Sådan virker en Varmepumpe.

Indledning: 

Artiklen er til dig der overvejer at investerer i en varmepumpe, og endnu ikke kender til dens anvendelse, eller typer.

Jeg ville kort beskrive de mest anvendte typer for varmepumper og deres virkemåde, anvendelse og udnyttelse af hhv. Luft/luft varmepumpe, boligventilations varmepumpe, luft/vand varmepumpe og jordvarmeanlæg. Samt COP faktoren og den køletekniske proces.

Tiden for forsilebrændsler er på mange måder ved at nå sin ende, og der skal tænkes i alternativ energi. Et alternativ kan være varmepumpen. Teknologien er langtfra ny, faktisk blev den udtænkt i år 1830 af franskmanden Sidi Carnot, og varmepumpens brug i Danmark kan spores over 60 år tilbage.

En varmepumpe skal først og fremmest ses som et transport anlæg, der transportere energi fra et lavt energi niveau, til et højere niveau, ved hjælp af termodynamik. Man kan faktisk varme sit hus op med den kolde vinter luft udefra, nok er luften/jorden kold uden for, men helt ned til -273,16 grader celsius findes der energi, vi kan derfor betragte det danske vinterklima som relativt varmt.          

Anlæggende vil kun blive omtalt per princip, og hver fabrikant kan derfor have sine individuelle specifikationer og principper. Der vil ikke blive omtalt virkningsgrader eller producenter på de konkrete anlægstyper. Artiklen skal kun ses som vejledende.

Processen:

Varmepumpe vs. Køleanlæg

Jeg tager udgangspunkt i et køleskab, for principielt er processen i de to typer anlæg fuldstændig den samme. Ved et køleanlæg udnyttes den kolde side, hvor på en varmepumpe udnyttes varmesiden. Hvis du ser på dit køleskab har du følgende komponenter: Fordamper (køle element i rum) Kompressor, kapillarrør (ekspansion) kondensator (varmeafgivelses elementet på bagsiden af køleskab) Disse fire er alle i et og samme kredsløb.

I anlægget har vi et kølemiddel/medie som har til opgave at transportere energi fra A til B. Dette medie cirkuleres rundt i det lukkede systemet i to former, væske og gas form.

Alle kender den is kolde følelse at give sig selv et spray med sin deodorant, det flydende drivmiddel i sprayen bringes til kog ved udslip. Den kolde følelse sker når drivmidlet lyn hurtigt fordamper i kontakt med din hud. Når drivmidlet fordampes laves der et fase skift, fra væske/damp til gas, og i dette skift optages der energi. Energi som er taget fra huden, og nu er til stede i drivmidlet. Denne transmission af energi kaldes ”termodynamik” og det er termodynamikken der tages udgangspunkt i, i et køle/vameanlæg. Her holder man blot drivmidlet inde i et lukket system, så man kan transportere energien videre rundt fra varmekilden til varmedrænnet.

Vi følger det lukkede system og mediets tur rundt fra A til B.

Lige før kapillarrøret er kølemiddelet i ren væske form, under højt tryk forsaget at kompressorens komprotions evne. Gennem kapillarrøret sker et kraftigt trykfald og væsken bringes i kog. I en bladning af væske og damp ekspanderes kølemiddelet ud i fordamperen hvor afkogningen og energioptagelsen sker. Det fordampede/afkogte kølemiddel suges videre, ind i kompressoren som komprimer gassen til høje tryk og temperatur. Fra kompresserne trykkes den varme gas gennem en kondensator, hvor varmen afgives. En kondensator findes i mange forskelige andvendelses typer, alt efter formål. I dette tilfælde er kondensatoren med afgivelse af varmen til omgivelserne (omkringliggende luft) Den varme gas trykkes igennem de lange tynde rør, som langsomt afgiver dens varme til omgivelserne. Under denne nedkøling af gasserne sker en gradvis kondensering til væske. I kondensatoren sker fase skiftet fra gas til væske og den energi der blev optaget i fordamperen afgives her.  Ved udgangen af kondensatoren er alt gassen kondenseret til ren væske, og den trykkes videre til kapillarrøret, for igen at ekspandere og optage energi fra kølerummet.

