Kuivaimien integrointi lämmitysjärjestelmiin: kondensaattorin hukkalämmön tehokas hyödyntäminen

Kirjoittaja: Mycondin tekninen osasto

Kylmäainekiertoiset ilmankuivaimet, joita käytetään tilojen optimaalisen kosteuden ylläpitämiseen, vapauttavat merkittävän määrän lämpöenergiaa. Tätä energiaa pidetään usein laitteiston toiminnan ”sivutuotteena”, vaikka todellisuudessa sitä voidaan hyödyntää tehokkaasti tilojen lämmitykseen tai veden lämmitykseen. Kuivaimen osaava integrointi lämmitysjärjestelmään tai lämpöpumppuun voi merkittävästi parantaa koko järjestelmän energiatehokkuutta, erityisesti kohteissa, joissa kosteuden tuotto on suurta, kuten uima-altaat, pesulat tai tuotantotilat.

Kylmäainekiertoisen kuivaimen lämpötase: hukkalämmön lähde

Kylmäainekiertoinen kuivain toimii termodynaamisen syklin periaatteella. Ilma jäähdytetään höyrystimellä kastepisteen alapuolelle, jolloin kosteutta tiivistyy. Sen jälkeen kuivattu ilma lämpenee kondensaattorissa ja palautuu tilaan alemmalla absoluuttisella kosteudella mutta korkeammalla lämpötilalla.

Kuivaimen kondensaattorin energiatase kuvataan yhtälöllä, jonka mukaan kondensaattorissa vapautuva lämpö on kolmen komponentin summa:

Q(kondensaattori) = Q(piilevä) + N(kompressori) + Q(tuntuva)

missä:

• Q(piilevä) – kosteuden tiivistymisen piilevä lämpö, kW;
• N(kompressori) – kompressorin sähköteho, kW;
• Q(tuntuva) – ilman tuntuva lämpö, kW.

Kosteuden tiivistymisen piilevä lämpö on energia, joka vapautuu vesihöyryn tiivistyessä höyrystimellä. Se lasketaan kuivaustehon G (kg/h) ja höyrystymislämmön r (kJ/kg) tulona; r riippuu tiivistymislämpötilasta ja on tyypillisesti 2300–2500 kJ/kg. On tärkeää ymmärtää, että r ei ole vakioarvo, vaan se otetaan vesihöyrytaulukoista kyseiselle lämpötilalle.

Kompressorin työ on kompressorin kuluttama sähköteho. Arvo saadaan kuivaimen teknisistä tiedoista tai kylmäainekierron laskennasta.

Tuntuva lämpö on kuivaimen läpi kulkevan ilman lisälämpeneminen. Sen suuruus riippuu laitteen rakenteesta ja käyttötilasta.

Psykrometrisessä prosessissa kuivaimen läpi kulkeva ilma kulkee h-d-diagrammissa seuraavan polun: ensin jäähdytys kosteuden tiivistymisineen (lämpötilan ja kosteussisällön aleneminen), sitten lämmitys kondensaattorissa (lämpötilan nousu vakiokosteussisällöllä).

Lämmön talteenoton teoreettiset perusteet: kondensaattorin potentiaali ja lämpötilatasot

Kylmäaineen lauhtumislämpötila on keskeinen parametri, joka vaikuttaa kuivaimen tehokkuuteen ja lämmön talteenoton potentiaaliin. Se määräytyy kondensaattorin jäähdytysväliaineen (ilma tai vesi) lämpötilan sekä lämmönsiirtimen lämpötilaeron perusteella. Esimerkiksi ilmalauhduttimella tilassa, jossa lämpötila on 25°C, lauhtumislämpötila voi olla 35–45°C. Vesilauhduttimella, kun veden lämpötila on 30°C, lauhtumislämpötila voi olla 40–50°C. Nämä arvot eivät ole universaaleja vakioita, vaan seurausta kyseisiin olosuhteisiin tehdyistä mitoista.

