Luo energiaa ilmasta – huoneilman kosteus pois yksinkertaisella kuivaimella

Näin syksyn tullen verannat ja kesämökit ovat melkoisen kosteita paikkoja. Varsinaista sähkölämmittämistä ei millään vielä viitsisi aloittaa. Voisiko ylimääräinen kosteus lähteä pois vähemmällä sähkönkulutuksella?

Verkosta löytyi mielenkiintoinen tee-se-itse-kuivainprojekti yksinkertaisilla kaupasta löytyvillä halvoilla osilla.[1]

Yksinkertainen laskutoimitus myös paljastaa yllättävän ominaisuuden: lämmityksen täydentäjänä käytettävä ilmankuivain lämmittää taloa enemmän kuin mitä se kuluttaa sähköenergiaa. Ja tämä siis ilmankuivauksen lisäksi.

En ole tätä itse testannut. Lisätään ikuisuusprojektilistaan.

Peltier-elementti

Peltier-elementti
Peltier-elementti (Kuva: Wikimedia)

Peltier-elementti on yksinkertainen kahdesta eri materiaalista muodostettu levy, joka siirtää lämpöä toisesta levystä toiseen, kun levyihin kytketään sähkövirta.[3]

Elementti ei siirrä yhtä paljon lämpötehoa kuin mitä se vie sähkötehoa. Elementtiä ei siis ole järkevää käyttää sähkölämmittimenä eli mikään lämpöpumppu se ei ole. Sen sijaan se on hiljainen pienitehoinen jäähdytin.

Käytännön elementtien tietoja löytyy viitteestä [2]. 60 – 100 W elementtejä löytyy eBaystä ja Alibaba expressistä muutaman dollarin hintaan. Sellainen saattaa löytyä mm. poisheitettävästä autojääkaapista sopivine virtalähteineen.

Ilmankosteuden poisto

Helpoiten veden saa pois ilmasta jäähdyttämällä ilmaa kastepisteen alapuolelle.

Jäähdytyselementti
Jäähdytyselementti (kuva: Wikimedia)

Projekti [1] kytkee Peltier-elementin kummallekin puolelle tietokoneista tutut jäähdytysritilät, isot kuumalle puolelle ja pieni kylmälle puolelle.(***)

Kylmä puoli jäähdytetään noin nolla-asteiseksi. Peltier-elementti siirtää kylmän puolen jäähdytysriman lämmön kuuman puolen jäähdytysrimoihin. Silloin kylmään jäähdytysrimaan alkaa kondensoitua ilmasta vettä, ja kun vettä on kondensoitunut tarpeeksi, vesi alkaa tippua alla olevaan astiaan.

Ilman joutumista jäähdytysrimaan voi nopeuttaa tuulettimilla.

Siinä kaikki.

Sopiva kosteus

Kuiva ilma eristää lämpöä paljon paremmin kuin kostea. Tunnet olosi heti lämpimämmäksi, jos kosteutta ei ole liikaa. Jonkinlaisena rajana pidetään yleensä 60% suhteellista kosteutta, jonka yläpuolella ihminen tuntee olonsa aina epämiellyttäväksi.

Kun kosteaa ulkoilmaa tuodaan sisään, joskus se on niin kosteaa, ettei normaali sisälämmityskään riitä laskemaan suhteellista kosteutta 60% alapuolelle. Seuraavassa taulukossa on joitakin esimerkkejä rajoista, joiden yläpuolella sisäkosteus nousee 60% yläpuolelle.

Ulkolämpötila Ulkoilman suht. kosteus Sisälämpötila
> 5 C 100 % <13 C
8 C > 93 % <15 C
10 C 100 % <18 C
13,5 C 100 % 21,5 C
> 15 C 100 % <23 C

Esimerkiksi jos huonelämpötila on 21,5 astetta ja sinne tuodaan ulkoa sumuista (suhteellinen kosteus 100%) yli 13,5 asteista ilmaa, ilman suhteellinen kosteus ei sisällä lämmetessäänkään laske alle 60 %:n.

