Hvordan virker en varmepumpe

En varmepumpe er forskjellig fra en ovn. Ovnen lager “ny” varme, men varmepumpa henter varme som allerede fins i omgivelsene.

De vanligste varmepumpene kalles luft til luft-varmepumper. Varmepumpen henter varmen som allerede finns i omgivelsene. Varmepumpa er en varmeflytter.

Men ingenting er gratis. Varmepumpa trenger strøm for å klare jobben. Poenget med varmepumpa er at den lager mer energi enn den bruker. En kilowattime til varmepumpa kan gi tre kilowattimer varme. Dermed sparer vi strøm.

Varme fra uteluft og varme fra inneluft

Den vanligste og billigste varmepumpa plasseres på en yttervegg og stikker ut fra huset som en kasse. Den ligner et klimaanlegg slik vi er vant til å se det på hus i utlandet. Og likheten er ikke tilfeldig. Det er egentlig samme maskin vi snakker om. I Norge bruker vi den bare motsatt – til å varme istedenfor å kjøle.

Det finnes også en dyrere varmepumpe som kalles ventilasjonsvarmepumpe. Den henter varme fra innelufta som ventileres ut og flytter varmen over til utelufta som ventileres inn.

Ventilasjonsvarmepumpa sparer mer strøm, og ventilasjonen gir bedre inneluft. Dessuten kan overskuddsvarmen brukes til å varme opp vann i en varmtvannsbereder.

Inni varmepumpa

Hvis du åpner dekslelet, finner du et lukket kretsløp. Der sirkulerer et stoff som kalles arbeidsmedium. Tidligere var ofte arbeidsmediet freon. Freon ødelegger ozonlaget rundt jorda.

Hvordan kunne freonet ødelegge ozon, når den var stengt inne i et lukket kretsløp? Freon kunne lekke ut. Noen ganger lekket det under drift, og som regel lekket det ut når anlegget skulle kastes. I dag brukes gasser som ikke skader ozonlaget, såkalte hydrofluorkarboner.

Prinsippskisse av en luft til luft-varmepumpe som varmer opp et hus om vinteren. For at varmepumpa skal kunne hente varme fra utelufta, må temperaturen i fordamperen være enda lavere enn utelufta. I Norge stiller dette ekstra store krav til varmepumpa.

Et lukket kretsløp

Kretsløpet består av fire deler: Kompressoren, kondensatoren, strupeventilen og fordamperen.

I kompressoren blir arbeidsmediet trykket sammen av en pumpe. Trykket øker, og dermed blir arbeidsmediet varmere.

Arbeidsmediet går videre gjennom kondensator. Kondensatoren er som radiatoren i en bil – et nettverk av tynne rør. Rørene blir varmet opp av arbeidsmediet. Rørene varmer så opp omgivelsene. Vi kan også se det slik at omgivelsene kjøler ned røret. Arbeidsmediet blir flytende, det kondenserer.

Så går arbeidsmediet gjennom en strupeventil, og trykket synker. Arbeidsmediet fordamper delvis. Den blir en blanding av gass og flytende væske og blir kaldere.

Arbeidsmediet går så gjennom fordamperen. Den er en slags omvendt radiator – et nettverk av tynne rør. Fordamperen avkjøler omgivelsene. Vi kan også se det slik at omgivelsene varmer opp fordamperen. Arbeidsmediet fordamper helt.

Varmepumpa – vanligere enn du tror

Plassér den varme kondensatoren inne i huset, og du får oppvarming. Plasser den kalde fordamperen inne i huset og du får avkjøling. Flere varmepumper og klimaanlegg kan reverseres. Dermed kan de brukes til oppvarming om vinteren og avkjøling om sommeren.

“Kjøleskapet henter varme fra innsida og slipper den ut på utsida.”

Et vanlig kjøleskap inneholder også en varmepumpe. Fordamperen er inne i kjøleskapet. Varmepumpa flytter varmen ut til kondensatoren bak kjøleskapet. Kjenn på kondensatoren, så skjønner du hva jeg mener.

Dypfryseren er ikke annet enn et “kjøleskap på steroider”. Der kjøleskapet nøyer seg med å flytte litt varme, skyfler dypfryseren nok varme ut i omgivelsene til å lage fimbulvinter for Grandiosaen.

Klimaanlegget i bilen er også en varmepumpe. Fordamperen avkjøler viftelufta til kupeen. Kondensatoren varmer opp utelufta. Bilen blir som et kjøleskap på hjul.

