Varmepumpe er en maskin som i en termodynamisk prosess overfører termisk energi fra et varmereservoar med lav temperatur til et varmereservoar med høy temperatur. Den viktigste anvendelsen av varmepumper er til oppvarming og avkjøling.
varmepumpe
Varmepumpe. Prinsipptegning.
Illustrasjon av de grunnleggende funksjoner i en varmepumpe.
Grunnleggende prinsipper
Varme og arbeid er to former for energi, og hvordan disse energiformene henger sammen er beskrevet i termodynamikken. Av termodynamikkens andre lov følger at varme ikke kan forflytte seg spontant fra lav til høy temperatur, men en slik forflytting kan likevel finne sted hvis det skjer i tilknytning til utførelsen av arbeid. Arbeidet som kreves for at en gitt mengde varme skal flyttes på en slik måte er vanligvis mye mindre enn varmemengden som flyttes.
Dette prinsippet i termodynamikken åpner for å kunne utnytte de rikelige mengder med varme med moderat temperatur som finnes i omgivelsene i form av uteluft, sjø, jord og grunnvarme, samt industriell spillvarme. Hvis denne varmen kan flyttes til et høyere temperaturnivå og stilles til disposisjon for nyttige formål, representerer den en form for utnyttbar, fornybar energikilde som kan komme samfunnet til gode.
Varmepumpe – virkemåte
I en varmepumpe blir nødvendig arbeid med å overføre varme fra lav til høy temperatur normalt utført ved hjelp av elektrisk energi. Til dette brukes et kuldemedium i form av et fluid som ved normal trykk og temperatur er i gassfase. Varmepumpen utnytter det forholdet at fluidet blir kjølt ned når det ekspanderer og oppvarmet når det utsettes for kompresjon. Når det kjøles ned, kan det oppta varme (fra omgivelsene), og når varmen stiger, kan fluidet avgi varme (til nyttige formål). Ved å etablere en krets der fluidet vekselvis ekspanderes og komprimeres, blir det mulig å overføre («pumpe») varme fra et kaldt sted til et sted med høyere temperatur.
Tidligere var det vanlig å bruke et fluid basert på klorfluorkarboner (KFK-gasser), men da disse har en ozonødeleggende virkning i atmosfæren, ble de erstattet av hydroklorfluorkarboner (HKFK) og senere hydrofluorkarboner (HFK). Lekkasje av slike stoffer til atmosfæren er imidlertid også problematisk da de gir svært store spesifikke bidrag til drivhuseffekten. Dagens varmepumper har derfor gått over til å bruke ammoniakk, CO₂ eller propan, som er mindre skadelige.
Varmepumpen består av en utedel og en innedel. I utedelen sendes fluidet gjennom en fordamper. Nedkjølt fluid kan da oppta varme fra omgivelsene via en varmeveksler. Fluidet, som nå har fått en høyere temperatur, ledes videre gjennom en kompressor som bringer temperaturen ytterligere opp. Det oppvarmede fluidet sendes deretter gjennom en kondensator der den tilførte varmen blir frigjort og overført til innedelen via en ny varmeveksler. Til sist sendes fluidet gjennom en reduksjonsventil der trykket og temperaturen til fluidet synker, og prosessen kan starte forfra igjen (se figur).
Varmen som avgis til innedelen kan være til luft. Hvis også varmen som opptas fra omgivelsene kommer fra luft kalles varmepumpen for luft-til-luft-varmepumpe. Hvis omgivelsesvarmen opptas av vann, for eksempel at den hentes fra sjøen, og innedelen også er et vannbårent varmesystem, blir den kalt for en vann-til-vann-varmepumpe.
Effektivitet
Ved hjelp av varmepumper blir det mulig å produsere mer varmeenergi enn forbruket av elektrisk energi. Mervarmen kommer fra den varmen som vi tar opp gratis fra omgivelsene. Hvor effektivt en varmepumpe arbeider, angis vanligvis med en såkalt varmefaktor. Denne er definert som forholdet mellom varmepumpens avgitte varmeenergi og tilført elektrisk energi. Ved romoppvarming oppnås gjerne en varmefaktor i området 3–5, avhengig av temperaturforholdene og anleggets type og dimensjonering.
I industrielle anvendelser, for eksempel til inndamping, kan varmepumpens varmefaktor bli enda høyere. Ved å benytte varmepumper kan vi derfor spare betydelige energimengder i forhold til vanlige oppvarmingssystemer.
Omgivelsesvarme
Tilgang til omgivelsesvarme er en forutsetning for all bruk av varmepumper. Denne form for varmekilde inngår i det naturlige miljøet og kan dermed anses som en fornybar energi.
For at den skal kunne utnyttes av en varmepumpe, må varmekilden være lett tilgjengelig og helst ha en stabil temperatur gjennom hele året. Varmefaktoren er i stor grad avhengig av temperaturløftet, og en varmekilde med moderate temperaturnivåer er derfor å foretrekke. Andre viktige faktorer er varmekildens varmekapasitet og varmeledningsevne.