Kuivaimen suorituskykykerroin (COP) määritellään seuraavasti:

• Lämpö-COP = Q(kondensaattori) / N(kompressori) – lämmöntuoton suhde sähkönkulutukseen;
• Jäähdytys-COP = Q(höyrystin) / N(kompressori) – kylmätehon suhde sähkönkulutukseen.

On huomattava, että kuivaimille ilmoitetaan teknisissä luetteloissa usein SMER-arvo (Specific Moisture Extraction Rate) l/kWh tai kg/kWh, joka on eri suure kuin COP.

Vertailtaessa kuivainta ilma-vesilämpöpumppuun on syytä huomioida, että lämpöpumppu ottaa lämpöä ulkoilmasta, jonka lämpötila voi talvella olla −10°C – +10°C, kun taas kuivain käyttää sisäilmaa lämpötilassa 20–25°C, mikä tarjoaa höyrystimelle vakaammat käyttöolosuhteet.

Lämmön talteenoton potentiaali riippuu lämpötilaeroista, lämmönsiirtimen tyypistä ja käyttötilasta. Oikealla lämmönsiirtimen mitoituksella ja lämpötilatasojen sovittamisella valtaosa kondensaattorin lämmöstä voidaan siirtää hyötykuormalle; tarkka arvo riippuu järjestelmän parametreista.

Integrointitavat: kolme perusratkaisua

Kuivaimen integrointiin lämmitysjärjestelmään on kolme pääasiallista tapaa:

Tyyppi 1: erillinen vesilämmönvaihdin. Kondensaattorin puolelle asennetaan levylämmönvaihdin tai putki-vaippalämmönvaihdin. Kuuma puoli – kylmäaine tai kondensaattorin jälkeinen ilma (riippuen kuivaimen rakenteesta), kylmä puoli – lämmitys- tai käyttövesijärjestelmän vesi. Hydraulinen liitäntä lämmitysjärjestelmän paluupuolelle tai käyttövesikiertoon kiertopumpun, paisuntasäiliön ja tasapainotusventtiilien kautta. Edut: yksinkertaisuus, mahdollisuus jälkiasennukseen. Haitat: lisähydrauliikan painehäviö, erillisen kiertopumpun tarve.

Tyyppi 2: kytkentä kaskadina lämpöpumpun kanssa. Kuivain lämmittää veden 20°C:sta 40°C:een, lämpöpumppu korottaa 40°C:sta 60°C:een käyttövedelle. Väliin asennetaan puskurivaraaja käyttötilojen tasaamiseksi. Edut: lämpöpumpun kuorman pieneneminen, järjestelmän kokonais-COP nousee, koska lämpöpumppu toimii esilämmitetyllä lähteellä. Haitat: automaation monimutkaisuus, kahden laitteen toimintatilojen yhteensovittamisen tarve.

Tyyppi 3: suorat matalalämpöiset kuluttajat. Kondensaattorin lämpö käytetään suoraan lattialämmitykseen (menolämpötila 30–40°C), tuloilman esilämmitykseen (20–30°C) tai uima-altaan lämmitykseen (26–30°C). Edut: lämpötilatasot ovat hyvin sovitettavissa, maksimaalinen talteenotto ilman lisälaitteita. Haitat: kohteessa on oltava matalalämpöisiä kuluttajia.

Ratkaisun valinta riippuu kuluttajista, niiden lämpötilatasoista sekä käyttöprofiilista vuoden aikana.

Lämmönkuluttajien vertailu yhteensopivuuden näkökulmasta kuivaimen kanssa:

• Lattialämmitys (30–40°C): hyvä yhteensopivuus, mahdollinen suora kytkentä
• Käyttövesi (55–60°C): rajoitettu yhteensopivuus, tarvitaan kaskadi tai jälkilämmitys
• Patterilämmitys (50–70°C): rajoitettu yhteensopivuus, kytkentä vain kaskadina lämpöpumpun kanssa
• Uima-allas (26–30°C): erinomainen yhteensopivuus, ihanteellinen kuluttaja ympäri vuoden

Talteenotetun lämmön laskenta: yksi yksityiskohtainen esimerkki

Tarkastellaan esimerkkiä lämmön talteenotosta uima-altaan kuivaimesta.

