Et køle- eller et varmepumpeanlæg er et anlæg, der ved hjælp af en kredsproces og et egnet kølemiddel, der cirkulerer i et lukket system er istand til at fungere enten som køle-/fryseanlæg eller som varmeanlæg. Skal anlægget fungere som køle-/fryseanlæg dimensioneres det til denne opgave og kaldes køleanlæg. Skal anlægget fungere som varmeanlæg dimensioneres det til at løse denne opgave og kaldes varmepumpeanlæg. Varmepumper optager varmeenergi fra omgivelserne (varmekilden) ved et lavt temperaturniveau og omsætter denne varmeenergi via kredsprocessen og under tilførelse af drivenergi til varmeenergi ved et højere temperaturniveau, som direkte kan anvendes til opvarmningsformål.
Afhængig af temperaturniveau på varmekilden og ønsket temperaturniveau på den leverede varmeenergi, vil mængden af den leverede varmeenergi være 2¼-5 gange større end den tilførte drivenergi.
Overskudsvarme fra industrielle processer kan enten direkte eller i forbindelse med varmegenvindingsanlæg anvendes som varmekilde med et godt resultat. Også overskudsvarme, der bortventileres fra stalde kan anvendes som en særdeles god varmekilde til varmepumper.
I Danmark er det mest almindeligt at anvende vedvarende energi som varmekilde til varmepumper i form af solenergi, enten direkte via solpaneler og energifangere eller ved akkumuleret solenergi i udeluft, i de øverste jordlag , i sø, å eller havvand.
Drivenergi til varmepumper har hidtil primært være elenergi (små varmepumper), samt naturgas, dieselolie og vandkraft (store varmepumper). Der satses nu på udvidet anvendelse af forskellige gasser f.eks. udover N-gas, LPG-gas ("flaskegas"), biogas/-biodiesel og lignende som drivenergi. Også direkte/indirekte anvendelse af vindkraft, solceller og forskellige former for biomasse er teknologisk umiddelbart anvendelige som drivenergi i varmepumpesammenhæng.
Ved at satse på størst mulig anvendelse af egnede drivenergier til varmepumper, kan ressourcerne strækkes og samtidig forøge udbyttet af de VE-kilder som varmepumper kan indgå i kombination eller samdrift med. F.eks. vil elenergi produceret af en vindmølle/solceller i kombination med en eldrevet varmepumpe kunne forøges med en faktor 2¼-5 til varmeenergi og stort set ikke bidrage direkte til drivhuseffekten.
I Danmark har interessen for anvendelse af specielt små varmepumper til boligopvarmning været tilstede siden begyndelsen af 1950'erne.
I perioden op til den første danske energikrise (1970-1975) var det kun en lille kreds af "pionerer", der eksperimenterede med de små varmepumper. Energikrisen udløste en massiv indsats i form af energisparekampagner, tilskud til energibesparende foranstaltninger samt energiforskningsprogrammer, alt sammen med henblik på at reducere det samlede danske energiforbrug, samt at gøre Danmark uafhængig af import af olie og gas.
I denne periode blev det første energiforskningsprogram for varmepumper iværksat. Dette afsluttedes med 6 rapporter med titlerne:
- Varmeovergangsforhold i jord
- Varmeovergangsforhold og fordampningsforløb i jordfordampere
- Anlæg med varmeoptagelse fra luft
- Varmeovergangsforhold for luftkølere
- Varmefordelingssystemer
- Oversigt og konklusioner
I perioden 1975-1980 udvikledes de første kompakte varmepumpeunits til opvarmning og forsyning med varmt brugsvand - primært til småhusområdet.
Endnu en energikrise i slutningen af 70'erne medførte en endnu kraftigere indsats end tidligere. For varmepumpeområdet blev der iværksat et omfattende energiforskningsprogram, hvor der over en 10-årige periode (1980-1990) blev gennemført og rapporteret mere end 75 projekter.
I 1980 blev der vedtaget en lov, hvorefter der kunne opnås tilskud til anlæg, der udnyttede vedvarende energikilder, herunder varmepumper. Denne tilskudsmulighed bortfaldt den 31. december 2001.
Prøvestationen for Varmepumpeanlæg blev oprettet i 1981. Siden starten er der udstedt mere end 580 systemgodkendelser og gennemført over 170 laboratorieprøvninger på prøvestand suppleret med feltundersøgelser og driftserfaringer fra installerede anlæg.
I forbindelse med fremkomst af en ny generation af forskellige typer rotationskompressorer anvendelige for varmepumpedrift, samt overgang til anvendelse af naturlige kølemidler har der åbnet sig helt nye muligheder for en betydelig effektivitetsforbedring.
Ved anvendelse af denne nyeste teknologi som bl.a. omfatter behovsstyring, kan de miljø- og energimæssige fordele ved anvendelse af el-drevne varmepumper sammenfattes således:
- El-drevne varmepumper fremstår energi- og miljømæssigt fordelagtigt i sammenligning med såvel konventionel og kondenserende oliefyrsdrift som direkte el-varme. F.eks. er bruttoenergibesparelsen ved anvendelse af varmepumper fremfor kondenserende oliefyrsdrift ca. 50%.
- Ved sammenligning mellem varmepumperne indbyrdes er bruttoenergisbeparelsen ved behovsstyring ca. 20% i forhold til konventionel varmepumpe. Ved anvendelse af gulvvarmesystemer opnås yderligere 5% i forhold til behovsstyring.
