Figur av kredsløbet i en enkel varmepumpe. 1) Kondensator, 2) Reduktionsventil, 3) Fordamper, 4) Kompressor.
Trinnene i kredsløbet
Kompressoren (4) suger ind den kalde kølemedium fordampning og komprimerer kuldemediet slik at temperaturen øger. Gassen ledes ind i en kondensator (1) hvor den kondenserer til væske fordi kuldemediet er varmere end omgivelserne og dermed afgiver varme. Væsken går igennem en reduktionsventil (2) hvor trykket bliver reduceret og derigennem temperaturen. Væsken (og altså sædvanligvis noget gas) føres ind i en fordamper (3) og væsken fordamper igen. Væsken fordamper fordi kuldemediet har et lavt tryk, og dermed lav kogepunktstemperatur. Omgivelserne er nu varmere end mediet, og varme strømmer dermed fra omgivelserne til mediet.
Direkte og indirekte anlæg
Det må være en varmeveksler både på den kalde (fordamper) og varme siden (kondensator) av varmepumpen for henholdsvis å afgive varme til og tag op varme fra kuldemediet i hovedkredsen. Dersom disse varmevekslerne opererer direkte på mediet som er målet for kølingen eller opvarmningen, kaldes anlægget direkte, f.eks. luft-til-luft-varmepumpe. I modsat fald siges anlægget at være indirekte, typisk luft-til-vand- eller vand-til-vand-varmepumpe hvor varmen vanligvis overføres til et varmeanlæg eller opvarmning av varmt forbrugsvand (tappevand). De sidstnævnte typer er direkte anlæg dersom formålet er at køle eller varme op vand som forbruges. Som regel må en skille på om anlægget er direkte eller indirekte på varmekildesiden og/eller på varmeforbrugssiden.
Varmepumpeprocessen
For at studere varmepumpeprocessen i detalje, kan man benytte sig av et såkaldt tryk-ental Pi-diagram. Diagrammet viser specifik ental Pi (indre energi) til fluidet i forhold til trykket (logaritmisk fremstillet). Temperatur og tæthede kan ofte også læses af disse diagrammer. Ved å læse av energien (ental pien) til fluidet ved de ulige stadier, er det mulig å læse av hvor meget varme som er tages op av omgivelserne, hvor meget som bliver afgivet og hvor meget energi (ekstern energi, strøm) man må tilføre processen.
Varmepumpeprocesessen er eksemplificeret ved et tryk-ental Pi-diagram av kuldemediet HFK-134a. Det er tegnet ind en processen hvor mediet har en tilstand på 3 bar / 0°C ude, og 17 bar / 60°C inde. Disse tilstandene kan f.eks. bruges til å hente varme fra søvand på 4°C og levere varme til et vandbærerent anlæg med temperatur på 40-50°C.
Den mørke streg i diagrammet viser hvor fluidet skifter tilstand fra væske til gas. Området inde i stregen viser to-fase området, hvor fluidet består av både gas og væske. I dette området er temperauren konstant, og all tilført energi går med til å fordampe mediet. Det modsatte sker når mediet kondenserer. |
|
Tryk-ental Pi-diagram-diagram av kuldemediet HFK-134a
Kompressortrinnet
Ved indgangen til kompressoren har kuldemediet en temperatur på 0 °C, et tryk på 3 bar og en ental Pi på 400 kJ/kg. Kompressoren trykker sammen gassen (1-2) og temperaturen stiger til 95 °C og trykket til 17 bar. (Ved såkaldt adiabatisk kompresjon (tapsfri), komprimeres gassen fra 1 til 2', og temperaturen stiger bare til 65 °C.) Fluidets ental Pi har øges fra 400 til 470 kJ/kg, det er også den mængden elektricitet (ekser gi) som kræves for å drive varmepumpen.
Varmeafgivning
Fluidet føres så ind i kondensatoren hvor temperaturen raskt synker til 60 °C, men trykket er fortsat 17 bar. Kølemediet har da nået kondensationslinjen, hvor gassen kondenseres til væske (2-3). Kølemediet afgiver varme ved å ændre tilstand fra gas til væske, uden å ændre hverken temperatur eller tryk. Kølemediet afgiver varme helt til all gas er kondenseret til væske (3). Ental pien til fluidet er nå 290 kJ/kg, det betyder at fluidet har levret varme tilsvarende 180 kJ/kg til omgivelserne, repræsenteret ved qk.
