Taustaa ja perusteluja, miksi Ewarco on kehittänyt ilmanvaihtolämmityksen

1990-luvulta alkaen yleistynyt betonivaluun asennettu vesikiertoinen lattialämmitys oli sen aikaisissa taloissa ja sen aikaisilla ilmanvaihtolaitteilla lämpöteknisesti hyvinkin perusteltu ratkaisu. Silloin alkoi myös yleistymään kivilattia, lattialämmitys mahdollisti kivilattian käytön. Alettiin myös käyttää nimitystä ”mukavuuslämpö”. Tämä tarkoittaa, että lattia pidetään niin lämpöisenä, että se on mukavan lämmin jalalle. Nykyisissä rakennuksissa kyseinen mukavuuslämpö yhdistettynä kivilattiaan ei yksinkertaisesti toimi.  

  • Verrattaessa kivilattian ja puulattian pintalämpötiloja, täytyy kivilattian pintalämpötilan olla 28 °C, jotta tunne jalkaan olisi sama kuin 23 C-asteisen puulattian. Nykyisissä, hyvin eristetyissä ja hyvällä LTO:lla varustetuissa rakennuksissa 28 C-asteinen lattia aiheuttaa sen, että huoneilman lämpötila nousee epämiellyttävän korkeaksi, se nousee lähes samaan lämpötilaan kuin lattian pintalämpötila, vaikka muuta lämmitystä ei olisikaan. Tuloilman lämpötilaa täytyisi alentaa, jopa jäähdyttää, mutta tästä aiheutuu puolestaan vedon tunne. Terminen mukavuus kärsii. On olemassa ristiriita, kumpaa haluamme, molempia emme voi saavuttaa?
  • Tämä ilmiö on selitettävissä lämmön johtavuudella. Lattiat, joiden lämpötila on sama, tuntuvat sitä viileämmiltä, mitä tehokkaammin ne johtavat lämpöä ja mitä suurempi on lattian ominaislämpökapasiteetti. Tämän voi helposti todeta seisomalla vuorotellen saman lämpöisen kivilattian ja vaikka styrox-levyn päällä.

Lattialämmityksestä ja kivilattiasta aiheutuu myös muita haitallisia ilmiöitä.

