Lämmitystekniikan sanasto - teknisiä termejä selkeästi ja yksinkertaisesti

Öljyn tai kaasun poltossa kattilassa vapautuvaa energiaa ei voida syöttää lämmitysjärjestelmään ilman häviöitä. Kuumat savukaasut, jotka poistuvat savupiipun kautta ilmakehään, sisältävät suhteellisen suuren määrän lämpöä, jota kutsutaan "savukaasuhäviöksi".

Vuosittaisen päästötestin aikana savukaasutarkastajat määrittävät, ovatko polttimen palamisen laatu ja polttimen käytön aikana syntyvät savukaasuhäviöt lakisääteisten määräysten mukaisia. He tarkistavat, että poltin toimii oikein ja että järjestelmä on turvallinen. Vaikka he antaisivatkin täydet pisteet, tämä ei kerro juuri mitään kattilan todellisesta energiankulutuksesta (sen kausittainen hyötysuhde), sillä myös pintahäviöiden määrä vaikuttaa siihen merkittävästi.

Absorberit ovat olennainen osa jokaista aurinkokeräintä. Ne sijaitsevat keräimen läpinäkyvän, matalasti heijastavan lasikannen alla, jolloin auringon säteily pääsee suoraan keräimeen.

Absorberi absorboi auringon säteilyn lähes kokonaan, ja aurinkoenergia muuttuu lämmöksi. Korkean hyötysuhteen kannalta erityisen merkittäviä ovat absorberit, joissa on erittäin selektiivinen pinnoite, kuten kaikissa Viessmannin valmistamissa aurinkokeräimissä.

Yhteistuotantoyksikkö koostuu pääasiassa moottorista, synkronigeneraattorista ja lämmönvaihtimesta. Polttomoottorin (käyttöyksikön) käyttämä synkronigeneraattori tuottaa kolmivaiheista vaihtovirtaa, jonka taajuus on 50 Hz ja jännite 400 V, jota yleensä käytetään paikan päällä.

Sähköliitäntänä käytetään pienjänniteverkkoa (0,4 kV taso). Yleensä CHP-yksiköitä käytetään rinnakkain sähköverkon kanssa. Periaatteessa niitä voidaan kuitenkin käyttää myös verkkoa korvaavina laitteina käyttämällä synkronigeneraattoreita.

Ylimääräinen teho voidaan viedä sähkölaitoksen verkkoon. Moottori tuottaa lämpöä, joka voidaan absorboida "sisäisessä jäähdytyspiirissä" voiteluöljystä, moottorin jäähdytysnesteestä ja pakokaasuista ja siirtää lämmitysjärjestelmään levylämmönvaihtimen kautta.

Tätä energiantuotanto- ja -käyttöjärjestelmää kutsutaan yhdistetyksi lämmön ja sähkön tuotannoksi, koska moottorin tuottamaa mekaanista energiaa (teho) ja moottorin luovuttamaa lämpöenergiaa (lämpö), kun se käyttää generaattoria, käytetään samanaikaisesti.

Kaaviokuva

Kaasupolttomoottori käyttää generaattoria sähkön tuottamiseksi. Näin syntyvä lämpö otetaan lämmönvaihtimen kautta jäähdytysnesteestä ja pakokaasusta ja voidaan hyödyntää.

Kahdenlaisessa käyttöveden lämmityksessä käyttövesi lämmitetään kahdella eri lämmöntuottajalla - esimerkiksi kattilalla ja aurinkokeräimillä. Aurinkokeräinten lämpö siirretään käyttöveteen  käyttövesivaraajassa olevan epäsuoran kierukan kautta. Tarvittaessa vesi voidaan lämmittää uudelleen kattilassa toisen epäsuoran kierukan kautta.

Lämmön ja sähkön tuottamiseen tarvitaan vain vetyä ja happea. Näiden kahden aineen välinen kemiallinen reaktio muodostaa perustan sille, mitä joskus kutsutaan "kylmäksi palamiseksi". Se tapahtuu kahden elektrodin välissä: Vety kuljetetaan anodille, jossa katalysaattori jakaa sen positiivisiksi ioneiksi ja negatiivisiksi elektroneiksi. Elektronit siirtyvät katodille sähköjohtimen kautta, jolloin sähkövirta virtaa. Samalla positiivisesti varautuneet vetyionit pääsevät elektrolyytin (ioninvaihtokalvon) kautta katodille, jossa ne lopulta reagoivat hapen kanssa muodostaen vettä. Lämpöä vapautuu.

