa keskitymme määrittämään lämmön talteenoton poistoilman lämpötilahyötysuhdetta, mikä kuvaa hyvin poistoilman energiasisältöä. Poistoilmahyötysuhteen laskentakaava on esitetty alla. Muita laskentatapoja ei esitellä.

Kaavassa T viittaa mittauspisteen lämpötilaan (temperature) ja alaindeksi mittauspisteeseen ja sitä vastaavaan numeroon. Kaavan laskennassa tarvitaan siis mittaustuloksia poistoilman, jäteilman ja raitisilman lämpötiloista. Ladattava laskentapohja tekee syötettyjen mittaustulosten perusteella laskennan automaattisesti ja ilmoittaa keskiarvon koko mittausjakson aikaisesta lämmön talteenoton hyötysuhteesta.

Luonnollisesti haluamme lämmön talteenoton hyötysuhteen olevan mahdollisimman korkea. Tästä syystä on hyvä seurata talteenoton todellista, mitattua hyötysuhdetta. Pidemmän ajan keskiarvo kertoo lämmön talteenoton toiminnasta huomattavasti enemmän kuin hetkellinen arvo tai laitetoimittajan esittämä suunnitteluarvo. Mittaamalla hyötysuhde voidaan havaita myös mahdolliset vikatilanteet.

Esimerkki uimahallin mittaustuloksiin perustuvasta lämmön talteenoton hyötysuhteesta on esitetty kuvassa 16.

Kuva 16. Esimerkki mitatusta lämmön talteenoton hyötysuhteesta sekä sen minimi, maksimi ja keskiarvo