Uteluft
Den vanligste varmekilden i Norge er uteluft. Den er tilgjengelig over alt, er enkel å ta i bruk, men har den ulempen at luftens temperatur er lavest når varmebehovet er størst. Med lav temperatur blir temperaturløftet stort og varmefaktoren liten. Uteluft har dessuten lav spesifikk varmekapasitet, noe som krever bruk av en varmeveksler med stort overflateareal, og bruk av vifte for å oppnå en stor luftgjennomgang. Når temperaturen er lavere enn rundt 3 °C oppstår det rim og frost på fordamperen, som må fjernes med tilførsel av varme til avriming. Hvis oppvarmingen er basert på bruk av ventilasjonsanlegg, kan ventilasjonsluften brukes. Denne er en mer stabil varmekilde, men kilden er begrenset og kan bare bidra med en mindre del av oppvarmingsbehovet.
Sjøvann
For bygninger langs kysten kan sjøvann være et attraktivt alternativ. Sjøvann har høy spesifikk varmekapasitet og har sjeldent lavere temperatur enn 2 °C. Sjøvann er ikke like enkelt tilgjengelig som uteluft og medfører et større investeringsbehov som gjør at de normalt er forbeholdt større anlegg. Med bruk av sjøvann får man en stabil og gunstig varmefaktor gjennom hele året. Er det behov for kjøling om sommeren er dessuten sjøvann en god kuldekilde hvis vannet hentes fra et dypere lag.
Grunnvarme
Grunnvarme er lagret i berggrunn eller grunnvann. Den er tilgjengelig de fleste steder, og under 10–20 meter holde temperaturen seg stabil gjennom hele året. Grunnvarmen innhentes ved å bore et hull som stikker 100–200 meter ned i grunnen. Varmen opptas med vann tilsatt glykol (frostvæske), som sirkulerer i et rør som er lagt inne i hullet. Varmekapasiteten ligger normalt på 25–40 watt per meter. Økt kapasitet oppnås ved å etablere flere parallelle hull. Det er viktig at grunnen er mettet med vann da vann har en god varmegjennomgangsevne.
Utbredelse
Utedelen av en luft-til-luft-varmepumpe. Slike varmepumper brukes både til oppvarming og air conditioning.
Kuldeanlegg og fryseanlegg har lenge vært den viktigste anvendelsen av varmepumper, men i løpet av de senere årene har varmepumper brukt til romoppvarming og beredning av varmtvann fått en økende utbredelse. I Norge ligger forholdene godt til rette for bruk av varmepumper. Mange steder har rikelig tilgang til gunstig omgivelsesvarme i form av sjøvann og grunnvarme. I tillegg har vi en lang fyringssesong som gir en god utnyttelse av investeringene. Etter andre verdenskrig ble rikelig tilgang på rimelig vannkraft brukt til romoppvarming med bruk av direktevirkende motstandsovner. Dette gir en svært dårlig utnyttelse av elektrisk energi som har en høy energikvalitet (se energi). Med en overgang fra bruk av motstandsovner til varmepumper oppnås en betydelig energiøkonomisering. Varmepumper blir også brukt til å erstatte oppvarmingssystemer basert på fossil energi (fyringsolje) og spiller derfor en viktig rolle i arbeidet med å bygge ut et mer miljøvennlig energisystem.
I 2022 ble det omsatt 151 200 nye varmepumper, og i dag (2023) er det cirka 1,1 millioner varmepumper i Norge som brukes til oppvarmingsformål. Det er beregnet at disse bidrar med over 10 terawattimer (TWh) hvert år. Produsert varme fordeler seg på 58 prosent i boliger, 34 prosent i lokaler knyttet til tjenesteytende næringer og 8 prosent i industrien. Det er anslått et ytterligere potensial på 10 TWh fra varmepumper i eksisterende bygningsmasse. De fleste varmepumpene er luft-til-luft-varmepumper der varmekilden er uteluft. For større bygningskomplekser er det mest vanlig å bruke grunnvarme og sjøvann som varmekilde.
Internasjonalt har det også vært en økning i bruk av varmepumper. I europeiske land skjer romoppvarming og varmtvannsberedning med bruk av petroleum eller naturgass. Når landene nå ønsker å avkarbonisere sitt energiforbruk, fremstår varmepumper som et attraktivt alternativ etter hvert som også produksjon av elektrisk energi skal bli karbonfri.
Kommentarer (2)
skrev Tor-Ivar Krogsæter
Denne artikkelen – som med straumprisane me har no kanskje er meir aktuell enn nokon gong – byrjar no å bli noko utdatert. I det innleiande avsnittet etter ingressen, står det ikkje noko eiga forklaring på korleis varmepumpa verkar; det blir berre synt til artikkelen om kjøleanlegg. Talmaterialet som vert vist til mot slutten kunne ha vore oppdatert med utviklinga fram til no i dag. Til sist er det verdt å merke seg at Enova m.fl. i dag nyttar bindestrek-skrivemåten, t.d. luft-til-luft-varmepumpe eller væske-til-vatn-varmepumpe (ein annan skrivemåte er å byte ut «-til-» med tankestrek, t.d. «luft–luft-varmepumpe», men med skrifta som er nytta på SNL, er det særs vanskeleg å sjå forskjellen på bindestrek og tankestrek, så ein slik skrivemåte er per no ugunstig).
Denne artikkelen er kanskje òg til nytte: https://forskning.no/bakgrunn-energi-fysikk/se-hvordan-varmepumpa-virker/1022294
svarte Lars Hallstrøm Eriksen
Takk for gode innspill og tips. Artikkelen vil bli oppdatert!
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.