Reduktion
Fluidet føres så gennem en termoventil som reducerer trykket til 3 bar (4). På grund av det lave trykket har fluidet en temperatur på 0 °C.
Fordampning
Fluidet er da koldere end omgivelserne og vil varmes op av omgivelserne. Fordi vi befinder os i tofasede området vil fluidet koge, eller fordampe. På samme måde som ved kondensering vil fluidet ta til sig varme uden å ændre hverken tryk eller temperatur. All tilført varme vil gå med til å lage gas av fluidet. Dette vil fortsætte helt til fluidet består av 100% damp, og det på ny går ind i kompressoren (1). Fluidet har da taget til sig energi tilsvarende 110 kJ/kg, repræsenteret ved q0. Dette er andelen "gratis" energi i varmepumpeprocessen.
COP
Teoretisk effektfaktor vs. temperaturløft. COP står for "Koefficient Of Performance" og angiver effektiviteten til varmepumpen. Den udregnes ved å dividere mængde afgivet energi på mængden energi (strøm) tilsat til varmepumpen.
Teoretisk maksimum for en varmepumpeprocessen er givet av carnot-syklusen:
Hvor To er omgivelsestemperaturen (som i Kelvin), mens Tk er temperaturen på det som skal varmes op. Effektiviteten på processen beskrevet over, kan regnes ud ved å dele andel afgivet energi på andel tilsat energi. Det betyder at hvis man bruger 1 kWh med strøm til å drive varmepumpen, får man 2,5 kWh med varme ud. Ved moderate temperaturløft (20-25 °C) er det vanlig med en COP på 3-4. For moderne luft-luft varmepumper med kuldemediet R410A vil en utetemperatur på rundt minus 20 grader gi en COP på 1. Kuldemediet R 407C har et tilsvarende kritisk punkt på rundt minus 10.
Hovedkomponenter:
Kompressoren
Eller pumpe, er selve "hjertet" i varmepumpe. Det er kompressoren som sørger for at kuldemediet cirkulerer i varmepumpe. Den komprimerer kølemediet (øger trykket) fra fordamperen til kondensatoren, og øger dermed også temperaturen i kølemediet. Det finnes en række ulige typer kompressorer for varmepumpeformål, hvor type arbeidsmedium og størrelse på varmepumpe bestemmer hvilken som egner sig Best. God energieffektivitet ved dellast og specifikke energiomkostning (Kr./kW), er også vigtige faktorer for en kompressor. Tappene fra elektricitet til tryk indebærer motortap, processe- og mekaniske tap og varmetap.
Stempelkompressoren
Den mest brugte og en av de ældste kompressor type som benyttes til varmepumpeformål. Benytter samme princip som en bilmotor hvor et (eller flere stempler) er koblet til en aksel. Stemplet går ned og suger kølemediet ind, går op og komprimerer gassen, hvorpå en ventil åbnes når trykket er højt nok og gassen går ud i kondensatoren. Kan gi et maksimalt trykforhold på typisk 1:8.
Skruekompressoren
Dette er en gammel kompressor konstruktion som bruges ved effekter fra 200 til flere tusind kW. Har et fast volume forhold og gir typisk et trykforhold på 1:20. Kompressoren er meget driftssikker, men har dårlige dellast egenskaber. Reguleres ved å ændre omdrejninger ned til 50% (fra 6 000 til 3 000 o/min) og ved å slippe komprimeret gas tilbage til lavtryksområdet vha. en glide. Det er fordelagtig å benytte omdrejning regulering så længe dette er mulig, da glideregulering fører til store tap.
Scrolle-kompressoren
Arbejdsprincip for scrol kompressoren.
Har i de seneste årene taget mere over for stempelkompressoren og leveres i effekter fra 2 til 100 kW. Ved dellast reguleres hastigheden, typisk mellem 3 000 og 8 000 o/min. Den benyttes mere og mere fordi den er stillegående, kompakt og har få bevægelige deler og dermed vældig driftssikker.
