Varmepumper: opvarmning med termisk energi fra miljøet
Global opvarmning, klimaforandringer, CO2-udledning og drivhuseffekt er dramatisk klingende buzzwords, som desværre optræder oftere og oftere i nyhederne.
Det er derfor bydende nødvendigt at reducere udledningen af drivhusgasser som f.eks. fluorholdige gasser, metan, lattergas og kuldioxid (CO2). Især CO2, som mange varmesystemer udleder, når de forbrænder fossile brændstoffer som kul, olie eller naturgas, bidrager bl.a. til global opvarmning og klimaforandringer.
Derfor er der et presserende behov for miljøvenlige eller klimaneutrale alternativer fra vedvarende energikilder. Når det drejer sig om opvarmning, dukker begrebet "varmepumpe" op igen og igen. Men hvad er varmepumper, hvordan fungerer de, og er de virkelig et universalmiddel mod klimakrisen? Vi vil gerne afklare disse spørgsmål og give dig mere interessant information om dette vigtige emne.
Der er meget varme i luften, i jorden og endda i vand, som i bedste fald også kan bruges til opvarmning. Årsagen er solstråling eller jordens varme kerne. Men bortset fra de kogende gejsere på Island, er den tilgængelige varmeenergi desværre ikke direkte egnet til opvarmning. Det skyldes, at temperaturen i luften, vandet eller jorden i fyringssæsonen ofte er betydeligt lavere end de krævede 20 grader Celsius (°C).
For at opvarmningsprocessen skal fungere og være effektiv og miljøvenlig, kræves der en vis teknisk knowhow. For eksempel bruges luft-til-vand-varmepumper (1) til at bringe den eksisterende termiske energi (2) i luften op på et meget højere niveau (3).
Den høje temperatur eller temperaturstigning, der opnås på denne måde, overføres derefter til vandkredsløbet i et varmesystem (4). På denne måde kan individuelle rum, hele bygninger eller endda hele svømmebassiner opvarmes nemt og effektivt.
Det geniale er, at en stor del af varmeenergien kommer direkte fra miljøet. Kun den elektriske energi, der kræves til pumpen (5), som i bedste fald genereres fra vedvarende energikilder, påvirker omkostningerne.
Varmepumper er ikke en ny opfindelse fra det 21. århundrede. Varmepumper har eksisteret i mere end 100 år. For dybest set er ethvert køleskab eller fryser en varmepumpe. Den eneste forskel er, at disse køleskabe bruger den temperatursænkning, der genereres i det indre, og ikke den spildvarme, der genereres på bagsiden. For bedre at forstå, hvordan en varmepumpe fungerer, skal vi først se på, hvordan et kompressorkøleskab fungerer.
Drift af et kompressorkøleskab
Et køleskab har et lukket kølekredsløb, der indeholder et gasformigt eller flydende kølemiddel som f.eks. isobutan. Isobutan eller R600a har et meget lavt kogepunkt og fordamper ved en temperatur på -11,5 °C.
Det gasformige kølemiddel (1) sættes under tryk af en kompressor (2), som er placeret uden for det indre rum, der skal afkøles. Under denne proces opvarmes kølemidlet til ca. 60 til 100 °C på grund af Joule-Thomson-effekten. Det varme kølemiddel under tryk ledes til et kølekredsløb eller en varmeveksler (3) på køleskabets bagvæg. Her frigives varmeenergien ganske enkelt til den omgivende luft.
Da kogetemperaturen for kølemidlet under tryk er betydeligt højere end -11,5 °C, kondenserer det i kølekredsløbet og bliver flydende. Det er derfor, eksperter også kalder kølekredsløbet for en kondensator.
Det flydende kølemiddel strømmer derefter gennem et kapillarrør til indersiden af køleskabet. Kapillarrøret fungerer som en drossel- eller ekspansionsventil (4), der reducerer trykket og forstøver kølemidlet. Rørene i den nedstrøms fordamper (5) giver kølemidlet plads nok til at vende tilbage til gasform ved at reducere trykket. Den termiske energi, der kræves til fordampning (evaporativ køling), udvindes fra køleskabets indre af fordamperen som en varmeveksler. Efter fordamperen returneres det gasformige kølemiddel til kompressoren, så cyklussen kan starte igen. Temperaturen styres af en termostat, der tænder eller slukker for kompressoren inden for et bestemt temperaturområde.