  • Termodiffuusio on fysikaalinen ilmiö, jonka vuoksi ilmassa leijuvat pölyhiukkaset työntyvät pois lämpimistä pinnoista ja vetäytyvät kylmiin pintoihin. Lattialämmitetyssä tilassa termodiffuusio aiheuttaa huoneilman pölypitoisuuden nousua. Pölyhiukkaset eivät laskeudu, vaan leijuvat huoneilmassa ja ilman pölypitoisuus nousee. Tämä aiheuttaa herkille ihmisille allergisia reaktioita, pöly ja erityisesti ilman pienhiukkaset ovat merkittävä terveysriski kaikille asukkaille. Tehokas ilmanvaihto ja tuloilman suodatus vähentävät pölyä, mutta huonekohtaiset ilmanpuhdistimet lienevät ainoa keino tilanteen korjaamiseksi. Joissain maissa on jopa kielletty lattialämmityksen asentaminen päiväkoteihin lasten allergiaoireiden vuoksi. Lisää aiheesta esimerkiksi: https://www.rakennustieto.fi/Downloads/RK/RK070704.pdf
  • Terminen hitaus: Lattialaattaan valettu lattialämmitys on hyvä esimerkki termisestä hitaudesta. Laatta saattaa sisältää kymmeniä tonneja betonia. Tällaisen massan avulla on mahdotonta suorittaa lämpötilan säätöä, joten terminen mukavuus on mahdoton saavuttaa. Lämpötila on liian korkea tai matala ja kestää jopa vuorokausia ennen kuin tilanne tasoittuu. Ilmojen kylmetessä automatiikka lisää lattialämmityksen menoveden lämpötilaa/määrää, jolloin suurikin varaaja tyhjenee hetkessä. Tästä aiheutuu mahdollisesti myös se, että kuuma käyttövesi loppuu. Varaajien ja venttiilien valmistajat ovat kehittäneet monimutkaisia järjestelmiä näiden ongelmien vuoksi. Tämä ainoastaan lisää ”härvelitekniikkaa”, eivätkä ne kuitenkaan muuta fysiikan lakeja.
  • Ergonomia: Usein lattian ergonomiaa verrataan puulattiaan. Pitkäaikainen oleskelu jalkojen varassa väsyttää vähiten, jos alustana on puulattia. Sitä pehmeämmät, kuten raskaat tekstiilimatot ja toisaalta sitä kovemmat, esimerkiksi kivilattiat, rasittavat jalkoja enemmän. Keittiö on huone, jossa seisotaan runsaasti, joten sinne ei ergonomiasyistä kannata asentaa kivilattiaa, vaikka nykymuoti ihannoikin kivilattiaa keittiössä.
  • Radon: 1500-Luvulla Keski-Euroopassa ihmeteltiin, miksi hopeakaivosten työntekijät sairastuvat tappavaan ”keuhkotautiin”. Nykyisen Saksan alueella sijaitsevassa pahimmassa ”kuolemankaivoksessa” 75 % kaivosmiehistä sairastui.  Tauti osattiin yhdistää radoniin vasta vuosisatoja myöhemmin, 1970-luvulla, jolloin havaittiin radonin yhteys keuhkosyöpään. Asuntojen radonpitoisuuden vaikutus keuhkosyöpään tajuttiin vasta 1980-luvulla. Suomen n. 2000 vuotuisesta keuhkosyöpätapauksesta arvioidaan 100–600 tapauksen aiheutuvan asuntojen radon-kaasusta, todennäköisimpänä lukuna käytetään 300 radonperäistä keuhkosyöpätapausta vuosittain. Radon on tupakan jälkeen yleisin keuhkosyövän aiheuttaja.
  • Radon itse ei ole syöpää aiheuttava, vaan sen lyhytikäiset hajoamistuotteet, jotka kulkeutuvat hengityksen mukana keuhkoihin ja lähettävät alfa-säteilyä. Aiheesta enemmän esimerkiksi: http://www.stuk.fi/aiheet/radon.
  • Rakentamismääräyksissä määritellään huoneilman radonpitoisuuden yläraja 200 Bq/m³. Säteilyturvakeskus suosittelee ylärajaksi 50 Bq/m³. Keskiarvo Suomessa on 120 Bq/m³, mikä on korkeimpia lukuja koko maailmassa.
  • Radon on radioaktiivinen kaasu, jota syntyy maaperässä olevan uraanin hajotessa. Suomessa maaperän huokosilma on yleensä erittäin radonpitoista, 10 000-100 000 Bq/m³. Koko Suomi kuuluu korkean radonpitoisuuden alueisiin, johtuen maaperän runsaasta uraanipitoisuudesta. Kansainvälisesti Suomen asuntojen radonpitoisuudet ovat korkeita, johtuen geologiasta, ilmastosta ja rakennustekniikasta. Graniittiset kivilaadut, joista Suomen hiekka- ja soraharjut koostuvat, sisältävät usein runsaasti uraania. Talvi aiheuttaa pintamaan jäätymisen ja samalla sulkeutuvat kanavat radonkaasulle, rakennusten alustat jäävät ainoiksi paikoiksi, mistä kaasu pääsee purkautumaan ulkoilmaan.
  • Tuulettuva alapohja on radonin torjunnan kannalta helpoin ratkaisu, mutta myös maanvaraisista laatoista saadaan turvallinen oikein rakennettuna, tiiveys, radonputki jne.
  • Rakennusmateriaalien mukana saattaa taloon tulla merkittäviä radonlähteitä, täytemaat, kapillaarikatkokset, salaojasora, betoni, ym. Lattialaatan betoni nostaa asunnon radonpitoisuutta, muun radonpitoisuuden lisäksi, jopa 30 Bq/m³. Lattialämmitystä varten valettu betonilaatta on talon sisätiloissa, siihen ei radonputkikaan auta, vaan ainoa keino on tehokas ilmanvaihto, jolla radon tuuletetaan ulos. Nimenomaan radonin torjunnan kannalta betoniin valetuissa lattialämmitys taloissa ei tulisi pienentää ilmanvaihtoa, varsinkaan pakkasilla, jolloin muutenkin ollaan alttiita korkealle radonpitoisuudelle. Radon on siis huomioitava rakentamisessa, ilmanvaihdossa ja asumistottumuksissa.
  • ”Tarpeenmukainen ilmanvaihto” antaa mahdollisuuden käyttää pienempiä ilmamääriä, kuin mitä rakentamismääräykset edellyttävät. Siinä kuitenkin mitataan CO₂-pitoisuutta tai kosteus-%:a, eivätkä nämä mitenkään korreloi radon-pitoisuutta, eivätkä muitakaan sisäilman epäpuhtauksia. Tehokas ilmanvaihto on tehokkain asunnon sisäilman epäpuhtauksien poistokeino, myös radonin, joten ilmanvaihdon pienentäminen on hyvin kyseenalaista säästöä.
  • Hyötysuhde: Rakentamismääräyksissä on määritelty lattialämmitysjärjestelmän hyötysuhteeksi vain 0.8. Tämä aiheutuu lähinnä jakotukeista ja runsaasta putkimäärästä, jotka tuhlaavat lämpöä paikkoihin, joita ei kuulu lämmittää. Ilmalämmityksen hyötysuhde on 1.

