pienoiskuva|Ilmalämpöpumpun ulkoyksikkö. Ilmalämpöpumppu (lyh. ILP) on laitteisto, jolla siirretään ulkoilman lämpöenergiaa sisätiloihin. Sillä voidaan myös jäähdyttää tiloja, jolloin lämpöenergia virtaa sisältä ulos. Ilmalämpöpumppu on kokonaisuus, joka muodostuu rakennuksen ulkoseinustalle asennettavasta ulkoyksiköstä ja lämmitettäviin tiloihin asennettavasta sisäyksiköstä.
Lämpöpumpun toiminta muistuttaa jääkaappia. Erona on kuitenkin muun muassa se, että lämpöpumppu on varustettu puhaltimin ja nelitieventtiilillä sekä ulko- ja sisäyksikön ohjauselektroniikalla.
Energiatehokkuus Rakennusta voidaan lämmittää ilmalämpöpumpulla huomattavasti energiatehokkaammin kuin tavanomaisella sähkönvastukseen perustuvalla sähkölämmityksellä.
Ilmalämpöpumpun hyötysuhde on parhaimmillaan silloin, kun se ei käy täysillä, vaan ainoastaan osateholla. Ilmalämpöpumppu on siten sitä energiatehokkaampi lämmityslaite mitä vähemmän rakennuksen lämpimänä pitäminen vaatii energiaa. Lämpöpumpun aikaansaama suhteellinen säästö on suurempi siis esimerkiksi hyvin lämpöeristetyssä kuin huonosti eristetyssä rakennuksessa. Ilmalämpöpumpun hyötysuhde heikkenee samasta syystä ulkoilman viiletessä.Ilma-ilmalämpöpumppujen energiankulutusvaikutukset pientaloissa. Ari Laitinen. Teknologian tutkimuskeskus VTT. https://www.kuorevedensahko.fi/wp-content/uploads/2017/10/VTT-ilmal%C3%A4mp%C3%B6pumpputesti.pdf
Rakennukseen asennettavan yksittäisen pumpun hyötysuhde on myös sitä parempi, mitä suurempi osuus lämmitettävästä rakennuksesta on tilaa, jossa lämmön siirtyminen ei häiriinny väliseinien vuoksi. Ongelma lievittyy käytettäessä kahden sisäyksikön yhdistelmää.
Lämpöpumpun energiatehokkuutta mitataan hyötysuhdeluvulla COP, joka kertoo, kuinka tehokasta lämmönsiirto on ulkolämpötilan ollessa +7 Celsius-astetta, sisälämpötilan 20 ja pumpun toimiessa täydellä teholla. Ulkoilman kylmetessä suorituskerroin ja pumpun lämmönsiirtokyky kuitenkin heikkenevät. Lämpöpumpuille on tämän vuoksi laskettava lakisääteisesti Euroopan keskimääräiseen ilmastoon suhteutettu vuosihyötysuhdeluku SCOP/A (Average Seasonal Coefficient of Performance), joka kertoo pumpun keskimääräisen hyötysuhteen tyypillisenä lämmitysvuonna Ranskan Strasbourgissa. Strasbourgin ilmasto on hiukan lämpimämpi kuin Tanskassa, ja siellä esiintyy vain harvoin pakkasta. Lämpöpumpun keskimääräisellä hyötysuhteella tarkoitetaan sitä, kuinka paljon lämpöenergiaa siirretään vuoden aikana sisätiloihin suhteessa pumpun vuoden aikana kuluttamaan sähköenergian määrään.Calculation of SCOP for heat pumps according to EN 14825 . Prepared for the Danish Energy Agency by Pia Rasmussen, Danish Technological Institute 31 December 2011. https://www.varmepumpsforum.com/vpforum/index.php?action=dlattach;ts=1505933467;topic=65119.0;attach=49952
Pumpulle voidaan laskea myös vapaaehtoinen SCOP/C-luku, joka kertoo laitteen keskimääräisen vuosihyötysuhteen Helsingin ilmastossa. Vain harva valmistaja ilmoittaa laitteensa SCOP/C-luvun, joka on vaihdellut yleensä välillä 3-4.
