Varmepumpe

Prinsipp-skisse for varmepumper

En varmepumpe flytter varme fra et sted med en gitt temperatur til et annet med høyere temperatur, en prosess som kalles varmepumping. Bruksområdene er mange:

• Matpreservering i vanlig kjøleskap og fryser
• Nedkjøling/innfrysing i større kjøle- og fryseanlegg for hhv. kort- og langtidslagring
• Komfortkjøling (air conditioning) i kjøretøy
• Komfortkjøling (air conditioning) av bygninger om sommeren, i Norge særlig kjøpesentre, kontorer, flyplassterminaler osv.
• Oppvarming av bygninger om vinteren (varmeanlegg)
• Oppvarming av varmt tappevann (forbruksvann)

Vanligvis blir varmepumpebegrepet brukt om et anlegg for oppvarming, dvs. at varme pumpes inn i et begrenset rom fra et ytre, ubegrenset reservoar. De fleste luft-til-luft varmepumpene er imidlertid reversible. Dermed kan disse flytte varme inn i en bygning om vinteren og ut av bygningen om sommeren.

Virkemåte

En varmepumpe er en maskin som fremskaffer varme på en spesielt effektiv måte. Den benytter høyverdig energi (ofte elektrisitet) til å frembringe lavverdig energi (varme). Varmepumpen benytter seg av prinsippet at en gass (fluid) blir varmere hvis trykket økes, mens den blir kaldere hvis trykket reduseres. Ved å komprimere og ekspandere et fluid er det dermed mulig å flytte (pumpe) varme fra en relativt kald omgivelse (ute), til en varmere omgivelse (inne).

Varmepumper utnytter i sekvens følgende fysiske fenomener:

• Et fluid (kuldemedium, kjølevæske) opptar varme fra (dvs. kjøler) omgivelsene når det endrer tilstand fra væske til gass, dvs. fordamper eller koker.
• Kokepunktstemperaturen blir høyere når trykket økes (gjennom kompresjon)
• Varme frigjøres til, dvs. varmer, omgivelsene når gass fortettes til væske, dvs. kondenserer
• Kokepunktstemperaturen går ned når trykket reduseres gjennom en reduksjonsventil, også kalt strupeventil

Figur av kretsløpet i en enkel varmepumpe.: 1) Kondensator, 2) Reduksjonsventil, 3) Fordamper, 4) Kompressor.

Trinnene i kretsløpet

• Kompressoren (4) suger inn den kalde kuldemediumdampen og komprimerer kuldemediet slik at temperaturen øker.
• Gassen ledes inn i en kondensator (1) hvor den kondenserer til væske fordi kuldemediet er varmere enn omgivelsene og dermed avgir varme.
• Væsken går igjennom en reduksjonsventil (2) hvor trykket blir redusert og derigjennom temperaturen.
• Væsken (og altså vanligvis noe gass) føres inn i en fordamper (3) og væskefraksjonen fordamper igjen. Væsken fordamper fordi kuldemediet har et lavt trykk, og dermed lav kokepunktstemperatur. Omgivelsene er nå varmere enn mediet, og varme strømmer dermed fra omgivelsene til mediet.

Direkte og indirekte anlegg

Det må være en varmeveksler både på den kalde (fordamper) og varme siden (kondensator) av varmepumpen for henholdsvis å avgi varme til og ta opp varme fra kuldemediet i hovedkretsen. Dersom disse varmevekslerne opererer direkte på mediet som er målet for kjølingen eller oppvarmingen, kalles anlegget direkte, f.eks. luft-til-luft-varmepumpe. I motsatt fall sies anlegget å være indirekte, typisk luft-til-vann- eller vann-til-vann-varmepumpe hvor varmen vanligvis overføres til et varmeanlegg eller oppvarming av varmt forbruksvann (tappevann). De sistnevnte typene er direkteanlegg dersom formålet er å kjøle eller varme opp vann som forbrukes. Som regel må en skille på om anlegget er direkte eller indirekte på varmekildesiden og/eller på varmeforbrukssiden.

