FI127027B - Menetelmä ja järjestely käyttöveden lämmittämiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ JA JÄRJESTELY KÄYTTÖVEDEN LÄMMITTÄMISEKSI

TEKNIIKAN ALA

Keksintö liittyy rakennusten käyttöveden lämmittämiseen, erityisesti lämpöpumppuja käyttäen.

KEKSINNÖN TAUSTA Lämmin käyttövesi on erilaisissa rakennuksissa, erityisesti asuinrakennuksissa merkittävä energian kulutuksen kohde. Se voi viedä vuositasolla jopa 70 % kaikesta rakennuksen lämmitysenergiasta. Onkin selvää, että ratkaisuille rakennusten käyttöveden lämmitysenergian säästämiseksi on jatkuva tarve.

Tyypillisesti Suomessa kunnallisesta vesijohtoverkosta kiinteistölle johdettavan käyttöveden lämpötila on 5 -8 °C. Tarvittava lämpimän käyttöveden lämpötila on tavallisesti n. 58 °C. Kyseinen, yli viidenkymmenen asteen lämpötilannousu tulisi saada aikaan energiatehokkaasti.

Erilaisten lämpöpumppujen yleistyessä rakennusten lämmitysjärjestelmissä on selvää, että myös käyttöveden lämmitys tulee kyetä hoitamaan lämpöpumpuilla. Eräässä tunnetussa ratkaisussa tuleva kylmä vesi johdetaan hapellista käyttövettä kestävän käyttövesisäiliön alaosaan ja säiliön vettä lämmitetään säiliön sisällä kulkevan lämmityskierukan avulla. Lämmityskierukassa kiertää lämmitysvettä, jota lämmitetään lämpöpumpun avulla. Lämmitetty lämmitysvesi johdetaan lämmityskierukan alkupäähän säiliön yläosassa ja jäähtynyt, käyttövedelle lämpöä luovuttanut lämmitysvesi johdetaan lämmitys-kierukan loppupäästä säiliön alaosasta takaisin lämmitettäväksi lämpöpumpun luovuttamalla lämmöllä. Järjestely voi olla myös käänteinen, jolloin lämmitysvettä johdetaan säiliön vapaaseen tilaan ja käyttövesi kulkee säiliön läpi sen alaosasta yläosaan suljetun käyttöve-sikierukan sisällä. Tunnetaan myös kahden sisäkkäisen säiliön järjestely, jossa käyttövesisäiliötä ympäröi lämmitysvedellä täytettävä lämmitysvaippa.

Kaikissa edellä kuvatuissa tapauksissa lämmitetään läm-mitysvesi lämpöpumpulla muutaman asteen tarvittavan lämpimän käyttöveden lämpötilan yläpuolelle, esimerkiksi noin 60 °C:een. Kuten tunnettua, lämpöpumppujen hyötysuhdetta kuvaava ns. lämpökerroin kuitenkin pienenee lämpöpumpulla lämmitetyn lämmönsiirtoväliaineen, tässä siis lämmitysveden lämpötilan Thigh noustessa. Tilanteessa Thigh = 60 °C voi lämpökerroin tavanomaisilla lämpöpumpuilla olla esimerkiksi noin 2,5. Parhaimmillaan lämpöpumpuilla voidaan kuitenkin päästä esimerkiksi lämpökertoimeen 6. Tämä tarkoittaa, että edellä kuvatuissa tunnetuissa ratkaisuissa lämpimän käyttöveden lämmityksen energiatehokkuus on kaukana optimaalisesta .

Tunnetaan myös järjestely, jossa käyttövettä lämmitetään välillisen lämmittämisen sijasta CO2 -lämpöpumpun avulla suoraan eli ilman erillistä lämmitysvettä. Tuleva kylmä käyttövesi johdetaan lämpöpumpun lauhduttimen yhteydessä olevan lämmönvaihtimen lävitse, jolloin käyttövesi lämpenee. Hiilidioksidi lämpöpumpun kylmäaineena mahdollistaa tarvittavan lämpötilaeron ΔΤ = 50 °C saavuttamisen perinteisiä kylmäaineita korkeammalla lämpö-kertoimella, jopa lämpökertoimella 4. Hiilidioksidi on kuitenkin teknisesti haastava kylmäaine esimerkiksi sen vaatimien korkeiden painetasojen vuoksi.

Lisäksi erilaisia lämmitysmenetelmiä ja -järjestelyitä esitetään julkaisuissa DE 102013003054 AI, DE 3119788 AI, DE 3205059 AI, DE 2711144 Al, WO 2007043952 AI, ja US 2010031953 AI.

KEKSINNÖN YHTEENVETO

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlaiset energiatehokkaat lämpöpumpun käyttöön perustuvat käyttöveden lämmitysmenetelmä ja -järjestely, jotka menetelmä ja järjestely ovat toteutettavissa tavanomaisilla komponenteilla ja tavanomaisilla painetasoilla.

Keksinnön kohteena on yhtäältä menetelmä rakennuksen käyttöveden lämmittämiseksi ensimmäisestä lämpötilasta Ti toiseen lämpötilaan T2 käsittäen lämmitysvaiheen, jossa lämmitetään tulevaa käyttövettä lämpöpumpun lauh-duttimessaan lämmitysveteen luovuttamalla lauhtumisläm-möllä ja johdetaan näin lämmitetty käyttövesi käyttöve-sisäiliöön johdettavaksi sieltä edelleen käyttöön. Keksinnön menetelmässä lämmitetään toisin sanoen tulevaa käyttövettä lämpöpumpun lauhduttimessaan erilliseen lämmönsiirron välittäjäväliaineena toimivaan lämmitys-veteen luovuttamalla lämmöllä. Lämmitettävä käyttövesi siis erotetaan keksinnön menetelmässä lämpöpumpusta lämmitysvedellä. Näin varmistetaan, ettei lämpöpumpun kylmäaine missään olosuhteissa pääse suoraan sekoittumaan käyttöveteen.