Bruttolämpöarvo (Hs) määrittää täydellisestä palamisesta vapautuvan lämmön määrän, mukaan lukien kuumien kaasujen vesihöyryn piilevä haihtumislämpö.

Viime aikoihin asti haihtumislämpöä ei voitu hyödyntää, koska siihen ei ollut teknisiä mahdollisuuksia. Sen vuoksi kaikkien hyötysuhdelaskelmien perustaksi valittiin nettolämpöarvo (Hi). Hi:n huomioon ottaminen ja haihdutuslämmön hyödyntäminen voi siis johtaa yli 100 prosentin hyötysuhteeseen.

Lauhdutustekniikassa hyödynnetään paitsi palamisessa syntyvää lämpöä kuumien kaasujen mitattavana lämpötilana (nettolämpöarvo) myös vesihöyrypitoisuutta (bruttolämpöarvo). Lauhdutuskattilat pystyvät ottamaan talteen lähes kaiken savukaasujen sisältämän lämmön ja muuttamaan sen lämmitysenergiaksi.

Lauhdekattiloissa käytetään tehokkaita lämmönvaihtimia. Ne jäähdyttävät savukaasuja ennen niiden poistumista savupiipun kautta siten, että kaasujen sisältämä vesihöyry tiivistyy tarkoituksellisesti. Näin vapautuu lisälämpöä, joka siirretään lämmitysjärjestelmään.

Tämän tekniikan avulla kondenssikattilan kausihyötysuhde [DIN:n mukaan] on jopa 98 prosenttia (suhteessa Hs:ään). Lauhdutuskattilat ovat siis erityisen energiatehokkaita, mikä säästää sekä lompakkoa että ympäristöä.

Kolmivaiheisen kattilan suunnitteluperiaate vähentää osaltaan haitallisia päästöjä. Kuumat kaasut kulkevat ensin polttokammion läpi, palaavat sen jälkeen takaisin etupuolelle kääntövyöhykkeen kautta ja menevät kolmanteen vaiheeseen. Tämä lyhentää aikaa, jonka palamiskaasut viettävät kattilan kuumimmassa osassa, mikä vähentää typen oksidien (NOx) muodostumista.

Kaikissa fossiilisten polttoaineiden palamisprosesseissa muodostuu väistämättömän hiilidioksidin (CO₂) lisäksi haitallisia kaasuja, kuten hiilimonoksidia (CO₂) ja typen oksideja (NOx). Typpioksidit ovat tässä yhteydessä erityisen tärkeitä. Näiden kaasujen lisääntyminen johtaa myrkyllisen otsonin lisääntymiseen ja on myös yksi happosateiden aiheuttajista.

Lämpöputkijärjestelmissä aurinkovoima ei virtaa suoraan putkien läpi. Sen sijaan prosessiaine haihtuu lämpöputkessa absorbaattorin alapuolella ja siirtää lämpöä aurinkoaineeseen. Lämpöputkiputkien kuiva liitäntä keräimen sisällä, keräimen sisällä olevan nesteen vähäinen määrä ja Vitosol 300-T:n automaattinen lämpötilariippuvainen poiskytkentä takaavat erityisen korkean käyttövarmuuden.

Sääkompensoidulla lämmityksen säätimellä varmistetaan, että menoveden lämpötila vastaa todellista lämmöntarvetta (menoveden lämpötila on patteriin tai lattialämmitysjärjestelmään syötettävän veden lämpötila).

Tätä varten mitataan ulkolämpötila ja lasketaan menoveden lämpötila suhteessa haluttuun huonelämpötilaan ja rakennuksen reuna-alueiden olosuhteisiin.

Ulko- ja virtauslämpötilan välistä suhdetta kuvaavat lämmityskäyrät. Yksinkertaisemmin: Mitä alhaisempi ulkolämpötila on, sitä korkeampi on kattilaveden tai virtauksen lämpötila.

Alhaisella lämpöarvolla (Hi) tarkoitetaan täydellisestä palamisesta vapautuvan lämmön määrää, jos syntyvä vesi poistetaan höyrynä. Kuumien kaasujen vesihöyryn piilevää haihtumislämpöä ei käytetä.

