Sådan fungerer en varmepumpe

Funktionen af en varmepumpe minder meget om et køleskab. Hvor et køleskab trækker varmeenergien ud af madvaren og fører den ud af køleskabet, gør en varmepumpe det modsatte: den trækker varmeenergien ud af omgivelserne uden for bygningen og gør det brugbart til opvarmning indendørs. Ud over rummet eller udendørsluften er en varmepumpe i stand til at trække varmeenergien ud af grundvandet og jorden. Og fordi temperaturen af denne varme normalt ikke er tilstrækkelig til at opvarme en bygning eller varmt vand, bruger man den termodynamiske proces.
 

Kølecyklussen i detaljer

Uanset hvilken varmekilde der bruges til at generere varme, er disse fire trin i kølekredsen altid en del af varmepumpens drift.

1. Fordampning

For at fordampe en væske skal man tilføre energi. Det kan man eksempelvis se med vand. Hvis en gryde vand opvarmes til 100 grader Celsius (med varmeenergi), begynder vandet at koge og fordampe. Hvis der derefter stadig tilføres varmeenergi, stiger vandets temperatur ikke længere. I stedet omdannes vandet til damp.

2. Komprimering af gas

Hvis en gas, eksempelvis luft, komprimeres, stiger trykket og derved stiger temperaturen også. Man kan typisk opleve dette, hvis man lukker åbningen på en cykelpumpe og komprimerer luften - så bliver cykelpumpens cylinder varm.

3. Kondensering

Eftersom energi ikke kan gå tabt når vanddamp kondenserer, frigives den varmeenergi, der tidligere blev anvendt til fordampning igen.

4. Ekspansion

Hvis trykket pludselig sænkes i en tryksat væske, opstår der et stort temperaturfald. Dette kan eksempelvis ses på en gasflaske på en gasgrill. Hvis ventilen åbnes, kan der i nogle tilfælde opstå isdannelse på ventilen af gasflasken, selv om sommeren. (Her sænkes trykket fra ca. 30 bar til 1 bar.)
 

Konstant gentagelse af processen

Alle de ovennævnte processer finder sted i varmepumpen i et lukket kredsløb. Til overførelse af varme i fordamperen anvendes en væske (kølemiddel), som fordampes selv ved meget lave temperaturer. For at fordampe denne væske anvendes varmeenergi, eksempelvis fra jorden eller udendørsluften. Selv temperaturer på - 20 grader Celsius er nok til at kølemidlet fordamper. Den kolde kølemiddel damp, på for eksempel -20 grader Celsius, komprimeres så meget at det opvarmes til en temperatur på op til 100 grader Celsius. Denne kølemiddel damp kondenseres i kondensatoren og frigiver derved varmen til varmesystemet. Efterfølgende nedsættes trykket af det flydende kølemiddel kraftigt i en ekspansionsventil og væskens temperatur falder til det indledende niveau. Processen kan herefter starte igen.

Beskrivelse af processen i en luft-/vand varmepumpe

Den nemmeste måde at forklare processen i en varmepumpe på, er med eksempel på en luft-/vand varmepumpe: En luft-/vand varmepumpe kan bestå af en eller to enheder, afhængig af type. I begge tilfælde trækker en indbygget ventilator luften ind over en varmeveksler. I varmeveksleren (fordamperen) cirkulerer et kølemiddel, som ændrer tilstand selv ved meget lave temperaturer. Ved kontakt med den omgivende luft opvarmes kølemidlet og gradvist omdannes det til damp. For at øge temperaturen til den ønskede temperatur anvendes en kompressor. Denne komprimerer dampen og øger derved både trykket og temperaturen af kølemiddel dampen.

Herefter overfører en anden varmeveksler (kondensator) energien fra den opvarmede damp til varmekredsen (gulvvarme, radiator, buffer eller varmtvandsbeholder). Det kølemiddel, der stadig er under tryk, afkøler og kondenserer igen. Før det kan strømme tilbage til kredsløbet, bliver kølemidlet udvidet i en ekspansionsventil. Når den har opnået sin oprindelige tilstand, kan kølecyklussen starte igen

Billedet viser skematisk kompressionsprocessen som en del af varmepumpens funktion

Kompression kræver elektricitet

En væsentlig del af et kølekredsløb er kompressoren. Dette skyldes at de indledende temperaturer er for lave til at opvarme en bygning til en behagelig temperatur uden kompression - især på meget kolde dage med tocifrede minusgrader.

I praksis anvendes der flere forskellige kompressorer, herunder stempelkompressorer og scrollkompressorer, som er elektrisk drevne. Strømforbrug til kompression afhænger af mange faktorer. Disse omfatter opvarmningskrav, kompressorteknologi og ikke mindst temperaturforskellen mellem varmekilde og varmesystem. Teknisk set kan man sige at jo højere temperaturforskellen er mellem varmekilde og fremløbstemperatur, jo mere kompressoren skal arbejde.