Drift af en varmepumpe
En varmepumpe har også et lukket kølekredsløb med kølemiddel, to varmevekslere og en kompressor. Men i modsætning til et køleskab bruger en varmepumpe temperaturstigning og ikke temperatursænkning.
Til dette formål komprimeres det gasformige kølemiddel (2) af en kompressor (1). Det varme og tryksatte kølemiddel ledes til den første varmeveksler eller kondensator (3).
Denne varmeveksler har rør til et varmekredsløb (4) ud over rørene til kølemidlet.
Begge rørsystemer er termisk forbundet med hinanden. Det betyder, at varmen fra det komprimerede kølemiddel effektivt kan overføres til varmekredsen med varmefordelings- og lagringssystemer.
Det afkølede og nu flydende kølemiddel ledes via en drosselventil (5) til den anden varmeveksler, fordamper eller varmekildesystem (6). Ud over kølemiddelledningerne er der også termisk koblede ledninger til kølekredsløbet (7) i fordamperen. Kølekredsløbet er normalt fyldt med frostvæske og vand og kan kompensere for den kulde, der opstår under fordampningen i fordamperen, med omgivelsesvarme. På den måde afkøler en varmepumpe omgivelserne som en positiv bivirkning. Kølemidlet, der nu igen er gasformigt, føres til kompressoren, og kredsløbet lukkes igen.
Der findes forskellige typer varmepumper, afhængigt af det medium, som energien til opvarmning udvindes fra. Her vil vi se nærmere på de mest almindelige typer:
Luft/vand-varmepumpe
I en luft-til-vand-varmepumpe eller luftkildevarmepumpe (se skitse A) fungerer den omgivende luft som varmekilde. Nogle gange installeres split-enheder, hvor kompressoren, fordamperen og ventilatoren er placeret udendørs, og kondensatoren med cirkulationspumpe og styringsteknologi er placeret inde i huset. Luft/vand-varmepumper kan fungere økonomisk helt ned til en lufttemperatur på -20 °C.
Vores produktanbefalinger til luft/vand-varmepumper
Grundvandsvarmepumpe
Grundvandsvarmepumper, også kaldet geotermiske varmepumper, bruger jordens naturlige varme som energikilde. Til dette formål nedgraves enten jordkollektorer (se skitse B) tæt på overfladen, eller der bores dybe huller (40 - 100 m) (se skitse C). Selvom installationsomkostningerne er betydeligt højere, resulterer de højere jordtemperaturer normalt i en højere varmepumpeeffektivitet.
Vand/vand-varmepumpe
En vand-til-vand-varmepumpe (se skitse D) bruger normalt grundvand som varmekilde. Til dette formål har grundvandsvarmepumper brug for en sugebrønd til at udvinde vandet og en infiltrationsbrønd til at returnere grundvandet.
Da grundvandets temperatur er konstant hele året rundt, uanset årstiden, kan disse systemer fungere meget effektivt. Mange steder kræves der dog tilladelse til at bruge grundvand.
Luft-til-luft varmepumper
En luft-til-luft-varmepumpe bruger udeluften eller endda husets udsugningsluft som varmekilde. I modsætning til en luft/vand-varmepumpe overføres varmen ikke til en vandfyldt varmekreds, men til et ventilationssystem. Luft-til-luft-varmepumper er ideelle til passivhuse og energieffektive bygninger, hvor der skal installeres et ventilationssystem med varmegenvinding.
Varmepumper til varmt vand
En varmtvandsvarmepumpe eller brugsvandsvarmepumpe er specielt designet til at producere varmt brugsvand ved hjælp af rumluft og varmepumpeteknologi. Varmepumpen og vandtanken er ofte en enkelt enhed. Nogle varmtvandsvarmepumper har ekstra varmeelementer, der om nødvendigt kan øge den allerede høje varmtvandstemperatur på ca. 65 °C betydeligt. Alternativt findes der også varmtvandsvarmepumper med ekstra tilslutninger til solfangere.