Turbokompressoren
Kalles også turbokompressor og komprimerer kølemediet med skovler som roterer med en omdrejning på 10 - 20 000 o/min (deraf navnet turbo). Mest aktuel ved høje ydelser (> 1500 kW). Er meget benyttet fordi den har få sliddele, få bevægelige deler og ingen ventiler, som gir små driftsproblemer og slidtage. Den er også eneste kompressoren som ikke benytter olie og er dermed vældig kompakt i forhold til ydelsen. Man slipper også problemer med olie i kølemidlets. Varmepumpeanlægget med turbokompressor benyttes mange steder.
Fordamperen
Fordamperen er den delen der fluidet tager til sig varme fra omgivelserne. Jo varmere omgivelserne er, jo mere varme kan varmepumpen ta op og effektiviteten øger. Det billigste alternativet er å placere utedelen i uteluft. Temperaturen på udeluften varierer derimod ganske meget, og på kolde dage bliver varmepumpen mindre effektiv. Det bedste er å bore ned til grundvand eller ligge fordamperen i søvand. Disse holder en jævn temperatur rundt årsmiddeltemperatur for stedet. Varmepumpen kan da fungere som et vældig effektivt komfortkølingsanlæg om sommeren. Dette øger imidlertid omkostningerne betragteligt og vil kun være lønsomt ved store anlæg.
Udformning av fordamperen afhænger av varmeoptagsmedium (luft, søvand osv.) og type kuldemedium. Luft har generelt dårlige varme overførings egenskaber (lav termisk konduktivitet, varmekapacitet og tæthed) og man må da benytte en varmeveksler med lameller eller ribber for å få stor overflade. Benytter man søvand kan man derimod bruge en vældig kompakt pladevarmeveksler. På grund av fare for korrosion må derimod denne være av titan.
Kondensatoren
Kondensatoren er den delen der kølemediet afgiver varme til omgivelserne. Denne er normale placering inde i et hus, eller i en varmecentral. Hvor den enten afgive varmen til luften eller et vandbærerne radiatoranlæg. Ved det sidse tilfældet må radiatoranlægget være specielkonstrueret (Alternativt gulvvarme) for å afgive varme ved lave temperaturer, typisk 30-40 °C, mod 70-80 °C som er vanlig i traditionelle, oliefyret anlæg. Effektiviteten til varmepumpen daler med øgede temperaturhævninger. Udformning av kondensatoren er samme udførsel som "retningslinjer" som fordamperen.
Termoventilen
Gennem Termoventilen synker trykket og dermed temperaturen til kølemediet, slik at det kan ta op varme i fordamperen. termoventil er reguleret med signaler fra overgangen mellem fordamper og kompressor for at variere mængde kølemedie ud til fordamperen. Tilføres der for meget kølemedie vil man ikke få 100% fordampning av mediet, og man risikerer væske i kompressoren, som igen vil skade kompressoren.
Ændring av kølemediet de senere årene [rediger]
Kølemediet (eller kuldemediet, gassen) er det medie som benyttes til å transportere varme. Medierne man benytter er i gasfasen ved normale tryk og temperaturer. For rundt 50 år siden benyttet man i stor grad klorfluorkarboner (KFK), f.eks. R12, ettersom disse mediere var svært stabile og uproblematiske i brug. Etter at man opdaget at disse gassene ved udslip bryder ned ozonlaget, gik man gennem internationale lovereguleringer over til hydroklorfluorkarboner (HKFK), senere til hydrofluorkarboner (HFK).
Både de oprindelige kølemedierne og erstatningsmedierne gir imidlertid meget store specifikke bidrag til drivhuseffekten. De har mellem 1300 og 3800 ganger så stort GWP-Verdi-potentiale som karbondioksid (CO2). De naturlige kølemedier ammoniak, propan og CO2 har derfor fået en renes sanse. Rigtignok er ammoniak svært giftig og propan er brandbart, men med de rette forholdsregler (sikkerhedsbarrierer, ventilation etc.) er det mulig å kontrollere disse ulemperne. CO2 er vældig krævende å benytte fordi man opererer i trans kritisk område med højt tryk (optil 130 bar). På grund av dette kondenserer ikke mediet, men køles med stor temperaturglidning. Det er derfor gunstig at benytte CO2-varmepumpe til opvarmning av tappevand, som varmes op fra 5°C til 60-70°C.[1]
Varmekilder
Varmepumper gives navn etter hvad slags medium de tager varme fra og hvor de afgiver varme. "Luft-til-luft"-varmepumpe henter varme fra ude- eller ventilationsluften og afgiver den direkte til inde luften i en bygning. En "vand-til-vand"-varmepumpe henter varme fra sø, indsø, grundvand e.l. og afgiver varme i et vandbåren system i bygningen, og gerne også varmt tappevand.
