En varmepumpe er et apparat som flytter varme fra et omrade med en gitt temperatur til et annet omrade med høyere temperatur slik at en gunstig temperaturforskjell etableres og opprettholdes.

Vanligvis blir varmepumpe-begrepet brukt for oppvarming av hus, men det er samme type apparat som brukes i kjøleskap samt klimaanlegg med forskjellen at her pumpes varmen den andre veien, dvs. ut av rommet. De fleste sakalte luft-til-luft-varmepumpene er reversible, slik at de enkelt kan stilles om mellom a varme en bygning om vinteren og kjøle bygningen om sommeren. ^[1]

Bruksomrader [ rediger | rediger kilde ]

• Matpreservering i vanlige kjøleskap og frysere samt nedkjøling/innfrysing i større kjøle- og fryseanlegg
• Komfortkjøling (air conditioning), eller for elektriske utgaver, oppvarming av kjøretøy
• Komfortkjøling av bygninger om sommeren, i Norge særlig kjøpesentre, kontorer, flyplassterminaler osv.
• Oppvarming av bygninger om vinteren ( varmeanlegg )
• Oppvarming av varmt tappevann (forbruksvann)

Virkematen [ rediger | rediger kilde ]

En varmepumpe er en apparatur som benytter høyverdig energi (ofte elektrisitet) til a transportere lavverdig energi . Varmepumpen benytter seg av prinsippet at et fluid blir varmere hvis trykket økes , og blir kaldere hvis trykket reduseres . Ved a komprimere og ekspandere fluidet er det dermed mulig a flytte (≪pumpe≫) varme fra en relativt kald omgivelse til et varmere behovssted.

En varmepumpe utnytter i sekvens følgende fysiske fenomener:

• Et fluid (i denne sammenheng kalt arbeidsmedium ) opptar varme fra, altsa kjøler, omgivelsene nar det endrer tilstand fra væske til gass , det vil si fordamper / koker.
• Kokepunkttemperaturen blir høyere nar trykket økes (gjennom kompresjon ).
• Varme frigjøres til, altsa varmer, omgivelsene, nar gass fortettes til væske ved kondensasjon .
• Kokepunkttemperaturen gar ned nar trykket reduseres gjennom en ventil.

Hovedkomponentene i kretsløpet [ rediger | rediger kilde ]

• En kompressor suger inn kald arbeidsmediumdamp og komprimerer den, slik at temperaturen øker.
• Den komprimerte dampen ledes inn i en kondensator , hvor den først avkjøles og deretter kondenserer til væske fordi arbeidsmediet er varmere enn omgivelsene og derfor avgir varme.
• Væsken føres igjennom en reduksjonsventil , hvor trykket blir redusert og derigjennom ogsa temperaturen.
• Væske (og vanligvis noe gass) føres inn i en fordamper , der væskefraksjonen fordamper igjen. Væsken fordamper fordi arbeidsmediet har et lavt trykk og dermed lav temperatur. Omgivelsene er na varmere enn mediet, og varme strømmer derfor fra omgivelsene til mediet, slik at omgivelsene kjøles.

Direkte og indirekte anlegg [ rediger | rediger kilde ]

Det er alltid en fordamper (eller flere) pa den kalde siden og en kondensator (eller flere) pa den varme siden av varmepumpen for henholdsvis a hente varme til og avgi varme fra arbeidsmediet i hovedkretsen. Dersom disse varmevekslerne opererer direkte pa mediet som er malet for kjølingen eller oppvarmingen, kalles anlegget direkte , slik som i en ≪luft-til-luft≫-varmepumpe. I motsatt fall sies anlegget a være indirekte , typisk ≪vann-til-vann≫-varmepumper. Her er det en ekstra mediumkrets og en ekstra varmeveksler mellom arbeidsmediet og varmekilden og tilsvarende mot inneluften.

En ≪luft-til-vann≫-varmepumpe anvender begge prinsipper. Varmepumpens utendørsenhet er da direkte og innendørsenheten indirekte. Dersom utedelen er indirekte, er mediet mellom fordamperen og varmekilden som oftest en lake , dvs. vann innblandet med en glykol eller et salt slik at den ikke fryser under normal drift. Dessuten vil laken ha korrosjonsdempende tilsetninger.