Kuinka paljon vettä pitää ottaa pois

Jos ilma on esimerkiksi tyypillisen syksyinen ja ilman lämpötila on 8 astetta ja suhteellinen kosteus ulkona 80%, kuinka suuri on ilman kosteus sisällä, jos ulkoilma tuodaan sellaisena sisään ja muuten lämmittämättömän asunnon ihmisten ruumiinlämpö ja normaali elämä lämmittää sisääntuodun ilman 15 asteeseen?

Laskutoimitus ei ole helppo, koska suhteellinen kosteus ei käyttäydy minkään helpon laskutoimituksen mukaan. Apuna joudutaan käyttämään laskinta tai taulukkoa. Tässä käytin apuna verkosta löytynyttä laskinta [4].

Ilmassa, jonka lämpötila on 8 astetta ja suhteellinen kosteus 80%, on vettä 5,5 grammaa kilossa.

Kun 5,5 grammaa vettä kilossa ilmaa tuodaan sisään ja ilma lämpenee 15-asteiseksi, sisäilman suhteellinen kosteus on 52%. Se on vielä siedettävää, mutta Suomessa optimaalisena pidetään huomattavasti pienempää kosteutta, 35-40%.(*) Jotta sisäilman suhteellinen kosteus laskee 40% tasolle, ilman lämpötilaa on nostettava tai sitten ilmaa on kuivattava.

Jos ilman lämpötilaa halutaan nostaa kunnes suhteellinen kosteus on 40%, ilmaa on lämmitettävä neljä astetta aina 19 asteiseksi asti. Eli aletaan lähestyä normaalia huoneenlämpöä ja tavallista lämmittämistä.

Jos kuitenkin pistetään lisää vaatetta päälle, ilman kuivaus kelpaa sisäilman tekemiseen miellyttäväksi. Pienessä huoneessa (3 kertaa 4 kertaa 2,5 metriä = 30 m³) viisitoista asteisen ilman suhteellisen kosteuden pudottamiseen 51%:sta 40%:iin riittää, että ilmasta otetaan pois puoli desilitraa vettä.

Jos ilma vaihtuu suositusten mukaisesti kerran kahdessa tunnissa, pienen huoneen ilmasta on saatava pois neljännesdesi vettä tunnissa. Kuusi desilitraa vuorokaudessa.

Suhteellinen kosteus ei saisi pudota alle 25%, joten kuivaus kannattaa lopettaa ajoissa.

Energian kulutus

Lähteissä ei valitettavasti ole niin tarkkoja tietoja, että energiankulutusta voisi arvioida kuin suunnilleen.

Mutta voimme pitää perustilanteena sitä, että asuntoa lämmitetään kunnes suhteellinen kosteus ja lämpötila yhdessä alkavat tuntua mukavalta.

Laite itsessään ei hukkaa energiaa, koska kaikki laitteeseen tuotu sähköenergia muuttuu lämmöksi. Tämän vuoksi jos kuivauksella saadaan sisäilma miellyttäväksi jo alemmassa lämpötilassa, energiaa ilmankuivaimen kanssa aina kuluu vähemmän kuin pelkällä lämmityksellä. Ilmankuivan vain yksinkertaisesti korvaa osan lämmityksestä – joissain tapauksissa jopa kokonaan.

Yllättäen ilmankuivain myös tuottaa energiaa ”ilmaiseksi”.

Vesihöyryn muuttuminen vedeksi vapauttaa energiaa kun vain pidetään huolta ettei tuo vesi haihdu takaisin ilmaan talon sisällä. Jos päivässä kerätään esimerkissä ollut kuusi desilitraa vettä, tiivistymisessä vapautuu 0,4 kWh:n edestä lämpöä. Kyseessä on sama energia päinvastaiseen suuntaan, mikä tarvitaan, kun kuusi desilitraa vettä höyrytetään vesikattilassa tyhjäksi liedellä.

Tiivistymisessä vapautuva energia pääasiassa lämmittää vedenkeräimen kylmäpuolta, joten Peltier-elementin on siirrettävä lämpö lämminpuolelle. Peltier-elementti tyypillisesti vaatii energiaa lähes kaksinkertaisesti siirrettyyn lämpöenergiaan nähden. 0,4 kWh lämpöenergian siirtäminen vaatii siis noin 0,8 kWh sähköä. Peltier-elementin tehon on oltava 33 W + häviöt.