De afgørende faktorende ved valg av varmekilde er pris, varmebehov, tilgængelighed, temperatur og temperatur udsving i fyringssæsonen, varmekapacitet, varmeledningsevne (konduktivitet) og korrosionspotentiale.
Udeluft
Uteluft er den mest brugte varmekilden i Norge. Små enheder, som bliv stadig mere effektive billigere, kan let efterinstalleres i hus og kan i mange tilfælde halvere strømforbruget [2]. Dette afhænger selvsagt av mange faktorer som størrelsen på huset og hvor stor andel av bygnings opvarmningen varmepumpe kan stå for.
Uteluft har den fordelen at den er let tilgængelig og billig. Udeluft har derimod store temperaturvariationer over fyringssæsonen. På de koldeste dagene når man har behov for mest varme i huset, er det også mindst varme å hente fra udeluft. Dette gør at varmepumpens ydelse reduceres betragteligt og man må i stor grad benytte sig av tillægsvarme som Brænde - pille ovn, El radiator etc. På steder med Høi årsmiddeltemperatur, som ved kysten, kan det derimod være fordelagtig å bruge luft-luft-varmepumpe. Udeluft har desuden lav varmekapacitet noget som fører til stort fordampningsareal. Ved udeluft temperatur lavere end 3°C opstår frost og rim på fordamperen, og det er da behov for energi/varme til afrimning. Støy fra vifter i fordamper og kondensator er ofte et problem.
Ventilations luft som varmekilde kan være et godt alternativ da temperaturen på ventilationsluft holder jævn temperatur på rundt 21°C gennem hele vinteren dersom det ikke benyttes varmegenindvinding. Mængden tilgængelig varme i ventilationsluft er rigtig nok begrænset og kan som regel bare bidrage med en lille del av det totale opvarmningsbehov til bygningen.
Søvand
Ved Norges langstrakte kyst er tilgangen på søvand ofte god, og for store anlæg er søvand en av de mest brugte varmekilder. Minimumstemperaturen ved kysten er sjælden lavere end 5°C og temperaturvariationerne lave, specielt ved 30-40 meters dyp hvor det er aktuelt å hente søvand fra. Ved denne dybde er mindre alge- og blåskimmelvækst, og det er desuden mulig å komme til tilgange med et mindre dyk. Tilgangen er desuden tilnærmet ubegrænset.
Å benytte søvand som varmekilde indebærer en mere kostbar investering end å benytte luft, men indebærer ofte en bedre totaløkonomi eftersom ydelsen til varmepumpe (COP) øger betragteligt. Har man behov for køling om sommeren er søvand en vældig god kølekilde, i og med at temperaturen på den aktuelle dybde holder sig rundt 12-15°C om sommeren.
Jordvarme
Med jordvarme, geotermisk energi, menes varme som er lagret i grunden, enten i bjerg eller grundvand. Under 10 meter er temperaturen nærmest lig gennemsnitstemperaturen på overfladen, og variationerne er lig nul. Et normalt borehul ligger mellem 100 til 200 meter. Dybere end 200 meter udføres sjælden pga. at dette øger slidtagen og omkostninger på boreudstyret. Beregnende effekt pr meter ligger normalt på 25 til 40 watt pr. meter.
Varmeoverføringsegenskaberne til jorden er vældig vigtig for hvor meget varme man kan hente ud av brøndene. Tør jord overfører varme vældig dårlig og kan ruinere et varmepumpeprojekt baseret på Jordvarme. Derfor er det vigtig at vandindholdet er højt, fordi vand har gode varmeoverførings egenskaber. Borer man i fjeld/ Bjerg bør bjergarten være porøs og indeholde meget vand. Det er eventuelt mulig å fylde på med varmeledende fyldmasse av segment og sand for å øge varmeoptagelsen. |
|