Varmepumpekategorier [ rediger | rediger kilde ]

Varmepumper kategoriseres etter hva slags medium de tar varme fra og hvilket de avgir varme til. ^{[1] [2]}

• ≪Luft-til-luft≫-varmepumper henter varme fra ute- eller ventilasjonslufta og avgir den direkte til innelufta i en bygning.
• ≪Vann-til-vann≫-varmepumpe henter varme fra sjø, innsjø, grunnvann e.l. og avgir varme i et vannbarent system i bygningen, og gjerne ogsa varmt tappevann.
• ≪Grunnvarme≫ og ≪bergvarme≫ er en spesialtype ≪vann-til-vann≫-system der utedelen er indirekte mellom lake og grunnen.
• ≪Luft-til-vann≫-varmepumpe henter varme fra luft og leverer dette til ett vannbarent system.

Luft-til-luft-varmepumpe [ rediger | rediger kilde ]

Fra en luft-til-luft-varmepumpe far du normalt igjen to til tre ganger sa mye varme som den strømmen varmepumpen bruker. De fleste luft-til-luft-varmepumpene tilpasset nordisk klima kan hente ut energi fra uteluften helt ned mot -25 °C. Men ytelsen blir gradvis darligere nar utetemperaturen synker. ^[3] Det gjelder alle typer varmepumper som henter energi fra uteluften.

Luft-til-vann-varmepumpe [ rediger | rediger kilde ]

En luft-til-vann-varmepumpe varmer ikke opp luften direkte, men leverer i stedet varme til et vannbarent system og erstatter eller kompletterer et Fyr (andre betydninger) . Med denne varmepumpetypen vil du normalt fa igjen 2,5 til 3,5 ganger sa mye varme som den elektrisiteten varmepumpen bruker. Med andre ord: 1 kWh tilført energi gir opptil 3,5 kWh varmeenergi til boligen. En riktig dimensjonert luft-til-vann-varmepumpe vil dekke varmebehovet store deler av aret, men pa de kaldeste dagene om vinteren ma det brukes annen varme i tillegg. Felles for alle varmepumpetyper som henter energien fra uteluften, er at maksimal varmeytelse (kapasitet til a levere varme) blir mindre jo kaldere det er ute.

Varmekilder [ rediger | rediger kilde ]

De avgjørende faktorene ved valg av varmekilde er pris, varmebehov, tilgjengelighet, temperatur og temperaturvariasjon i fyringssesongen, varmekapasitet , varmeledningsevne og korrosjonspotensial.

Uteluft [ rediger | rediger kilde ]

Uteluft er den mest brukte varmekilden i Norge. Sma enheter blir stadig mer effektive og billige, og kan koste 25 000 kroner. De kan lett etterinstalleres og kan typisk halvere strømforbruket. Tilbakebetalingstiden kan da være 3-10 ar. ^{[3] [4]} Dette avhenger selvsagt av mange faktorer som størrelsen pa huset, hvor stor andel av bygningsoppvarmingen varmepumpen kan sta for, og været.

Uteluft har den fordelen at den er lett tilgjengelig og gratis. Uteluft har derimot store temperaturvariasjoner over fyringssesongen. Pa de kaldeste dagene nar man har behov for mest varme i huset, er det ogsa mest krevende a hente varme fra utelufta. Varmepumpens ytelse reduseres betraktelig og man ma i stor grad benytte seg av tilleggsvarme som vedovn, panelovner etc. Pa steder med høy arsmiddeltemperatur , som ved kysten, kan det derimot være fordelaktig a bruke luft-luft-varmepumpe. Utelufta har dessuten lav varmekapasitet noe som krever et stort fordamperareal. Ved utelufttemperaturer lavere enn 3°C oppstar frost og rim pa fordamperen, og det er da behov for energi/varme til avriming. Støy fra vifter i fordamper og kondensator kan være et problem, men dette er blitt bedre de senere ar.