Toimintaperiaate thumb|300px|Ilmalämpöpumpun sisäyksikkö. Kompressorin sähkömekaanisella työllä siirretään lämpöä kahden kennon välillä käyttäen hyväksi laitteen putkistossa kiertävän kylmäaineen olomuodon muutosta. Kun kylmäaine muuntuu nesteestä höyryksi ensimmäisessä kennossa (eli höyrystimessä), se sitoo voimakkaasti lämpöä itseensä, ja kun se tiivistyy takaisin nesteeksi toisessa kennossa (eli lauhduttimessa), vapautuu lämpöä. Sama perusilmiö on havaittavissa talvella tapahtuvassa veden ja jään olomuodon muutoksissa, kun mitataan lämmön sitoutumista aineeseen. Lämpöä siirretään kaasun mukana eli konvektiolla hyvin nopeasti kennosta toiseen. Tehokkaan järjestelmän yleistavoitteena on siis saavuttaa maksimaalinen olomuodon muutos molemmissa kennoissa niiden läpi kulkevalle lämmön välittämisestä vastaavalle kylmäaineelle. Tätä kylmäaineessa hyödynnettävää jyrkkää molekyylien energiatasojen siirtämistä tilasta toiseen kutsutaan fysiikassa yleisemmin myös faasimuutokseksi. Ilmalämpöpumppu on siten suora sovellutus termodynamiikan I ja II säännön hyödyntämisestä käytännössä.
Lämmityskäytössä Lämmityskäytössä kylmäaine sitoo ulkoyksikön kennossa höyrystyessään lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee ulkoyksikön höyrystimellä. Höyrystyessään kylmäaine sitoo paljon lämpöä, kun kylmäaineen olomuoto muuttuu nesteestä kaasuksi. Ulkoyksikön puhallin siirtää ilmaa kennon läpi tehostaen muuten passiivisen kennon lämmönsiirtokykyä. Kun höyry sisäyksikön kennolla myöhemmin tiivistetään nesteeksi, se luovuttaa tuon saman ulkoa saadun lämpöenergian pois. Aivan kuten ulkoyksikössäkin tuulettimella puhalletaan vapautuva lämpöenergia osaksi talon huoneen sisäilmaa.
Kompressori tuottaa sisäyksikön kennolle tarvittavan ylipaineen ja ulkoyksikön kennolle alipaineen.
Kompressori painaa höyryn sisäyksikön kennoon, jossa se paineen vaikutuksesta tiivistyy nesteeksi, ja yksikön kenno lämpenee. Lämmenneen kennon läpi puhalletaan ilmaa, joka lämpenee. Sisäyksikön jälkeen neste jatkaa paineen vaikutuksesta ulkoyksikön kennoon. Ennen ulkokennoa on kuristin eli pieni reikä, joka jarruttaa nesteen menoa ja säilyttää kompressorin paineen. Uusimmissa ilmalämpöpumpuissa käytetään kuristimen apuna jopa tarkemmin automatiikalla ohjattavaa elektronista paisuntaventtiiliä ja kompressorityyppinä scroll-kompressoria.
Lämmityskäytössä pumpun jatkuvan lämmöntuoton lisäksi katkaisevat aika ajoin tapahtuvat sulatussyklit, joissa prosessi käännetään tarkoituksella hetkeksi jäähdytystilaan, jotta ulkokennoon syntyneet jääkerrostumat sulatetaan pois. Näiden normaalien sulatussyklien tiheys ja kesto ovat tärkeitä, kun pyritään maksimoimaan nykyisten ilmalämpöpumppujen lämmöntuoton tehokkuutta talven kylmimpien kuukausien aikana. Johtuen ulkolämpötilasta ja ilmankosteudesta ulkoyksiköllä olisi hyvä olla pohjapellin lämmitysvastus estämässä jään kerääntyminen sulatuksen jälkeen. Kaikki pumput eivät kuitenkaan tällaista vastusta kaipaa.
