Kylmäainesäädökset tuovat haasteita jäähalli- ja tekojääyhtiöille

Kylmäainelainsäädäntömme saavuttaa taas yhden käännekohdan, kun yli 2 500 GWP-arvon kylmäaineiden, kuten R404A, huoltokielto astuu voimaan 1.1.2020. Jäähalleista joka kolmannessa on edelleen käytössä näitä korkean GWP-arvon kylmäaineita.

Jos tällaisen koneisto vuotaa vuoden vaihteen jälkeen, on koneisto joko uusittava, kylmäaine ja osa komponenteista vaihdettava, tai ”tekohengitettävä” regeneroidulla tai kierrätetyllä kylmäaineella. Muussa tapauksessa ei tekojääkoneiston käyttöä voi jatkaa. Onneksi erilaisia käytännössäkin koeteltuja ratkaisuja löytyy.

Kylmätekniikkaa

Jäähdytystavat ja energiankulutus
Jääkenttä voidaan jäädyttää välillisesti tai suorahöyrysteisenä. Välillisesssä jäähdytyksessä kierrätetään kylmää rataliuosta (esim. glykoli-vesiliuos) kenttäputkistossa. Suorahöyrysteisissä järjestelmissä kylmäaine (esim. hiilidioksidi, ammoniakki) kiertää suoraan rataputkistossa. Välillisen järjestelmän rataliuos jäähdytetään konehuoneessa kylmäkoneiston höyrystimessä. Välillisessä järjestelmässä koko kylmäainetäytös on konehuoneessa. Suorahöyrysteisessä järjestelmässä kenttäputkisto toimii kylmäainekierron höyrystimenä.

Molemmissa tapauksissa järjestelmät toteutetaan yleensä märkähöyrysteisinä, siinä vain osa kiertävästä kylmäaineesta höyrystyy. Näin lämmönsiirto saadaan erittäin tehokkaaksi. Höyrystyvä kylmäaine sitoo itseensä kentästä poistetun lämmön, jolloin kentän ja jään lämpötila pysyy säädetyssä asetusarvossaan. Höyrystynyt kylmäainekaasu puristetaan ruuvi- tai mäntäkompressoreilla korkeampaan paineeseen, jossa kylmäaine lauhtuu ja luovuttaa lämpönsä. Puristuksen loppupaine vaikuttaa kylmäaineen loppulämpötilaan ja kompressorin sähkönkulutukseen.

Mitä lähempänä toisiaan höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat ovat, sitä vähemmän tarvitaan sähköä kompressorien pyöritykseen. Koneiston hyötysuhdetta kuvataan kylmäkertoimella, joka on pelkistetysti tuotetun kylmätehon ja käytetyn sähkötehon suhde. Tarvittava sähköteho riippuu kylmäaineen ominaisuuksista ja vaihtelee muun muassa lauhtumislämpötilan mukaan. Höyrystimien ja lauhduttimien mitoitus vaikuttaa lämpötilaeroihin ja siten myös kylmäkertoimeen. Isommilla komponenteilla saavutetaan pienemmät lämpötilaerot, tällöin investointikustannus kasvaa. Vastaavasti pienemmille komponenteille mitoitettu koneisto maksaa vähemmän, mutta kuluttaa enemmän sähköenergiaa.

Erilaisia kylmäkoneistovaihtoehtoja tulisi vertailla investointikustannuksen lisäksi käyttökaudelle lasketuilla kylmäkertoimilla (SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio) tai energiankulutuksilla. Ne huomioivat myös vuodenaikojen ja käyttöolosuhteiden mukaan osatehoilla käyvien koneistojen hyötysuhteet.

Lämpötilalla on väliä
Matala lauhtumislämpötila pienentää kompressorin sähkönkulutusta, mutta vaikeuttaa suoraa lämmöntalteenottoa. Matalalämpöisessä lauhdeliuoksessa tai lauhtuvassa kylmäaineessa on paljon lämpöenergiaa, häviöitä lukuun ottamatta, kaikki mitä on poistettu kentästä ja syötetty sähkönä kompressoriin. Matalalämpöisen lauhdeliuoksen lämpötilaa voidaan korottaa lämpöpumpulla, jolloin sen lämpötilataso riittää lattialämmitykseen, tuloilman lämmittämiseen ja lämpimän käyttöveden esilämmitykseen.

