Sulanapito ilmalämpöpumpulla ei kannata

Ilmalämpöpumppuja hankitaan yhä enemmän kesämökkien sulanapitoon sähkölämmityksen tueksi. Myyjien lupaukset jopa 50% säästöistä ja riippumattomat tutkimustulokset mukavan korkeista lämpökertoimista kannustavat hankintaan, jonka takaisinmaksuajaksi on helppo laskea vain muutama vuosi. Etelä-ja Keski-Suomessa vuositason lämpökerroin ilmalämpöpumpulle on normaalikäytössä noin 2.2, eli pumppu tuottaa lämpöenergiaa 2.2-kertaisesti verrattuna käyttämäänsä sähköenergiaan vuoden aikana.

Sulanapitokäytössä laskelmiin sisältyy kuitenkin paha sudenkuoppa, joka on ilmalämpöpumpun korkea ylläpitolämpötila (matalin mahdollinen sisälämpötila). Koska ilmalämpöpumpun täytyy pystyä säännöllisesti sulattamaan itsensä, valmistaja asettaa alimmaksi mahdolliseksi sisälämpötilaksi yleensä +10 astetta. Tämän lämpöisestä ilmasta saadaan riittävän varmasti ulkoyksikön höyrystimen sulattamiseen vaadittava lämpö kovilla pakkasillakin.

Rakennuksen sulana pitämiseen riittäisi kuitenkin mainiosti vaikkapa +0.5 asteen ylläpitolämpötila, mutta suositeltavampana pidetään yleensä +5 astetta, jolloin ilman kastepiste alittuu vain harvoin ja termostaattien epätarkkuudet tai pattereiden sijoittelusta johtuvat lämpötilaerot eivät vahingossakaan päästä lämpötilaa jäätymispisteen alapuolelle missään nurkassakaan. 

Viiden asteen ero ei vaikuta suurelta, mutta kun todetaan, että Etelä- ja Keski-Suomessa lämmityskauden (15.9.-15.5.) keskilämpötila on noin 0 astetta, tilanne muuttuu. Keskimääräinen lämpövirta lämmityskauden aikana +10 asteessa pidetystä talosta ulkoilmaan on suuruusluokaltaan noin kaksinkertainen verrattuna tilanteeseen, jossa rakennus pidetään + 5 asteessa. (On toki huomattava, että lämpöpumpun ja sähköpatterin lämmityskaudet ovat erilaiset, sillä sähköpatteri ei lämmitä silloin kun lämpötila on yli sen asetusarvon. Esim. YM:n Etelä-Suomen pysyvyysdatassa tuntien, jolloin lämpötila on alle +5, lämpötilakeskiarvo on -2 astetta, joten sähköpattereilla lämpötilaa nostetaan keskim. 7 astetta. Toisaalta tunteja on vähemmän. Lämmitystarvelukujen suhde on noin 0,55).   Myös ero lämmitysenergian tarpeessa on samaa luokkaa, mahdollisesti jopa isompi, sillä ajanhetkiä, jolloin lämpötila on isompi kuin +5 esiintyy luonnollisesti enemmän kuin ajanhetkiä, jolloin lämpötila on yli +10.

Keskimääräisellä vuosilämpökertoimella Ilmalämpöpumpulla pystytään tuottamaan +10 asteeseen tarvittava lämmitysenergia siis vain hieman pienemmällä sähköenergialla kuin mikä tarvittaisiin rakennuksen pitämiseen suoralla sähkölämmityksellä +5:ssä. Kun huomioidaan lisäksi se, että pumppu ei pysty yleensä tuottamaan kaikkea tarvittavaa lämmitystehoa, pumpun hyöty muuttuu entistä marginaalisemmaksi.

Jos sulana pitämiseen menee vaikkapa 10.000 kWh vuodessa, on ilmalämpöpumpun teoreettinen vuosisäästö luokkaa 1000 kWh eli noin 150 euroa. 2000 euron laitteen takaisinmaksuaika on huimat 13 vuotta – enemmän kuin laitteen todennäköinen elinikä. Käytännössä ilmalämpöpumpulla tuskin saavutetaan edes tätä laskennallista tulosta. Mikäli ilmalämpöpumpulla kyetään tuottamaan vain osa lämitystehontarpeesta, säästö putoaa kymppeihin vuodessa.