Varmepumpeprosessen

For å studere varmepumpeprosessen i detalj, kan man benytte seg av et såkalt trykk-entalpi-diagram. Diagrammet viser spesifikk entalpi (indre energi) til fluidet i forhold til trykket (logaritmisk fremstilt). Temperatur og tetthet kan ofte også leses av slike diagrammer. Ved å lese av energien (entalpien) til fluidet ved de ulike stadiene, er det mulig å lese av hvor mye varme som er tatt opp av omgivelsene, hvor mye som blir avgitt og hvor mye energi (eksergi, strøm) man må tilføre prosessen.

Varmepumpeprosessen er eksemplifisert ved et trykk-entalpi-diagram av kuldemediet HFK-134a. Det er tegnet inn en prosess hvor mediet har en tilstand på 3 bar / 0°C ute, og 17 bar / 60°C inne. Disse tilstandene kan f.eks. brukes til å hente varme fra sjøvann på 4°C og levere varme til et vannbårent anlegg med temperatur på 40-50°C.

Den mørke streken i diagrammet viser hvor fluidet skifter tilstand fra væske til gass. Området inne i streken viser to-fase området, hvor fluidet består av både gass og væske. I dette området er temperauren konstant, og all tilført energi går med til å fordampe mediet. Det motsatte skjer når mediet kondenserer.

Trykk-entalpi-diagram-diagram av kuldemediet HFK-134a

Kompressortrinnet

Ved inngangen til kompressoren har kuldemediet en temperatur på 0 °C, et trykk på 3 bar og en entalpi på 400 kJ/kg. Kompressoren trykker sammen gassen (1-2) og temperaturen stiger til 95 °C og trykket til 17 bar. (Ved såkalt adiabatisk kompresjon (tapsfri), komprimeres gassen fra 1 til 2', og temperaturen stiger bare til 65 °C.) Fluidets entalpi har økt fra 400 til 470 kJ/kg, det er også den mengden elektrisitet (eksergi) som kreves for å drive varmepumpen.

Varmeavgivning

Fluidet føres så inn i kondensatoren hvor temperaturen raskt synker til 60 °C, men trykket er fortsatt 17 bar. Fluidet har da nådd kondensasjonslinjen, hvor gassen kondenseres til væske (2-3). Fluidet avgir varme ved å endre tilstand fra gass til væske, uten å endre hverken temperatur eller trykk. Fluidet avgir varme helt til all gass er kondensert til væske (3). Entalpien til fluidet er nå 290 kJ/kg, det betyr at fluidet har levert varme tilsvarende 180 kJ/kg til omgivelsene, representert ved q_k.

Strupning

Fluidet føres så gjennom en strupeventil som reduserer trykket til 3 bar (4). På grunn av det lave trykket har fluidet en temperatur på 0 °C.

Fordamping

Fluidet er da kaldere enn omgivelsene og vil varmes opp av omgivelsene. Fordi vi befinner oss i tofaseområdet vil fluidet koke, eller fordampe. På samme måte som ved kondensering vil fluidet ta til seg varme uten å endre hverken trykk eller temperatur. All tilført varme vil gå med til å lage gass av fluidet. Dette vil fortsette helt til fluidet består av 100% damp, og det på ny går inn i kompressoren (1). Fluidet har da tatt til seg energi tilsvarende 110 kJ/kg, representert ved q₀. Dette er andelen "gratis" energi i varmepumpeprosessen.

COP

Teoretisk effektfaktor vs. temperaturløft

COP står for "Coefficient Of Performance" og angir utbyttet fra (varmefaktoren for) varmepumpen. COP er forholdet mellom avgitt effekt som varme og tilført effekt. Eksempel: Hvis man bruker 1 kW med strøm til å drive varmepumpa og får 2,5 kW med varme ut, har den en COP på 2,5. Ved moderate temperaturløft (15-25 °C) er det vanlig med en COP på 3-4. Jo større temperaturforskjellen inne kontra ute er, jo nærmere vil COP nærme seg 1.

Teoretisk COP-maksimum for en varmepumpeprosess er gitt av carnot-syklusen:

$\text{COP} = \frac{T_k}{T_k-T_o}$

Her er T_o temperaturen, gitt i Kelvin, på mediet varme hentes fra, mens T_k er temperaturen på mediet som varmes opp.