Hiilidioksidikoneistoissa voidaan lauhtumislämpötilaa ohjata lämmöntarpeen mukaisesti korkeammalle paineelle ja lämpötilalle, aina ylikriittiselle alueelle asti, jolloin korkeassa lämpötilassa kylmäainekaasusta saatava energiamäärä on suuri. Kuuma hiilidioksidikaasu saavuttaa lämpötilatason, jolla voidaan lämmittää suoraan lattialämmityksen, tuloilman ja lämpimän käyttöveden lämmitysverkostoja. Hiilidioksidikoneisto toimii siis samanaikaisesti ratakylmäkoneistona ja lämpöpumppuna jääkentän mukaan ohjattuna ja lämmöntarpeen mukaan lauhtumislämpötilaltaan korotettuna.

Tällaisen koneiston vertailussa huomioidaan vuositasolla sekä tuotettu kylmä- ja lämmitysenergia suhteessa käytettyyn sähköön. Näin saadaan tuotannon yhdistetty lämpö- ja kylmäkerroin, joka on suurempi kuin pelkkä kylmäkerroin.

Tekojääratojen kylmäaineet

HFC-kylmäaineet ovat olleet melko laajalti käytössä pienemmissä kylmälaitoksissa. Myrkyttöminä ja palamattomina ne kuuluvat turvaluokitukseltaan luokkaan A1. HFC-aineet ovat kuitenkin F-kaasuasetuksella väistyviksi säädettyjä kylmäaineita. Vuoden 2020 alusta uutta GWP-arvoltaan yli 2 500 kylmäainetta, kuten R404A tai R507, ei enää saa täyttää kylmälaitokseen.

Matalamman GWP-arvon HFC-kylmäainetta voi edelleen käyttää korjauksissa ja huollossa F-kaasuasetuksen määräämissä rajoissa. Asetus rajoittaa niidenkin käyttöä muun muassa isommissa rinnankytketyissä koneistoissa. Matalamman GWP-arvon kylmäaineita ovat esimerkiksi R134a, R407C, R410A ja erilaiset seoskylmäaineet. Niitä käytetään vedenjäähdytyskoneissa ja lämpöpumpuissa. Nämäkin ovat väistyviä kylmäaineita, koska F-kaasuasetus vähentää voimakkaasti niiden tuotantoa ja myyntiä vuoteen 2030 mennessä. Saatavuuden väheneminen näkyy jo nyt niiden hintojen nousuna.

F-kaasuasetus sallii tietyissä rajoissa nykyisten R404A-kylmäkoneistojen huollon ja ”tekohengityksen” kierrätetyllä tai regeneroiduilla kylmäaineella.

Ammoniakki (R717, NH3) on jääradoissa laajalti käytetty kylmäaine, joka on luonnollinen kylmäaine. Sen GWP=0. Ammoniakin etuina ovat sen energiatehokkuus, suuri kylmäntuottokyky ja laajalti koeteltu teknologia ja osaaminen. Haittoina taas on myrkyllisyys ja alhaisempi syttyvyys (”heikosti syttyvä”). Myrkyllisenä ja heikosti syttyvänä sen turvaluokitus on B2L.

Hiilidioksidi (R744, CO2) on myös luonnollinen kylmäaine, jonka GWP=1. Sen turvaluokitus on A1 (myrkytön ja palamaton). Hiilidioksidin käyttöpaineet ovat korkeat verrattuna muihin kylmäaineisiin. Koneistokomponenttien kanssa oli aluksi saatavuusongelmia. Nyt hiilidioksidi on yleistynyt kylmäaineena kaupankylmässä, mikä on edesauttanut komponenttien ja laitosratkaisuiden sekä käytännön suunnittelu-, asennus- ja huolto-osaamisen kehittymistä hyvälle tasolle.

HFO-kylmäaineet (esim. R1234ze) näyttävät yleistyvän vedenjäähdytyskoneissa ja lämpöpumpuissa. Niiden GWP-arvot ovat matalahkoja 4…7. Turvaluokitukseltaan ne kuuluvat luokkaan A2L eli ovat myrkyttömiä ja heikosti syttyviä.