Mikäli lämmityskauden keskilämpötila on matalampi (esim. Pohjois-Suomessa), ero on hieman suurempi. Mikäli mökillä oleillaan paljon lämmityskauden aikana, ero pysyy suurempana, koska sisälämpötila on pidettävä joka tapauksessa korkeampana. Laskelmaan vaikuttaa myös se, että ilmalämpöpumpun apuna toimiva sähkölämmitys ei pidä lämpötilaa +10:ssä, vaan toteutuva sisälämpötila on jossain +5:n ja 10:n välissä, jolloin yhtäältä lämpövirta ulos pienenee mutta toisaalta sulatussykli pitenee ja tehollinen COP pienenee.

Johtopäätös on kuitenkin selkeä: yleisesti ottaen ilmalämpöpumppu pelkässä sulanapitokäytössä ei todennäköisesti kannata ja syynä on sen liian korkea ylläpitolämpötila.

Coriolisvoima ja tosituulen kiertyminen

Taannoin kun purjehdin kilpaa, kävimme miehistössä tiukkaakin sanailua siitä, miksi joskus eri halsseilla tarvittiin erilaiset säädöt purjeisiin. Tarjosin selitykseksi Coriolisvoimaa, mutta sitä ei purematta nielty. Joulun aikaan oli aikaa ajatella asiaa enemmän. Tässä joitakin ajatuksia.

Mikä on Coriolisvoima?

Kun massa kulkee koordinaatistossa, joka ei ole kiihtyvässä liikkeessä, sen liikettä määrittävät vain siihen kohdistuvat voimat; Newtonin toisen lain mukaan F=ma eli voima on massa kertaa kiihtyvyys (tai informatiivisemmin a=F/m eli massan kokema kiihtyvyys riippuu kappaleeseen vaikuttavasta voimasta ja sen massasta.)

Kiihtyvässä liikkeessä olevassa ei-inertiaalikoordinaatistossa kappaleen liikkeen kuvauksessa on huomioitava myös koordinaatiston liiketilasta syntyvät kiihtyvyydet. Samassa koordinaatistossa oleva havaitsija, joka kuvittelee koordinaatiston inertiaaliseksi ja havaitsee nämä kiihtyvyydet, ajattelee niiden olevan joidenkin kuvitteellisten voimien aikaansaannosta.

Pyörivä koordinaatisto on kiihtyvässä liikkeessä. Pyörivässä koordinaatistossa esiintyy kaksi kuvitteellista voimaa: sentripetaalivoima pyörimisen säteen suunnassa ja Coriolisvoima pyörimisen tangentin suunnassa. Pyörivän pallon pinnalla on olemassa lisäksi ns. Eötvös-vaikutus so. Coriolisilmiön aikaansaama pystysuora (maan tangenttitason normaalin suuntainen) voimavaikutus tiettyihin suuntiin liikkuville kappaleille.

Kappaleeseen pyörivässä koordinaatistossa vaikuttavan Coriolisvoiman suuruus riippuu kappaleen nopeudesta ja koordinaatiston pyörimisnopeudesta. Kun leveyspiiri on vakio, riippuvuus on lineaarinen. Coriolisvoima on kohtisuora nopeutta vasten ja se pyrkii pohjoisella pallonpuoliskolla kiertämään tuulta oikealle. Coriolisvoima ei riipu tarkastelumittakaavasta, kuten maston korkeudesta, kuten usein väärin luullaan. Kun tuuli puhaltaa maston huipussa 10 m/s, siihen vaikuttaa Coriolisvoima C1. Jos tuuli alempana on 5 m/s, siihen vaikuttaa Coriolisvoima C2, ja C1=2 x C2.

