Mitoitus lämmitysteholla vai lämmitysenergialla?
Lämmittäminen on kannattavinta juuri sillä teholla, jota rakennus kulloinkin tarvitsee. Lämpöpumppu kannattaa valita myös sen tuottaman energiamäärän perusteella; Lämpöpumpun lämmitysteholla on aikalailla kiinteä hinta n. 1000-1300 €/kW, joka on kuitenkin huomattavasti kalliimpi, kuin vaikkapa sähkövastusteho.
Ylimitoitetun lämpöpumpun käynti muistuttaakin tehokasta urheiluautoa kaupunkiajossa; kaasupoljinta on painettava lyhyen aikaa, jotta auto ei kiihdy liikaa. Energian kulutus ja äänimaailma on kuitenkin omaa luokkaansa, eli turhan suuri.
Mitoituksen sudenkuoppa
Ylimitoitettu lämpöpumppu on valittu rakennuksen suurimman lämmitystehon mukaiseksi ja se käy suurimman osan ajasta vain lyhyitä jaksoja. Täyttä mitoitustehoa jos tarvitaan vain 5 % ajasta, lämpöpumppu on ylitehoinen 95 % ajasta. Voisiko pakkasten ajan huipputehon ajaa hiljaisesti käyttäen sähkövastusta, joka maksaa noin 300 €/kW?
Kun lämpöpumppujärjestelmää suunnitellaan, on valittava suunnittelutyöhön henkilö, joka osaa määrittää rakennukselle ominaisen tehon tarpeen ja energiankulutuksen. Kokonaiskustannuksiin vaikuttaa myös korkotaso ja energian hinta. Nämä voidaan arvioida energialaskujen ja hinta- sekä korkoskenaarioiden avulla; jokaisella oletetulla korkotasolla ja energian hintakehityksellä lasketaan kokonaishinta kilowattitunnille. Verrattaesssa tätä vaihtoehtoisen järjestelmän tuottaman energian hintaan, nähdään, minkälaisia riskejä hankkeeseen liittyy. Työtä, jossa rakennuksen tai rakennusten lämmittämisen lämmönkulutus selvitetään ja vaihtoehtoisia lämmitysjärjestelmiä vertaillaan keskenään pitkällä aikavälillä kutsutaan lämmitysjärjestelmäselvitykseksi.
Kokonaistaloudellinen mitoitus
Lämpöpumppulämmitysjärjestelmä tulee valita mahdollisimman pienellä kokonaiskustannuksella, kun kokonaiskustannuksessa huomioidaan järjestelmän investointiin otetun lainan korko (tai järjestelmään sijoitetun pääoman tuotto-odotus) ja käytetyn energian hinta. Öljyn hinta on poliittisista syistä historiallisestikin tarkasteltuna epävakaa. Tällä hetkellä polttoöljyllä lämmittäminen on todennäköisesti kaikkein kallein vaihtoehto koko vuoden energian tuottoon. Lyhyitä huippuenergiajaksoja öljykattilalla voidaan toki ajaa, mikäli sähkön saatavuuteen ei voida luottaa tai jos sähköliittymän koon kasvattamisesta koituisi liian suuri kustannus. Pörssisähköllä lämmittäminen on edullista vain silloin, kun sähkön kysyntä on alhainen. Useinkaan pörssisähkö ei ole edullista kovalla pakkasella. Jos näistä syistä halutaan siirtyä lämmittämisessä lämpöpumppuun, tulee aluksi valita lämpöpumpulle nimellisteho.
Nimellistehon valinta
Kun katsotaan vesilaskuista käyttöveden kulutus ja lämpölaskuista rakennuksen energiankulutus vuodessa sekä lämpölaskun kulutusmittauksen aikaväli, voidaan tietoja verrata lämmitystarpeeseen, joka saadaan lähimmän sääaseman mittauksista tai ilmatieteenlaitoksen tiedoista, voidaan rakennuksen kuluttama huipputeho ja lämpöpumpun vaadittu antoteho arvioida esimerkiksi seuraavasti
Tilojen lämmitysenergia [kWh] = Rakennuksen kuluttama energia [kWh] – käyttöveden lämmitysenergia [kWh]
Tilojen lämmitystehon tarve [kW/°C] = Tilojen lämmitysenergia [kWh] / Lämmitystarvetunnit [°Ch]
Jos uudessa lämmitysjärjestelmässä käyttövesi tuotetaan vastuksella ja tilojen lämmitys lämpöpumpulla tehokertoimella 2,2, on varattava lämpöpumpulle sähkötehoa:
Lämmitysjärjestelmän sähkötehon tarve = 0,68 * Tilojen lämmitystehon tarve*mitoituslämpötilaero/2,2 + Käyttöveden lataustehon tarve
Käyttöveden lämmitysteho arvioidaan kesäajan lämmitystehon perusteella. Varaajaa käytettäessä on käyttöveden lämmitysteho valittava siten, että vuorokauden aikana käyttöveden lämmitykseen kulutetut kilowattitunnit saadaan ladattua varaajaan järkevässä ajassa, esimerkiksi kuudessa tunnissa. Olettaen, että käyttövesiteho on sama talvella, kuin kesällä.