Ensimmäinen lämpötila Ti voi olla esimerkiksi suoraan kunnallisesta tai alueellisesta runkojohdosta rakennuksen vesijohtoverkkoon syötettävän kylmän veden lämpötila, joka esimerkiksi Suomessa on tyypillisesti 5-8 °C. Toisaalta se voi olla jokin muukin lähtölämpötila, josta käyttöveden lämpötilaa on tarve nostaa. Toinen lämpötila T2 voi olla esimerkiksi rakennuksessa tarvittava kuuman käyttöveden minimilämpötila, esimerkiksi noin 58 - 63 °C. Joka tapauksessa keksinnön edut tulevat selkeimmin esille, kun tavoiteltu lämpötilan nousu T2 -Ti on kymmeniä asteita, esimerkiksi vähintään 30 astetta. Käyttöveden lämmittäminen lämpöpumpun lauhduttimessaan lämmitysveteen luovuttamalla lämmöllä voidaan käytännössä tehdä esimerkiksi siten, että kierrätetään lämmi-tysvettä lämpöpumpun lauhduttimen ja erillisen lämmönvaihtimen välillä, ja johdetaan tuleva käyttövesi mainitulle lämmönvaihtimelle, jolloin lämmitysvesi luovuttaa lauhduttimessa saamaansa lämpöä lämmönvaihtimessa edelleen käyttöveteen.

Keksinnön menetelmässä lämmitetään mainitussa lämmitys-vaiheessa käyttövettä lämpöpumpulla siten, että aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ lämmitetyn ja tulevan käyttöveden välillä vastaa vain osaa tavoitellusta koko-naislämpötilaerosta T2 - Ti, ja toistetaan mainittu läm-mitysvaihe käyttäen tulevana käyttövetenä käyttöve-sisäiliön alaosasta johdettavaa, jo aiemmassa lämmitys-vaiheessa lämmitettyä käyttövettä, ja johtamalla näin uudelleen lämmitettyä käyttövettä takaisin käyttöve-sisäiliöön sen yläosaan uudelleen lämmitetyn käyttöveden kerrostamiseksi aiemmassa lämmitysvaiheessa lämmitetyn käyttöveden päälle, kunnes olennaisesti koko käyt-tövesisäiliön sisältämä vesimäärä on uudelleen lämmitettyä käyttövettä.

Keksinnön menetelmässä ei siis lämmitetä käyttövettä kerralla yhdessä lämmitysvaiheessa esimerkiksi vesijohtoverkosta otettavan tulevan kylmän käyttöveden lämpötilasta 5 - 8 °C tarvittavaan lämpimän käyttöveden lämpötilaan n. 60 °C. Sen sijaan lämmitysvaiheessa käytetään käyttöveden lämmittämiseen lämpöpumppua, joka on sovitettu luovuttamaan lämmitysveteen ja edelleen käyttöveteen luovutettavaksi lämpömäärä, joka lämmittää käyttövettä vain osaa koko tavoitellusta lämpötilan noususta vastaavalla lämpötilan nousulla. Seuraavassa vaiheessa lämmitetään jo lämmitettyä käyttövettä uudestaan samansuuruisella lämpömäärällä. Tarvittava, kokonaisuu dessaan esimerkiksi n. 50 asteen lämpötilan nousu saadaan aikaan toistamalla lämmitysvaihe yhä uudelleen, kunnes viimeisen lämmitysvaiheen jälkeen käyttövesisäi-liöön johdetun käyttöveden lämpötila on saavuttanut halutun lämpötilan T2.

Toisin sanoen keksinnön menetelmässä käyttöveden lämmitys tehdään vaiheittain kierrättämällä lämmitettyä käyttövettä aina takaisin lämpöpumpun lauhduttimessaan luovuttamalla lämmöllä lämmitettäväksi, kunnes käyttöveden lämpötila on saavuttanut halutun tason, esimerkiksi noin 60 °C. "Tuleva käyttövesi" tarkoittaa keksinnön yhteydessä yksinkertaisesti käyttövettä, jota kussakin lämmitysvai-heessa lämmitetään. Ensimmäisessä lämmitysvaiheessa se voi olla suoraan rakennukseen runkovesijohdosta tulevaa käyttövettä tai käyttövettä, joka on ensin johdettu lämmittämättömänä käyttövesisäiliöön. Myöhemmissä lämmi-tysvaiheissa "tulevana käyttövetenä" on jo aiemmin yhdessä tai useammassa lämmitysvaiheessa lämmitetty käyttövesi .

Vaiheittaisella lämmityksellä saavutetaan se erinomainen etu, että lämpöpumppua voidaan käyttää tehokkaammin, toisin sanoen paremmalla lämpökertoimella, kuin tuotettaessa koko tarvittava lämpötilan nousu T2 - Ti kerralla, yhdellä lämmitysvaiheella. Vaikka lauhduttimen lämpötila ja lauhduttimelle tulevan lämmitysveden lämpötila nousevatkin lämmitysvaihe lämmitysvaiheelta ja sen myötä lämpökerroin portaittain heikkenee, saadaan koko-naislämpökerroin keksinnön vaiheittaisessa lämmityksessä parhaimmillaan merkittävästi yksivaiheista lämmitystä korkeammaksi. Tämä perustuu siihen, että vaikka lämpötila lopulta joudutaan nostamaan n. 60 °C:een, on lämpökerroin ainakin ensimmäisissä lämmitysvaiheissa selvästi korkeampi kuin se olisi nostettaessa käyttöveden lämpötila kerralla esimerkiksi 5 °C:sta 60 °C:een. Ensimmäisessä lämmitysvaiheessa lämpökerroin voi olla esimerkiksi noin 6, josta se pienenee vaihe vaiheelta lämpöpumpun lauhtumislämpötilan noustessa niin, että viimeisessä lämmitysvaiheessa se voi olla esimerkiksi 2,5. Lämmityksen kokonaislämpökerroin on tällöin kutakuinkin näiden keskiarvo eli hieman yli 4. Näin ollen keksinnöllä saadaan lämmityksen kokonaislämpökerroin korkeaksi käyttämällä perinteisiä lämpöpumpun kylmäai-neita, jolloin vältetään esimerkiksi CO2 -tekniikkaan liittyvät tekniset haasteet.