I en varmepumpe er princippet det samme, blot med udnyttelse af den varme side, denne udnyttelse kan gøres på forskelige måder, ligesom at energien kan optages på anden vis, eksempel fra vand eller jord.

Varmeoptagelsen i fordamperen sker i formskiftet til gas, x antal KJ/kg kølemiddel alt afhængig hvilken type kølemiddel der anvendes. Skiftet til gas forsages af det trykfald der laves over kapillarrøret. I fordamperen er et lavere tryk til stede, så afkogningen af kølemiddelet bliver muligt.

Varmepumpen er typisk udstyret med en termoventil i stedet for et kapillarrør. Termoventilen har visse fordele da det er en mekanisk enhed, som styres er en føler bult, monteret på afgangsrørret af fordamperen. Alt efter belastningen skal termoventilen fylde fordamperen med en korrekt mængde kølemiddel så udnyttelsen forbliver mest optimal. Termoventilen skal også sikre den nødvendige køling af kompressoren da denne som regel er suggas kølet. Så en vis overhedning af gasserne er nødvendig.

Der er som sagt flere måder at anvende en varmepumpe på, i sidste ende gælder det om at flytte noget energi fra en varmekilde til et varmedræn. Varmekilden kan være luften uden for, jord, sø eller hav.

Varmedrænnet er som ofte et hus og efterfølgende indeluften. I huset kan varmen for varmepumpen ledes videre gennem vand eller luft, afhængig alt af anlægs type.

Man kan derfor kalde de forskelige anvendelses typer for Luft/luft, luft/vand, og vand/vand, – varmepumpe 

COP Faktoren:

Den økonomiske gevinst i en varmepumpe, findes i den varme afgivelse der laves ved investerings af strøm fra elværket. En varmepumpe kan give helt op til (og i særlige tilfælde højre) 4 gange den energi tilbage som investeres i varmepumpen, dette kaldes COP faktor (coefficient of performance)

En varmepumpe er som tidligere nævnt et transport anlæg, der transportere energi. I varmepumpen sider kompressoren, som komprimer kølemiddelet fra et lavt tryk til et højere, og det er dens strømforbrug samt forbrug til hjælpemidler (Ventilatorer, cirkulationspumper mm) som koster strøm. Gevinsten er så den mængde energi der transporteres ude fra det fri, og ind til huset plus den energi der tilførtes kompressoren.

Hvis du tilfører varmepumpen 1kw/h strøm giver den 4kw/h varme tilbage, altså en COP faktor på 4. COP faktoren er ikke konstant, men svinger op og ned året rundt, alt efter hvor lang vejen fra varmekilden til varmedrænet er. Når det er koldest uden for skal varmepumpen længere ned i temperatur for at hente varmen (varmekilden) og COP faktoren reduceres. 

Ligeledes spiller det ind på COP faktoren hvor høj en temperatur varmedrænet findes i. Små radiatorer skal bruge 50-55C varmt vand, for at kunne afgive nok varme til rummet, dette ville typisk reducere COP faktoren. Et gulv med varme behøver ikke nær så høj en vand temperatur 25-35C alt efter type. Varmedrænet ville derfor ligge væsentligt lavere, til fordel for COP faktoren.

Luft/luft.      

Luft/Luft spilt varmepumpe

En luft/luft varmepumpe er, et split anlæg da anlægget deles op i en ude del (kompresser, fordamper, blæser, termoventil) og en inde del (kondensator) Disse to er forbundet med to isolerede cubberrør eller fleksible trykslanger hhv. Trykrør og sugerør. Virkemåden er her den samme som i vores køleskab.

Varmen optages ude i fordamperen, her er det en luft fordamper, hvor tynde cubber rør føres på tværs gennem en masse små aluminiums lameller. En blæser trækker så udeluften igennem fordamperen, hvor energien optages i kølemidelet. Kølemidlet fra fordamperen suges til kompressorerne og trykkes videre til kondensator som også her er en lamelkondensator, en masse mindre cubberrør i flere lag, ført på tværs igennem tynde aluminiumslameller. En ventilator ventilerer inder luften igennem lamellerne som optager den energi som afgives ved kondensering, af kølemidlet i kondensatoren. Derfor kaldes denne type anlæg Luft/Luft, eftersom energien optages fra luften og afgives til samme.