Saamme siis 0,8 kWh sähköenergialla 1,2 kWh lämpöä ja kuivatuksen kaupan päälle.

Vuorokaudessa vedenkeräin kuluttaa sähköä alle kymmenellä sentillä. Kaikki tämä menee lämmitykseksi parantaen osaltaan sisäilman miellyttävyyttä.(**)

[1] http://www.rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/homemade_dehumidifier.htm
[2] http://www.mespek.fi/binary/file/-/id/3/fid/605/
[3] https://fi.wikipedia.org/wiki/Peltier-elementti
[4] http://www.lenntech.com/calculators/humidity/relative-humidity.htm

(*) Esimerkiksi Englannissa suositeltu suhteellinen kosteus on paljon korkeampi.

(**) Tämä laskelma ohitti pari melko merkityksetöntä yksityiskohtaa: lasketun tiivistysenergian lisäksi jonkin verran lämpöä syntyy ”jäähdyttämisestä” huoneen lämpöön. Kerätty vesi jossain vaiheessa siirretään ulos, jolloin asunto menettää lämpöenergiaa tuon veden ja ulkoilman lämpötilan erotuksen verran.

(***) Jäähdytinelementin ja Peltier-elementin väliin laitetaan silikonitahnaa lämmönjohtumisen parantamiseksi.

Kannattaako ruokaa tuottaa keinovalolla?

Yksi vihreistä ajatuksista, jonka kaikki tuntuvat keksineen yhtä aikaa, on tuottaa ihmisten tarvitsema ruoka tiiviisti pakatussa, esimerkiksi pystyyn rakennetussa kasvihuoneessa (vertical farm, [3]).

Lähinnä näin tuotetaan salaattia.

Kuulostaa hullulta tuottaa salaattia, jos tarkoitus on ruokkia kaupungillinen ihmisiä. Vitamiinipillereitä ja salaatteja on helppo tuoda keveinä kaupunkeihin ulkopuoleltakin. Energiaa sisältävä eli painava ruoka-aines kannattaisi tuottaa kaupungeissa lähellä ihmisiä, pienessä tilassa tai maan alla.

Vaikka viljelmän saisi pieneen tilaan, valon määrä auringosta ei siitä lisäänny. Valoa joudutaan lisäämään keinovalon avulla. Mitä sitten oikeasti tarkoittaisi se, että kaupunkilaisten tarvitsema ruoka viljeltäisiin keinovalolla?

Keinovaloviljelyn ergiatalouslaskelma antaa yllättäviä tuloksia. Tämäkään ajatus ei ole aivan niin kestävä kuin annetaan ymmärtää.

Paljonko energiaa ihminen tarvitsee ravinnosta?

Satakiloinen raskasta työtä tekevä mies tarvitsee vuorokaudessa noin 3000
kilokaloria, mikä on esimerkiksi sähköenergiaksi muutettuna 3,5 kWh,
35 sentillä sähköä.

Jotta tämä energia saadaan perunasta, tarvitaan kolme ja puoli kiloa perunaa päivässä.

Olisi tietysti terveellistä syödä päivän kalorit pelkästä salaatista, mutta salaattia pitäisi syödä 22 kiloa vuorokaudessa (salaatissa on 130 – 140 kcal/kg), mikä ei valitettavasti ole mahalaukkumme pienuuden vuoksi mahdollista.

Paljonko valon energiasta siirtyy kasviin?

Siitä, kuinka suuren osan valon energiasta kasvit saavat säästöön tuntuu olevan enemmän mielipiteitä kuin tutkimuksia. Lähteessä [1] viitataan hyötysuhteeseen 0,1 – 2%. Optimistit uskovat kymmeneen prosenttiin esimerkiksi geenimuunnellulla levällä ja täsmälleen oikeilla valon aallonpituuksilla.

Otetaan tässä tarkastelussa normaalitilanteeksi yksi prosentti ja optimistiseksi arvoksi 10 prosenttia.