Edullisesti lämmitysvaiheessa aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ on 6 - 10°C, edullisimmin noin 8°C. Hyötysuhteen kannalta optimaalinen lämpötilan nousu riippuu mm. lämpöpumpun kylmäaineesta, mutta tämän suuruinen lämpötilan nousu saadaan kullakin lauhduttimen lämpötilalla lämpöpumpuilla yleensä aikaiseksi suurimmalla lämpöker-toimella.

Vaiheittaisen lämmityksen lisäksi keksinnön mukaisessa menetelmässä, johdettaessa lämmintä käyttövettä käyttö-vesisäiliöstä käyttöön lämmitetään sitä edelleen kuuma-vedellä, jota puolestaan lämmitetään lämpöpumpun kuuma-kaasun luovuttamalla lämmöllä, käyttöön johdettavan käyttöveden riittävän korkean lämpötilan varmistamiseksi. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi johtamalla käyttövesi lämpöä varaavan kuumavesitilavuuden läpi, jonka kuumavesitilavuuden vettä lämmitetään lämpöpumpun kuumakaasun luovuttamalla lämmöllä.

Esimerkiksi tilanteissa, joissa käyttövettä ei ehditä lämmittää riittävästi vaiheittaisella lämmityksellä ennen sen johtamista käyttöön, voidaan näin käyttövettä kuumavedellä jälkilämmittämällä varmistaa käyttöveden riittävän korkea loppulämpötila. Toisaalta kaikilla yleisimmin käytetyillä kylmäaineilla ei välttämättä edes saavuteta tarvittavaa yli 60 asteen lämpötilaa. Tällöin voidaan kuumakaasun avulla tuottaa käyttöveteen viimeisten muutamien asteiden lämpötilan nousun vaatima lämpömäärä. Jälkilämmitystä voidaan myös käyttää kompensoimaan mahdollisessa lämpimän käyttöveden kierrossa syntyvät lämpöhäviöt. Esimerkiksi kuumavesivaraajan muodossa toteutettu kuumavesitilavuus voi olla niin iso, että sen lämpömäärä riittää kattamaan käyttöveden lisä-lämmitystarpeen edellä kuvatuissa erityistilanteissa.

Olennaisena piirteenä keksinnössä on, että kuumavettä lämmitetään lämpöpumpun kuumakaasun eli kompressorin paineistaman korkealämpötilaisen kaasun luovuttamalla lämmöllä. Käytännössä tämä voidaan tehdä lämpöpumpun yhteyteen järjestetyn kuumakaasulämmönvaihtimen avulla. Kuumakaasusta lämpöä otettaessa saavutetaan se etu, että lämpöenergiaa saadaan korkeassa lämpötilassa ilman, että kompressorilla jouduttaisiin nostamaan lauhdutti-men painetta ja lämpötilaa tarpeettoman korkealle, mikä heikentäisi lämpöpumpun hyötysuhdetta/lämpökerrointa. Sama lämpöpumppu voi siten luovuttaa lämpöä sekä lauh-duttimessaan kylmäaineen faasimuutoksen seurauksena yhdessä lämpötilassa että kuumakaasulämmönvaihtimessa kylmäaineen jäähtyessä olennaisesti lauhduttimen lämpötilaa korkeammassa lämpötilassa.

Kuumakaasusta on saatavissa vain rajallinen lämpömäärä. Edellä kuvatuissa tilanteissa, esimerkiksi lämpimän käyttöveden kierrossa syntyvän hukkalämmön kompensoimisessa tarvittava lämpömäärä on kuitenkin vain pieni osa, esimerkiksi n. 1/5 käyttöveden lämmityksen vaatimasta kokonaislämpömäärästä. Tyypillisesti kuumakaasusta saatavissa oleva lämpö riittää tähän hyvin. Lämpöpumpusta lauhduttimessa ja kuumakaasulämmönvaihtimessa saata- vissa olevat lämpötehot siis osuvat yksiin näissä kahdessa lämmitysasteessa tarvittavien lämpömäärien kanssa.

Yhteenvetona voidaan siis todeta, että kuumakaasun luovuttamaan lämpöön perustuvan jälkilämmityksen sekä vaiheittaisen varsinaisen lämmityksen yhdistelmällä saadaan käyttöveden riittävä lämpötila aikaiseksi erinomaisella kokonaislämpökertoimella.

Etuja saavutetaan myös verrattaessa keksintöä käyttöveden lämmittämiseen pelkästään kuumakaasun luovuttamalla lämmöllä, jolloin lämpöpumpun tuottaman lämmön pääosa käytetään rakennuksen lämmittämiseen. Kahden lämmitys-tavan yhdistelmällä, jossa koko lämpöpumpun tuottama lämpöenergia käytetään käyttöveden lämmittämiseen, varmistetaan riittävä käyttöveden lämmitysenergian saanti myös varsinaisen lämmityskauden ulkopuolella.