Jos maalämpöpumppu tuottaa siis 68 % tilojen lämmitystehon tarpeesta, se vaatii rakennuksen lämmitykseen vielä kattilan, jonka avulla voidaan tuottaa lämpöpumpun lämmitystehon lisäksi tarvittavat 32 % rakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja varaa käyttöveden varaajaan kuudessa tunnissa. Ilma-vesilämpöpumpun rinnalla sähkökattilan osuus on valittava 100 %:iin käyttöveden lataustehon ja tilojen lämmitystehon summasta.
Miksi maalämpöpumpun myyjä ehdottaa Lämpöpumpun mitoitusta osateholle?
Etenkin vanhoissa rakennuksissa lämmitysjärjestelmän toimintalämpötilat ovat tyypillisesti mitoituspakkasella korkeita. Patteriverkostoon menevän kiertoveden lämpötila on helposti 80-85 °C. Valitettavasti nykyaikaisetkaan lämpöpumput eivät kykene energiataloudellisesti tuottamaan yli 65 °C:een verkostolämpötiloja. Tämä johtuu siitä, että lämpöpumpun kompressori on tällaisissa toimintalämpötiloissa toiminta-alueessa ylärajalla epämukavuusalueellaan.
Korkea lämpötila tarkoittaa lämpöpumpun toiminnassa sitä, että kierroslukua joudutaan kasvattamaan voimakkaasti, sähkötehon tarve kasvaa ja lämmön tuottoon käytetyn sähköenergian osuus suhteessa ympäristöstä saatuun ilmaisenergiaan on suurempi, kuin alhaisempaa lämpötilaa tuotettaessa. Kun tullaan lähelle kriittistä lämpötilaa, alkaa lämpöpumppu tuottaa tulistustehoa, joka on sama asia, kuin että tuotettaisiin lämpöä vastuksella. Kuitenkin on huomattava, että lähellä kriittistä lämpötilaa, lämpöpumpun kuluminen on voimakkaampaa, jolloin lämpöpumpun käyttöikä lyhenee.
Jos rajataan maalämpöpumpun teho vain 2/3 osaan rakennuksen tarvitsemasta osatehosta, maalämpöpumpun teho alkaa olla optimaalisesti valittu. 66 %:n mitoituksella lämpöpumpulla saadaan tuotettua helposti 96 % rakennuksen lämmitysenergian tarpeesta.
Koska maalämpöpumppuinvestointi on kohteen suuruudesta riippuen 1200…2000 €/kW, mutta sähkökattilan hinta on noin 300 €/kW, investoinnin suuruus on osatehomitoituksella pienempi ja kannattavuus vastaavasti parempi, kuin täystehomitoituksella. Jos kuitenkin halutaan tuottaa korkean lämpötilan huippuenergia eli noin 1..2 % vuoden lämpöenergiasta lämpöpumpulla, joudutaan kompressorilla tuottamaan tulistustehoa, joka ei ole ympäristöstä saatavaa tehoa, vaan kompressorin korkeamman paineen ja lämpötilan tuottamiseksi käyttämää sähkötehoa. Mikäli huipputehoa tuotetaan tulistusvaraajalla, kuten monissa täysteholle mitoitetuissa lämpöpumpuissa on tapana, se on sama asia, kuin jos tuotettaisiin huipputehoa 1200…2000 €/kW hintaisella sähkövastuksella.
Mihin osaan maalämpöjärjestelmässä kannattaa investoida?
Maalämpöpumppujärjestelmissä investointi matalan lämpötilan lämmönjakojärjestelmään, lisävastukseen ja lämpökaivoon on kannattavampaa, kuin investointi lämpöpumpputehoon, sillä porakaivon syventäminen ja lämmönjaon menolämpötilan alentaminen yleensä pienentää kompressorin sähkönkulutusta ja parantaa järjestelmän kannattavuutta.