Hybridilaite on laite, joka saa virtansa useista eri energialähteistä. Tällaisia järjestelmiä ovat esimerkiksi kaksitoimiset lämpöpumppujärjestelmät. Nämä ovat lämmitysjärjestelmiä, joissa on sähkökäyttöinen lämpöpumppu yhdistettynä vähintään yhteen fossiilisen polttoaineen kattilaan ja ylemmän tason ohjausyksikköön.

Toiminnan aikana lämpöpumppu kattaa peruskuorman käyttämällä suuren osan ilmaisesta ympäristöenergiasta. Tätä varten ulkoyksikkö ottaa latenttia lämpöä ulkoilmasta ja lämmittää sen kompressorin avulla jopa 55 °C:n lämpötilaan.

Kaasulauhdutuskattila käynnistyy vain silloin, kun se on edullista esiasetetun toimintatilan kannalta, eli kun se alentaa järjestelmän käyttäjän käyttökustannuksia, vähentää CO₂-päästöjä tai lisää käyttöveden käyttömukavuutta.

Lämpöpumppujen lämpökerroin (COP) on lämmönsiirron ja energiankulutuksen suhde. Kausitehokerroin on kaikkien vuoden aikana esiintyvien COP-arvojen keskiarvo. COP-arvoa käytetään lämpöpumppujen tehokkuuden vertailuun, mutta se on johdettu tietystä toimintapisteestä määritellyissä lämpötilaolosuhteissa.

Järjestelmää suunniteltaessa on otettava huomioon sen toiminta koko vuoden ajan. Tätä varten vuoden aikana siirretyn lämmön määrä suhteutetaan lämpöpumppujärjestelmän (mukaan lukien pumppujen, ohjausyksiköiden jne.) samana aikana ottamaan kokonaissähkötehoon. Tulos ilmoitetaan kausitehokkuuslukuna. Esimerkki: Kausikohtainen lämpökerroin 4,5 tarkoittaa, että lämpöpumppu on tarvinnut koko vuoden keskiarvona yhden kilowattitunnin sähköenergiaa tuottaakseen 4,5 kilowattituntia lämpöä.

Lämpöpumppujen ensisijainen tarkoitus on tarjota mukava ja kätevä keskuslämmitys ja luotettava käyttöveden lämmitys. Niitä voidaan kuitenkin käyttää myös rakennuksen jäähdyttämiseen. Maaperää tai pohjavettä käytetään talvella lämmitysenergian tuottamiseen, mutta kesällä sitä voidaan käyttää luonnolliseen jäähdytykseen.

Luonnollisessa jäähdytystoiminnossa lämpöpumpun ohjausyksikkö käynnistää vain ensiöpumpun ja lämmityspiirin pumpun. Tämä tarkoittaa, että lattialämmitysjärjestelmän suhteellisen kuuma vesi voi siirtää lämpönsä lämmönvaihtimen kautta primääripiirin suolaveteen. Näin lämpö saadaan talteen kaikista kytketyistä huoneista. Tämän ansiosta luonnollinen jäähdytys on erityisen energiatehokas ja edullinen tapa jäähdyttää rakennuksen sisätiloja.

Standardikausihyötysuhde [DIN:n mukaan] otettiin käyttöön, jotta erityyppisten lämmöntuottajien energiankulutusta voitaisiin vertailla. Kattilan energiankäytön mittarina se osoittaa koko vuoden aikana, kuinka suuri prosenttiosuus käytetystä energiasta muunnetaan käyttökelpoiseksi lämmitysenergiaksi.

DIN-standardin mukaiseen kausihyötysuhteeseen vaikuttaa merkittävästi savukaasuhäviöiden ja käytön aikana syntyvien pintahäviöiden määrä.

Pintahäviöillä tarkoitetaan sitä, kuinka suuri osa palamistehosta vapautuu ympäröivään ilmaan lämmöntuottajan pinnan kautta ja häviää siten käyttökelpoisena lämmitysenergiana.

Niitä syntyy säteilyhäviöinä polttimen ollessa käynnissä tai valmiustilahäviöinä polttimen ollessa käyttämättömänä, erityisesti keväällä/syksyllä, mutta myös kesäkuukausina, kun kattilaa tarvitaan ainoastaan käyttöveden lämmitykseen.