Jos siis keinovalaistukseen käytetään esimerkiksi 100 kilowattituntia sähköä, siitä siirtyy ruokaan yhtä kilowattituntia vastaava määrä energiaa eli 860 kilokaloria. Ja optimistisesti kymmenen kertaa enemmän.

Paljonko päivän ruoan tuottaminen vaatii energiaa keinovalossa?

Jos kolme ja puoli kiloa perunaa tuotetaan keinovalolla yhden prosentin hyötysuhteella, yhden ihmisen päiväannos maksaa 35 euroa (35 senttiä * 100). Tämä päiväannoksen hinta pätee mihin tahansa keinovalolla tuotettuun kasvisruokaan, jonka hyötysuhde on 1%. Tässä ei ole muita kuluja kuin käytetty energia.

Jos hyötysuhde kasvaa kymmeneen prosenttiin, energiaa kuluu 3,5 eurolla
päivässä. Tämä on tällä hetkellä vielä kaukana tulevaisuudessa.

Mielenkiintoisia laskelmia on NASA:n dokumentissa [2], jossa suunnitellaan jatkuvaa ruoantuotantoa kuuasemalle.

Energia ei katoa, se muuttuu lämmöksi

Tärkeää on ymmärtää, ettei tässäkään prosessissa katoa energiaa. Kaikki se valoenergia, joka ei mene perunaan, menee lämmitykseen. Hukkaenergiaa voidaan Suomen 9,5 kuukauden lämmityskaudella käyttää talojen lämmitykseen.

Toisaalta ei se energia perunastakaan katoa. Lähes kaikki ihmisen syömä energia muuttuu lämmöksi. Sisätiloissa pysyttelevä ihminen on lämmitin, joka polttaa ravintoa. Asuntojen lämmitystä voidaan pienentää täsmälleen ravinnon energiamäärän verran.

Yhden ihmisen ruoantuotanto kuin kaksi sähkökiuasta

Yhden ihmisen päivittäisen kasvisruoan tuottaminen keinovalolla 1% hyötysuhteella tuottaa lämmitykseen 350 kWh ”ohimennyttä valoa” päivässä (100*3000 kcal).

Tämä vastaa jatkuvaa lämmitystehoa 14,6 kW eli kahta saunan kiuasta täysillä.

Kymmenenkin prosentin hyötysuhteella tätä hukkatehoa tulee 1,5 kW, millä lämmittää yhden ihmisen asumuksen pahimpia pakkasia lukuunottamatta.

[1] http://www.quora.com/How-much-energy-does-it-take-to-grow-a-kilogram-of-potatoes-indoors
[2] http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19880002888.pdf
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_farming

Oikea tapa laskea uusiutuvan energian tuotanto asuntojen tarpeisiin: yksi ihminen kuluttaa asumiseen yhden kilowatin

Kuva: Flicr / Hiroshi Ishii, CC BY

Usein, kun puhutaan uudistuvasta energiasta kuten tuuli- ja aurinkoenergiasta esiintyy mystinen laskentayksikkö ”kuinka monen asunnon tarpeisiin”.

Ensinnäkin tietysti kumpikaan energiantuotantomenetelmä ei kelpaa yhdenkään suomalaisen asunnon sähköntuotantoon yksin, koska niiden tuotanto on satunnaista, kenelläkään ei ole mahdollisuutta varastoida sähköä, eivätkä ne kunnolla edes kompensoi toistensa puutetta (ks. [1]). Mutta unohdetaan tämä pikkujuttu tässä laskelmassa.

Asuntolaskelmassa viitattu asunto on joskus rivitaloasunto, mutta useimmiten kyseessä on kaukolämmössä oleva kerrostaloyksiö. Se, mitä keskivertomummon muutamalla 40 watin kattolampulla ja jääkaapilla on tekemistä keskimääräisen lämmitettävän suomalaisen asunnon tyypillisellä energiankulutuksella on aika vähän.

Paljon parempi mittari on se, kuinka paljon energiaa ihminen oikeasti tarvitsee asumiseen ja kuinka monen ihmisen asuminen katetaan voimalaitoksen tuotolla. Tämä on yllättävän helppoa laskea. Ja vastaus on yksi kilowatti henkeä kohden.

