Hvordan fungerer en varmepumpe?

Hvordan fungerer en varmepumpe?
4.25 (85%) 4 votes

 

Linda Therese Stadeløkken
Teknologien til en varmepumpe har vi hatt siden 1920-årene, men det ble ikke aktuelt for mannen i gata å etablere enn før nærmere 90-tallet. Tidligere klarte ikke en varmepumpe en lavere temperatur enn minus 5, men med dagens videreutvikling fungerer varmepumper helt ned til rundt 30-35 minus celsius. I dag har også innovasjoner i design gjort at en varmepumpe kan skli rett inn i stuen uten å skille seg for mye ut.

Hva er en varmepumpe?

En varmepumpe transporterer varme med en temperatur fra et sted, til et nytt sted med en høyere temperatur. Varmen pumpes derfor inn fra det ubegrensede ytre. Luft-til-luft varmepumpene er reversible som gjør at apparatet kan brukes både til oppvarming og til kjøling. Det er praktisk på sommeren om det er behov for nedkjøling.

Prosessen som skjer kalles varmepumping og blir brukt i flere bruksområder, alt fra vanlige kjøleskap og frysere, til nedkjøling, air condition, oppvarming som både varmeanlegg og forbruksvann. Det er normalt med luft-til-luft varmepumper, men finnes også en rekke andre på markedet der blant annet vann er en aktuell kilde.

Varmepumpens mange funksjoner

En varmepumpe har flere ulike funksjoner. Først og fremst har vi varmepumpe-prinsippet som er et lukket kretsløp der kompressor, kondensator, strupeventil og fordamper virker sammen for å danne varme.

Varmepumpe-prinsippet

En varmepumpe får varme frem eller bort på en spesiell måte, der det blir benyttet energi som elektrisk energi til å produsere varme (lavverdig energi). Prinsippet bak det er at en gass blir varmere når den trykket i gassen øker, og tilsvarende dersom trykket minsker vil også gassen bli kjøligere. Ved hjelp av kompresjon og ekspansjon flytter man varme fra en kilde utenfra og inn. Det er et lukket kretsløp der kompressor, kondensator, strupeventil og fordamper virker sammen for å danne varme. Et arbeidsmedium trykkes sammen av en pumpe, som i denne prosessen er en kompressor. Dette fører til at trykket øker i mediet og det blir varmere. Kokepunktet vil stige i takt med at trykket stiger. Neste trinn i prosessen er der mediet går gjennom en kondensator som er et nettverk bestående av tynne rør. På dette stadiet varmes arbeidsmediet opp av dette nettverket, som gjør at rørene avgir varme til omgivelsene. Når selve oppvarming gjennomført går mediet videre i kretsløpet for å fornye prosessen ved at mediet avkjøles for så å bli flytende og kondensere. Væsken går gjennom en strupeventil eller reduksjonsventil som fører til at trykket synker, og arbeidsmediet fordamper gradvis. Prosessen gjentas igjen og igjen for kontinuerlig varme ut i rommet.

Arbeidsmediet

Varmepumpeprinsippet er jo at arbeidsmediet går fra gass til væske, og tilbake, noe som gjør at det er begrenset med hvilke stoffer som en anvendelig å bruke. Arbeidsmediet må kunne gå lett fra gass til væske, og i dag er det vanlig å bruke ammoniakk, karbondioksid, propan og hydrokarboner. Hvilket mediet som blir brukt kommer an på hvilket bruksområde varmepumpen skal ha. Ammoniakk gir svært høy temperatur, mens karbondioksid har spesiell termodynamiske egenskaper. Ammoniakk i seg selv er veldig giftig, mens propan er brennbart. Det er derfor utrolig viktig med forholdsregler som sikkerhetsbarrierer og ventilasjon.

Tidligere ble det brukt HKF-stoffer, men etter lovreguleringen har man funnet stoffer som ikke gjør skade på ozonlaget på samme måte.

For at en varmepumpe skal fungerer best mulig, må riktig arbeidsmedium bli brukt.

Direkte og indirekte varmeanlegg

En varmeveksler må finne sted på fordamperen og kondensatoren for å kunne gi og ta opp varme fra kuldemediet i kretsen. Det er så forskjell på direkte og indirekte anlegg, der direkte varmeanlegg opererer direkte på mediet som i et mål om kjøling eller oppvarming. Typiske varmepumper som bruker den direkte måten er luft-til-luft varmepumper, det er også denne du som regel har dersom du har et varmepumpeanlegg inne.