Hovedkomponenter

Kompressoren

Kompressoren er selve "hjertet" i varmepumpen. Denne sørger for at kuldemediet sirkulerer rundt i varmepumpens komponenter. Den komprimerer arbeidsmediet (øker trykket) fra fordamperen til kondensatoren, og øker dermed også temperaturen i arbeidsmediet. Det finnes en rekke ulike typer kompressorer for varmepumpeformål, hvor type arbeidsmedium og størrelse på varmepumpen bestemmer hvilken som egner seg best. God energieffektivitet ved dellast og spesifikke effektkostnader (NOK/kW), er også viktige faktorer for en kompressor. Tapene fra elektrisitet til trykkenergi innebærer motortap, prosess- og mekaniske tap og varmetap.

Stempelkompressoren

Stempelkompressoren

Dette er den mest brukte og en av de eldste kompressortypene som benyttes til varmepumpeformål. Den benytter samme prinsipp som en bilmotor hvor et eller flere stempler er koblet til en aksling. Stempelet går ned og suger arbeidsmedium inn, går opp og komprimerer gassen, hvorpå en ventil åpnes når trykket er høyt nok og gassen strømmer ut i kondensatoren. Volumtapet blir øker med trykkforholdet som helst bør holdes under ca. 10.

Energiforbruket til kompressoren er gitt som:

$W_c = V_c * p_1 * \frac{k}{k-1}[(\frac{p_2}{p_1})^(k-1/k)]$

hvor

$k= \frac{c_p}{c_v}$

Skruekompressoren

Skruekompressoren

Dette er en gammel kompressorkonstruksjon som brukes ved effekter fra 200 til flere tusen kW. Har et fast volumforhold og gir typisk et trykkforhold på 1:20. Kompressoren er meget driftssikker, men har dårlige dellastegenskaper. Den reguleres ved å endre turtallet ned til 50% (fra 6 000 til 3 000 o/min) og ved å slippe komprimert gass tilbake til lavtrykksområdet vha. en sleide. Det er fordelaktig å benytte turtallsregulering så lenge dette er mulig, da sleideregulering fører til store tap. Noen skruekompressor-utgaver kan også suge inn gass på mellomtrykk når de brukes i totrinnsanlegg (economiserløsning).

Scroll-kompressoren

Arbeidsprinsipp for scrollkompressoren

Har i de seneste årene tatt mer over for stempelkompressoren og leveres i effekter fra 2 til 100 kW. Ved dellast reguleres hastigheten, typisk mellom 3 000 og 8 000 o/min. Den benyttes mer og mer fordi den er stillegående, kompakt og har få bevegelige deler og dermed veldig driftssikker.

Sentrifugalkompressor

Turbokompressoren

En sentrifugalkompressor (eller turbokompressor) komprimerer arbeidsmediet med skovler som roterer med et turtall på 10 - 20 000 o/min (derav navnet turbo). Mest aktuell ved høye ytelser (> 1500 kW). Er mye benyttet fordi den har få slitasjedeler, få bevegelige deler og ingen ventiler, som gir lite driftsproblemer og slitasje. Den er også eneste kompressoren som ikke benytter olje og er dermed veldig kompakt i forhold til ytelsen. Man slipper også problemer med olje i arbeidsmediet. Varmepumpeanlegget til Viken Fjernvarme på Skøyen benytter en turbokompressor.

Fordamperen

Fordamperen er den delen der fluidet tar til seg varme fra omgivelsene. Jo varmere omgivelsene er, jo mer varme kan varmepumpen ta opp og effektiviteten øker. Det billigste alternativet er å plassere utedelen i uteluft. Temperaturen på utelufta varierer derimot ganske mye, og på kalde dager blir varmepumpen mindre effektiv. Det beste er å bore ned til grunnvann eller legge fordamperen i sjøvann. Disse holder en jevn temperatur rundt årsmiddeltemperatur for stedet. Varmepumpen kan da fungere som et veldig effektivt konfortkjølingsanlegg om sommeren. Dette øker imidleritd kostnadene betraktelig og vil kun være lønnsomt ved store anlegg.

Utforming av fordamperen avhenger av varmeopptaksmedium (luft, sjøvann osv.) og type kuldemedium. Luft har generelt dårlige varmeoverføringsegenskaper (lav termisk konduktivitet, varmekapasitet og tetthet) og man må da benytte en varmeveksler med lameller eller ribber for å få stor overflate. Benytter man sjøvann kan man derimot bruke en veldig kompakt platevarmeveksler. På grunn av fare for korrosjon må derimot denne være av titan.