Lämpöpumpuille lakisääteisesti laskettava keskimääräinen vuosihyötysuhdeluku SCOP/A (Average Seasonal Coefficient of Performance) kertoo pumpun keskimääräisen hyötysuhteen tyypillisenä lämmitysvuonna Ranskan Strasbourgissa. Strasbourgin ilmasto on hiukan lämpimämpi kuin Tanskassa, ja siellä esiintyy vain harvoin pakkasta. Lämpöpumpun keskimääräisellä hyötysuhteella tarkoitetaan sitä, kuinka paljon lämpöenergiaa siirretään vuoden aikana sisätiloihin suhteessa pumpun vuoden aikana kuluttamaan sähköenergian määrään.
Pumpulle voidaan laskea myös vapaaehtoinen SCOP/C-luku, joka kertoo laitteen keskimääräisen vuosihyötysuhteen Helsingin ilmastossa. Vain harva valmistaja ilmoittaa laitteensa SCOP/C-luvun, joka on vaihdellut yleensä välillä 3-4.
Jäähdytyskäytössä Jäähdytyskäytössä nelitieventtiili kääntää kylmäaineen virtauksen vastakkaiseksi, jolloin sisäyksikön kennossa höyrystyvä kylmäaine sitoo lämpöenergiaa, eli kenno kylmenee. Sisäyksikön puhallin kierrättää kennon lävitse sisäilmaa, joka viilenee. Tiivistyessään ulkoyksikössä kylmäaine luovuttaa sisäyksikön kennolta saamansa lämpöenergian ulkoyksikön kennon ja puhaltimen avulla ulkoilmaan. Kylmäaineen virtaus tapahtuu siis vastakkaiseen suuntaan kuin lämmityskäytössä, samalla kun höyrystin ja lauhdutin vaihtavat myös keskenään paikkaansa.
Lämpökerroin ja kylmäkerroin Vaikka ilmalämpöpumpun toimintaperiaate on lämmitys- ja jäähdytyskäytössä sama, laitteen käyttötarkoitukset näissä tapauksissa eroavat toisistaan sen verran, että niille käytetään eri tavalla laskettua suhdelukua laitteen tehokkuuden mittana. Lämmityskäytössä tällaisena suhdelukuna käytetään lämpökerrointa, jolla tarkoitetaan lämmitettävään tilaan siirretyn lämpömäärän (QH) ja tehdyn työn (W) suhdetta:
,
missä QC on viileämmästä ympäristöstä (ulkoilmasta) otettu lämpömäärä. Jäähdytyskäytössä vastaavana suhdelukuna käytetään kylmäkerrointa eli jäähdytettävästä tilasta otetun lämpömäärän (QC ja tehdyn työn (W) suhdetta:
,
missä QH on lämpimämpään ympäristöön luovutettu lämpömäärä.
Lämpö- tai kylmäkerrointa nimitetään toisinaan myös virheellisesti hyötysuhteeksi. Toisin kuin lämpövoimakoneen hyötysuhde, tämä kerroin on kuitenkin yleensä arvoltaan suurempi kuin 1. Sadi Carnot osoitti teoreettisesti, että lämmityskäytössä olevan lämpöpumpun lämpökerroin voi olla enintään
,
missä TH on lämmitettävän tilan ja TC ulkoilman absoluuttinen lämpötila. Vastaavasti jäähdytyslaitteen kylmäkerroin voi olla enintään
,
missä TC on jäähdytettävän tilan ja TH ulkoilman absoluuttinen lämpötila.
Jos esimerkiksi ulkoilman lämpötila on -10 °C eli noin 263 kelviniä ja sisäkennon lämpötila +50 °C eli noin 323 K, on lämpötilaero 60 °C. Carnot´n lämpöpumpun teoreettinen lämpökerroin on silloin COP = 323/60 = 5,4. Lämpötilaeron pienentyessä COP suurenee.