Keskimääräisellä suomalaisella on käytettävissään neljäkymmentä neliötä asuntoa. Tämä on tilastofakta [2].

Asuminen vie sekin hyvin ennustettavan määrän energiaa vuodessa neliötä kohden.[3] Kaikkein pahin ennen vuotta 1970 rakennettu talo kuluttaa kaikkineen (lämmitys, talotekniikka, lämmin vesi, kotitaloussähkö) 350 kWh/m² vuodessa. Kaikkein pihein passiivitalo kuluttaa 60 kWh/m² vuodessa. Aivan valtavassa enemmistössä Suomessa olevista taloista asuminen kuluttaa korkeintaan noin 200 kWh/m²/vuosi. Voimme pitää sitä erittäin hyvänä keskiarvona, jonka virhe on enintään joitakin kymmeniä prosentteja.

Tämä siis tarkoittaa, että yksi ihminen kuluttaa asumiseen 8000 kWh/vuodessa. Tällä ylläpidetään tämän ihmisen vaatima 40 neliömetrin tila, estetään sen tuhoutuminen kosteusvaurioihin, lämmin suihku ja erilaiset sähköhärvelit.

Vuodessa on 8766 tuntia, eli

yhden ihmisen asumiseen kuluttama teho = 8000 kWh / 8766 h = 912 W ≈ 1kW

Yksi ihminen kuluttaa asumiseensa joka hetki yhden kilowatin.

Tämänhetkisellä sähkön hinnalla tämä maksaa kymmenen senttiä tunnissa, 900 euroa vuodessa.

Jos siis mietimme esimerkiksi

  • 2 MW jättikokoinen tuuliturbiini täysillä ollessaan tuottaa sähkön 2000 ihmisen asumiseen
  • 2 kW aurinkopaneelisto (noin 13 m², [4]) tuottaa parhaalla auringonpaisteella sähkön kahden ihmisen asumiseen (mutta tuotanto ja kulutus eivät kohtaa)
  • Tätä kirjoitettaessa tuulivoimaa tuotetaan Suomessa Fingridin tilannekuvan mukaan mukavasti 107 MW. Tämä tuottaa tarpeeksi energiaa 107000 ihmisen asumiseen (eli noin Suomen kahdeksanneksi suurimman kaupungin Kuopion asukkaiden asumistarpeisiin). Tämä on noin 2% Suomen asukkaista.

Ns. kotitaloussähkö ei ole ihmisen asumisen energiankulutuksesta Suomessa kuin 10-20%.[3] Ei siis ole realistista säästää energiankulutuksessa siitä, varsinkin koska suurin osa kotitaloussähköstä muuttuu perimmiltään lämmöksi ja vähentää varsinaisen lämmitysenergian tarvetta.

Edellä lasketun asumiskulutuksen lisäksi tulevat liikenne, kauppa, teollisuus ja muut työpaikat.

Jos ihminen haluaa tinkiä energiankulutuksestaan, merkittävin tapa on vähentää asumisneliöitä. Mikäli asumisenergiankulutuksesta tingitään, tämä johtaa asuntojen tuhoutumiseen hyvin nopeasti kosteusvaurioihin. Asumisenergiankulutuksen osakulutukset (lämmitys/viilennys, talotekniikka, lämmin vesi, sähkölaitteet) ovat toisistaan riippuvaisia, ja yhdestä tinkiminen tarkoittaa toisen kulutuksen kasvua.

[1] http://www.sahkolamppu.com/2014/06/aurinko-tuuli-kaksi-kolmasosaa.html
[2] http://www.stat.fi/til/asas/2008/asas_2008_2009-12-15_kat_001_fi.htmlhttp://www.stat.fi/til/asas/2013/asas_2013_2014-05-21_tau_003_fi.html
[3] http://www.vtt.fi/liitetiedostot/cluster5_metsa_kemia_ymparisto/Nieminen.pdf
[4] http://www.yinglisolar.com/assets/uploads/products/downloads/YGE_60_Cell_Series_EN.pdf