Kylmäaineesta riippumatta on oleskelutilat ja konehuoneet toteutettava turvallisuusvaatimusten mukaisesti.

Rataliuokset

Yleisemmin käytössä olevia rataliuoksia käsitellään seuraavassa pääpiirteittään niiden vaatiman pumppausenergian ja liuoksen ominaisuuksien osalta.

Toimiakseen hyvin kaikki liuosverkostot vaativat ylläpitoa. Ilmanpoistojärjestelmän tulee toimia. Esipaineen pitää olla verkostolle oikea, muuten verkostoon voi päästä ilmaa. Ilma on haitallista pumppujen ja virtauksen toiminnalle, lämmönsiirrolle sekä sakan- ja korroosionmuodostumiselle. Liuoksen määrää ja väkevyyttä tulee tarkkailla säännöllisesti. Kaikkia liuoksia tulee käsitellä tarkoituksenmukaisilla henkilösuojaimilla varustautuneena.

Etyleeniglykoli-vesiliuos vaatii tässä käsiteltävistä liuoksista eniten pumppausenergiaa yhdessä kalsiumkloridin kanssa. Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan se on kohtuullisen hyvä. Aine on ympäristölle haitallinen.

Kalsiumkloridi-vesiliuos kuluttaa pumppausenergiaa etyleeniglykolin tavoin. Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan se on hyvä. Aine ei ole ympäristölle haitallinen.

Kaliumformiaatti-pohjaiset liuokset (esim. Freezium, Antifrogen KF) kiertävät putkistossa pienemmällä pumppausenergialla kuin etyleeniglykoli. Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan ne ovat hyviä. Verkoston rakentaminen ja ylläpito vaativat muita liuosverkostoja enemmän asiaan perehtyneisyyttä. Kaliumformiaatti ei ole ympäristölle haitallinen.

Ammoniakki-vesiliuoksen käyttö rataliuoksena on yleistynyt viime aikoina. Se on pumppausenergiankulutukseltaan parempi kuin muut vesiliukoiset rataliuokset. Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan se on käsitellyistä aineista paras. Verkoston rakentaminen ja ylläpito vaativat myös kyseisiin verkostoihin perehtyneisyyttä. Haittana yleisötiloissa tapahtuvissa pienissä ja harmittomissa vuodoissa on ammoniakin haju. Aine on ympäristölle haitallinen.

Jäähallin olosuhteista ja ener­gia­te­hok­kuu­des­ta

Jäähallit ovat monimuotoisia ja olosuhteiltaan vaativia kokonaisuuksia. Niissä on moninaisia energiaa kuluttavia ja käyttäviä prosesseja. Näiden kokonaisoptimoinnilla saavutetaan jäähallin energiatehokkuus ja hyvät olosuhteet urheilijoille ja katsojille.

Oleellinen tekijä hallien energiatehokkuudessa on kylmäkoneiston lauhdelämmön hyödyntäminen olosuhteiden hallinnassa. Kosteuden hallitsemiseksi tulo- ja kiertoilmaa on tietyissä olosuhteissa kuivattava. Ylimääräinen kosteus aiheuttaa kylmässä halli-ilmassa sumun muodostusta, rakenteisiin kondensoitumista tai se jäätyy jään pintaan lisäten kylmäkoneiston sähkönkulutusta. Energiatehokkain kuivaus on toteutettavissa kondenssikuivauksena lämpöpumpulla tai ratakylmäliuoksella. Tuloilman lämmitykseen ja kuivauksen jälkilämmitykseen tulee ehdottomasti hyödyntää lauhde-energiaa. Energiatehokkaissa halleissa myös jäänhoitokoneen lämmin vesi ja jäähileen sulatusallas lämmitetään lämpötilaltaan korotetulla lauhde-energialla.

Edellä käsiteltiin kylmäkoneistojen energiankulutukseen ja lämmöntalteenottoon vaikuttavia tekijöitä. Kylmäkoneiston energiankulutuksen yhteydessä tarkastellaan myös rata- ja lauhdeliuoksen tai kylmäaineen pumppausenergiankulutusta ja -kustannuksia. Niihin voidaan vaikuttaa rataliuoksen valinnalla ja komponenttimitoituksilla.

