Värmepumpar: uppvärmning med värmeenergi från miljön
Global uppvärmning, klimatförändringar, CO2-utsläpp och växthuseffekt är dramatiskt klingande modeord som tyvärr förekommer allt oftare i nyheterna.
Därför är det absolut nödvändigt att minska utsläppen av växthusgaser som fluorerade gaser, metan, dikväveoxid och koldioxid (CO2). Särskilt koldioxid, som många värmesystem släpper ut när de förbränner fossila bränslen som kol, olja eller naturgas, bidrar bland annat till den globala uppvärmningen och klimatförändringarna.
Därför finns det ett akut behov av miljövänliga eller klimatneutrala alternativ från förnybara energikällor. När det gäller uppvärmning dyker begreppet "värmepump" upp om och om igen. Men vad är värmepumpar, hur fungerar de och är de verkligen universalmedlet mot klimatkrisen? Vi skulle vilja klargöra dessa frågor och ge dig mer intressant information om detta viktiga ämne.
Det finns mycket värme i luften, i jorden och även i vatten, som i bästa fall också kan användas för uppvärmning. Orsaken är solstrålning eller jordens heta kärna. Men bortsett från de kokande gejsrarna på Island är den tillgängliga värmeenergin tyvärr inte direkt lämplig för uppvärmning. Detta beror på att temperaturen i luften, vattnet eller marken under uppvärmningssäsongen ofta är betydligt lägre än de 20 grader Celsius (°C) som krävs.
För att uppvärmningsprocessen ska fungera och vara effektiv och miljövänlig krävs en del tekniskt kunnande. Till exempel används luft-vattenvärmepumpar (1) för att föra den befintliga värmeenergin (2) i luften till en betydligt högre nivå (3).
Den höga temperaturen eller temperaturökningen som uppnås på detta sätt överförs sedan till vattenkretsen i ett värmesystem (4). På så sätt kan enskilda rum, hela byggnader eller till och med hela simbassänger värmas upp enkelt och effektivt.
Det geniala är att en stor del av värmeenergin kommer direkt från omgivningen. Endast den elektriska energi som krävs för pumpen (5), som i bästa fall genereras från förnybara energikällor, påverkar kostnaden.
Värmepumpar är inte en ny uppfinning från 2000-talet. Värmepumpar har funnits i mer än 100 år. För i princip alla kylskåp och frysar är värmepumpar. Den enda skillnaden är att dessa kylskåp använder den temperatursänkning som genereras i inredningen och inte den spillvärme som genereras på baksidan. För att bättre förstå hur en värmepump fungerar, låt oss först titta på hur ett kompressorkylskåp fungerar.
Drift av ett kompressorkylskåp
Ett kylskåp har en sluten kylkrets som innehåller ett gasformigt eller flytande köldmedium, t.ex. isobutan. Isobutan eller R600a har en mycket låg kokpunkt och förångas redan vid en temperatur på -11,5°C.
Det gasformiga köldmediet (1) trycksätts med hjälp av en kompressor (2), som är placerad utanför det inre utrymme som ska kylas. Under denna process värms köldmediet upp till ca 60 till 100 °C på grund av Joule-Thomson-effekten. Det heta och trycksatta köldmediet leds till en kylkrets eller värmeväxlare (3) på kylskåpets bakvägg. Där släpps värmeenergin helt enkelt ut i den omgivande luften.
Eftersom koktemperaturen för det trycksatta köldmediet är betydligt högre än -11,5 °C kondenserar det i kylkretsen och blir flytande. Det är därför som experter även kallar kylslingan för kondensor.
Det flytande köldmediet strömmar sedan genom ett kapillärrör till kylskåpets insida. Kapillärröret fungerar som en strypventil eller expansionsventil (4) som minskar trycket och finfördelar köldmediet. Rören i förångaren nedströms (5) ger tillräckligt med utrymme för att köldmediet ska kunna återgå till gasform genom att minska trycket. Den värmeenergi som krävs för förångning (evaporativ kylning) extraheras från kylskåpets insida av förångaren som en värmeväxlare. Efter förångaren återförs det gasformiga köldmediet till kompressorn så att cykeln kan börja om igen. Temperaturen styrs av en termostat som slår på eller stänger av kompressorn inom ett visst temperaturintervall.