Vanhan kattilan pintahäviöt ovat yleensä huomattavasti suuremmat kuin savukaasutarkastajan tarkastamat savukaasuhäviöt. Pintahäviöiden määrä on siis ratkaiseva tekijä lämmöntuottajan kustannustehokkuuden (kausihyötysuhde) kannalta.

Kaksitoiminen lämminvesivaraaja on tämäntyyppisessä järjestelmässä keskeinen. Kun auringonpaiste on riittävä, aurinkolämpöjärjestelmän aurinkovoima lämmittää vettä lämminvesivaraajaan alemman epäsuoran kierukan kautta. Kun lämpötila laskee lämpimän veden ottamisen vuoksi, esimerkiksi kylvyn tai suihkun aikana, kattila käynnistyy tarvittaessa lisälämmityksen aikaansaamiseksi toisen piirin kautta.

Käyttöveden lämmittämisen lisäksi aurinkokeräimissä lämmitettyä aurinkovettä voidaan käyttää myös lämmitysveden lämmittämiseen. Tähän lämmityspiiri käyttää lämmönvaihtimen kautta aurinkokeräinten jatkuvasti lämmittämässä aurinkopullossa olevaa vettä. Ohjausyksikkö tarkistaa, saavutetaanko haluttu huonelämpötila. Jos lämpötila on alle asetetun arvon, myös kattila käynnistyy.

Aurinkokeräin tuottaa lämpöä aina, kun auringonvalo osuu absorbaattoriin - myös silloin, kun lämpöä ei tarvita. Näin voi olla esimerkiksi kesällä, kun asukkaat ovat lomalla. Jos lämmönsiirto käyttövesipatterin tai lämmitysveden puskuripatterin kautta ei ole enää mahdollista, koska kumpikaan on jo täysin lämmennyt, kiertovesipumppu sammuu ja aurinkolämpöjärjestelmä pysähtyy.

Jos keräimeen osuu lisää auringonpaistetta, sen lämpötila nousee, kunnes lämmönsiirtoaine haihtuu, mikä aiheuttaa suuria lämpörasituksia järjestelmän osiin, kuten tiivisteisiin, pumppuihin, venttiileihin ja itse lämmönsiirtoaineeseen. Järjestelmissä, joissa on ThermProtect-lämpötilariippuvainen poiskytkentä, höyryn muodostuminen estetään luotettavasti.

Tasokeräin, jossa on kytkettävä absorptiokerros

Ensimmäistä kertaa on kehitetty ja patentoitu tasokeräin, joka estää energian absorption jatkumisen, kun tietty lämpötila on saavutettu. Vitosol 200-FM -keräimen absorptiokerros perustuu "kytkentäkerrosten" periaatteeseen. Kiderakenne ja siten myös keräimen teho muuttuvat keräimen lämpötilan mukaan, mikä vähentää pysähtymislämpötilaa. Absorberin 75 °C:n ja sitä korkeammissa lämpötiloissa pinnoitteen kiderakenne muuttuu, jolloin lämpösäteilyn nopeus kasvaa moninkertaiseksi. Tämä vähentää keräimen tehoa keräimen lämpötilan noustessa, pysähtymislämpötila laskee merkittävästi ja estää höyryn muodostumisen.

Kun keräimen lämpötila laskee, kiderakenne palautuu alkuperäiseen tilaansa. Yli 95 prosenttia saapuvasta aurinkoenergiasta voidaan nyt absorboida ja muuntaa lämmöksi; vain pieni osa (alle 5 prosenttia) säteilee takaisin. Tämä tarkoittaa, että uuden keräimen tuotto on suurempi kuin perinteisten tasokeräinten, koska keräin ei koskaan joudu pysähtymisvaiheeseen ja voi tuottaa lämpöä jatkuvasti. Kiderakenteen muutos voidaan aktivoida rajattomasti, joten tämä toiminto on aina käytettävissä.

Vitosol 200-FM -levykeräimen uusi absorptiopinnoite toimii tavallisessa keräintilassa kuten mikä tahansa Viessmannin levykeräinten tavallinen absorptiopinnoite. Keräimen lämpötilan ollessa 75 °C ja sitä korkeampi lämmönsiirto kasvaa moninkertaiseksi, mikä estää luotettavasti ylikuumenemisen ja höyryn muodostumisen pysähtymistilanteessa.