Lähtötiedot:

• Kuivausteho G = 20 kg/h (uima-altaan kosteustuoton laskelmasta)
• Tilan ilman lämpötila = 28°C
• Suhteellinen kosteus = 60 %
• Kuivaimen sähköteho N(kompressori) = 6 kW (teknisistä tiedoista)

Vaihe 1: Piilevän lämmön laskenta

Höyrystymislämpö 28°C:ssa r ≈ 2435 kJ/kg (vesihöyrytaulukoista; riippuu lämpötilasta)

Piilevä lämpö Q(piilevä) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW

Vaihe 2: Kondensaattorin lämpötase

Kondensaattorin lämpö Q(kondensaattori) = Q(piilevä) + N(kompressori) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW

Tämä on kondensaattorissa vapautuva kokonaislämpöteho.

Vaihe 3: Talteenotettu teho vesilämmönvaihtimen kautta

Oletetaan lämmönsiirtimen hyötysuhteeksi 80 % (tyypillinen arvo oikein mitoitetulle levylämmönvaihtimelle; riippuu tyypistä, pinta-alasta ja lämpötilaerosta)

Talteenotettu lämpö Q(talteenotettu) = Q(kondensaattori) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW

Vaihe 4: Veden lämmitys uima-altaalle

Veden massavirta lämmönvaihtimella m = 0,5 kg/s (valitaan lämpötilaeron ja piirin hydrauliikan perusteella)

Veden ominaislämpökapasiteetti c = 4,19 kJ/(kg·K)

Lämpötilan nousu ΔT = Q(talteenotettu) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K

Jos veden tulolämpötila on 26°C, poistossa se on 33,4°C, mikä sopii uima-altaan lämmitykseen.

Vaihe 5: Taloudellinen vaikutus uima-altaan lämmitysjärjestelmälle

Ilman talteenottoa koko allaslämmitys tuotetaan kaasukattilalla tai sähkövastuksella. Talteenoton 15,6 kW ”ilmainen” lämpö pienentää pääasiallisen lämmittimen kuormaa. Vuosittainen säästö riippuu kuivaimen vuotuisista käyntitunneista, energiahinnoista sekä vaihtoehtoisten lämmönlähteiden saatavuudesta.

Kausikäyttö: talvi, siirtymäkausi, kesä

Kuivaimen lämmön talteenotto toimii eri tavoin vuodenajan mukaan:

Talvitila: Kondensaattorin lämpö ohjataan kokonaan lämmitykseen tai uima-altaan lämmitykseen. Kuivain toimii kosteuden mukaan, lämpö talteenotetaan eikä päästetä tilaan. Jos kuluttaja on matalalämpöinen (lattialämmitys), järjestelmä voi toimia itsenäisesti ilman lisälähdettä. Jos vaaditaan korkeampi lämpötila (käyttövesi jopa 60°C), kuivain antaa peruslämmön 45–50°C:een saakka ja loppulämmitys tehdään kattilalla tai lämpöpumpulla.

Siirtymäkausi (kevät–syksy): Osa lämmöstä talteenotetaan lämmitystarpeen mukaan, mutta osa voi olla ylimääräistä, kun lämmitys on jo pois päältä ja kuivaus jatkuu. Tarvitaan ohjausvaihtoehto – automaattinen kolmitieventtiili, joka ohjaa lämmön joko lämmitykseen, purkuun, jos lämmitystä ei tarvita, tai puskurivaraajaan.

Kesätila: Jos on ympärivuotinen kuluttaja (uima-allas, prosessilämmitys), lämpö ohjataan sinne. Jos kuluttajaa ei ole, tarvitaan lämmönpurku (dry cooler, jäähdytystorni) tai vesipiirin poiskytkentä, jolloin kuivain luovuttaa lämmön tilaan lisäten jäähdytyksen kuormaa.