Ilmahiukkanen tuulessa

Korkea- tai matalapaine saa aikaan tuulen. Ilmahiukkaseen vaikuttaa vaakatasossa neljä voimaa ja pystytasossa kolme:

·         Vaakatasossa painegradienttivoima, Coriolisvoima, kitkavoima (pystysekoitus) ja virtauksen kaarevuudesta riippuva sentrifugaalivoima

o   Painegradienttivoima syntyy paine-erosta ilmakehässä. Voima on kohtisuora isobaareja vasten ja se pyrkii vetämään ilmahiukkasta alempaan paineeseen.

o   Coriolisvoima, kuten selostettu edellä.

o   jos ilmavirtaus eri korkeuksilla on samansuuntaista, kitkavoima on vastakkaissuuntainen nopeuden kanssa. Mikäli virtaukset ovat eri suuntaisia, kitkavoima suuntautuu lisäksi niin että se pyrkii saamaan virtaukset samansuuntaisiksi. Pienessä mittakaavassa tärkeä kitkavoimamekanismi on ns. pystysekoitus. Siinä Maapallon pinnan lämpenemisen takia ilmakerrokset sekoittuvat sekoittaen lämpötilan lisäksi myös liikemäärää. Kun virtaukset eri kerroksissa ovat lisäksi eri suuntaisia, muiden kerrosten virtaukset pyrkivät kääntämään tietyn kerroksen nopeutta itsensä suuntaiseksi.

o   Sentrifugaalivoima johtuu ilmahiukkasen halusta jatkaa liikettään vakionopeudella tuulen kaareutuessa. Se on Coriolisvoiman kanssa yhdensuuntainen

·         Pystytasossa hydrostaattinen noste ja painovoima sekä edellä mainittu Eötvös-vaikutus

o   Painovoima pyrkii vetämään ilmahiukkasta alaspäin

o   Hydrostaattinen noste syntyy ilmahiukkasen naapurihiukkasista, jotka estävät hiukkasen vajoamisen painovoiman mukana. Ympäristöään lämpimämpi hiukkanen pyrkii nousemaan ylöspäin ja ympäristöään viileämpi pyrkii painuu alaspäin. Eri stabiilisuusolosuhteissa ilmahiukkaset kulkevat ylöspäin tai alaspäin, mutta keskimäärin noste kumoaa painovoiman vaikutuksen.

o   Eötvös-vaikutus saa aikaan sen, että itään päin liikkuva massa pyrkii nousemaan ja länteen päin liikkuva massa pyrkii painumaan alaspäin. Pohjois-etelä -suunnassa liikkuvalle massalle vaikutusta ei ole.

Mesoskaalassa oleellisimmat voimat ovat painegradienttivoima, Coriolisvoima ja kitkavoima. Pienessä mittakaavassa myös muilla voimilla saattaa olla merkitystä.

Analyysi

jos muita voimia ei olisi tai ne kumoaisivat toisensa, Coriolisvoima saisi liikkuvat ilmahiukkaset kulkemaan vakionopeudella ns. inertiaaliympyrää, jonka säde on R=v/f, jossa v on hitusen nopeus, f on Coriolisparameteri 2Wsinf (W on Maapallon pyörimisnopeus ja f leveyspiiri). Inertiaaliympyrä kiertää pohjoisella pallonpuoliskolla myötäpäivään. Suomenlahdella f on noin 0.00013. Inertiaaliympyrän säde tuulennopeudelle 10 m/s on siis noin 80 km. Tuulennopeudelle 5 m/s säde on 40 km eli puolet vähemmän, ja nopeudelle 2.5 m/s vastaavasti 20 km.

Voimme karkeasti arvioida miten pitkiä suurin piirtein inertiaaliympyröiden kaarten pitää olla jotta alamme nähdä tuulen suunnassa muutoksia. Jos kuljemme säteeltään 20 km olevan ympyrän kehää muutaman kilometrin ja kaverimme kulkee säteeltään 80 km olevan ympyrän kehää muutaman kilometrin, huomaamme että nenämme osoittavat eri suuntiin. Jotta siis havaitsisimme esimerkiksi 5 asteen kiertymän 10 m/s ja 2.5 m/s tuulten välillä muiden voimien kumotessa toisensa tai ollessa nollia voimme arvioida että inertiaaliympyrän kaarenpituuden so. ilmiön mittakaavan tulee olla useita kilometrejä. Toisaalta kymmenien asteiden kiertymiä ei ole tietääkseni havaittu, joten ilmiön mittakaava ei ole kymmeniä kilometrejä. Kyse on siis paikallisesta ilmiöstä.