Når varmepumpen er indirekte snakker man gjerne om luft-til- vann eller vann- til-vann der varmen overføres til et varmeanlegg eler eventuelt oppvarming av forbruksvann/tappevann. Dette bli en direkte prosess dersom ønsket formål er kjøling eller oppvarming av vann som skal forbrukes.

Selve prosessen

Et trykk-entalpi diagram kan vise i ytterst nøyaktighet hvordan en varmepumpe fungerer, der det viser spesifikk entalpi til mediet iforhold til trykket. Entalpi er den indre energien. På diagrammet vil temperatur og tetthet kunne leses av, samt entalpien i stadiene gjennom kretsløpet. Da kan man også se hvor mye omgivelsene tar opp varme og hvor mye elektrisk energi som må tilføres for å få prosessen til å gå rundt.

Komponenter i varmepumpe


Komponent Forklaring
Kompressor Sørger for at mediet sirkulerer i kretsløpet i varmepumpen.
Fordamper Arbeidsmediet tar med seg varme fra området rundt.
Kondensator Avgir varme til omgivelsene, enten i lufta eller via et radiatoranlegg.
Strupeventil Synker trykket og temperaturen, samt regulerer slik at arbeidsmediet skal kunne fordampe.

De ulike komponentene har ulike roller, men alle er en del av varmepumpens prosess. I tabellen over er forklaringen forenklet, men nedenfor går vi litt i dybden på hvordan komponentene i varmepumpen fungerer.

Kompressor

Kompressoren er en av hovedkomponentene i varmepumper, og sørger for at mediet sirkulerer i kretsløpet varmepumper består av. Det er ikke bare en type kompressors om brukes, men en rekke forskjellig å velge mellom. Hvilken som blir benyttet avhenger av varmepumpeformål, arbeidsmedium og størrelse på pumpen.

Stempelkompressor

Dette er den eldste typen benyttet til varmepumpeformål, og også den mest brukte. Tilsvarende prinsipp som en bilmotor bruker, der et eller flere stempler er koblet til en aksling. Stempelet går ned og trekker til seg arbeidsmediet inn, før det stempelet skyves opp og komprimerer gassen. En ventil åpnes når trykket er tilstrekkelig høyt nok, og gassen føres ut og inn i en kondensator. Trykkforholdet ligger på 1:8.

Skruekompressor

Denne har et fast volumforhold, er driftssikker og kan benyttes ved effekter fra 200 og opp til flere tusen kW. Denne brukes ved å regulere turtall og en sleide, men her kan det også føre til tap av varme og energi.Trykkforholdet ligger på 1:20.

Scroll-kompressor

Den teknikken som tar mer og mer over for stempelkompressoren pga. at den er kompakt, stillegående og få deler som beveger på seg, noe som gjør den svært driftssikker. Effekten går fra 2 til 100 kW.

Turbokompressor

Komprimerer arbeidsmediet med skovler som roterer raskt, noe som gjør at denne benyttes ved ytelser over 1500 kW. En bra kompressor som er mye brukt fordi den er slitesterk, få bevegelige deler og ingen ventiler. Den benytter heller ikke olje i motsetning til overnevnte.

Fordamper

I kretsløpet er det her arbeidsmediet tar til seg varme fra området rundt. Jo varmere miljøet rundt er, desto mer varme kan varmepumpen ta opp og benytte seg av. Dette resulterer også i økt effektivitet. Fordamperen er en ute-del som helst plasseres i uteluften. Ettersom utetemperaturen kan variere en del, kan et annet alternativ være å bore den ned til grunnvannet eller legge den i sjøvann for å holde temperaturen jevn. Disse alternativene vil kun være gode ved store anlegg fordi det er kostnadsfult å etablere en fordamper under bakken.

I tillegg til plassering av ute-del, spiller også utformingen av fordamperen en vesentlig rolle. Hvilket opptaksmedium som skal brukes og type medium bestemmer om man skal benytte en varmeveklser med store lameller eller ribber for å få en stor overfalte. Ved sjøvann kan man i istedenfor velge å bruke en kompakt platevarmevekslere av titan.

