Värmekälla

Som det beskrivits tidigare i texten, behöver värmepumpen en utomstående värmekälla för att köldmediet kan förångas. De vanligaste värmekällorna är solenergin som är lagrad i jorden, olika vattendrag och uteluften. Dessutom används värmeenergin som är lagrad i inomhusluften som en värmekälla. Det finns även andra värmekällor som utnyttjas i vär-mepumpsprocessen. Dessa är spillvärme från industrin och avloppsvattnet i till exempel simhallar. Spillvärme från industrin och avloppsvattnet används oftast som tilläggsenergi i ett värmesystem, medan de andra värmekällorna används oftast som primär energikälla i värmesystemet. (Vattenfall.se)

När värmekällornas tekniska egenskaper jämförs, skiljer sig jordens energi, luftens energi och vattnets energi från varandra. Det betyder att det behövs olika mängder energi (kJ) från de olika värmekällorna för att köldmediet i värmepumpen kan förångas. Det här leder i sin tur till olika dimensioneringsval på värmekällan för att uppnå en ekonomisk och energieffektiv lösning. Om energiförbrukningen i lokalen är låg, passar en frånluftvärme-pump bra. Då energiförbrukningen är hög faller valet på en jordvärmefrånluftvärme-pump eller

17

luftvattenvärmepump där energipotentialen i värmekällan är större och de täcker större andelar av årliga energiförbrukningen. (Vattenfall.se)

Värmekällan spelar en stor roll för värmepumpens verkningsgrad COP. Desto varmare värmekällan är desto bättre verkningsgrad COP får värmepumpsprocessen. De vanligaste värmekällorna i Finland har en maximal värmepotential, alltså en maximal temperatur som värmekällan kan bli. För jordmånen i Finland är den till exempel 2 - 8 °C när marken är orörd. Luftens temperatur beror på uteluftens temperatur och när inneluftens tempera-tur utnyttjas beror värmekällans temperatempera-tur på inomhustemperatempera-turen, som vanligtvis är 21°C. Vattnets temperatur som används till värmepumpen är kring 4 °C. (Mårtensson, 2007)

2.3.1 Jordvärme

Jordvärmepumpen utnyttjar jorden som värmekälla. Energin lagras i jorden genom sol-strålning på ytorna av jordskorpan och djupare mot jordens kärna är energin geotermisk energi. Markens yttemperatur är i genomsnitt två grader högre än vad jordens genom-snittliga lufttemperatur är. Jorden kan utnyttjas antingen genom att borra ett hål i berg-grunden eller genom ett horisontellt värmesamlingsrörsystem. Jordens temperatur ökar mest när borrhålet når ungefär 14 - 15 meters djup. Efter denna temperaturökning stiger berggrundens temperatur endast med 0,5–1 °C/ 100 m. (Helda.helsinki, 2013)

En borrbrunn även kallad energibrunn borras rakt neråt i berggrunden. Energin fås av varma bottenvattenströmningar och berggrundens klyvningsenergi, som uppkommer från jordens inre delar. I brunnens övre delar fås energin av lagrad solenergi. Jordens material spelar stor roll på värmeöverföringen i energibrunnen. Om berggrunden är söndrig och grundvattennivån hög, blir värmeöverföringen bättre i brunnen. Om marken är mjuk i början monteras ett järnskyddsrör runt energibrunnen. Desto djupare den mjuka marken når, ökar kostnaderna på borrandet för att skyddsröret monteras i energibrunnen och då hålet når berggrunden sjunker priset på borrandet per meter. För att energiöverföringen ska vara så effektiv som möjlig får det inte bildas luft mellan samlingsrören och berg-grunden. Berggrunden fylls av grundvattnet och det förbättrar värmeöverföringen. Om

18

inte energibrunnen fylls av grundvattnet, fylls den med annat material som har bra vär-meledningsegenskaper. (Helda.helsinki, 2013)

Energibrunnen har ett maximienergiborttagningsvärde. Detta värde beror på var i Finland energibrunnen är belägen. I södra Finland är det teoretiska maximet ca.110–130 kWh / meter och det minskar desto högre upp i landet brunnen borras. I mellersta Finland sjun-ker det till 90–100 kWh/meter och uppe i norra delarna av Finland kan det endast tas 70 – 90 kWh/meter. De viktigaste egenskaperna en energibrunn bör ha, är en hög berg-grundstemperatur och en stenart med bra värmeledningsförmåga. Om energibrunnen fylls av grundvatten, blir värmeledningsförmågan bättre till kollektorrören om vattnet lever i hålet. För att uppnå en bra dimensionerad borrbrunnsfält, bör det göras noggrannare undersökningar på till exempel energibehovet i fastigheten och kylbehovet på sommaren.

Desto större kylbehov fastigheten har desto längre blir livstiden för energibrunnsfältet.

