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.

Kannattaisiko ilmastoinnin tuloilma johtaa maan alta?

Katselin urakalla parikymmentä Green Touch -ohjelmaa. Kyseessä on ranskalainen viherrakentamisohjelma, joita tulee AVA-kanavalta viidentoista minuutin täytepätkinä.(*)

Sarja on uskomattoman kevyt jopa verrattuna aikaisemmin toiselta kanavalta tulleeseen viherrakentamisohjelmaan – jonka nimen olen unohtanut. Paristakymmenestä katsomastani jaksosta jäi mieleen yksi (1) idea, jota voisi tutkia. Muut ovat epäkäytännöllisiä, käyttökelvottomia Suomessa tai muuten vain pelkkää lifestyle-hypetystä.

Tämä mahdollinen idea oli ranskalaista uusittua kaupunkitaloa esittelevässä jaksossa. Taloon tuleva sisäilma otettiin pihan peränurkassa olevasta pikkutornista ja se johdettiin taloon pihan alta tulevaa putkea pitkin.

Maan alta kulkiessaan sisäänottoilma muuttuu maan lämpöiseksi tai ainakin lähemmäksi sitä. Talvella ilma muuttuu lämpimämmäksi ja kesällä kylmemmäksi. Sisälämpötilan ylläpitäminen ihanteellisena muuttuu hiukan edullisemmaksi.

Toimisiko tuo Suomessa ja olisiko siinä ideaa?

Internetistä löytyi pitkäaikaiset maan lämpötilakeskiarvot yhdelle paikkakunnalle: Evon tutkimusasemalle, joka on noin Hämeenlinnan ja Lahden puolivälissä.[1] Maan kuukausilämmöt on kopioitu oheiseen kuvaajaan 50 ja 200 cm sysvyyksissä. Lisäksi Norjan meteorologian laitokselta on etsitty lähimmän sääaseman keskilämmöt (Jämsän Halli) [2] (turha etsiä Suomen veronmaksajien kustantamasta ilmatieteen palatsista).

Maan lämpötila 200 cm ja 50 cm syvyydessä ja ilman lämpötila.
Tiedot Evon tutkimusasemalta [1],

Näiden kuvaajien mukaan Etelä-Suomessa on neljä kuukautta, jolloin on selvästi lämmityskausi ja maa lämmittäisi ulkoilmaa. Näinä kuukausina ilman lämmittäminen maan sisässä kulkevassa putkessa selvästi kannattaa.

Kesällä kesä-, heinä- ja elokuussa ei yleensä tarvita lämmitystä ja helteellä maa viilentää mukavasti sisään tulevaa ilmaa. Tosin tarkkaan ottaen Suomessa noista kolmesta kuukaudesta puolikas kuuluu vielä lämmityskauteen ja nolla-asteinen sisään tuleva ilma voisi olla vielä kesäkuussa aika jäätävää.

Sitten on vielä viisi kuukautta, jolloin todennäköisesti ei kannattaisi käyttää maan alta tulevaa ilmaa. Kolme kuukautta ovat sellaisia, että Evon tapauksessa kahden metrin syvyydessä oleva putki lämmittäisi ilmaa toivotusti, mutta puolen metrin syvyydessä oleva jäähdyttää ei-toivotusti. Kaksi kuukautta, toukokuu ja syyskuu, ovat sellaisia, että kaikissa tapauksissa maa jäähdyttää ilmaa, vaikka se sitten joudutaan lämmittämään talossa sisällä.

Putken syvyyden pitäisi olla ainakin kaksi metriä, että toivottu lämpötila saavutetaan. Maan lämpötila on silloin 0 – 5 C. Matalammalla putkella on riski, että maa on neljännesvuoden enemmän ilmaa kylmempi, vaikka haluaisimme lämmittää.

Sitten ne huonot uutiset: kesällä maan alla oleva putki kerää kosteutta. Jos ilma on 25-asteista ja suhteellinen kosteus on 60%, ilmassa oleva vesi lirahtaa putkeen jo, jos ilma jäähtyy noin 17-asteiseksi. Putkeen kertyvä vesi on saatava tehokkaasti pois ja mikrobien kasvaminen on saatava estettyä. Tämä ei ehkä ole mahdollistakaan.

Tietokoneohjattu ratkaisu olisi se, että ilmaa imetään aina putken läpi niin lujaa, ettei ilma ehdi jäähtymään kastepisteeseen. Ylimääräinen ilma ohjataan suoraan takaisin ulkoilmaan. Tämä tietysti hukkaa energiaa.

Vielä kannattaa muistaa, että lämmön talteenottavan ilmastointilaitteen hyötysuhteen luvataan olevan niin hyvä, ettei sen kanssa ehkä pysty kilpailemaan tällaisella virityksellä.

Kyllä tuota jonkun pellepelottoman kannattaisi kokeilla. Ainakaan talvisaikaan ongelmia ei pitäisi olla. Tietysti kannattaa olla myös suoraan ilmasta oleva putki, jota voi vaihdella maan alla menevän putken kanssa. Ja putken pitää olla helposti pestävissä ja kuivattavissa.

[1] http://www.walled.org/~elsi/Kevon maan pintakerroksen lampotilat.doc
[2] http://www.yr.no/place/Finland/Southern_Finland/Iso_Evo/statistics.html

(*) Uusimmat löytyvät katsomo.fi:stä, mutta kyseessä oleva jakso ei ole siellä enää.

Kosteutta harakoille

Usein ajattelemme ilmanvaihdolla vanhan ajan tuuletusta: saamme kodista hajut ja hiilidioksidit pois. Taloon tulee parempi hengittää. Totuus on kuitenkin, että nykyiaikaisissa taloissa ilma tulee vaihtaa ensisijaisesti kosteuden poistamiseksi.

Eläminen talossa aiheuttaa kosteutta. Ihminen hengittää kosteaa höyryä, hikoilee, käy suihkussa, tekee ruokaa, kastelee kukkia… Tämä kosteus on saatava talosta pois tai talo muuttuu paremmaksi asuinpaikaksi bakteereille kuin ihmisille.

Ilmastoinnin tarve on suunnilleen seruaava ((1) yksinkertaistettuna):

  • kosteuden poisto: kaiken ilman on vaihduttava kerran kolmessa tunnissa
  • hajujen poisto: kaiken ilman on vaihduttava kerran viidessä tunnissa
  • hiilidioksidin poisto: kaiken ilman on vaihduttava kerran kymmenessä tunnissa
Tämän lisäksi on erikoistapauksia, joissa ilmastoinnin on oltava vielä suurempi, esimerkiksi ilman radon tai suurten ihmisjoukkojen aiheuttaman haju. Tupakoinnin haittoja ei pysty poistamaan normaalilla ilmastoinnilla: ilman pitäisi vaihtua ainakin puolen tunnin välin.
Aikaisemmin puunpoltosta puhuessamme huomasimme, että vesihöyryn muodostumiseen sitoutuu paljon energiaa. Nyt siis huomaamme, että ilmastoinnin tärkein tehtävä on pumpata tuo energia ulos.
Pohdittavaa: monet pitävät paljon sisäkasveja ajatuksella, että niiden tuottama happi tekee ilmasta happipitoisempaa hengitettävää. Kukkien tuoma kosteus lisää kuitenkin ilmastoinnin tarvetta niin, että on todennäköisesti energiatehokkaampaa saada tuo happi ilmastoinnista.
(1) Energia- ja ekologiakäsikirja, Rakennustieto 2010, sivu 25.