Vores produktanbefalinger til varmtvandsvarmepumper
Supplering af en varmepumpe med solfangere
Det er selvfølgelig muligt at supplere og understøtte en varmepumpe effektivt med solfangere. Her kan solfangere enten bruges direkte til at producere varmt vand eller ved lave temperaturer til at øge varmekildens energiniveau. Mulighederne i denne henseende er så mange, at det under alle omstændigheder giver mening at overlade planlægningen til eksperter.
Varmepumpeteknologi kan bruges til både opvarmning og køling af boliger og bygninger. I forbindelse med de stadig varmere somre finder man derfor i stigende grad eftermonterede klimaanlæg med varmepumpeteknologi på husmurene. Selv mobil brug i køretøjer har bevist sin værdi i årtier.
I mellemtiden arbejder husholdningsapparater også med denne smarte teknologi. For eksempel er vaskemaskiner på den ene side praktiske og nyttige, men på den anden side kræver de også en relativt stor mængde elektrisk energi. For at reducere elforbruget og samtidig bevare den samme tørreevne arbejder moderne tørretumblere med en varmepumpe. Med en varmepumpetørrer er der ikke behov for konstant at opvarme ny luft, som så bare slippes ud i rummet eller omgivelserne efter tørreprocessen. I stedet bliver tørreluften konstant genbrugt i en cyklus og specifikt opvarmet og afkølet af den integrerede varmepumpe.
Varmepumper har mange styrker, men også nogle svagheder, som vi ikke ønsker at skjule. Den største fordel er nok på den ene side, at den væsentligste del af den varmeenergi, der udvindes, kommer fra miljøet og dermed er tilgængelig i ubegrænsede mængder. Hvis elektriciteten til at drive kompressoren kommer fra vedvarende energikilder, er varmepumper miljøvenlige energileverandører. På den anden side er investeringsomkostningerne ikke ubetydelige på trods af offentlige tilskud. Desuden er det vanskeligt at integrere varmepumper i eksisterende bygninger på grund af de til tider lave fremløbstemperaturer.
Kort om fordele og ulemper ved varmepumper
Fordele:
- Miljøvenlig energileverandør
- Høj effektivitet
- Stort set uudtømmelige varmekilder
- Høj fleksibilitet i energikilderne
- Lave driftsomkostninger, hurtig afskrivning
- Næsten vedligeholdelsesfri drift
- Mulighed for opvarmning og køling
Ulemper:
- Høj anskaffelsespris
- Begrænset fremløbstemperatur
- Kræver god bygningsisolering
- Optimal effektivitet kun med gulvvarme
- Vanskelig at bruge med radiatorer
- Separat varmtvandssystem påkrævet
- Planlægning og design kun af specialister
Virkningsgraden for et varmesystem angiver forholdet mellem tilført energi og brugbar varme. Hvis et gasvarmeanlæg producerer ca. 9.000 kWh varme ud af 10.000 kWh naturgas, er varmeanlæggets virkningsgrad 0,9. For varmepumper angives virkningsgrader mellem 2 og 5! Det betyder, at man får ca. 2-5 kWh varme ud af en kilowatt-time (1 kWh) elektricitet, som bedst kommer fra vedvarende energi.
Men varmepumper er ikke magiske maskiner, der på mirakuløs vis kan skabe energi ud af ingenting. Den høje effektivitet skyldes snarere, at man i dette tilfælde kun tager højde for den nødvendige elektricitet og ikke også den tilførte miljøenergi.
I sidste ende er dette dog irrelevant, da den nødvendige miljøenergi er tilgængelig i ubegrænsede mængder og ikke vil fremgå af nogen energiregning. I bedste fald, hvis varmepumpeoperatøren også ejer et solcelleanlæg, og elektriciteten til kompressoren, ventilatorerne og pumperne genereres af solcelleanlægget, er der ingen driftsomkostninger. Takket være den regenerative energi kan opvarmningen så være helt CO2-fri.
For at tilskynde befolkningen til at skifte til en klimavenlig varmepumpe, når de moderniserer eller konverterer et eksisterende varmesystem eller et gammelt varmesystem, kan der være økonomisk støtte til en ny varmepumpe. Tilskuddet til varmepumper er dog knyttet til visse kriterier. Desuden ændrer tilskuddet sig hele tiden. Hvis du ønsker at få tilskud til en varmepumpe, bør du derfor orientere dig om de aktuelle tilskud.