Luonnolliset kylmäaineet kotitalouskokoluokan lämpöpumpuissa
Oksanen, Teemu (2025)
2025
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2025-04-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202504284304
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202504284304
Tiivistelmä
Lämpöpumpuissa käytettäviin kylmäaineisiin on EU:n F-kaasuasetuksen seurauksena tulossa muutos. EU-alueella uusien laitteiden kylmäaineiden GWP-arvon (engl. global warming potential) on oltava tulevaisuudessa alle 150. Tällä hetkellä lämpöpumpuissa käytetyimmät synteettiset kylmäaineet ylittävät arvon selvästi. Korvaaviksi kylmäaineiksi on esitetty luonnollisia kylmäaineita, mutta myös niiden käyttöön liittyy haasteita.
Työn tavoite on kolmiosainen. Ensimmäiseksi selvitetään, mitkä luonnolliset kylmäaineet ovat realistisesti hyödynnettävissä kotitalouksien lämpöpumpuissa. Kotitalouskokoluokan alle 20 kW:n lämpöpumput kattavat yli 90 % myydyistä lämpöpumpuista EU-alueella. Toisena tavoitteena on arvioida, mitä uusien kylmäaineiden käyttö vaatii lämpöpumppujen tekniseltä toteutukselta. Viimeisenä arviointikohteena on kylmäaineiden vaihtumisen vaikutukset lämpöpumppujen kustannuksiin kuluttajan näkökulmasta.
Soveltuvimmiksi luonnollisiksi kylmäaineiksi kotitalouskokoluokan sovelluksiin arvioitiin propaani ja hiilidioksidi. Myös ammoniakin ja isobutaanin käyttö on teoriassa mahdollista. Hiilidioksidilämpöpumppujen suunnittelussa on otettava huomioon korkeat käyttöpaineet ja taipumus ylikriittiseen prosessiin. Propaanin ja isobutaanin suurin haaste on palavuus, jonka turvallisuusriskejä voidaan vähentää minimoimalla kylmäaineen määrä ja sijoittamalla kylmäainepiiri mahdollisimman turvallisesti. Ammoniakin hyödyntämistä hankaloittaa sen myrkyllisyys, jota voitaisiin hallita samoin menetelmin kuin palavuutta.
Luonnollisten kylmäaineiden markkinoille edenneet sovellukset ovat olleet pääosin vettä lämmittäviä. Ilmalämpöpumppuihin liittyy toistaiseksi haasteita, koska kylmäainepiiri kulkee myös sisätiloissa. Palavilla ja myrkyllisillä kylmäaineilla tämä aiheuttaa turvallisuusriskin.
Lämpöpumppujen kustannukset voidaan jakaa investointi- ja käyttökustannuksiin. Käyttökustannuksissa luonnollisten kylmäaineiden sovellukset arvioidaan kustannustehokkuudeltaan keskimäärin samoiksi tai hiukan tehokkaammiksi tämän hetken sovellusten kanssa. Investointikustannusten nousu on joissakin sovelluksissa mahdollista lyhyellä aikavälillä. Pitkällä aikavälillä markkinan tasauduttua kylmäaineiden muutoksen ei arvella vaikuttavan merkittävästi lämpöpumppujen kannattavuuteen. Oletettavasti luonnollisten kylmäaineiden merkitys alalla tulee kasvamaan.
Työn tavoite on kolmiosainen. Ensimmäiseksi selvitetään, mitkä luonnolliset kylmäaineet ovat realistisesti hyödynnettävissä kotitalouksien lämpöpumpuissa. Kotitalouskokoluokan alle 20 kW:n lämpöpumput kattavat yli 90 % myydyistä lämpöpumpuista EU-alueella. Toisena tavoitteena on arvioida, mitä uusien kylmäaineiden käyttö vaatii lämpöpumppujen tekniseltä toteutukselta. Viimeisenä arviointikohteena on kylmäaineiden vaihtumisen vaikutukset lämpöpumppujen kustannuksiin kuluttajan näkökulmasta.
Soveltuvimmiksi luonnollisiksi kylmäaineiksi kotitalouskokoluokan sovelluksiin arvioitiin propaani ja hiilidioksidi. Myös ammoniakin ja isobutaanin käyttö on teoriassa mahdollista. Hiilidioksidilämpöpumppujen suunnittelussa on otettava huomioon korkeat käyttöpaineet ja taipumus ylikriittiseen prosessiin. Propaanin ja isobutaanin suurin haaste on palavuus, jonka turvallisuusriskejä voidaan vähentää minimoimalla kylmäaineen määrä ja sijoittamalla kylmäainepiiri mahdollisimman turvallisesti. Ammoniakin hyödyntämistä hankaloittaa sen myrkyllisyys, jota voitaisiin hallita samoin menetelmin kuin palavuutta.
Luonnollisten kylmäaineiden markkinoille edenneet sovellukset ovat olleet pääosin vettä lämmittäviä. Ilmalämpöpumppuihin liittyy toistaiseksi haasteita, koska kylmäainepiiri kulkee myös sisätiloissa. Palavilla ja myrkyllisillä kylmäaineilla tämä aiheuttaa turvallisuusriskin.
Lämpöpumppujen kustannukset voidaan jakaa investointi- ja käyttökustannuksiin. Käyttökustannuksissa luonnollisten kylmäaineiden sovellukset arvioidaan kustannustehokkuudeltaan keskimäärin samoiksi tai hiukan tehokkaammiksi tämän hetken sovellusten kanssa. Investointikustannusten nousu on joissakin sovelluksissa mahdollista lyhyellä aikavälillä. Pitkällä aikavälillä markkinan tasauduttua kylmäaineiden muutoksen ei arvella vaikuttavan merkittävästi lämpöpumppujen kannattavuuteen. Oletettavasti luonnollisten kylmäaineiden merkitys alalla tulee kasvamaan.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [9818]