Eräässä keksinnön toteutusmuodossa kuumavedellä lämmitettyä lämmintä käyttövettä kierrätetään käyttöveden käyttöpisteelle ja takaisin kuumavedellä lämmitettäväksi nopean lämpimän käyttöveden käyttöön saannin varmistamiseksi. Tässä toteutusmuodossa vaiheittaisen lämmityksen ja jälkilämmityksen yhdessä tuottamat edut ovat erityisen selviä. Lämpimän käyttöveden kierrossa syntyy aina jonkin verran lämpöhäviöitä lämmön johtuessa käyt-tövesiputkistosta ympäröivään ilmaan ja rakenteisiin. Tämä lämpöhäviö saadaan kompensoiduksi jälkilämmittä-mällä käyttövettä kuumavedellä, esimerkiksi johtamalla käyttöpisteeltä palaava lämmin käyttövesi sopivaan lämpötilaan lämmitetyn kuumavesitilavuuden läpi.

Keksinnön menetelmässä voidaan soveltaa mitä tahansa lämpöpumpputyyppiä eli mistä tahansa lämpövarastosta lämpöä korkeampaan lämpötilaan siirtävää lämpöpumppua.

Edullisessa keksinnön toteutusmuodossa lämpöpumppuna on kuitenkin maaperästä lämpöä siirtävä maalämpöpumppu.

Vaiheittaisessa lämmityksessä ja jälkilämmityksessä käytetään edullisimmin samaa lämpöpumppua. Toisin sanoen menetelmässä voidaan käyttää yhtä ja samaa lämpö-pumppua, jonka kuumakaasulämmönvaihtimella lämmitetään lämminvesitilavuuden vettä ja lauhduttimella vaiheittaisessa lämmityksessä käytettävää lämmitysvettä. Silloin kun vaiheittainen lämmitys ei ole meneillään voidaan lauhduttimella lämmittää rakennuksen lämmitysver-kostoon, esimerkiksi patteri- tai lattialämmitysputkis-toon johdettavaa vettä.

Keksinnön menetelmässä käytetään sopivimmin käyttöve-sisäiliönä säiliötä, jonka vaakasuuntaisen poikkileikkauksen sisähalkaisija on enintään noin 800 mm, edullisimmin enintään noin 500 mm, ja tilavuus noin 300 - 1000 litraa. Säiliö voi olla esimerkiksi sylinterimäinen, pystyyn asennettu säiliö. Mainituilla mitoituksilla varmistetaan, että johdettaessa lämmitettyä käyttövettä säiliön yläosaan säilyvät säiliössä aiemmin ollut ja sinne johdettu lämmitetty käyttövesi kerrostuneena päällekkäin sekoittumatta olennaisesti, jolloin on mahdollista täyttää koko säiliö kussakin lämmitysvaiheessa lämmitetyllä, saman lämpöisellä käyttövedellä. Lämpimän käyttöveden katkottoman saannin turvaamiseksi menetelmässä voidaan tuottaa lämmintä käyttövettä vuorotellen kahteen eri käyttövesisäiliöön. Toisin sanoen tässä toteutusmuodossa lämmitetään ensin yhden käyttö-vesisäiliön vesi vaiheittain haluttuun lämpötilaan T2, jonka jälkeen aletaan lämmittää käyttövettä toiseen käyttövesisäiliöön ensimmäisen säiliön toimiessa tällöin lämpimän käyttöveden käyttövarastona. Keksinnön mukaisella kahden lämmitystavan yhdistelmällä, jossa koko lämpöpumpun tuottama lämpöenergia voidaan käyttää käyttöveden lämmittämiseen, voidaan käyttövesisäiliöi-den tilavuudet pitää kohtuullisina, koska yhden käyttö-vesisäiliön vesitilavuus saadaan lämmitetyksi suhteellisen nopeasti.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan ohjata yhtä tai useampaa lämpöpumppua sekä käyttöveden virtauksia sinänsä tunnetuilla välineillä. Virtauksia esimerkiksi voidaan säädellä ja ohjailla halutusti erilaisilla venttiileillä, virtaussäätimillä, pumpuilla ja muilla toimielimillä tai -laitteilla. Ohjauksessa voidaan hyödyntää sopiviin kohtiin järjestettyjä paine- lämpötila- ja virtausmittalaitteita. Menetelmässä käytettävien toimielimien ja lämpöpumppujen muodostamaa kokonaisuutta voidaan ohjata keskitetysti yhdellä tai useammalla muistia ja prosessorin sekä muistiin tallennetun ohjelman käsittävällä ohjausyksiköllä, esimerkiksi tietokoneella, jonka prosessori ohjelmaa ajaessaan tuottaa me-netelmävaiheiden mukaisia toimenpiteitä määrääviä ohjaussignaaleja toimilaitteille ja lämpöpumpulle.

Edellä keksintöä on käsitelty keksinnön mukaisen menetelmän näkökulmasta. Toisen näkökulman mukaan keksintö kohdistuu järjestelyyn rakennuksen käyttöveden lämmittämiseksi ensimmäisestä lämpötilasta Ti toiseen lämpötilaan T2. Mitä on todettu edellä menetelmän yhteydessä keksinnön perusperiaatteista, yksityiskohdista, edullisista toteutusmuodoista ja eduista, koskee, soveltuvin osin, myös jäljempänä käsiteltävää järjestelyä. Sama pätee toisinkin päin.