Hvorfor virker varmepumpa?

Hvorfor blir det egentlig varmt i den ene halvdelen og kaldt i den andre?

En varmepumpe er det reneste fysikklaboratorium. Mye av det som skjer inni varmepumpa, skjer også ute i naturen. Har du skjønt varmepumpa, så har du også lært noe om vær og vind, svette og tindebestigning – blant annet.

For å skjønne hva som egentlig skjer inni varmepumpa, må vi sette opp tre lover. De er forenklede utgaver av fysikernes lover, men likevel gyldige.

De tre lovene kaller vi trykk-temperaturloven, kokepunktloven og væske-gassloven. Og alle tre lover kan vi oppleve på en tindebestigning.

Trykk-temperaturloven og snøfjellet

“Selv en fin sommerdag er det snø på fjelltoppene. Det er fordi trykket og dermed temperaturen er lavere der oppe”

Når trykket øker i en gass, så blir den varmere. Motsatt kan vi si at når trykket faller, så blir gassen kaldere.

Når du klatrer opp på et fjell, kan du se denne loven i arbeid. Du starter nederst i dalen. Her er lufttrykket høyest. Trær og gress vokser frodig i sommervarmen.

Så går du oppover fjellsida. Jo høyere du kommer, desto lavere blir lufttrykket. Dermen blir det også kaldere. Meteorologene har regnet ut at temperaturen i gjennomsnitt faller med seks grader for hver tusende meter du stiger.

Kommer du høyt nok på fjellet, kommer du til snøgrensa. Her er det så kaldt at snøen ligger året rundt. Og det skyldes altså at lufttrykket er lavere her oppe.

Kokepunktloven og tekoppen på Mount Everest

Når trykket faller, så faller også kokepunktet. De fleste av oss er vant til at vann koker ved hundre grader Celsius. Men det gjelder bare når lufttrykket er som ved havets overflate.

“En glovarm tekopp ville begynne å koke på toppen av Mount Everest.”

På toppen av Mount Everest koker vannet allerede ved 68 grader Celsius. Det er grunnen til at det ikke er mulig å få seg en skikkelig varm kopp te der oppe. Da forstår man hvilke prøvelser de første britiske ekspedisjonene i Himalaya ble utsatt for.

Hva ville skjedd hvis du lynraskt kunne flytte den gloheite morgenteen fra kjøkkenbordet og opp til Mount Everest? Den ville vært mye varmere enn kokepunktet, og ville kokt bort uten oppvarming.

Væske-gassloven – svalende svette og mørke skyer

Når væske fordamper, kreves det varme utenfra. Eller sagt på en annen måte: Væske som fordamper, avkjøler omgivelsene.

“Aasmund Olavsson Vinje lot fordampning svale sin hete panne, og i en tordensky frigjøres varme når vanndamp kondenserer til dråper.”

Aasmund Olavsson Vinje har skildret det i sitt fjelldikt: Og same vind den heite panna svalar. Det er ikke bare kulden i vinden som svaler. Vinden får svetten på pannen til å fordampe. Og fordampningen krever varme. Fjellkaren blir avkjølt.

Svetting er faktisk kroppens måte å kjøle oss ned på. Det er derfor vi svetter.

Når gass kondenseres til væske, skjer det motsatte. Det blir frigitt varme. Dette skjer inne i tordenskyer. Når vanndamp blir til dråper i skyen, frigis det varme. Varmen får lufta til å stige, og drar mer fuktig luft fra bakken etter seg.

Stadig ny luft kondenserer. Stadig mer varme frigjøres. En tordensky er det rene “varmekraftverk”, og energien folder seg ut med skremmende styrke.

Varmepumpa og naturlovene

Rustet med våre tre lover skal vi ta turen gjennom kretsløpet i varmepumpa en gang til. For nå kan vi virkelig skjønne det som skjer.

“Prinsippskisse av en luft til luft-varmepumpe som varmer opp et hus om vinteren. For at varmepumpa skal kunne hente varme fra utelufta, må temperaturen i fordamperen være enda lavere enn utelufta. I Norge stiller dette ekstra store krav til varmepumpa.”

Vi starter som sist i kompressoren. Arbeidsmediet pumpes fra lavt til høyt trykk. Trykk-temperaturloven forklarer oss hva som skjer: Trykket stiger, og dermed stiger også temperaturen. Arbeidsmediet blir varmere.