 

Edellä esitetyt ongelmat vältetään, kun asennetaan Ewarco-ilmanvaihtojärjestelmä:

Ewarco ilmanvaihtolämmitys sisältää sekä ilmanvaihdon, että lämmityksen

  1. Lämmön tuotto, Ewarco-järjestelmän mukaisesti:

Ewarco- järjestelmässä lämpö tuotetaan käyttäen aurinkolämpöä, passiivista maalämpöä, vastavirtaperiaatteella toimivaa lämmön talteenottoa, poistoilman lämpöä, joita vielä täydennetään lämpöpumpulla ja mahdollisesti tulisijalla, ym. On myös mahdollista täydentää järjestelmää Ewarco Boosterilla. Näistä lisää muissa yhteyksissä: Ewarco Maalämpö, Ewarco Solar ja Ewarco Boosteri.

Lämmön tuottoa havainnollistetaan laskentaesimerkin avulla. Tässä tarkastelussa jätetään aurinkolämmön vaikutus huomiotta, vaikka sellainenkin kohteeseen tulee.

Kohde on todellinen. Talo sijaitsee I-vyöhykkeellä, lämmitettävä pinta-ala on 150 m² ja ilmanvaihto on 60 L/s. Suuri osa käytettävistä lukuarvoista ovat suoraan kohteelle tehdystä energialaskelmista. Laskenta suoritetaan vuositasolla. Kohteen brutto-lämmitysenergian tarpeeksi on laskettu, (ilman minkäänlaista talteenottoa ja lämpökuormia) seuraavat vuotuiset lämmitysenergiamäärät:

  • Rakennus, tilojen lämmitys, vuoto ja johtuminen                         10 800 kWh
  • Ilmanvaihto                                                                                      9 500 kWh
  • Lämmin käyttövesi                                                                          4 200 kWh

                                                                              Yhteensä           24 500 kWh         

Ympyräkaaviolla havainnollistettuna:

   


Ilmanvaihdon lämmitys, ulkoilman lämmittäminen huonelämpötilaan

Kun huomioidaan passiivinen maalämpö ja vastavirta-LTO, saadaan talteen otettua lämpöä vuodessa (nämä lämmöt ovat ilmaista energiaa):

  • Passiivinen maalämpö, kohdistuu ulkoilman lämmitykseen     3 100 kWh
  • Vastavirta LTO                                                                            6 060 kWh

                                                                       Yhteensä             9 160 kWh

Yllä olevat lämmöt kohdistuvat ilmanvaihtoon, tuloilman lämmitykseen.

  • Tarvittavasta lämmöstä, (ulkoilman lämmittäminen huonelämpötilaan) 9 500 kWh, saadaan 9 160 kWh ilmaisena talteen otettua lämpöenergiaa.

Tästä saadaan laskettua myös ilmanvaihdon vuosihyötysuhde: 9 160/9500=0.964 à 96.4 %.

  • LTO:n jälkeen jää ainoastaan 340 kWh:n vajaus tuloilman lämmittämisessä huonelämpötilaan. Tämä katetaan Ewarco-järjestelmässä lämpöpumpulla, jolloin todellinen, maksettava, energia jää lämpöpumpun kompressorin ottosähkön vaatimaksi energiaksi, mikä on n. 100 kWh/v (lämpökerroin 3.4).

Lämpöpumpun tuottamasta kokonaislämmöstä ainoastaan pieni osa kuluu tuloilman lämmittämiseksi huonelämpötilaan.