Keksinnön järjestely käsittää lämpöpumpun, lämmitysve-den kierron, lämmönvaihtimen, käyttöveden putkiston sekä käyttövesisäiliön. Mainitut elementit on järjestetty lämmittämään tulevaa käyttövettä lämmönvaihti-messa lämpöpumpun lauhduttimessaan lämmitysveteen luo- vuttamalla lauhtumislämmöllä ja johtamaan näin lämmitetty käyttövesi käyttövesisäiliöön johdettavaksi sieltä edelleen käyttöön. Lämmitysveden kierrolla tarkoitetaan lämmönsiirtoväli-aineena lämpöpumpun ja käyttöveden välillä toimivan lämmitysveden kiertoa lämpöpumpun lauhduttimen ja lämmönvaihtimen välillä siten, että lämmitysvesi saa lämpöä lämpöpumpun kylmäaineelta lämpöpumpun lauhduttimessa ja luovuttaa sitä edelleen käyttövedelle lämmönvaihti-messa. Käyttöveden putkisto voi käsittää virtausputkien lisäksi mitä tahansa sinänsä tunnettuja mainitussa järjestelyn toiminnassa tarvittavia venttiilejä, säätimiä, pumppuja ja muita toimielimiä ja -laitteita.

Keksinnön mukaisesti lämpöpumppu on järjestetty toimimaan siten, että aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ lämmitetyn ja tulevan käyttöveden välillä vastaa vain osaa tavoitellusta kokonaislämpötilaerosta T2 - Ti, järjestelyn ollessa järjestetty toistamaan mainittu tulevan käyttöveden lämmitysvaihe käyttäen tulevana käyttövetenä käyttövesisäiliön alaosasta johdettavaa, jo aiemmin lämmitettyä käyttövettä, ja johtamalla näin uudelleen lämmitettyä käyttövettä takaisin käyttövesisäiliöön sen yläosaan uudelleen lämmitetyn käyttöveden kerrostamiseksi aiemmassa lämmitysvaiheessa lämmitetyn käyttöveden päälle, kunnes olennaisesti koko käyttövesisäiliön sisältämä vesimäärä on uudelleen lämmitettyä käyttövettä. Järjestely on edelleen keksinnön mukaisesti järjestetty jatkamaan mainitun lämmitysvaiheen toistamista, kunnes haluttu käyttöveden lämpötila T2 on saavutettu.

Kuten edellä menetelmän yhteydessä on todettu, järjestelyn toiminta perustuu käyttövesisäiliön sisältämän käyttöveden vaiheittaiseen lämmitykseen perättäisissä lämmitysvaiheissa siten, että kussakin lämmitysvai-heessa käyttöveden lämpötilaa nostetaan vain osaa lämpötilan halutusta kokonaisnoususta vastaavalla määrällä. Lämmitysvaiheessa aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ on 6 - 10°C, edullisesti noin 8°C.

Keksinnön mukainen järjestely käsittää lisäksi kuumave-sikanaviston sekä lämpöpumpun kuumakaasulämmönvaihtimen yhdistettynä toisiinsa kuumaveden lämmittämiseksi kuumakaasulämmönvaihtimen luovuttamalla lämmöllä, käyttöveden putkiston ollessa järjestettynä johtamaan käyttö-vesisäiliöstä käyttöön johdettava käyttövesi lämmön-siirtoyhteyteen kuumaveden kanssa käyttöön johdettavan käyttöveden riittävän korkean lämpötilan varmistamiseksi.

Kuumavesikanavisto voi olla sinänsä tunnetun tekniikan mukaisesti toteutettu suljettu kierto, joka kierrättää kuumavettä kuumakaasulämmönvaihtimelle ja takaisin läm-mönsiirtoyhteyteen käyttöveden kanssa. Käytännössä kuu-mavesikanavistoon voi kuulua esimerkiksi kuumavesivaraaja, jonka läpi käyttövesiputkisto kulkee käyttöveden lämmittämiseksi kuumavedellä.

Eräässä edullisessa toteutusmuodossa käyttöveden putkisto on järjestetty kierrättämään lämmintä käyttövettä käyttöveden käyttöpisteelle ja takaisin lämmönsiirtoyh-teyteen kuumaveden kanssa nopean lämpimän käyttöveden käyttöön rakennuksen vesipisteisiin saannin varmistamiseksi. Järjestelyn käsittäessä kuumavesivaraajan voi tällainen lämpimän käyttöveden kerto olla järjestetty kierrättämään lämmintä käyttövettä kuumavesivaraajan ja käyttöveden käyttöpisteen välillä. Järjestelyyn kuuluva lämpöpumppu voi olla maalämpö-pumppu .

Kuumakaasulämmönvaihdin on edullisesti liitetty samaan lämpöpumppuun kuin lämpöä lämmitysvedelle luovuttava lauhdutin. Käyttövesisäiliöstä lämmitettäväksi johdettavan tulevan käyttöveden ja sinne palautettavan lämmitetyn käyttöveden asianmukaisen ja sekoittumattoman kerrostumisen varmistamiseksi käyttövesisäiliön vaakasuuntaisen poikkileikkauksen sisähalkaisija on enintään noin 800 mm, edullisimmin enintään noin 500 mm, ja tilavuus noin 300 - 1000 litraa.

Eräässä edullisessa keksinnön toteutusmuodossa järjestely käsittää kaksi käyttövesisäiliötä lämpimän käyttöveden tuottamiseksi vuorotellen kahteen eri käyttöve-sisäiliöön.