Kondensator

Kondensatoren er komponenten som avgir varme til omgivelsene. Dette er inne-delen av en varmepumpe og plasseres vanligvis inne i et hus. Varmen kan avgis til enten lufta eller et vannbasert radiatoranlegg som er spesialkonstruert til å avgi varme ved lave temperaturer. I praksis vil dette si at radiatoren reagerer ved 30-40 °C, kontra 70-80 °C som er normalen for de tradisjonelle oljefyrte anleggene. De mest vanlige varmepumpene som man finner i hus er der varmen avgis til lufta, nettopp fordi at noen ønsker å kunne ha en ekstra varmekilde dersom det skulle bli fryktelig kaldt. Det har jo seg slik at jo kaldere det er ute, jo dårligere fungerer også en varmepumpe fordi det er mindre varme å hente uten ifra.

Strupeventil

Strupeventilen er utformet slik at når arbeidsmediet går gjennom den så synker trykket, og dermed også temperaturen. Komponenten reguleres av signaler fra overgangen mellom fordamperen og kompressoren, dette for at hele arbeidsmediet skal kunne fordampe. Ved denne reguleringen hindrer man også at væske kommer inn i kompressoren, noe som kan gjøre skade her.

Hvordan fungerer en varmepumpe?

Varmepumpens funksjon

Slik fungerer en varmepumpe. Bilde: Forskning.no

  1. Kompressoren trykker sammen gassen
  2. Arbeidsmediet føres inn i kondensatoren
  3. Arbeidsmediet føres gjennom strupeventilen
  4. Arbeidsmediet vil fordampes
  5. Gass går inn i kompressoren igjen

 

Kompressoren har en inngang der kuldemediet vil ligge på en temperatur på 0 grader, et trykk målt på 3 bar og en entalpi tilsvarende 400kj/kg. Det er i dette steget hvor det ved å trykkesammen gassen vil føre til at temperaturen stiger opp til enten 65°C  eller 95°C avhengig av hvilken kompresjon som brukes, og trykket opp til 17 bar. Selve entalpien vil øke til 470kj/kg.

Nesten trinn er at arbeidsmediet føres inn i kondensatoren hvor temperaturen synker til 60 °C, men at trykket forbli på 17 bar. Gassen kondenseres til væske, og arbeidsmediet avgir varme for å kunne omgjøres slik. Det at temperaturen her synker, men at trykket forblir høyt er også et av varmepumpe prinsippene. Når all gassen har gått over til væske- tilstand vil entalpien ha gått ned til 290 kj/kg. Differansen som da er 180 kj/kg er varme som er gitt til omgivelsene.

Strupning er prosessen der arbeidsmediet føres gjennom strupeventilen for å redusere trykket tilbake til 3 bar. Som man har lært i naturfag på skolen så vil temperaturen synke når trykket synker, altså har arbeidsmediet igjen en temperatur på 0 °C.

Neste trinn er fordampning, og fordi omgivelsene er varmere enn arbeidsmediet vil mediet oppvarmes av miljøet rundt. Dette er et såkalt to-fase-område, altså vil arbeidsmediet både koke eller fordampe. Prosessen her er noe tilsvarende kondenseringsprosessen, der all energi går til å lage gass av arbeidsmediet. Når mediet har blitt overført til 100% damp (gass), går det inn i kompressoren på nytt. Her tar arbeidsmediet til seg en energi på rundt 110 kj/kg, og er den energien man får gratis av varmepumpeprosessen. Det er dette som gjør at man både sparer lommeboken og miljøet.

COP

COP

COP står for “coefficent of performance” og sier noe om effektiviteten der det er forholdet mellom det teoretiske effektsfaktoren versus det faktiske temperaturløftet.

Eksempel: 1 kWh går med av elektrisk energi til at varmepumpen kan drive, men til gjengjeld så får man 2,5 kWh varme ut. COP blir da 2,5.

Effektiviteten varierer også med temperaturen ute. Lurer du på hvilken varmepumpe du skal velge anbefaler vi deg å gå HER og sjekke ut testvinnerne, samt få et uforpliktende tilbud av Tjenestetorget.

