Urheilupaikkojen integroidut lämmitys- ja jäähdytystekniset ratkaisut

Tutkimuksessa selvitettiin urheilupaikkojen jäähdytyksen ja lämmön tuotannon integrointimahdollisuutta sekä hiilidioksidin käyttöä jäähdytyksen siirrossa ja lämpöpumpun jaksollisen ajotavan käyttöä jäähdytyksen ja lämmön tuotannossa varastosäiliöiden avulla. Höyrystyvän hiilidioksidin lämmönsiirtokerroin on suuri, ja lämmönsiirtokapasiteetti eli tiettyyn jäähdytystehoon tarvittava massavirta jää pieneksi. Lisäksi viskositeetti on pieni, mikä pienentää siirtopainehäviöitä ja siten mahdollistaa pienempien putkikokojen käytön. Tämä puolestaan vähentää järjestelmän investointikustannuksia ja tilavaatimuksia putkien osalta. Tehokkaan lämmönsiirron takia voidaan jäähdytyskoneiston höyrystymislämpötila pitää korkeammalla, mikä pienentää energiankulutusta. Urheilupaikkojen energiankulutuksien laskentaa varten luotiin simulointimalli, joka koostuu osamalleista kuten kompressorikoneisto (lämpöpumppu) ja lämmön sekä kylmän käyttökohteet. Jäähdytyskoneisto on jaettu komponentteihin: kompressori, tulistuksen jäähdytin, lauhdutin, alijäähdytin ja höyrystin. CO2-putkiston mitoitusta ja kustannuksia tarkasteltiin verkostomallilla. Painehäviö, pumppausteho sekä kompressorin sähkönkulutus riippuvat putkien halkaisijoista ja kertavastuksista. Kompressorin sähkönkulutus lisääntyy painehäviön kasvaessa, koska CO2-säiliön paine laskee. CO2-lämmönsiirron laskentaan kehitettiin verkkolaskentamalli, jota on aiemmin käytetty hiilidioksidia siirtoaineena käyttävän kaukojäähdytysverkon simulointiin. Laskentamallia kehitettiin pienputkiverkon simulointiin ja siihen lisättiin osio, jossa virtauksen tila muuttuu merkittävästi kuten esimerkiksi hiihtoputken latuputkistossa. Vahterus Ringin hiihtoputki Uudessakaupungissa oli tutkimuksen mittauskohde. Hiihtoputki on maan päälle elementeistä rakennettu 1 000 metriä pitkä ja 5 metriä leveä putki, jossa on korkeuseroa 7 metriä. Hiilidioksidi toimii lämmönsiirron väliaineena sekä latuputkissa että ilman jäähdytysverkostossa. Varsinainen kylmäkone toimii ammoniakilla. Järjestelmän mitoitusjäähdytysteho on 400 kW, joka on jaettu siten, että 350 kW (87,5 %) tarvitaan ilmapattereissa ja 50 kW (21,5 %) maaputkistossa. Ilmapattereita on 1 000 metrin hiihtoputkessa 20 kpl ja latuputkistoa 2 lenkkiä, joissa molemmissa on rinnakkain 20 kpl 514 metrin putkea. Hiihtoputken vieressä kiertää "kuntoputki", jota käytetään lenkkeilyyn sekä rullaluisteluun ja -hiihtoon. Kuntoputkea lämmitetään kylmäkoneen lauhdelämmöllä glykolikierrolla. Hiihtoputkijärjestelmästä kerättiin mittausdataa, jonka perusteella selvitettiin järjestelmän toimintaa. Suurin mielenkiinto kohdistui CO2-kiertoon. Kiinteistövalvontajärjestelmän kautta saatiin tietoja kiinteistöhuollollisista muuttujista, kuten lämpötiloista ja kosteuksista. Kompressorien ohjausjärjestelmästä saatiin tietoa jäähdytyskoneiston lämpötiloista ja paineista. Tehosta saatiin arvio kompressorin paineiden sekä kierrosnopeuden perusteella. Massavirran määrittämiseksi hiilidioksidin menoputkeen asennettiin mittalaippa ja paine-erolähetin. Paine-eron perusteella määritettiin CO2:n massavirtaus. Hiihtoputken ilman lämpötila pysytteli melko tarkasti 0 °C:n tuntumassa suuremmin riippumatta ulkolämpötilasta. Latupohjan lämpötila oli hieman alempana, noin -3 °C:ssa. Hiilidioksidiputket ovat eristämättömät, ja käytön aikana niiden päälle on kertynyt paksu jää- ja huurrekerros, joka toimii eristeenä. Hiilidioksidijäähdytystä verrattiin myös glykolikiertoiseen jäähdytykseen. Merkittävimmät erot hiihtoputken jäähdytysjärjestelmässä ovat suuremmat putkikoot sekä niiden eristämisen välttämättömyys. Glykoliliuoksen käyttö johtaa isompiin lämmönsiirtimiin ilmapattereissa. Lisäksi latuputkistoa ei voida toteuttaa kahtena lenkkinä hiilidioksidiratkaisun tapaan vaan useampana putkiryhmänä, jotta lämpötilaero lumikerroksen ja putkissa virtaavan glykoliliuoksen välillä saadaan pysymään riittävän suurena. Hiilidioksidilla lämpö sitoutuu virtaukseen hiilidioksidin höyrystyessä, joten lämpötila pysyy lähes samana ja käytännössä laskee paineen mukana. Aluejäähdytyksen tuotanto voidaan toteuttaa kompressori- tai absorptiojäähdytyksellä. Hiilidioksidia lämmönsiirtoaineena käyttävä jakelu vaatii putkistolta normaalia kaukojäähdytysputkea suurempaa paineenkestävyyttä, koska hiilidioksidin painetaso on noin 40 bar. Hiilidioksidikiertoa rajoittavana tekijänä onkin sisäisen jakeluputkiston lämmönsiirtoaineen jäätymispiste. Alhaisimmillaan tulevan hiilidioksidin lämpötila saisi olla 3-4 ºC tätä korkeammalla. Kuluttajalla höyrystyy säädetty määrä virtauksesta, ja paluuputkissa vallitsee kaksifaasivirtaus. Lämpöpumpun jaksollisessa ajotavassa lämpöpumpun kompressori käy jatkuvasti, mutta paine-ero kompressorin yli vaihtelee. Tämä saadaan aikaan muuttamalla höyrystimeen tulevan lämmönlähteen lämpötilaa. Vastaavasti muutellaan lauhdutinpuolen jäähdytysveden lämpötilaa jaksottaisesti ja saadaan aikaan samanlainen vaikutus lämmityspuolella. Idean toimivuuden kokeilemiseksi rakennettiin koelaitteisto. Koelaitokseen hankittiin standardilämpöpumppu, jonka nimellislämpöteho on 7,5 kW ja kompressoriteho on 2,5 kW. Kylmäaineena käytettiin R407C-seosta. Lämpötilan muutokset saatiin aikaan kuudella muovisäiliöllä, jotka oli jaettu kahteen ryhmään. Jäähdytyspuolen säiliöissä kiersi jäähdytysverkon vesi ja lämmityspuolen säiliöissä vastaavasti lämmitysverkon vesi. Jaksollinen ajotapa oli tuloksen perusteella tehokkaampi kuin jatkuva ajotapa.