Ammoniakkikoneisto on samoissa lämpötiloissa kylmäkertoimeltaan laskennallisesti hiilidioksidikoneistoa energiatehokkaampi. Hiilidioksidijärjestelmä saavuttaa ammoniakkijärjestelmiä energiatehokkuudessaan, jos kylmäaine kierrätetään rataputkistossa ja kylmäntuoton kanssa samanaikainen lämmöntarve on suuri, kuten tuotettaessa koneistolla lämpöä uimahalliin. Pienemmillä lämmöntarpeilla ammoniakkijärjestelmä varustettuna hyvällä lämpökertoimella toimivalla lämpöpumpulla on laskennallisesti energiatehokkaampi kuin hiilidioksidijärjestelmä. Eräiden kohteiden monimuuttujaoptimoinneissa on todettu energiatehokkaaksi myös vaihtoehto ajaa hiilidioksidikoneistoa matalalla lauhtumislämpötilalla ja varustaa se lauhdelämpöpumpulla.

Jokainen halli ympäristöineen on vähän erilainen ja jäähalleja tuleekin tarkastella tapauskohtaisesti. Saneerauskohteissa, kun ratalaattaa ja -putkistoa ei uusita, käytettävissä olevat vaihtoehdot ovat rajalliset. Järjestelmän valinnan tulee lopulta perustua elinkaarikustannuksiin eikä pelkkään investointikustannukseen.

Monimutkaisen teknisen kokonaisuuden käytön kannalta järjestelmää ohjaavan automatiikan on oltava helppokäyttöinen. Erilaiset käyttötilanteet ja energiansäästöominaisuudet tulee olla valmiiksi ohjelmoituja asetusarvoineen ja otettavissa helposti käyttöön.

Kylmäaineet ja hen­ki­lö­tur­val­li­suus

Kylmälaitoksen turvallisuutta säätelevät monet direktiivit ja niitä soveltavat lait ja asetukset. Yksi tapa soveltaa direktiivien vaatimuksia on noudattaa niiden mukaan harmonisoituja standardeja. Kylmäkoneiston turvallisuus voidaan taata noudattamalla laitoksen suunnittelussa, asennuksessa, käyttöönotossa ja huollossa standardia SFS-EN 378, se koostuu neljästä osasta (1–4) liitteineen.

HFC-kylmäaineet ja hiilidioksidi ovat myrkyttömiä, mutta hajuttomina ja ilmaa raskaampina kaasuina ne kerääntyvät alas lattian rajaan ja aiheuttavat vaaraa hengitysilmaa syrjäyttäen. Ammoniakki aiheuttaa vaaran myrkyllisenä aineena, joskin ilmaa kevyempänä se kerääntyy huonetilojen yläosiin ja varoittaa hajullaan. Suurina pitoisuuksina ja korkeita lämpötiloja kohdatessaan ammoniakki-ilmaseos voi syttyä. HFO-kylmäaineet ovat ilmaa raskaampia ja heikosti syttyviä, ne kerääntyvät lattianrajaan hengitysilmaa syrjäyttäen ja mahdollisesti syttyvän kaasuseoksen muodostaen.

Standardi SFS-EN 378 määrittää kullekin kylmäaineelle turvaluokituksensa (A1, A2L, B2L jne.) mukaiset vaatimukset asennuspaikan, konehuoneen, oleskelutiloissa sallittujen pitoisuuksien ja turvajärjestelyjen suhteen. Turvallisuutta toteutetaan vuodonvalvontalaitteistoilla, hälytyksillä, varoitusvaloilla ja -summereilla, hätätuuletuksilla sekä koneistojen automaattisella sammutuksella ja konehuoneiden yhteyteen varattavilla henkilösuojaimilla.

Kirjoittaja on Granlund Tampere Oy:n kylmäsuunnittelun päällikkö ja ollut mukana mm. suunnitteluryhmissä Hampurin ja Malmön Areenoissa ja Tampereen Tesoman ja Hervannan jäähallien sekä Koulukadun avotekojään saneerauksissa.