Edellä saatu luku 5,4 ilmoittaa, kuinka moninkertaisena ilmalämpöpumppuun syötetty sähköenergia voi teoriassa tulla lämpönä ulos. Käytännössä COP-arvot ovat selvästi pienempiä.
Laitekokoonpanot Teknisesti katsoen ilmalämpöpumput jakautuvat joukkoon erilaisia peruskokoonpanoja riippuen siitä, miten monta ulko- ja sisäyksikköä yhdessä järjestelmässä myydään paketissa kerralla. Karkea jako on seuraava: niin sanotut split-laitteet ja multi-split-laitteet.
Split -laite on kaikkein yksinkertaisin ja suosituin kuluttajamarkkinoilla: yhteen ulkoyksikköön on kytketty vain yksi sisäyksikkö kylmäaineputkituksen kautta. Tällainen laite soveltuu tyypillisesti yhden huoneiston tai pienen talon lämmitykseen ja jäähdytykseen, jos sisäyksikkö on sijoitettu järkevästi.
Multi Split -laite puolestaan sisältää yhden ulkoyksikön ja useamman sisäyksikön. Tällä pyritään kustannustehokkuuteen, koska ulkoyksikön tehon suuremmalla mitoituksella voidaan nyt ruokkia useampaa sisäyksikköä. Näitä järjestelmiä yleisimmin myydään hotellien, supermarkettien ja toimistotilojen käyttöön. Myös suuremmissa omakotitaloissa ja maatiloilla voidaan soveltaa tätä kokoonpanoa, jossa lämpö tai viilennys saadaan tasaisemmin leviämään suurempaankin tilaan.
Edellä mainittujen lisäksi on ilmalämpöpumpuissa vielä erikoisempia laitekokoonpanoja, joissa voidaan esimerkiksi yhteen ulkoyksikköön kytkeä kylmäaineputkiston jatkeeksi vaikkapa yksi ilmaa puhaltava sisäyksikkö ja sen kanssa rinnalla tai sarjassa ohjattava lattialämmityksen vesipiirin lämmönvaihdin. Kunnollisia nimityksiä näille harvinaisemmille kokoonpanoille ei toistaiseksi ole. Laitevalmistajat testaavat kuitenkin mielellään näitä laitteita energiatehokkuuden parantamiseksi juuri kuluttajamarkkinoilla esimerkiksi Aasian maissa.
Teholuokat Ilmalämpöpumppujen teholuokka ilmoitetaan BTU-”johdannaisena”: teho, joka tarvitaan sulattamaan yksi tonni (short ton = n. 907 kg) jäätä 24 tunnissa. Kertomalla BTU-arvo 0,293:lla, esimerkiksi 12 000 × 0,293 = 3 516 W, jossa 12 000 vastaa kaupallisten ilmalämpöpumppujen niin sanottua 12-sarjan laitetta. Ilmalämpöpumpun lämmitys- ja jäähdytystehossa on eroja. Mikäli lämmityskäytössä tavoitellaan energiasäätöä ilmalämpöpumpussa lämmitysteho on, määrästä riippumatta, energiatehokasta vasta suotuisalla COP-kertoimella. Toisaalta pelkkä korkea COP ei lämmitä eikä korkea lämmitysteho ole välttämättä energiatehokasta. Yleensä ilmalämpöpumpun hyötysuhde koneen käydessä osateholla on merkittävästi suurempi kuin jos kone joutuisi käymään koko tehollaan. Siten lämpöpumppujen teholuokkia tarkasteltaessa on huomioitava lämmitysteho (kW), jäähdytysteho (kW), COP, ottoteho (kW), EER sekä energiatehokkuus osa- ja täysteholla.
Kylmäaineiden kehitys pienoiskuva|Ilmalämpöpumpun ulkoyksikkö, joka käyttää R-410A -kylmäainetta.