En ny teknologi kaldes ”Inverter” her er kompressoren omdrejningsstyret af et modul lignede en frekvensomformer, som konventer den oprindelig 230Volt AC spænding til DC volt og kan der efter styre omdrejningerne på kompressoren. Det betyder at varmepumpen er i stand til at regulere sin effekt efter behov, og således reducere antallet af start stop på kompressoren. Inverter brugen omfatter som regel også blæseren i ude delen. Brugen af inverter har vist sig særlig gunstig for virkningsgraden på varmepumpen af flere årsager, dels ved dellast hvor kølemidlet underkøles yderligere til fordel for COP faktoren, og dels ved reducering af strømforbrug.               

I disse typer luft/luft split, er varmepumpen yderlig udstyret med en 4-vejs ventil i udedelen, med denne kan kredsen vendes så inder delen istedet for kondensator bruges som fordamper og ligeledes den udvendige fordamper som kondensator, der kan så køres aircondition på varme sommer dage eller affugtes.

Luft/Luft split varmepumpen er god som et supplement til opvarmningen eller som frost sikring i sommerhuset. Monteringen er ikke særlig omfattende, og anskaffelses prisen er forholdsvis overkommelig.    

Luft/Luft

Boligventilation varmepumpe

Luft/luft varmepumpen bruges også i en mere kompakt type, en såkaldt boligventilation varmepumpe. Her er både fordamper og kondensator samlet i samme unit, som lameltype. Boligventilations varmepumpe er brugt i flere typer, luft/luft eller luft/luft m. brugsvand, som kan være forberedt til fjernvarme eller lignende. Princippet er igen den samme som i vores køleskab. I typen luft/luft er unitten væsentligt mindre, den fylder som ofte ikke mere end en stor flytte kasse alt efter effekt.

Varmepumpen har to luft strømme, med hver sin ventilator, den ene strøm går ude fra det fri(ude luften), gennem varmepumpen og videre ind i huset. Den anden er modsat fra huset, igennem varmepumpen og ud til det fri. Varmepumpen har sin fordamper placeret i luftstrømmen fra huset, hvor den optager energien fra huset inden det ledes videre ud i det fri. Lamelkondensatoren er placeret i strømmen, til huset og afgiver energien fra lamelfordamperen, et såkaldt genvindings princip.

I udgaven med brugsvandsopvarmning er anlægget udstyret med en varmvandsbeholder, og fylder godt det samme som et stort køleskab, nogle typer er lavet i størrelser som passer til indbygning i skab.  Varmepumpen er i dette tilfælde udstyret med to kondensatorer, den anden i varmvandtanken som en spiral, som er sat i serie med kondensatoren. Den genanvendte energien kan så udyttes til opvarmning af brugsvandet. Når der ikke længere er behov for opvarmning at brugsvandet, startes ventilatoren i varmepumpen, og energien bliver så afgivet fra lamelkondensatoren, til ventilation. Der er som sagt flere typer anlæg med flere spiraler i varmvandtanken, til forskellige udnyttelser som sol energi, fjernvarme eller gulvvarme.  

Nogle boligventilations varmepumper er så effektive at de yderlig kan supplere til boligopvarmningen, det er her vigtig at tilføje at nogle af disse typer, kun skal ses som en supplementer, og kan der for ikke bruges til primær varmekilde.

På loft eller i vægge føres de ventilationsrør ud til de rum, som skal nyde godt af varmen, og fra de rum hvor der er særlig god udnyttelse at genvende energien fra eksempel, bad, stue, køkken eller et aftræk fra tørretumbleren. Ved en boligventilations varmepumpe opnår man et sundt og lækkert indeklima, der er så yderlig mulighed for allergikere at få pollen filtre monteret på luft indtaget.

Ved en boligventilations varmepumpe anvendes der flere forskelige tekniker, som køleteknik, VVS, og luft teknik. Det er her vigtigt at montering og indregulering sker af kompetente fagfolk, for sikring af optimal drift, da der desværre har været tilfælde hvor dette ikke har været efterkommet og resultatet og været ubrugeligt!                    