Beroende på var energibrunnen befinner sig, dimensioneras energiborttagningen lägre än givna värden, för att inte frysa ner energibrunnen för fort om det finns flera energibrunns-fält i närheten. (Gebwell.fi, a, Mårtensson, 2007)

2.3.2 Vatten

Om vattendraget befinner sig tillräckligt nära värmepumpens läge, är det lönsamt att ut-nyttja vattendragets energi till värmepumpsprocessen. Vatten utut-nyttjas för en jordvärme-pump genom att kollektorrör placeras i vattnet. En välplanerad vattenvärmeanläggning är en energieffektiv och kostnadseffektiv lösning. För större värmekällsanläggningar blir vattenvärme lönsammare än ett stort energibrunnsfält. (Lappalainen, 2010)

Då värmesamlingsrören placeras i vattendraget går det att ta ut en större mängd energi, jämfört med jordvärmen. Det beror på att vattnet har bättre värmeöverföringsegenskaper än vad jordvärmen har. Även om det går att ta ut en större mängd energi, måste vattnets temperatur var åtminstone +1°C runt värmeinsamlingsrören i alla tillfällen. Om tempera-turen sjunker lägre än +1°C, bildas det is runt röret och när islagret är tillräckligt tjockt,

19

kan kollektorrören stiga upp till ytan. Om kollektorrören stiger upp till ytan kan rören skadas och ett läckage är möjligt. Faktorerna som påverkar dimensioneringen av värme-samlingsrören är bottensedimentet, flödena i vattendraget och bottnets kvalitet. Dimens-ioneras värmesamlingsrören därför längre till vattendraget jämfört med energibrunnens värmesamlingsrörslängder. Ett längre värmesamlingsrör höjer på investeringskostna-derna, medan den tillför en högre temperatur på värmesamlingsmediets temperatur när den cirkulerar en längre tid med samma hastighet i rören och därpå höjs verkningsgraden hos värmepumpen. Fastän rörlängden blir längre i vattnet, blir totalkostnaderna lägre för vattendragssystem än för en energibrunn, där borrningen är en stor del och den dyrare delen av kostnaderna. (Lappalainen, 2010)

Dimensioneringen av värmeöverföringen medför inte stora problem på dimensioneringen av värmesamlingsrörens längd. Däremot kräver placeringen av värmesamlingsrören en mer omsorgsfull planering. Värmesamlingsrören bör installeras djupare än två meter, även vid stranden för att cirkulationen runt värmesamlingsrören kan ske och sannolik-heten för frysning blir lägre. Rören bör ligga på bottnet på vattendraget och därför mon-teras det tyngder på rören som är tillräckligt stora och tunga. En väl dimensionering av tyngderna hindrar rören från att stiga till istäckets nedre kant där rören fryser snabbt och kan förstöras. (Lappalainen, 2010)

När vattendragets energiborttagningsvärde jämförs med energiborttagningsvärdet i en energibrunn, går det att ta ut en större mängd värmeenergi innan det uppkommer problem.

Genom att vattendragets värmeinsamlingsrör placeras tillräckligt djupt är risken för is-bildning lägre, medan under ett energibrunnsfälts livslängd sjunker verkningsgraden även om dimensioneringen är gjord väl och det medför i alla dimensioneringar att fälten fryser så småningom. Optimeringen av energibrunnen blir därför viktig och i större energibrunn-sanläggningar bör det göras djupare undersökningar på berggrunden, för att uppnå en bra värmekällas temperatur under hela energibrunnfältets livslängd. (Lappalainen, 2010)

20

3 CIRKULATIONSPROCESSER

Värmepumpens komponenter, värmekällans temperatur och värmesystemets temperatur spelar en stor roll då det gäller värmepumpens COP-värde. När värmepumpens kompo-nenter genomgår en sluten och gemensam cirkulationsprocess sjunker COP-värdet på grund av olika förluster som sker i cirkulationsprocessen. I kapitlet för cirkulationspro-cesser beskrivs olika cirkulationsprocirkulationspro-cesser som en värmepump kan genomgå och hur de skiljer sig från varandra. Cirkulationsprocesserna som beskrivs i kapitlet har alla två me-dier i olika temperaturer. I Carnotprocessen sker värmeöverföringen mellan två olika medier i olika temperaturer från en högre temperatur till en lägre temperatur. I de övriga cirkulationsprocesserna som kan idealiseras till en värmepump som används till uppvärm-ning sker processen från en lägre temperatur till en högre temperatur och enligt termody-namikens andra sats kan detta inte ske naturligt. Enligt termodytermody-namikens andra sats finns det ingen process där värme kan överföras från ett kallare medium till ett varmare medium utan utomstående energi. (Peda.net, Kylmätekniikan perusteet, 2021)

Cirkulationsprocesserna som beskrivs är Carnotprocessen, en Carnot kyl- och värme-pump, en idealisk cirkulationsprocess och en verklig cirkulationsprocess. Carnotproces-sen är illustrerad för en värmemaskin där verkningsgraden blir under 1 och därför går den inte att jämföra med en värmepumps verkningsgrad. Värmepumpens verkningsgrad anger hur mycket värmeenergi som fås av den andel driftenergi som sätts in i cirkulationspro-cessen. Därför blir en värmepumps verkningsgrad alltid över 1. En Carnot kyl- och vär-mepump går att jämföra med en värvär-mepump. Carnot kyl-och värvär-mepump har den högsta möjliga verkningsgraden mellan två medier i olika temperaturer, medan en cirkulations-process där det utnyttjas en utomstående energikälla används i dagens värme- och kylsy-stem. I det här kapitlet beskrivs cirkulationsprocessernas alla skeden, där alla iakttagelser för vardera cirkulationsprocessen undersöks. En verklig cirkulationsprocess är den enda cirkulationsprocess som innehåller förluster och onödig värmeöverföring i processen.

(Peda.net)

21