Ventilasjonsluft som varmekilde kan være et godt alternativ ettersom temperaturen pa ventilasjonslufta holder jevn temperatur pa rundt 20°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 romoppvarmingsbehovet.

Sjøvann [ rediger | rediger kilde ]

For bygninger ved Norges langstrakte kyst er tilgangen pa sjøvann ofte god, og for store anlegg er sjøvann en av de mest brukte varmekildene. Minimumstemperaturen ved kysten er sjelden lavere enn 2°C. Sjøvannskollektoren for private boliger er i all hovedsak 40 mm PE-rør som ligger i en sløyfe ut i sjøen, og tilkobles ved direkte-anlegg til vann-til-vann-varmepumpens fordamper.

Det er pakrevd med vann/glykol-blanding som forhindrer isdannelse ned til ca. -12 °C i sjøvannskollektoren. Det bestrebes a opprettholde ca. 3 °C (K) temperaturdifferanse over varmeveksleren (varmepumpens fordamper) som er tilkoblet sjøvannskollektoren eller jordvarmekollektoren. Det er ikke normalt a sirkulere apent sjøvann inn i varmepumpeanleggene, fordi da vil det bli marin begroing i varmeveksler.

A benytte sjøvann som direkte varmekilde innebærer bedre totaløkonomi ettersom varmefaktoren til varmepumpen øker betraktelig. Det er uproblematisk a anvende en vann-til-vann-varmepumpe til det meste av varmebehovet i privatboliger, dersom varmepumpen blir dimensjonert for dette.

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

Grunnvarme [ rediger | rediger kilde ]

Med grunnvarme menes varme som er lagret i grunnen, enten i jord, berg eller grunnvann. I løpet av noen fa meter er temperaturen tilnærmet lik arsmiddeltemperaturen pa overflaten, og variasjonene neglisjerbare. Et normalt borehull stikker 100 til 200 meter ned og utstyres med rør der det sirkuleres en lake . ^[5] Dypere enn 200 meter utføres sjelden, siden dette øker slitasjen og kostnaden pa boreutstyret. Kapasiteten økes gjennom flere parallelle hull. Beregnet effekt ligger normalt pa 25 til 40 W per meter samlet rørlengde.

Varmeoverføringsegenskapene til materialene i grunnen er veldig viktig for hvor mye varme man kan hente ut av en brønn. Tørr jord transporterer varme darlig og kan ≪ødelegge≫ et varmepumpeprosjekt basert pa grunnvarme. Derfor er det viktig at vanninnholdet er høyt, helst full metning, fordi vann har gode varmeoverføringsegenskaper samt kan bidra med frysevarme. Borer man i fjell, bør bergarten ha høy termisk konduktivitet og/eller være porøs og samtidig inneholde mye vann. Det er eventuelt mulig a fylle pa med varmeledende fyllmasse av sement og sand for a øke varmeopptaket.

Det er ogsa mulig a hente ut grunnvarme i det øverste overflatelaget med horisontale rørslynger. Her er det spesielt viktig med godt varmeledende og fuktig materiale. Innfrysing av varmekilden er en forutsetning for god økonomi. Det vil ogsa kunne lønne seg a regenerere varmekilden om sommeren/høsten. Slike anlegg er sjeldne i Norge.

Nar en gar til større dybder, dvs. mange hundre eller tusen meter, snakker en om geotermisk varme . Økonomisk utnyttelse av slik varme krever store anlegg.

Endring av arbeidsmedier de senere arene ^{[ nar? ]} [ rediger | rediger kilde ]

Arbeidsmediet (eller kuldemediet) er det fluidet (gassen) som benyttes til a transportere varme. Fluidene er i gassfase ved normale trykk og temperaturer.

For rundt 50 ar ^{[ nar? ]} siden brukte man i stor grad klorfluorkarboner (KFK), f.eks. KFK-12 , ettersom disse mediene var svært stabile og derfor lokalt uproblematiske i bruk. Etter at man oppdaget at de klorholdige av disse gassene ved utslipp bryter ned ozonlaget , gikk man gjennom internasjonale lovereguleringer ( Montrealprotokollen ) over til hydroklorfluorkarboner (HKFK) som var mindre stabile, og senere til de klorfrie hydrofluorkarboner (HFK).