Menetelmässä ja järjestelyssä käytettävien toimielimien ja lämpöpumppujen muodostamaa kokonaisuutta voidaan ohjata keskitetysti yhdellä tai useammalla muistia ja prosessorin sekä muistiin tallennetun tietokoneohjelman käsittävällä ohjausyksiköllä, esimerkiksi tietokoneella, jonka prosessori ohjelmaa ajaessaan tuottaa me-netelmävaiheiden mukaisia toimenpiteitä määrääviä ohjaussignaaleja toimilaitteille ja lämpöpumpuille. Käsitteet "prosessori" ja "tietokone" tulee tässä yhteydessä ymmärtää laajasti rajoittamatta niiden sisältöä mihinkään tietyntyyppisiin laitteisiin. Esimerkiksi "tietokoneohjelma" voi tarkoittaa vaikkapa mikrokontrollerin sulautettua ohjelmistoa.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Keksintöä selostetaan seuraavassa oheisen, esimerkkiä keksinnön toteutusmuodoista esittävän kuvan 1 avulla.

Kuva 1 esittää kaaviota keksinnön mukaisesta järjestelystä ja havainnollistaa myös keksinnön mukaista menetelmää .

Kuvan 1 järjestelyn 1 lämmityslaitteena on maalämpö-pumppu 2, joka siirtää maaperän lämpöä (lämmönkeräys-putkistoa ei esitetty kuvassa) kylmäainepiiriin ja siitä kuumakaasulämmönvaihtimessa 4 ja lauhduttimessa 3 edelleen luovutettavaksi. Lämmönsiirtoyhteyteen lauhdutti-men kanssa on järjestetty lämmitysveden kierto 5, joka on toisaalta liitetty lämmönvaihtimeen 6 maalämpöpupun lämmitysveteen luovuttaman lämmön luovuttamiseksi edelleen lämmitettävään käyttöveteen. Järjestelyyn kuuluu moniosainen ja -haarainen käyttöveden putkisto 7, joka runkoverkosta kylmää käyttövettä syöttävän syöttöjohdon 8 lisäksi käsittää lukuisia putkia sekä venttiileitä 9 j a pumppuja 10. Järjestelyyn kuuluu myös kaksi noin 300 - 1000 1 vetoista, halkaisijaltaan noin 500 mm suuruista, olennaisesti sylinterimäistä pystysuuntaista käyttövesisäi-liötä 11, 11'.

Kummankin käyttövesisäiliön yläosaan on järjestetty tu-loyhteys 12, 12'. Niin ikään kummassakin käyttövesisäi-liössä on sen alaosassa tulo-/poistoyhteys 13, 13', jonka kautta käyttövettä voidaan johtaa käyttövesisäi-liöön tai sieltä lämmönvaihtimelle ja lämmönvaihtimelta jälleen takaisin tuloyhteyden 12, 12' kautta jompaankumpaan käyttövesisäiliöistä. Käyttöveden putkisto on järjestetty johtamaan syöttöjohdosta 8 tuleva kylmä tuleva käyttövesi venttiilin 9 ohjaamana jommankumman käyttövesisäiliön alaosaan tulo-/poistoyhteyden 13, 13'kautta.

Tulo, ja poistoyhteyksien sijainnit voivat poiketa kuvassa 1 esitetyistä. Olennaista on, että ne sijaitsevat käyttövesisäiliöiden "ylä-" ja "alaosissa" siinä mielessä, että sijainnit sallivat lämpimämmän käyttöveden syötön säiliöön siellä olevan viileämmän käyttöveden päälle ja toisaalta viileämmän käyttöveden poistamisen samalla siten, että eri lämpötilaiset käyttövesimassat säilyvät olennaisesti sekoittumatta kerrostuneina.

Kummastakin käyttövesisäiliöstä lähtee myös poistoputki 14, 14', jota kautta käyttövettä 15 voidaan johtaa säiliöstä käyttöveden käyttöpisteille 25. Käyttöveden putkisto johtaa käyttöön menevän käyttöveden erillisen kuumavesivaraajan 16 läpi. Kuumavesivaraajaan on kytketty kuumaveden 17 kierrätysjärjestelmä 18, jonka avulla kuumavesivaraajan vettä voidaan kierrättää maalämpöpumpun 2 kuumakaasulämmönvaihtimelle 4 ja takaisin kuumavesivaraajaan käyttöveden lämmittämiseksi lämpöpumpun kuumakaasun kuumaveteen luovuttamalla lämmöllä.

Vaihtoehtona käyttöveden johtamiselle kuumavesivaraajan 16 sisältämän kuumavesitilavuuden 17 läpi on mahdollista johtaa kuumavettä kuumavesivaraajasta sen ulkopuoliselle lämmönvaihtimelle (ei esitetty kuvassa), ja johtaa käyttövesi tämän lämmönvaihtimen kautta. Tässä vaihtoehdossa käyttövettä siis lisälämmitetään mainitussa kuumavesivaraajan ulkopuolisessa lämmönvaihtimessa. Li-sälämmön lähde on tässäkin vaihtoehdossa kuitenkin lämpöpumpun kuumakaasulämmönvaihdin 4. Käyttövesiputkisto käsittää lämpimän käyttöveden kier-toputkiston 19 lämpimän käyttöveden kierrättämiseksi käyttöpisteiden 25 ja kuumavesivaraajan välillä.

Koko järjestelyä 1 ohjataan ohjausyksiköllä 20, johon kuuluu prosessori 21 ja muisti 22 kytkettynä sopivaan ohjauspiiriin 23. Muisti voi olla myös integroituna prosessoriin. Muistiin on tallennettuna ohjelma, joka pro sessorissa ajettaessa tuottaa järjestelyn toimilaitteille ohjauskomentoja järjestelyn käyttämiseksi halutun menetelmän mukaisesti.