Kokepunktloven sier at når trykket stiger, så stiger også kokepunktet. Det er derfor arbeidsmediet går delvis over fra gass til væske.

I kondensatoren avgir arbeidsmediet varme til omgivelsene. Arbeidsmediet blir dermed avkjølt, og alt blir til væske. Det kondenserer. Væske-gassloven sier at dette frigir litt varme. Denne varmen overføres også til omgivelsene.

I strupeventilen presses arbeidsmediet gjennom en trang kanal som bare slipper gjennom en tynn stråle av væske. Det blir lavere trykk etter strupeventilen fordi kompressorpumpen står og suger lenger fram i kretsløpet.

Kokepunktloven sier at når trykket synker, så synker kokepunktet. Derfor begynner arbeidsmediet å fordampe. Væske-gassloven sier at fordampning krever varme. Altså blir arbeidsmediet avkjølt.

Den avkjølte blandingen av flytende og fordampet arbeidsmedium går til fordamperen. Her blir arbeidsmediet varmet opp av omgivelsene. Alt fordamper. Trykk-temperaturloven sier at når trykket synker, så blir det kaldere. Altså blir arbeidsmediet enda mer avkjølt.

Vi er tilbake der vi startet, med kald gass ved åpningen til kompressoren.

Gode og dårlige varmepumper

En god varmepumpe for norsk bruk må tåle lave temperaturer. Fordamperen må kunne kjøles ned til under utetemperaturen. Først da kan den hente varme fra den kalde utelufta.

“Carrier varmepumpe. Foto: Klima & varmeteknikk AS”

Til det kreves en kraftig nok kompressorpumpe. De fleste varmepumper i Norge har trinnløs variabel kompressor som tilpasser pumpekraften til utetemperaturen.

Også strupeventilen kommer i forskjellige kvaliteter. De dyrere ventilene har elektronisk styring. Det betyr at strupeventilen også kan være med på å regulere trykkforskjellen og dermed temperaturforskjellen mellom kondensatoren og fordamperen.

I rå norsk vinterluft danner det seg rim på fordamperen. Fra tid til annen må kompressoren reversere, slik at den kalde fordamperen blir en varm kondensator og rimet smelter. Det kalles defrosting av varmepumpa.

Effektfaktor – strøm spart er strøm tjent

En varmepumpe bruker også strøm. Kompressorpumpa og viftene foran kondensator og fordamper krever sitt. Poenget med varmepumpa er at du får ut mer energi i form av varme enn varmepumpa bruker i strøm.

Effektfaktoren sier hvor mye varmeenergi du får i forhold til hvor mye strømenergi du bruker. Hvis varmepumpa gir tre kilowattimer varme for hver kilowattime den bruker, blir effektfaktoren 3.

Effektfaktoren avhenger av hvor kaldt det er ute. Jo kaldere ute, desto hardere må kompressorpumpa kjøre for å senke temperaturen i fordamperen, og desto mer strøm bruker varmepumpa. En realistisk effektfaktor for norske forhold bør måles ved minus 7 grader Celsius.

Gammel kunnskap på ny måte

Fysikken og teknologien bak varmepumpa er slett ikke ny. Michael Faraday oppdaget i 1820 at fordamping av ammoniakk kunne brukes til å avkjøle luft.

De første ismaskinene basert på prinsippet ble laget i Florida i 1842. De første klimaanleggene som kunne kjøle innelufta ble laget i 1902 av amerikaneren Willis Haviland Carrier. Hans klimaanlegg kunne også kontrollere luftfuktigheten, og ble brukt i fabrikklokaler.

Einstein og Elektrolux

“Cool …”

Mindre kjent er at selveste Albert Einstein i 1930 tok patent på en variant av varmepumpen sammen med sin tidligere elev Leó Szilárd. Denne varmepumpen hadde ingen bevegelige deler, og det svenske firmaet Elektrolux kjøpte patentet for å bruke det i helt lydløse kjøleskap.

Varmepumpen i Einstein-kjøleskapet trenger bare å få tilført varme i den ene enden, så blir det kaldt i den andre. Det er enkelt, pålitelig og nesten uslitelig. Derfor kan det kanskje få anvendelse i soldrevede kjøleskap i områder uten elektrisk strøm.

Kontakt

Send oss en e-post.