Muu osa lämpöpumpun tuotosta käytetään käyttöveden lämmittämiseen (varaajan lämmitys) ja tilojen lämmittämiseen, mikä tarkoittaa tuloilman lämmittämistä yli huonelämpötilan. Tämä vähentää rakennuksen muuta lämmitystarvetta ja lämmityskaudella lämmin tuloilma on paljon miellyttävämpää asukkaille.

Ilmanvaihdon lämmitys ympyräkaaviona esitettynä:

Ainoastaan lämpöpumpun käyttösähkö on maksettavaa energiaa (punainen sektori)! Muut sektorit ovat ilmaista energiaa! Ilmanvaitolaite ei jäädy kovillakaan pakkasilla, tämä on passiivisen maalämmön lyömätön etu!

Toisaalta passiivinen maalämpö nostaa myös poistoilman LTO:n jälkeistä lämpötilaa, mikä on lämpöpumpulle todella edullista. Kovillakin pakkasilla (- 26 °C) lämpöpumpulle tuleva ilma on n. +7 °C, josta lämpöpumppu kykenee ottamaan talteen runsaasti energiaa.

Jotta passiivinen maalämpö toimisi tehokkaasti, on järjestelmässä oltava lämpöpumppu, muuten hyöty jää vain noin puoleen teoreettisesta hyödystä.

Tilojen lämmitys:

  • Bruttoenergian tarve                                               10.800 kWh
  • Hyödynnettävät lämpökuormat                            – 5 300 kWh
  • Nettoenergiantarve                                                    5.500 kWh

Lämpökuormia ovat: Ikkunoista tuleva aurinkolämpö, ihmiset, kodin elektroniikka, valaistuksesta tuleva lämpö, laitteiden häviöt, yleensäkin asumisesta tuleva lämpö.

Nettoenergian tarpeesta valta-osa katetaan lämpöpumpulla.

Käyttöveden lämmitys:

  • Nettoenergian tarve                                                   4 200 kWh

Käyttöveden lämmityksen vaatima lämpö saadaan varaajaan suoraan lämpöpumpulla. Ewarco-laitteissa on vedenlämmitysominaisuus, jonka avulla saadaan aina lämmitettyä varaajaa.  

Lämpöpumpun lämmöntuotto ja -jako:

  • Ewarco-hybridilämpöpumpun lämmönlähteinä on useita elementtejä:
    • Poistoilman lämpö,
    • Maalämpö,
    • Aurinkolämpö,
    • Jätevesien lämpö.

Useista lämpöpumpun lämmönlähteistä johtuen, Ewarco käyttää lämpöpumpustaan nimitystä: Hybridilämpöpumppu.

Lämpimällä ilmalla Ewarco-lämpöpumppu on ilmalämpöpumppu, mutta ulkoilman viiletessä lämpöpumppu muuttaa luonnettaan maalämpöpumpuksi. Kovilla pakkasilla yli puolet lämpöpumpun lämmöstä on peräisin maalämmöstä.

  • Lämpöpumpun lämpö voidaan kohdistaa:
    • Pelkästään tuloilmaan
    • Tuloilmaan ja varaajaan
    • Pelkästään varaajaan
    • Tuloilman viilennystilanteessa lämpö kohdistetaan varaajaan, varaajan täyttyessä vaihdetaan viilennys maapiiriviilennykseen ja tarvittaessa viilennetään molemmilla.

Vuositasolla Ewarco-lämpöpumppu tuottaa enemmän lämpöä, kuin mikä on tarve. Käydessään koko ajan lämpöpumppu tuottaisi n. 19 000 kWh lämpöä (Danfoss SC 21 kompressori) ja kuluttaisi käyttösähköä n. 4800 kWh. Hybridilämpöpumpun lämmöntuotto (teho) on lähes vakio, se ei juurikaan heikkene kovillakaan pakkasilla nimenomaan passiivisen maalämmön ansiosta.