Luft/Vand Varmepumpe

Luft/vand varmepumpen har samme ude del som omtale ved luft/luft split anlægget. Ofte noget større da varmekapaciteten som regel efterspørges i større effekt. Denne type anlæg udmærker sig fordelagtigt til primær varmekilde for huset, da kondensatoren afgiver sin varme til centralvarme kredsen i huset via en vand varmeveksler. Oftest af typen modstrømspladeveklser da denne type er mindre pladskrævende.

Luft/vand varmepumpen er fordelagtig ved udskiftning af oliefyr eller lignende, da man ikke behøver de store konstruktions ændringer. Dog er der en anderledes drift ved anvendelse af energien fra en varmepumpe, til eksisterende centralvarmekreds med tidligere udnyttelse af forsilebrændsler. Fremløbs temperaturen når ikke lige så høje temperatur som ved anvendelse af oliefyr eller ligende. En fremløbs temperatur fra en varmepumpe med brug af HFC kølemiddel, bør ikke værre højre en 45C da en højere temperatur ville blive en bekostelig affære.  

Varmepumper med naturlige kølemidler (CO₂,Propan) egner sig bedre til høj temperatur 50-80C.

Ved konvertering til varmepumpe skal der, derfor tages visse forbehold. En varmepumpe kræver fuldt flow på vandet, modsat oliefyr, hvor varmen reguleres på mængden af vand ved hver radiator. Ved brug af en varmepumpe skal der være konstant flow, hvor varmepumpen selv regulere temperaturen efter behov. En moderne varmepumpe er selv i stand til selv at finde husets varmetab, og derefter selv regulere det nødvendige behov, så en unødvendig høj fremløbstemperatur undgås. Der bør også etableres en buffertank, en buffertank er en vandtank hvor varmvandet fra varmepumpen løber ind i bunden og ud i toppen. Tanken er på x antal liter, alt afhængig af drift formål. Tanken fungere som en energi resuar, både når der er et stort varmeforbrug, men også for at kunne holde nogle længere drift perioder på kompressoren, når varmeforbruget er mindre en kapaciteten på varmepumpen.  

En overstrømnings ventil må også indregnes i etablering af en varmepumpe. Overstrømningsventilen monteres mellem frem og retur, længest ude mod forbrugerne som muligt, til sikring at et minimums flow, i perioder med et lille varmeforbrug.    

Jordvarmepumpe

Vand/vand 

I en jordvarmepumpe optages energien fra jorden, og ligesom ved luft/vand varmepumpen afgives energien til huset via centralvarme. Her har man typisk en indendørs unit med kompressor, kondensator, fordamper, buffertank og fornøden automatik. I stedet for en Lamelfordamper bruges en modstrøms pladeveksler som fordamper.

I jorden nedgraves nogle slanger, med indholdene brine. Brine er en frost væske bestående at en blanding af sprit og vand, der ikke fryser til is ved lave temperature. Brinen cirkuleres rundt i slangerne og optager energi fra jorden, og videre end i fordamperen (pladeveksleren) hvor energien igen bliver optaget af kølemidlet fra varmepumpen.

Brine kredsen er et sekundær system som holdes adskilt fra husets varmesystem, og kun er i kontakt med varmepumpens kolde side. Der er således bygget et trin mere på, eftersom energien først optaget i brinen og efterfølgende af varmepumpen.

Der findes også en udgave af jordvarme, hvor brine kredsen undværes, kaldet ”direkte fordampning”

I stedet for brine slanger, nedgreves parvis nogle cubber rør, beskyttet af en plastkappe, fordampningen af kølemidlet finder så sted direkte ude i jorden.  

Ved etablering at et jordvarmeanlæg skal der laves undersøgelser specifikt for jordforhold, for at kunne udregne den korrekte længde af jordslangerne. Alt afhængig af jordens indhold af sand, ler og muld mm. Findes den nødvendige længde. Det er derfor ikke givet at der kan etableres et jordvarmeanlæg på grunden, hvis ikke forholdende er i orden, ville der ikke kunne hentes den nødvendige mængde energi fra jorden. 

Skrevet  d25/3-2011  Af  Joachim Güldner