Luft- och vattenvärmepumpen: hur fungerar den?

Denna fashionabla uppvärmningsapparat, som är populär för sin användning av förnybar luftenergi, är ofta ett mysterium när det gäller hur den fungerar. Genom att läsa den här artikeln kommer du att förstå principen bakom luft-vattenvärmepumpar.

En luft-vattenvärmepump absorberar kalorier från utomhusluften tack vare den endoterma karaktären hos avdunstningsreaktionen av ett köldmedium. Den distribuerar kalorierna till vattnet i hushållsnätet tack vare den exoterma egenskapen hos kondensationen av samma köldmedium.

Ovanstående definition är det "komplicerade" sättet att förklara, men den kan förenklas och när den är förstådd kan den förklaras i detalj.

Funktionsprincipen för luft-vatten-värmepumpen förklaras.

Analogi med kylskåp

Vi har alla ett kylskåp hemma. Om du vill att det ska fungera är det bäst att låta dörren vara stängd. Anledningen är enkel och vi är alla intuitivt medvetna om den. Det beror på att du måste begränsa storleken på den volym som ska kylas. Du vill bara kyla den mat som finns i kylskåpet.

Men vad händer om du öppnar kylskåpsdörren? Du kan tänka dig att maten värms upp i luften. Kylskåpet fungerar fortfarande eftersom det inte vet att dörren är öppen. Därför försöker det utan att veta det kyla en volym som är alldeles för stor för dess lilla kompressor, det försöker kyla hela rummet.

Resultatet är att hans lilla kompressor alltid är igång. Den tittar på det börvärde som den måste nå och tills den når dit fortsätter den att arbeta. Och kondensatorn på baksidan av ditt kylskåp arbetar med full kapacitet. Den kondenserar, den kondenserar, så den värms upp eftersom kondensering är en reaktion som frigör värme (exotermisk).

Ditt kylskåp har blivit en värmare: när dörren är öppen har den volymen av det rum som ska kylas framför sig. För honom är det nästan oändligt och omöjligt att kyla. Så det går i en slinga och värmer genom kondensering.

Samma princip gäller för uppvärmning av ditt hem med en värmepump. Förutom att du inte "öppnar dörren" till rummets volym, utan till hela den yttre miljön, trädgården, planeten. Vi har alltså en "oändlig" källa att kyla. Därför är det möjligt att värma upp huset genom kondensering i kondensatorn på vattnet i hushållsnätet: köldmediet omfördelar de kalorier som tas från uteluften.

Det är kontraintuitivt att ta kalorier från kall luft.

Det kan verka kontraintuitivt att värma upp ett rum med hjälp av energi från utomhusluften när det är superkallt ute på vintern (-10 / -15 °C). Och det är just på vintern som det ska värmas mest.

Men du bör veta att oavsett luftens temperatur innehåller den fortfarande kalorier som kan pumpas ut. Ju kallare och torrare luften är, desto färre kalorier innehåller den naturligtvis, och det är därför värmepumpar fungerar lite sämre på vintern. Det vill säga att de använder mer el för att ge samma mängd värme.

Detta faktum är naturligtvis kontraintuitivt eftersom vi instinktivt vet att värme alltid flödar från den varmaste till den kallaste miljön. Du vet att om du öppnar fönstret mitt i natten på vintern kommer du snart att frysa eftersom all värme i huset har försvunnit ut genom fönstret.

Värmepumpens magi är att lyckas i motsatt riktning! Det vill säga att överföra värme från den kallaste miljön till den varmaste. Det är därifrån termen "värmepump" kommer, eftersom värme pumpas in i den naturliga miljön. Den bekämpar denna naturliga övergång från varmt till kallt, precis som en brunnspump lyckas övervinna gravitationen genom att flytta vatten från dess lägsta potentiella energipunkt till en högre potentiell energipunkt.