 

Varmekilde og varmepumpetyper

Varmekilde og varmepumpetyper

Ut ifra hvor varmen kommer fra og hvor det avgis varme fra får de ulike navn:

  • ”luft til luft” varmepumper henter sin varme fra luften ute eller fra ventilasjonen, for deretter å avgi den direkte til luften innendørs.
  • ”vann til vann” henter varmen fra en vannkilde som sjø, innsjø, grunnvann eller lignende, og avgir varmen til et vannbåret system som en radiator.
  • luft til vann” henter varme uten ifra, og varmer vannet du blant annet dusjer med.

Uteluft

Uteluft er lett tilgjengelig og rimelig, men temperaturen vil svinge utover fyringssesongen. Jo kaldere det er ute, jo mindre varme er det også å hente. På disse dagene kan det være nødvendig med tilleggs varme som vedovn enkelte steder i landet. Det er også nødvendig med avriming når det oppstår frost og rim på fordamperen. Ulempen her er at det kan være noe støy fra viften i fordamperen og kondensatoren.

Sjøvann

Der hvor sjøvann er tilgjengelig er dette ofte en god løsning å benytte for de store anleggene. Det er også mest brukt som varmekilde når anleggene kommer opp i en viss størrelse. Ettersom det ved kysten er en høyere minimumstemperatur og svingningene er lave ved 30-40 meters dyp der man henter sjøvann fra, vil denne varmepumpen være å foretrekke. Tilgangen er også ubegrenset, men det er en mer kostbar investering for en bedrift å etablere enn luft- varmepumper. Totalt sett vil det uansett bli rimeligere fordi ytelsen til en varmepumpe som benytter sjøvann har en høyere COP, men dette betyr at bedriften må kunne ha økonomi til å gjøre en slik investering. I tillegg er denne varmepumpen også god som kjøler dersom det skulle være behov for dette på sommeren.

Grunnvann

Grunnvann er det vi finner lagret i grunnen, og kommer man 10 meter ned vil gjennomsnittstemperaturen være tilnærmet lik den på overflaten. Temperaturvariasjonen er nærmere null noe som gjør dette til en ypperlig kilde, fordi en varmepumpe fungerer best under så lite svingninger i temperaturen som mulig. Man borer et hull ned i bakken på 100 til 200 meter dybde, der det er beregnet en effekt på 25-40 watt per meter ned.

Tørr jord vil overføre varme svært dårlig og ikke gunstig. Det er derfor viktig at det er en høy konsentrasjon av vann i bakken for å at varmepumpen skal kunne avgi tilstrekkelig med varme. Vann og fuktighet er det som gir god varmeoverføringsevne.

Det er også mulig å bore i fjell, men da er det viktig at det er en bergart som er porøs og inneholder en god del vann, eventuelt fylle på med sement og sand for å øke varmeopptaket.

Avgjørende faktorer for valg av varmekilde

  1. Pris
  2. Varmebehov
  3. Tilgjengelighet
  4. Temperatur
  5. Temperaturvariasjon
  6. Varmekapasitet
  7. Varmeledningsevne
  8. Korrosjonspotensiale

Miljøvennlig

Ikke bare gir varmepumper behagelig varme, avkjøling eller inneklima, det kan også spare miljø og økonomi. Varmepumper som oppvarming gir et fornuftig energiforbruk. Det skaffes varme fra omgivelsene og det er kun ekstra 25-50% energi du trenger å kjøpe for å få varmepumpen i gang, resten av jobben gjør den selv. Dersom man bruker elektrisitet til oppvarming, vil man ved overgang til varmepumpe redusere energiforbruket og indirekte redusere utslipp av CO2 til atmosfæren. Det sies at dersom en husstand på fire personer installerer en slik varmepumpe vil det spare 150 000 km bilkjørings CO2 utslipp.

Tidligere ble det brukt HKF-stoffer som mediet i rørene, noe som ved lekkasje ville kunne påvirke drivhuseffekten. I dag er disse erstatte med andre midler som blant annet med CO2 som arbeidsmedium. Altså gir det miljøgevinster å bruke varmepumper som oppvarming.

Få tilbud på varmepumpe

I skjemaet under kan du raskt og enkelt få tilbud på varmepumpe fra flere leverandører. Det er helt gratis og du kan takke nei til tilbudene om du ikke er fornøyd med dem.

Share This