Drift av en värmepump
En värmepump har också en sluten kylkrets med köldmedium, två värmeväxlare och en kompressor. Men till skillnad från ett kylskåp använder en värmepump temperaturökning och inte temperaturminskning.
För detta ändamål komprimeras det gasformiga köldmediet (2) med en kompressor (1). Det heta och trycksatta köldmediet leds till den första värmeväxlaren eller kondensorn (3).
Denna värmeväxlare har rör för en värmekrets (4) utöver rören för köldmediet.
Båda rörsystemen är termiskt sammankopplade. Detta gör att värmen från det komprimerade köldmediet effektivt kan överföras till värmekretsen med värmefördelnings- och lagringssystem.
Det kylda och nu flytande köldmediet leds via en strypventil (5) till den andra värmeväxlaren, förångaren eller värmekällsystemet (6). Förutom ledningarna för köldmediet finns det även termiskt kopplade ledningar för kylkretsen (7) i förångaren. Kylkretsen är vanligtvis fylld med frostskyddsmedel och vatten och kan kompensera för den kyla som genereras under förångningen i förångaren med omgivningsvärme. På så sätt kyler en värmepump miljön som en positiv bieffekt. Köldmediet, som nu är gasformigt igen, leds till kompressorn, varvid cykeln sluts igen.
Det finns olika typer av värmepumpar, beroende på det medium från vilket energin för uppvärmning utvinns. Vi vill här gå in på de vanligaste typerna mer i detalj:
Luft/vatten-värmepump
I en luft-vattenvärmepump eller luftvärmepump (se skiss A) fungerar den omgivande luften som värmekälla. Ibland installeras split-enheter där kompressor, förångare och fläkt sitter utomhus och kondensor med cirkulationspump och styr- och reglerteknik sitter inne i huset. Luft-vattenvärmepumpar kan drivas ekonomiskt ner till en lufttemperatur på -20°C.
Våra produktrekommendationer för luft/vatten-värmepumpar
Grundvattenbaserad värmepump
Grundvattenvärmepumpar kallas även bergvärmepumpar och använder den naturliga värmen i jorden som energikälla. För detta ändamål grävs antingen markkollektorer (se skiss B) ner nära ytan eller djupa borrhål (40 - 100 m) borras (se skiss C). Även om installationskostnaderna är betydligt högre, ger de högre jordtemperaturerna vanligtvis en högre värmepumpseffektivitet.
Vatten/vatten-värmepump
I en vatten-till-vatten-värmepump (se skiss D) används vanligtvis grundvatten som värmekälla. För detta ändamål behöver grundvattenvärmepumpar en sugbrunn för att utvinna vattnet och en infiltrationsbrunn för att återföra grundvattnet.
Eftersom grundvattnets temperatur är konstant under hela året, oavsett årstid, kan dessa system arbeta mycket effektivt. På många platser krävs det dock tillstånd för att få använda grundvatten.
Luft/luft-värmepumpar
En luft/luftvärmepump använder utomhusluften eller även husets frånluft som värmekälla. Till skillnad från en luft-vattenvärmepump överförs värmen inte till en vattenfylld värmekrets, utan till ett ventilationssystem. Luft-luftvärmepumpar är idealiska för passivhus och energieffektiva byggnader där ett ventilationssystem med värmeåtervinning måste installeras.
Värmepumpar för varmvatten
En varmvattenvärmepump eller tappvarmvattenvärmepump är speciellt konstruerad för att producera tappvarmvatten med hjälp av rumsluft och värmepumpsteknik. Värmepumpen och vattentanken är ofta en och samma enhet. Vissa varmvattenvärmepumpar har extra värmeelement för att vid behov avsevärt höja den redan höga varmvattentemperaturen på ca 65 °C. Alternativt finns det även varmvattenvärmepumpar med extra anslutningar för solfångare.