Kondensatoren

Kondensatoren er den delen der fluidet avgir varme til omgivelsene. Denne er vanligvis plassert inne i et hus, eller i en varmesentral. Den kan enten avgi varmen til lufta eller et vannbårent radiatoranlegg. Ved det siste tilfellet må radiatoranlegget være spesialkonstruert (normalt gulvvarme) for å avgi varme ved lave temperaturer, typisk 30-40 °C, mot 70-80 °C som er vanlig i tradisjonelle, oljefyrte anlegg. Effektiviteten til varmepumpen synker med økende temperaturløft.

Utforming av kondensatoren er gitt av samme "retningslinjer" som fordamperen.

Strupeventilen

Gjennom strupeventilen synker trykket og dermed temperaturen til arbeidsmediet, slik at det kan ta opp varme i fordamperen. Strupeventilen er regulert med signaler fra overgangen mellom fordamper og kompressor for å variere mengde arbeidsmedium ut til fordamperen. Tilføres det for mye arbeidsmedium vil man ikke få 100% fordampning av mediet, og man risikerer væske i kompressoren, som igjen vil skade kompressoren.

Endring av arbeidsmedier de senere årene

Arbeidsmediet (eller kuldemediet, gassen) er det fluidet som benyttes til å transportere varme. Mediene man benytter er i gassfase ved normale trykk og temperaturer.

For rundt 50 år siden benyttet man i stor grad klorfluorkarboner (KFK), f.eks. R12, ettersom disse mediene var svært stabile og uproblematiske i bruk. Etter at man oppdaget at disse gassene ved utslipp bryter ned ozonlaget, gikk man gjennom internasjonale lovereguleringer over til hydroklorfluorkarboner (HKFK), senere til hydrofluorkarboner (HFK).

Både de opprinnelige kuldemediene og erstatningsmediene gir imidlertid meget store spesifikke bidrag til drivhuseffekten. De har mellom 1300 og 3800 ganger så stort GWP-verdi-potensial som karbondioksid (CO₂). De naturlige kuldemediene amoniakk, propan og CO₂ har derfor fått en renessanse. Riktignok er ammoniakk svært giftig og propan er brennbart, men med de rette forholdsreglene (sikkerhetsbarrierer, ventilasjon etc.) er det mulig å kontrollere disse ulempene. CO₂ er veldig krevende å benytte fordi man opererer i transkritisk område med høyt trykk (opptil 130 bar). På grunn av dette kondenserer ikke mediet, men kjøles med stor temperaturglidning. Det er derfor gunstig å benytte CO₂-varmepumpe til oppvarming av tappevann, som varmes opp fra 5°C til 60-70°C.

Varmekilder

Varmepumper gis navn etter hva slags medium de tar varme fra og hvor de avgir varme. "Luft-til-luft"-varmepumpe henter varme fra ute- eller ventilasjonslufta og avgir den direkte til innelufta i en bygning. En "vann-til-vann"-varmepumpe henter varme fra sjø, innsjø, grunnvann e.l. og avgir varme i et vannbårent system i bygningen, og gjerne også varmt tappevann.

De avgjørende faktorende ved valg av varmekilde er pris, varmebehov, tilgjengelighet, temperatur og temperaturvriasjon i fyringssesongen, varmekapasitet, varmeledningsevne (konduktivitet) og korrosjonspotensial.

Uteluft

Uteluft er den mest brukte varmekilden i Norge. Små enheter, som blir stadig mer effektive biligere, kan lett etterinstalleres i hus og kan i mange tilfeller halvere strømforbruket . Dette avhenger selvsagt av mange faktorer som størrelsen på huset og hvor stor andel av bygningsoppvarmingen varmepumpa kan stå for.

Uteluft har den fordelen at den er lett tilgjengelig og billig. Uteluft har derimot store temperaturvariasjoner over fyringssesongen. På de kaldeste dagene når man har behov for mest varme i huset, er det også minst varme å hente fra utelufta. Dette gjør at varmepumpas ytelse reduseres betraktelig og man må i stor grad benytte seg av tilleggsvarme som vedovn, panelovner etc. På steder med høy årsmiddeltemperatur, som ved kysten, kan det derimot være fordelaktig å bruke luft-luft-varmepumpe. Utelufta har dessuten lav varmekapasitet noe som fører til stort fordampningsareal. Ved utelufttemperatur lavere enn 3°C oppstår frost og rim på fordamperen, og det er da behov for energi/varme til avriming. Støy fra vifter i fordamper og kondensator er ofte et problem.