Automaatiokaavio sisältää kolmitieventtiilin ja dry coolerin ohjauslogiikalla: JOS ulkoilman lämpötila > 20°C TAI tilan lämpötila > 26°C TAI lämmityspyyntöä ei ole, NIIN lämpö ohjataan dry coolerille tai tilaan, MUUTEN lämpö menee lämmityskiertoon.

Integroinnin vaikutus kuivaustehokkuuteen: lauhtumislämpötila ja suorituskyky

Jäähdytysveden lämpötilan nostaminen kondensaattorissa nostaa kylmäaineen lauhtumislämpötilaa, mikä puolestaan nostaa lauhtumispaineen. Tämä vähentää kompressorin läpi kulkevaa kylmäaineen massavirtaa ja siten höyrystimen kylmätehoa ja kuivaustehoa.

Vaikutuksen suuruus riippuu kompressorityypistä (scroll, mäntä, ruuvi), kylmäaineesta (R410A, R407C, R32) ja alkuolosuhteista. Tyypillisillä R410A-scroll-kompressoreilla lauhtumislämpötilan nousu 10 K:lla voi pienentää massavirtaa määrällä, joka riippuu kompressorin rakenteesta (tarkat arvot otetaan kyseisen mallin valmistajan diagrammeista).

Komprossiratkaisuna voidaan rajoittaa maksimilämpötilaa menopuolella. Esimerkiksi jos käyttövedelle vaaditaan 55°C, mutta kuivain kykenee ilman merkittävää suorituskyvyn pudotusta vain 45°C:een, on järkevää käyttää kaskadia: kuivain lämmittää veden 20°C:sta 45°C:een ja lämpöpumppu korottaa 45°C:sta 60°C:een.

Invertteriohjatut kompressorit voivat osittain kompensoida tehon laskua nostamalla pyörimisnopeutta, mutta tämä lisää sähkönkulutusta, jolloin on löydettävä tasapaino suorituskyvyn ja energiankulutuksen välillä.

Milloin integrointi on insinöörimielessä järkevää: soveltamiskriteerit

Kuivaimen integrointi lämmitysjärjestelmään on perusteltua, kun KAIKKI seuraavat ehdot täyttyvät samanaikaisesti:

1. Vakaat kosteustuotot: Kuivain ei toimi satunnaisesti, vaan vähintään 10–15 tuntia vuorokaudessa yli 6 kuukauden ajan vuodessa. Tyypillisiä kohteita: uima-altaat, pesulat, kuivausalueet, vihannesvarastot, lääketeollisuus.
2. Jatkuva matalalämpöisen lämmön kuluttaja: Enintään 50°C (lattialämmitys, allaslämmitys, tuloilma, matalalämpöiset patterit, prosessilämmitys).
3. Ratkaisu kesäkaudelle: Ympärivuotinen kuluttaja (uima-allas) tai lämmönpurku (dry cooler, jäähdytystorni) tai sovitettu käyttö (kuivain käy yöllä, jolloin lämpö ei kuormita päiväjäähdytystä).
4. Sopiva tehosuhde: Kuivaimen lämpöteho on vähintään 20–30 % kohteen peruslämpökuormasta; muuten integroinnin monimutkaisuus ei maksa itseään takaisin investointina.

Integrointi EI ole järkevää, jos:

• Kuivain toimii satunnaisesti (1–2 h/vrk, vain kesällä)
• Matalalämpöisiä kuluttajia ei ole (vain korkealämpöinen lämmitys > 70°C tai käyttövesi ilman kaskadimahdollisuutta)
• Talous: integroinnin kustannus (lämmönvaihdin, putkistot, automaatio, asennus) ylittää 8–10 vuoden energiasäästöt nykyisillä tariffeilla

Ääritilat, joissa esitetyt lähestymistavat eivät toimi tai vaativat korjausta:

• Tilan lämpötila 15°C: kuivaustehokkuus laskee jyrkästi, tiivistyminen höyrystimellä vaikeutuu matalan höyrystymislämpötilan vuoksi
• Lauhtumislämpötila > 60°C: useimmat koti- ja kaupalliset kompressorit eivät ole mitoitettuja näin korkealle paineelle
• Alueet, joilla lämmityskausi on hyvin lyhyt ( 3 kuukautta): takaisinmaksu heikkenee, koska talteen otetulle lämmölle on vähän käyttöä

Tyypilliset suunnitteluvirheet: miten välttää ne

Kuivaimen integroinnissa lämmitysjärjestelmään esiintyy usein seuraavia virheitä:

1. Kuivaimen lämmönluovutuksen sivuuttaminen jäähdytyskuorman laskennassa. Seuraus: kesällä jäähdytys ei riitä ja tilan lämpötila nousee yli tavoitetason. Esimerkki: uima-allas, jossa kuivaimen lämpöteho 25 kW, mutta jäähdytyksen mitoituksessa on huomioitu vain henkilöiden kosteustuotto ja auringonsäteily.
2. Mahdollisuuden puute lämmön purkuun kesällä. Seuraus: kuivain ei voi toimia (hätäkatkaisu korkean lauhtumispaineen vuoksi) tai tila ylikuumentuu. Ratkaisu: varaa dry cooler tai kesäkuluttaja jo suunnitteluvaiheessa.
3. Lämmönsiirtonesteen lämpötilan virheellinen valinta ilman vaikutusanalyysiä kuivaukseen. Virhe: asiakas haluaa 60°C käyttövedelle ja suunnittelija kytkee kuivaimen suoraan ilman kaskadia. Tulos: lauhtumislämpötila nousee kriittiseksi (55–60°C), kuivausteho laskee.
4. Puskurivaraajan puute järjestelmässä, jossa lämmönkulutus vaihtelee. Seuraus: kuivain ohjautuu kosteuden mukaan (hygrostaatti), lämmityskuorma lämpötilan mukaan (termostaatti), mikä johtaa tilojen epäsovittumiseen ja kompressorin tiheään käynnistelyyn. Ratkaisu: 300–500 litran puskurivaraaja lyhytaikaisten vaihtelujen tasaamiseen.
5. Suurten etäisyyksien jättäminen huomioimatta ilman lämpöhäviölaskelmaa. Esimerkki: kuivain kellarissa, kuluttaja katolla, etäisyys 50 m, putkistojen eristys riittämätön. Tulos: merkittävät lämpöhäviöt putkissa. Ratkaisu: kuivaimen sijoittaminen lähemmäs kuluttajaa tai laadukas putkieristys.
6. Ylisuuret odotukset: kuivain täytenä lämpöpumpun tai kattilan korvaajana. Todellisuus: kuivain tuottaa lämpöä suhteessa poistamaansa kosteuteen. Jos kosteustuotot ovat pieniä tai kausittaisia, myös lämpöä on vähän. Talvella sisäilman matalan kosteuden vuoksi kuivain käy vähän, joten lämpöä ei synny.
7. Vesipiirin huollon tarpeen sivuuttaminen. Jos vesi on kovaa eikä vedenkäsittelyä ole, lämmönvaihtimen pinnalle kertyvä kalkki heikentää lämmönsiirtoa. Ratkaisu: vedenkäsittely (pehmennys tai suolanpoisto) tai lämmönvaihtimen määräaikainen kemiallinen puhdistus.

Usein kysytyt kysymykset (FAQ)

Mitkä ovat lämmönsiirtonesteen lämpötilarajat, kun hyödynnetään kuivaimen kondensaattorin lämpöä?

Alaraja määräytyy riittävän lämpötilaeron tarpeesta lämmönsiirtoon (yleensä 5–7 K), eli ei alle 15–20°C, mikä ei käytännössä rajoita lämmitysjärjestelmiä. Yläraja riippuu kompressorin sallitusta lauhtumispaineesta. Useimmilla R410A-kuivaimilla menolämpötilan ei tulisi ylittää 50–55°C. Teolliset mallit korkeapainekompressoreilla voivat yltää 60–65°C:een. Näiden arvojen ylittäminen johtaa hätäkatkaisuun tai kompressorin vaurioitumiseen.