Kesällä lämpöpumppu käy ainoastaan kuuman käyttöveden tuottamiseksi ja on sammutettuna lopun ajan (mikäli ei ole tarve viilentää). Toisaalta, kovimmilla pakkasilla lämpöpumpun lämmöntuotto ei yksin riitä, vaan tarvitaan lisälämmitystä (Ewarco Boosteri, takka, sähkövastukset). Koska lämpöpumppu on pysähdyksissä osan ajasta ja toisaalta tarvitaan kovilla pakkasilla lisälämpöä, on tarkastelu havainnollisempaa suorittaa tehotarkasteluna:

Rakennuksen lämmitystehon tarve on energiatodistuksen mukaan 78.53 W/K, tästä saadaan huipputeho mitoituslämpötilassa (- 26 °C) on 3 600 W, josta vähennetään lämpökuormien vaikutus 350 W. Kohteen lämpökuormat aiheuttavat sen, että tilojen lämmitys alkaa vasta +10 C-asteessa.

Jotta kohteen vaatima lämmitys saadaan katettua tuloilman mukana tuodulla lämmöllä, täytyy tuloilmaa lämmittää lämpöpumpun lauhduttimen lisäksi muilla keinoilla.

Tähän Ewarco on kehittänyt järjestelmän, jolla tuloilman lämpötilaa nostetaan jälkilämmityspatterilla ja tarvittaessa käytetään lisäksi kierrätysilmaa. Jälkilämmityspatteri on vesikiertoinen ja sitä ohjataan huonetermostaatin avulla. Ewarco-järjestelmässä kierrätysilma kulkee myös jälkilämmityspatterin kautta ja näin saadaan enemmän lämpöä tuloilman mukana asuntoon.

Kierrätysilma otetaan esimerkiksi tulisijan yläpuolelta, jolloin saadaan tulisijan lämpö jaettua koko asuntoon, eikä muodostu paikallista liian kuumaa aluetta takan läheisyyteen. Ewarcon konstruktiossa myös kierrätysilma kulkee jälkilämmityspatterin kautta ja nostaa myös kierrätysilman lämpötilaa.

Esimerkissä tilojen lämmitystehon tarve, mitoituslämpötilassa -26 °C, on 3.6 kW ilman lämpökuormia, jolloin tuloilman lämpötilan täytyy olla 58.5 °C, tähän on huomioitu kierrätysilmaa 20 L/s. Lämpökuormat pienentävät tarvittavan tuloilman lämpötilan 54.7 C-asteeseen. Tässä laskelmassa ei ole huomioitu tulisijan suoraa lämmitystä, vaan kaikki lämpö on tuloilman tuomaa lämpöä.

Huom. Maksimi tuloilman lämpötila on rajoitettu 60 C-asteeksi, jotta tuloilman lämpötila ei olisi liian kuumaa!

Esimerkkikohde on hyvin eristetty ja jälkilämmityspatterin antama lisälämpö on riittävä, mutta useissa tapauksissa vaaditaan jälkilämmityspatterin lisäksi muuta lämpötehoa.

Tulisija on edullinen keino hoitaa lisälämmitys mutta, kovilla pakkasilla se myös sitoo asukkaan käyttämään tulisijaa. Koska mahdollisen lisälämmön tarve on kuitenkin lyhytaikaista ja tarvittava teho pieni, voidaan se vaihtoehtoisesti suorittaa suoralla sähkölämmityksellä esimerkiksi: Sähköpatterit, kattolämmitys, ikkunalämmitys jne. Mikäli kohteessa on isoja ikkunoita, on ikkunalämmitys myös mukavuussyistä suositeltavaa, jotta isot ikkunat eivät aiheuttaisi vedon tunnetta.

Tehokaavio:

Lämpöpumpun lämmöntuotto ja kompressorin käyttösähkön kulutus:

  • Käyttöveden lämmitys 4200 kWh saadaan kaikki lämpöpumpulla, joka kuluttaa lämpöpumpun käyttösähköä 1200 kWh.
  • Kesällä, lämpötila yli +10 °C, jolloin ei tarvita tilojen lämmitystä, lämpöpumppu käy ainoastaan käyttöveden lämmittämiseksi.
  • Osa-aikainen lämpöpumpun käyttö, lämpötila-alue +10 ̶   – 11 °C:
  • Tilojen lämmitys 4 305 kWh, vaatii lämpöpumpun käyttösähköä 1230 kWh
  • Tilojen lämmitysalue, alle – 11 C° vaatii 1 536 kWh, josta saadaan lämpöpumpulla 1 317 kWh ja lisälämmitystä tarvitaan 219 kWh.

Yhteenveto:

 

Ewarco ilmanvaihtolämmitys: ”Paras lämmitys ikinä”