Bade de opprinnelige kuldemediene og disse erstatningsmediene gir imidlertid meget store spesifikke bidrag til drivhuseffekten . De har mellom 1300 og 3800 ganger sa stort GWP-verdi -potensial som karbondioksid (CO ₂ ). De naturlige kuldemediene ammoniakk , propan , butan og CO ₂ har derfor fatt en renessanse. Riktignok er ammoniakk svært giftig og propan og butan er brennbare, men med de rette forholdsreglene (sikkerhetsbarrierer, ventilasjon etc.) er det mulig a kontrollere disse ulempene. CO ₂ er veldig krevende a benytte fordi man opererer i transkritisk omrade med høyt trykk (opptil 130 bar). Pa grunn av dette kondenserer ikke mediet, men kjøles med stor temperaturglidning. Det er derfor gunstig a benytte CO ₂ -varmepumpe til oppvarming av tappevann, som i Norge typisk varmes opp fra 5°C til 60-70°C. ^[6]

Varmepumper i Norge [ rediger | rediger kilde ]

Pa 2000-tallet har stadig flere norske bygninger fatt installert varmepumper, som dessuten kan anvendes til kjøling. Den eldste varmepumpen man kjenner i en norsk bolig , er fra 1978 . ^[7] I 2004 var det kun 4 prosent av norske husholdninger som hadde varmepumpe, mens denne andelen steg til 27 prosent i 2012. Per 1. januar 2021 var andelen pa om lag 39 prosent. ^[8]

Pr. ar bruker norske bygg 82 TWh med energi. 33 TWh av dette, eller omtrent 25% av det totale norske el-forbruket ^{[ nar? ]} , er strøm som gar med til a varme opp byggene. En god del av dette kan lett reduseres med varmepumpeoppvarming. I 2005 produserte varmepumper i Norge tilsammen 6 TWh varme. Bolig- og næringsbygg stod for 2.3 TWh hver, mens resten var varme til industri og fjernvarmeanlegg. Varmepumpene ga en energisparing pa 4 TWh, hvor væske/vann-varmepumper bidro mest (omtrent 75 %). ^{[9] [ trenger bedre kilde ]}

Eksempel pa varmepumpeprosess [ rediger | rediger kilde ]

For a beskrive varmepumpeprosessen kan man benytte seg av et trykk-entalpi-diagram , populært kalt h-logp-diagram . Slike diagrammer viser spesifikk entalpi for kuldemedier i forhold til trykket , der trykket er logaritmisk fremstilt. Linjer for konstant temperatur ( Isotermer ) og tetthet ( Isokorer ) er ofte angitt i slike diagrammer. Punkter for tilstanden mellom hovedkomponentene blir satt inn i diagrammet for a angi energiomsetningen og trykknivaene. Man kan da se hvor mye varme per sirkulerende kuldemedium (kg/s) som tas opp fra omgivelsene, hvor mye som blir avgitt og hvor mye høyverdig energi (ofte strøm) som ma tilføres prosessen.

Figuren viser et trykk- entalpi -diagram av kuldemediet HFK-134a . Det er tegnet inn en prosess hvor mediet har en utetilstand pa 3 bar / 0°C og en innetilstand pa 17 bar / 60°C. Disse tilstandene kan f.eks. brukes til a hente varme fra sjøvann pa 4°C og levere varme til et vannbarent anlegg med temperatur pa 50°C.

Den krumme streken i diagrammet viser hvor fluidet skifter tilstand mellom væske og gass. Omradet innenfor streken viser tofase-omradet, hvor mediet bestar av bade væske og gass. I dette omradet er temperaturen konstant for et gitt trykk (for en-komponentmedier). All tilført energi gar med til a fordampe mediet og avgitt energi kommer kun fra kondensering av mediet.