Ventilasjonsluft som varmekilde kan være et godt alternativ da temperaturen på ventilasjonslufta holder jevn temperatur på rundt 21°C gjennom hele vinteren dersom det ikke benyttes varmegjenvinner. Mengden tilgjengelig varme i ventilasjonslufta er riktignok begrenset og kan som regel bare bidra med en liten del av det totale oppvarmingsbehovet til bygningen.

Sjøvann

Ved Norges langstrakte kyst er tilgangen på sjøvann ofte god, og for store anlegg er sjøvann en av de mest brukte varmekildene. Minimumstemperaturen ved kysten er sjelden lavere enn 5°C og temperaturvariasjonene lave, spesielt ved 30-40 meters dyp hvor det er aktuelt å hente sjøvann fra. Ved dette dypet er mindre alge- og blåskjellvekst, og det er dessuten mulig å komme til inntaket med lettdykk. Tilgangen er dessuten tilnærmet ubegrenset.

Å benytte sjøvann som varmekilde innebærer en mer kostbar investering enn å benytte luft, men innebærer ofte en bedre totaløkonomi ettersom ytelsen til varmepumpa (COP) øker betraktelig.

Har man behov for kjøling om sommeren er sjøvann en veldig god kuldekilde, i og med at temperaturen på det aktuelle dypet holder seg rundt 12-15°C om sommeren.

Grunnvarme

Med grunnvarme menes varme som er lagret i grunnen, enten i jord, berg eller grunnvann. Under 10 meter er temperaturen tilnærmet lik gjennomsnitsstemperaturen på overflaten, og variasjonene lik null. Et normalt borehull ligger mellom 100 til 200 meter. Dypere enn 200 meter utføres sjelden pga. at dette øker slitasjen og kostnaden på boreutstyret. Beregnende effekt pr meter ligger normalt på 25 til 40 watt pr. meter.

Når en går til større dybder, dvs. mange hundre eller tusen meter, snakker en om geotermisk varme.

Varmeoverføringsegenskapene til materialene i grunnen er veldig viktig for hvor mye varme man kan hente ut av brønnene. Tørr jord overfører varme dårlig og kan "ødelegge" et varmepumpeprosjekt basert på grunnvarme. Derfor er det viktig at vanninnholdet er høyt, helst full metning, fordi vann har gode varmeoverføringsegenskaper. Borer man i fjell, bør bergarten ha høy termisk konduktivitet eller være porøs og inneholde mye vann. Det er eventuelt mulig å fylle på med varmeledende fyllmasse av sement og sand for å øke varmeopptaket.

Varmepumper i Norge

Antall varmepumpeenheter solgt i Norge, 1995-2007

Installasjon av varmepumper, som dessuten kan anvendes til kjøling, har tatt av de seneste årene. Den eldste varmepumpen man kjenner i en norsk bolig, er fra 1978. I 1990-årene ble det installert om lag 1000 i året, mens det i 2006 ble satt inn 78.532. I alt er det per 23. juni 2008 installert varmepumper i 300.000 norske boliger.

Pr. år bruker norske bygg 82 TWh med energi. 33 TWh av dette, eller omtrent 25% av det totale norske el-forbruket, er strøm som går med til å varme opp byggene. En god del av dette kan lett byttes til varmepumpeoppvarming. I 2005 produserte varmepumper i Norge tilsammen 6 TWh varme. Bolig- og næringsbygg stod for 2.3 TWh hver, mens resten er varme til industri og fjernvarmeanlegg. Varmepumpene ga en energisparing på 4 TWh, hvor væske/vann-varmepumper bidro mest (omtrent 75%) NOVAP.

.

Eksterne lenker

Commons: Kategori:Heat pumps – bilder, video eller lyd

• Norsk Varmepumpeforenings forbrukernettside
• Norsk Varmepumpeforenings bransjenettside
• Informasjon og artikler om varmepumer
• Stor norsk/svensk test af varmepumper under nordiske vinterforhold