Voiko kuivain korvata lämmitysjärjestelmän kokonaan?

Kohteissa, joissa kosteustuotot ovat vakaat (uima-altaat, pesulat) ja kuluttajat matalalämpöisiä (lattialämmitys, allaslämmitys), kuivain voi toimia pääasiallisena lämmönlähteenä siirtymäkaudella ja osin talvella, mutta varalähde tarvitaan. Tavallisissa asuin- tai toimistotiloissa ilman merkittäviä kosteustuottoja ei – saatavilla olevan lämmön määrä rajoittuu kuivaustehoon, ei rakennuksen lämpöhäviöihin.

Mitä tehdä lämmölle kesällä, kun lämmitystä ei tarvita?

Kolme vaihtoehtoa: 1) Ympärivuotinen lämmönkuluttaja (uima-allas, prosessilämmitys); 2) Dry cooler tai jäähdytystorni lämmön purkuun; 3) Vesipiirin poiskytkentä – lämpö vapautuu tilaan, mikä lisää jäähdytyskuormaa. Valinta riippuu kesäjakson pituudesta ja kuluttajien saatavuudesta.

Miten integrointi vaikuttaa kuivaustehokkuuteen?

Jäähdytysveden lämpötilan nousu kondensaattorissa nostaa kylmäaineen lauhtumis- ja painetasoja, mikä pienentää kompressorin massatuottoa ja kuivaustehoa. Kompromissina rajoitetaan menolämpötilan maksimia (yleensä enintään 45–50°C) tai käytetään kaskadia lisälämmönlähteen kanssa.

Miten arvioida integroinnin taloudellinen vaikutus?

Laskenta sisältää talteenotetun lämmön määrän lämmityskaudella, pääasiallisesta lähteestä korvatun energian, vuosisäästön ja takaisinmaksuajan. Tarkat luvut riippuvat kuivaimen käyntitunneista, paikallisista energiahintatasoista, laitekustannuksista ja ympärivuotisten kuluttajien saatavuudesta.

Johtopäätökset

Kuivaimen integrointi lämmitysjärjestelmään tai lämpöpumppuun kondensaattorin lämmön talteenoton kautta on tehokas insinööriratkaisu kohteisiin, joissa kosteustuotot ovat vakaat ja kuluttajat matalalämpöisiä. Se ei ole universaali ratkaisu, vaan työkalu tiettyihin olosuhteisiin.

Menestyksen avaintekijät:

• Oikea lämpötase ja selkeä kondensaattorin energiatase
• Lämpötilatasojen sovitus – menolämpötilan maksimi vastaa kompressorin kyvykkyyttä
• Ratkaisu kesäkaudelle (dry cooler, ympärivuotinen kuluttaja tai sovitettu käyttötapa)
• Realistiset odotukset – ymmärrys, että lämmön määrä rajoittuu kosteustuottoon

Suositukset suunnitteluinsinööreille: analysoi aina lämmön talteenoton mahdollisuus suunnitteluvaiheessa, varaa liitännät tulevaa modernisointia varten, ja tee yksityiskohtaiset laskelmat konkreettisilla lähtötiedoilla.

Integroinnin järkevyyden kriteerit: vakaat kosteustuotot yli 6 kk vuodessa, matalalämpöinen kuluttaja ≤ 50°C, ratkaisu kesäkaudelle. Jos yksikin ehto ei täyty, integrointi vaatii lisäperustelut ja voi olla kannattamaton.

Kuivaimen lämmön talteenotto on insinöörityökalu tiettyihin olosuhteisiin, ei patenttiratkaisu. Onnistuminen riippuu suunnittelun laadusta, yksityiskohtaisesta lämpötaseesta ja realistisesta taloudellisesta mitoituksesta kyseisessä kohteessa.