Våra produktrekommendationer för varmvattenvärmepumpar
Komplettera en värmepump med solfångare
Naturligtvis är det möjligt att effektivt komplettera och stödja en värmepump med solfångare. Här kan solfångarna antingen användas direkt för att producera varmvatten eller, vid låga temperaturer, för att öka värmekällans energinivå. Möjligheterna i detta avseende är så många att det i alla fall är vettigt att låta experter sköta planeringen.
Värmepumpsteknik kan användas för både uppvärmning och kylning av bostäder och byggnader. I samband med allt varmare somrar hittar man därför allt oftare eftermonterade luftkonditioneringssystem med värmepumpsteknik på husväggarna. Även mobil användning i fordon har bevisat sitt värde i årtionden.
Under tiden arbetar även hushållsapparater med denna smarta teknik. Tvättmaskiner är till exempel å ena sidan praktiska och användbara, men å andra sidan kräver de också en relativt stor mängd elenergi. För att minska elförbrukningen och samtidigt bibehålla samma torkprestanda arbetar moderna klädtorkar med en värmepump. Med en värmepumpstork behöver man inte hela tiden värma upp ny luft, som sedan bara släpps ut i rummet eller omgivningen efter torkprocessen. Istället återanvänds torkluften ständigt i en cykel och värms och kyls specifikt av den integrerade värmepumpen.
Värmepumpar har många styrkor, men också en del svagheter som vi inte vill dölja. Den förmodligen största fördelen är å ena sidan att den väsentliga delen av den värmeenergi som utvinns tas från miljön och därmed finns tillgänglig i obegränsade mängder. Om elen för att driva kompressorn genereras från förnybara källor är värmepumpar miljövänliga energileverantörer. Å andra sidan är investeringskostnaderna inte obetydliga, trots statliga subventioner. Dessutom är det svårt att integrera värmepumpar i befintliga byggnader på grund av de ibland låga framledningstemperaturerna.
För- och nackdelar med värmepumpar i korthet
Fördelar:
- Miljövänlig energileverantör
- Hög verkningsgrad
- Nästan outtömliga värmekällor
- Hög flexibilitet hos energikällorna
- Låga driftskostnader, snabb avskrivning
- Nästan underhållsfri drift
- Uppvärmning och kylning möjlig
Nackdelar:
- Hög anskaffningskostnad
- Begränsad framledningstemperatur
- God byggnadsisolering krävs
- Optimal effektivitet endast med golvvärme
- Svårt att använda med radiatorer
- Separat varmvattensystem krävs
- Planering och projektering endast av specialister
Verkningsgraden för ett värmesystem anger förhållandet mellan tillförd energi och användbar värme. Om ett gasvärmesystem producerar ca 9.000 kWh värme från 10.000 kWh naturgas, är värmesystemets verkningsgrad 0,9. För värmepumpar anges verkningsgrader mellan 2 och 5! Det innebär att man får ca 2 - 5 kWh värme från en kilowattimme (1 kWh) el, som bäst erhålls från förnybar energi.
Men värmepumpar är inga magiska maskiner som på ett mirakulöst sätt kan skapa energi ur ingenting. Den höga verkningsgraden beror snarare på att man i det här fallet bara räknar med den el som behövs och inte också med den miljöenergi som tillförs.
I slutändan är detta dock irrelevant, eftersom den miljöenergi som krävs finns tillgänglig i obegränsade mängder och inte kommer att visas på någon energiräkning. I bästa fall uppstår inga driftskostnader om värmepumpsoperatören även äger en solcellsanläggning och elen till kompressorn, fläktarna och pumparna genereras av solcellsanläggningen. Tack vare den regenerativa energin kan uppvärmningen då vara helt CO2-fri.
För att få befolkningen att byta till en klimatvänlig värmepump vid modernisering eller konvertering av ett befintligt värmesystem eller ett gammalt värmesystem, kan det finnas ekonomiskt stöd för en ny värmepump. Subventionen för värmepumpar är dock knuten till vissa kriterier. Dessutom förändras subventionen ständigt. Om du vill göra anspråk på en värmepumpsubvention bör du därför informera dig om de aktuella subventionerna.