Mer information om hur luft-vattenvärmepumpen fungerar

Du borde ha förstått principen för luft/vatten-värmepumpen intuitivt när du läser de två första styckena. Låt oss nu gå in på mer detaljer. Vad är mysteriet bakom värmepumpens förmåga att vända den naturliga principen för värmeöverföring?

Köldmediet: värmepumpens ledare

Värmepumpens magi beror till stor del på att köldmedier har förmågan att avdunsta vid mycket låga temperaturer och på så sätt fånga upp energi från den naturliga miljön även på vintern.

Vi vet alla att vatten, som är den vanligaste naturliga vätskan, avdunstar vid 100 °C. Men detta gäller endast under standardförhållanden, dvs. vid atmosfärstryck 1013 HPa. Det övergår då från vätske- till ångtillstånd och sägs avdunsta. Denna avdunstningsreaktion sägs vara endotermisk, dvs. den tar upp en mängd energi (kalorier) från den miljö där den äger rum.

Men om du befinner dig på toppen av Mount Everest är det atmosfäriska trycket inte alls detsamma: det minskar nästan tre gånger (ca 350HPa). Vatten avdunstar mycket snabbare, i det här fallet från cirka 70 °C. Detta illustrerar det faktum att trycket i en vätska kan påverkas och därmed kan dess avdunstningstemperatur moduleras.

Detta kan snabbt jämföras med värmepumpen. Om vi kan reglera trycket på köldmediegasen enligt våra önskemål kan vi avdunsta den vid den temperatur vi vill ha, och i det här fallet vill vi att den skall avdunsta vid uteluftens temperatur för att fånga upp dess värme.

Låt oss ta exemplet med köldmediegasen R32, som snart kommer att finnas i alla värmepumpar för bostäder, eftersom R410A långsamt närmar sig ett programmerat förbud (2025) och alla tillverkare har börjat använda den. Dess kokpunkt (avdunstningstemperatur) är -51,7 °C vid atmosfäriskt tryck. Om vi befinner oss i Sibirien är det okej, men vi befinner oss inte i Sibirien, så vi måste modulera trycket så att den avdunstar när det är -6 °C till exempel. Det måste stiga till 6500HPa för att det ska vara möjligt.

Därför finns det i värmepumpsystem, förutom värmeväxlarna (förångare för luft + kondensator för vatten), två anordningar som gör det möjligt att modulera vätskans tryck. Dessa är kompressorn och expansionsventilen. De är placerade efter respektive före förångaren och gör det möjligt att skapa en adaptiv reglering av gastrycket så att gasen, oavsett utomhustemperaturen, kan avdunsta som den ska och fånga upp maximalt antal kalorier (beroende på värmebehovet).

Särskilt fall av luft-vattenvärmepump

I en aerotermisk värmepump tas kalorierna från luften utanför, vid förångaren. De återförs till hushållsvattennätet via en vattenkondensator, där köldmediet passerar på ena sidan och vattnet på den andra. Värmeutbytet sker genom värmeväxlarens väggar, och det finns naturligtvis ingen kontakt mellan vattnet och köldmediet.

Vissa märken använder en plattvärmeväxlare för att göra kondensorn, medan andra använder en koaxialkondensor, som i allmänhet är mer tillförlitlig och hållbar och kräver mindre underhåll.

Om det rör sig om en splitvärmepump (separata inomhus- och utomhusenheter) finns kondensorn i inomhusmodulen. Köldmediet cirkulerar mellan inomhus- och utomhusmodulerna.

När det gäller en monoblocksvärmepump (allt finns i utomhusenheten) står kondensatorn utanför enheten och vattnet cirkulerar mellan enheten och husets insida. Vattnet återvinner värmen från kondensatorn och utbyter den mot buffertanken i teknikrummet med hjälp av en värmeväxlare.

Läs mer om ämnet:

Hur mycket förbrukar en värmepump?

Vilka är nackdelarna med en värmepump?

Vilket är det bästa valet för en enkel eller delad värmepump?