Kuvan 1 järjestelyn toiminnan perusperiaatteena on lämmittää käyttövettä vaiheittain tulevan veden lämpötilasta Τχ haluttuun lämpimän käyttöveden lämpötilaan T2. Runkoverkosta tulevan kylmän käyttöveden lämpötila Ti on kuvan havainnollistamassa esimerkissä 5 °C ja tarvittava lämpimän käyttöveden lämpötila T2 58 - 60 °C. Järjestely on sovitettu lämmittämään ja täyttämään lämmitetyllä käyttövedellä ensin yksi käyttövesisäiliö 11, 11', jonka jälkeen tämä säiliö toimii lämpimän käyttöveden käyttö-varastona, ja lämmittämällä sitten toisen säiliön 11', 11 vesi. Vuoroittaisella kahden säiliön lämmityksellä varmistetaan se, että yksi säiliö on koko ajan valmiina lämpimän käyttöveden käyttövarastona. Käyttövesi johdetaan käyttöön poistoputkea 14, 14' pitkin jommastakummasta käyttövesisäiliöstä. Ennen varsinaisia käyttöpisteitä vesi johdetaan n. 60 - 80 -asteista kuumavettä 17 sisältävän kuumavesivaraajan 16 läpi sen varmistamiseksi, että käyttöpisteisiin johdettava käyttövesi on riittävän lämmintä.

Kuva 1 esittää tilannetta, jossa kuvan oikeanpuoleinen käyttövesisäiliö 11' on jo täytetty lämpimällä, 58 - 60 -asteisella käyttövedellä ja se toimii käyttövarastona, josta käyttövettä johdetaan käyttöön. Kuvassa vasemmanpuoleisen käyttövesisäiliön 11 käyttövettä ollaan lämmittämässä vaiheittain. Käyttövesisäiliö 11 on aluksi täytetty kertaalleen lämmitetyllä käyttövedellä, jonka lämpötilaa on nostettu vesijohtoverkon viidestä asteesta lämpöpumpun toiminnan kannalta optimaaliset noin kahdeksan astetta 13 asteeseen. Lämpöpumpun toimintaa siis ohjataan niin, että se tuottaa lopulta lämmönvaihtimelle 6 tulevalle käyttövedelle aina saman 8 asteen lämpötilan nousun. Kuvan esittämässä tilanteessa 13-asteista vettä johdetaan käyttö-vesisäiliön alaosasta lämmönvaihtimelle 2, jossa se läm-penee lämpöpumpun 3 luovuttamalla lämmöllä jälleen kahdeksan astetta päätyen 21 asteeseen, jonka jälkeen lämmennyt vesi johdetaan takaisin säiliöön sen yläosaan. Painovoiman vaikutuksesta käyttövesi säilyy säiliössä olennaisesti kerrostuneena kahteen eri lämpötilaan. Syötettäessä toisessa lämmitysvaiheessa lämmitettyä käyttövettä säiliön yläosaan siirtyy kahden eri lämpötilan välinen rajapinta 24 säiliössä alaspäin, kunnes koko säiliö on täytetty 21-asteisella vedellä. Tämän jälkeen lämmitysvaihe toistetaan. Näin jatketaan, kunnes käyttövesi on saavuttanut halutun lopullisen lämpötilan, tässä esimerkissä 58 - 60 °C. Lämpimän käyttöveden kierrossa kiertoputkistossa 19 syntyvät lämpöhäviöt katetaan lisälämmöllä, jonka käyttövesi saa kuumavesivaraajan sisältämästä vedestä 17. Kuumavesivaraaja on mitoitettu niin isoksi, tilavuudeltaan esimerkiksi noin 1000 1, että sen sisältämä lämpö-määrä riittää joka tilanteessa kattamaan käyttöveden lisälämmityksen tarpeen. Kuumavesivaraajan vettä 17 itseään puolestaan lämmitetään saman maalämpöpumpun kuu-makaasulämmönvaihtimessa 4, joka maalämpöpumppu lauh-duttimessaan luovuttaa lämmitysveden kiertoon 5 käyttöveden vaiheittaisessa lämmityksessä tarvittavan lämpö-energian .

On huomattava, että keksintöä ei rajata vain edellä selostettuun ja kuvassa 1 esitettyyn esimerkkiin vaan keksinnön toteutusmuodot voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Esimerkiksi käyttöveden lisälämmi-tyksessä on mahdollista käyttää kuumavesivaraajan 16 ja sen läpi kulkevan käyttöveden putkiston 7 sijasta kään teistä ratkaisua, jossa käyttövesi johdetaan hapelliselle käyttövedelle soveltuvaan välisäiliöön, jonka läpi on järjestetty kulkevaksi kuumakaasulämmönvaihti-mella lämmitettävän kuumaveden kierto.

Claims (14)