Kompressortrinnet [ rediger | rediger kilde ]

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

Varmeavgivning [ rediger | rediger kilde ]

Kuldemediet føres sa inn i kondensatoren hvor temperaturen raskt synker til 60 °C, men trykket er fortsatt 17 bar. Fluidet har da nadd kondensasjonslinjen hvor gassen starter a kondensere til væske (2-3). Fluidet avgir varme gjennom denne tilstandsendringen fra gass til væske uten a endre hverken temperatur eller trykk. Fluidet avgir varme helt til all gass er kondensert til væske (3). Entalpien til fluidet er na 290 kJ/kg. Det betyr at fluidet har levert varme tilsvarende 180 kJ/kg til omgivelsene, representert ved q _k .

Strupning [ rediger | rediger kilde ]

Kuldemediet er na i veskeform, føres gjennom et filter og renner videre i væskeform til ekspansjonsventilen . Denne reduserer trykket til 3 bar (4) og fører mediet inn i varmepumpens fordamper, normalt som en blanding av væske og gass. Dersom mediet er kraftig underkjølt, kan det være kuldemedium i ren væsketilstand som kommer ut av ventilen.

Fordamping [ rediger | rediger kilde ]

Kuldemediet er na kaldere enn omgivelsene og vil varmes opp . Fordi det befinner seg i tofaseomradet, vil det koke eller fordampe. Det tar til seg varme uten a endre trykk eller temperatur. All tilført varme gar med til a omdanne væskeandelen til gass, helt til kuldemediet er 100% damp. Pa ny gar mediet inn i kompressoren (1) og har da tatt til seg energi tilsvarende 110 kJ/kg, representert ved q ₀ . Dette representerer energien i varmepumpeprosessen som gjerne betegnes som ≪gratis≫, fordi den er hentet fra omgivelsene.

Vann/vann-varmepumpens fordamper [ rediger | rediger kilde ]

Det er optimalt a ha 6-10 grader temperaturdifferanse pa kjølemediet (typisk luft, vann eller lake ) som tilføres fordamperen for a fa høyest mulig COP (varmefaktor) pa varmepumpen. Massestrømmen av kjølemediet justeres i forhold til fordamperens overføringsflate og varmeoverføringskoeffisient, samt mediets spesifikke varmekapasitet, for a oppna en slik temperaturdifferanse.

Effektivitet [ rediger | rediger kilde ]

Varmepumpers effektivitet angis gjerne gjennom den sakalte varmefaktoren eller COP som star for ≪Coefficient of Performance≫. Dette er forholdet mellom avgitt effekt som varme, og tilført effekt. Hvis man bruker 1 kW strøm til a drive varmepumpen og far 2,5 kW med varme ut, har den en varmefaktor pa 2,5. Ved moderate temperaturløft (15-25 °C) er det vanlig med verdier pa 3-4. Jo større temperaturforskjellen inne kontra ute er, jo nærmere vil denne nærme seg 1.

Teoretisk varmefaktor-maksimum for en varmepumpeprosess er gitt av Carnot -syklusen:

${\displaystyle {\text{COP}}={\frac {Q_{k}}{Q_{k}-Q_{o}}}}$

Her er Q _o varme, gitt i Joule inn i prosessen, mens Q _k er varmen som prosessen leverer.

SCOP (arsvarmefaktor) [ rediger | rediger kilde ]

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) forteller hvor mye varme anlegget leverer i forhold til hvor mye strøm som brukes i løpet av et ar. Jo høyere tall, jo mindre strøm bruker varmepumpen i forhold til varmen som produseres. Siden SCOP sees igjennom et arlig perspektiv, og tar hensyn til forandringer i luftfuktighet og utetemperaturen igjennom aret, vil den gi en mer korrekt maling pa hvor energibesparende varmepumpen faktisk er. ^[10]

Se ogsa [ rediger | rediger kilde ]

• Klimaanlegg
• Luftavfukter

Referanser [ rediger | rediger kilde ]

Eksterne lenker [ rediger | rediger kilde ]

• (en) Heat pumps ? kategori av bilder, video eller lyd pa Commons

• Norsk Varmepumpeforenings forbrukernettside
• Norsk Varmepumpeforenings bransjenettside
• Stor norsk/svensk test af varmepumper under nordiske vinterforhold
• Se hvordan varmepumpa virker - artikkel fra forskning.no 23.8.06