Miksi emme sitten havaitse tosituulen kiertymistä aina? Arvioin, että vastaus johtuu kolmesta syystä: 1) tuulessa ei ole aina pystynopeusjakaumaa. 2) kun nopeusjakaumaa on, Coriolis-voiman lisäksi ilmahiukkaseen vaikuttavat myös muut voimat, erityisesti painegradienttivoima ja kitkavoimat. Kun nämä voimat muuttuvat tai puuttuvat, tuuli kiertyy. 3) Ilmiö havaitaan purjeista. Tarkastellaan näitä kutakin erikseen.

1. Tuulessa ei ole aina pystynopeusjakaumaa.

On ilmeistä, että tällöin ei ole myöskään eroa Coriolisvoimassa. Tosituulen nopeusjakauma on välttämätön ehto tosituulen kiertymiselle.

2 Mitä jos muut vaikuttavat voimat puuttuvat tai muuttuvat?

2A. Oletetaan, että painegradienttivoima pienenee tai häviää, ja ilma liikkuu inertian voimasta.

Tällöin nopeammin kulkevat ilmahituset ylätuulessa alkavat hidastua ja kääntyvät Coriolisvoiman vaikutuksesta oikealle. Alatuulen ilmahituset hidastuvat niin ikään ja kiertyvät heikommin oikealle. Lopputuloksena hiljenevä tuuli kiertyy siten, että se näyttää kokonaisuutena tulevan hieman enemmän oikealta, mutta alatuuli tulee enemmän vasemmalta.

Painegradienttivoima häviää esim. silloin kun matalapaine täyttyy tai sää muuttuu ja syntyy esim. alkuperäistä painegradienttivoimaa kumoava voima. Myös merituulen käynnistyminen on tällainen tilanne. Blogikirjoituksissa (esim. http://www.fe83.org//docs/purjehtiminen/vauhtiseminaari/VSsaa.pdf)  on ennakoitu juuri mm. merituulen alkamista ja sään muuttumista sillä, että tosituuleen tulee kierrettä.

2B. Oletetaan että kitkavoimat ovat pieniä

Kun pystysekoitusta ei ole, ilmavirtaukset eri korkeuksilla ovat kytkeytyneet heikosti toisiinsa ja nopeuserot tuulessa suuria. Kitkavoimat eivät nyt estä tuulikerrosten kiertymistä toisiinsa nähden. Hitaampi alatuuli kiertyy vasemmalle.

Edellytys pystysekoituksen vähyydelle ovat kylmä meri ja vähäinen auringon lämmitys. Jokainen aikaisin keväällä purjehtinut ja erityisesti Suursaaren kiertänyt tietää, miten kylmällä merellä luovilla windex saattaa näyttää hyvin mystiseen suuntaan pitkiä aikoja.

Olisiko jopa mahdollista, että länsituulilla tuulen kiertymistä tapahtuu enemmän kuin itätuulilla? Tällöin syynä saattaisi olla Eötvös-efekti, joka nostaa nopeammin virtaavaa yläilmaa hiukan enemmän kuin alailmaa ja näin osaltaan vähentää ilmakerrosten kytkentää ja sallii kiertymisen.

3. Ilmiön havaitsemisen ongelma

Kun tuuli on hiljainen ja siinä on iso nopeusjakauma, purjeiden alaosa ei vedä. Kaikki eteenpäin vievä voima syntyy purjeen yläosassa ja alaosan poikkeavaan trimmitarpeeseen ei kiinnitetä huomiota. Toisaalta ilmiö havaitaan yleensä vain tiukalla luovilla. Hiljaisella tuulella nousukulmaa ei seurata yhtä paljon kuin venevauhtia. Ilmiö voi siis olla olemassa, mutta sitä ei havaita.

Kovalla tuulella luovin fokus ei ole optimaalisessa nousukulmassa vaan veneen pitämisessä pystyssä ja riittävän eteenpäin vievän voiman tuottamisessa. Kovalla tuulella myös nopeusjakauma ja itse ilmiö ovat pienempiä. Ilmiö on pienempi eikä sitä välttämättä havaita.

Tämän pienen analyysin pohjalta uskallan väittää, että jos tosituulessa havaitaan kiertymää, Coriolisvoima on aiheuttamassa sitä.