1. Menetelmä rakennuksen käyttöveden (15) lämmittämiseksi ensimmäisestä lämpötilasta Ti toiseen lämpötilaan T2 käsittäen lämmitysvaiheen, jossa lämmitetään tulevaa käyttövettä lämpöpumpun (2) lauhduttimessaan (3) lämmitysveteen (5) luovuttamalla lauhtumislämmöllä ja johdetaan näin lämmitetty käyttövesi käyttövesisäi-liöön (11) johdettavaksi sieltä edelleen käyttöön, jossa menetelmässä lämmitetään mainitussa lämmitysvaiheessa käyttövettä lämpöpumpulla siten, että aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ lämmitetyn ja tulevan käyttöveden välillä vastaa vain osaa tavoitellusta kokonaislämpö-tilaerosta T2 - Ti, - toistetaan mainittu lämmitysvaihe käyttäen tulevana käyttövetenä käyttövesisäiliön (11) alaosasta johdettavaa, jo aiemmassa lämmitysvaiheessa lämmitettyä käyttövettä, ja johtamalla näin uudelleen lämmitettyä käyttövettä takaisin käyttövesisäiliöön sen yläosaan uudelleen lämmitetyn käyttöveden kerrostamiseksi aiemmassa lämmitysvaiheessa lämmitetyn käyttöveden päälle, kunnes olennaisesti koko käyttövesisäiliön sisältämä vesimäärä on uudelleen lämmitettyä käyttövettä, ja - jatketaan mainitun lämmitysvaiheen toistamista, kunnes haluttu käyttöveden lämpötila T2 on saavutettu, tunnettu siitä, että - johdettaessa käyttövettä käyttövesisäiliös-tä käyttöön lämmitetään sitä kuumavedellä, jota lämmitetään lämpöpumpun kuumakaasun (4) luovuttamalla lämmöllä, käyttöön johdettavan käyttöveden riittävän korkean lämpötilan varmistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa lämmitysvaiheessa aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ on 6 - 10°C, edullisesti noin 8°C.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, jossa kuumavedellä lämmitettyä lämmintä käyttövettä kierrätetään käyttöveden käyttöpisteelle (25) ja takaisin kuumavedellä lämmitettäväksi nopean lämpimän käyttöveden käyttöön saannin varmistamiseksi.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, jossa käytetään lämpöpumppuna maalämpöpumppua (2) .

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, jossa lämmitetään tulevaa käyttövettä (15) ja lämmitysvettä (17) samalla lämpöpumpulla.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä, jossa käytetään käyttövesisäiliönä säiliötä (11), jonka vaakasuuntaisen poikkileikkauksen sisähal-kaisija on enintään noin 800 mm, edullisimmin enintään noin 500 mm, ja tilavuus noin 300 - 1000 litraa.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, jossa menetelmällä tuotetaan lämmintä käyttövettä vuorotellen kahteen eri käyttövesisäiliöön (11, 11' ) .

8. Järjestely (1) rakennuksen käyttöveden (15) lämmittämiseksi ensimmäisestä lämpötilasta Ti toiseen lämpötilaan T2 järjestelyn käsittäessä lämpöpumpun (2), lämmitysveden kierron (19), lämmönvaihtimen (6), käyttöveden putkiston (7) sekä käyttövesisäiliön (11) järjestettynä lämmittämään tulevaa käyttövettä lämmön-vaihtimessa lämpöpumpun lauhduttimessaan (3) lämmitys-veteen (5) luovuttamalla lauhtumislämmöllä ja johtamaan näin lämmitetty käyttövesi käyttövesisäiliöön johdettavaksi sieltä edelleen käyttöön, jossa järjestelyssä lämpöpumppu (2) on järjestetty toimimaan siten, että aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ lämmitetyn ja tulevan käyttöveden välillä vastaa vain osaa tavoitellusta kokonaislämpötilaerosta T2 - Ti, - järjestely on järjestetty toistamaan mainittu tulevan käyttöveden lämmitysvaihe käyttäen tulevana käyttövetenä käyttövesisäiliön (11) alaosasta johdettavaa, jo aiemmin lämmitettyä käyttövettä, ja johtamalla näin uudelleen lämmitettyä käyttövettä takaisin käyttövesisäiliöön sen yläosaan uudelleen lämmitetyn käyttöveden kerrostamiseksi aiemmassa lämmi-tysvaiheessa lämmitetyn käyttöveden päälle, kunnes olennaisesti koko käyttövesisäiliön sisältämä vesimäärä on uudelleen lämmitettyä käyttövettä, - järjestelyn ollessa järjestetty jatkamaan mainitun lämmitysvaiheen toistamista, kunnes haluttu käyttöveden lämpötila T2 on saavutettu, tunnettu siitä, että - järjestely käsittää lisäksi kuumavesikana-viston (18) sekä lämpöpumpun kuumakaasulämmönvaihtimen (4) yhdistettynä toisiinsa kuumaveden (17) lämmittämiseksi kuumakaasulämmönvaihtimen luovuttamalla lämmöllä, käyttöveden putkiston (7) ollessa järjestettynä johtamaan käyttövesisäiliöstä käyttöön johdettava käyttövesi lämmönsiirtoyhteyteen kuumaveden (17) kanssa käyttöön johdettavan käyttöveden riittävän korkean lämpötilan varmistamiseksi.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestely (1), jossa lämmitysvaiheessa aikaansaatava lämpötilan nousu ΔΤ on 6 - 10°C, edullisesti noin 8°C.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen järjestely (1), jossa käyttöveden putkisto (7, 19) on järjestetty kierrättämään lämmintä käyttövettä käyttöveden käyttö-pisteelle (25) ja takaisin lämmönsiirtoyhteyteen kuu- maveden (17) kanssanopean lämpimän käyttöveden käyttöön saannin varmistamiseksi.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 8-10 mukainen järjestely (1), jossa on lämpöpumppuna maalämpöpumppu (2) .

12. Jonkin patenttivaatimuksista 8-11 mukainen järjestely (1), jossa kuumakaasulämmönvaihdin (4) on liitetty samaan lämpöpumppuun (2) kuin lämpöä lämmitysve-delle luovuttava lauhdutin (3).

13. Jonkin patenttivaatimuksista 8-12 mukainen järjestely (1), jossa käyttövesisäiliön (11) vaakasuuntaisen poikkileikkauksen sisähalkaisija on enintään noin 800 mm, edullisimmin enintään noin 500 mm, ja tilavuus noin 300 - 1000 litraa.

14. Jonkin patenttivaatimuksista 8-13 mukainen järjestely (1), joka käsittää kaksi käyttövesisäiliötä (11, 11') lämpimän käyttöveden tuottamiseksi vuorotellen kahteen eri käyttövesisäiliöön. PATENTKRAV