- CO2-emissionen ved anvendelse af varmepumper fremfor kondenserende oliefyrsdrift reduceres mellem 32% og 40%. SO2 og NOx-emissionen reduceres med ca. 60% og CO-emissionen med 100%.
Ovennævnte hovedresultater fra de seneste gennemførte projekter afsluttet i 1998 viser således, at der er væsentlige og entydige energi- og miljømæssige fordele ved at anvende el-drevne varmepumper fremfor konventionel og kondenserende oliefyrsdrift, samt naturligvis i endnu højere grad direkte elvarme.
Resultaterne er baseret på "gammeldags" opfattelse af CO2-emission fra elproduktion.
Hvis man i stedet anvender den faktiske CO2-emission, som elselskaberne i dag anvender,og som fremgår af deres "Grønne regnskaber", er reduktionen i forhold til oliefyrsdrift 50-60%.
Privatøkonomisk viser resultaterne, når der ses over en 20 årige periode, at el-drevne varmepumper i forhold til konventionel og kondenserende oliefyrsdrift, udviser en udgiftsbesparelse på ca. 30%.
Nogenlunde de samme forhold gør sig gældende ved N-gasdrevne varmepumper i forhold til anvendelse af konventionel og kondenserende N-gasdrift.
Anlægstyper
En varmepumpe karakteriseres ved varmekilden og varmeafgiversystemet. Jord/vand (væske/vand) betyder, at varmepumpeanlægget tager varmen fra jorden og afgiver den til et vandbaseret varmeanlæg i huset, f.eks. et radiator- eller gulvvarmesystem. Varmekilden i luft/vand anlæg er udeluft eller ventilationsluft.
Brugsvandsvarmepumper er normalt af typen luft/brugsvand. Derudover findes der luft/luft varmepumper, hvor varmeafgiversystemet i huset er et luftvarmeanlæg ofte kombineret med et ventilationsanlæg (friskluftanlæg).
I det følgende gives en kort oversigt over de mest anvendte anlægstyper.
Jord/vand anlæg
Ved denne anlægstype cirkuleres en frostsikret væske (brine) i rørslanger (jordslanger af plast) nedgravet i de øverste jordlag. Nedgravningsdybden er normalt omkring 75 cm. Etablering af et jordslangesystem skal overholde Miljøstyrelsens bekendtgørelse nr. 522-1980.
Luft/vand anlæg
Denne anlægstype er meget almindelig, specielt i lande med moderate vintertemperaturer. Ved lave vintertemperaturer under -12°C, hvilket kun forekommer ca. en time om året i Danmark, kan virkningsgraden falde til et niveau hvor anden opvarmningsform er at foretrække. I modsætning til jord/vand anlægget skal denne type anlæg afrime den varmeoptagende del. Det gælder specielt i kolde og fugtige perioder af året.
Jord/vand og luft/vand anlæg installeres normalt til også at producere varmt brugsvand, ligesom andre varmekilder, som f.eks. overskudsvarme fra industrielle processer er interessante i forbindelse med varmepumpedrift.
Luft/luft anlæg
Ved denne anlægstype optages varmen fra udeluften og afgives i en varmeflade der kan være placeret i et luftbaseret kanalsystem (ventilationssystem) eller direkte i rummet med designet varmeafgiver. Denne anlægstype er som antydet begrænset til rumopvarmning med cirkuleret luft evt. kombineret med et ønsket friskluftskifte. Varmekilden kan også være afkastluft fra bygningen der ønskes opvarmet eller overskud fra industrielle processer. I øvrigt gælder bemærkningerne om luft som varmekilde som anført for Luft/vand anlægget.
Anlæg for luft/brugsvand
Disse anlæg er små kompaktunits med nominelle varmeydelser på omkring 1 kW. Ved brugsvandsforbrug over ca. 2.000 kWh pr. år vil denne anlægstype være attraktiv.
Anlægget kan kombineres med opvarmning af friskluft i forbindelse med et ønsket mekanisk friskluftskifte, hvilket har vist sig at gøre denne kombination meget udbredt i forbindelse med løsning af indeklimaproblemer.
Staldvarmepumper
Udnyttelse af den overskudsvarme, der skal bortventileres fra stalde er en særdeles god varmekilde for varmepumper. Normalt dimensioneres disse anlæg til at levere varme- og varmtbrugsvand til såvel den erhvervsmæssige drift som til det private forbrug. Man må regne med at der skal være en besætning på mindst 200 svin eller ca. 25 køer for at et staldvarmepumpeanlæg er økonomisk interessant. Installeres staldvarmepumpen til også at fungere som mælkekølingsanlæg forbedres driftsøkonomien betydeligt. Denne anlægskombination bliver mere og mere udbredt i Danmark.
Grundvandsanlæg
På grund af den konstante temperatur på omkring 6-10°C er grundvand som varmekilde interessant, idet der kan opnås en relativ høj nyttevirkning. Der er etableret meget få af disse anlæg i Danmark. Dette skyldes formentlig de ret høje anlægsudgifter, men også at der er tilknyttet særlige myndighedskrav for at kunne opnå tilladelse til etablering af grundvandsanlæg. Der savnes derfor driftserfaringer for varmepumpeanlæg der anvender grundvand som varmekilde.
Specielle anlægstyper
Reversible anlæg
Nogle typer anlæg kan leveres som reversible modeller og kaldes undertiden også varmepumper. Disse modeller kan anvendes som køleanlæg (klimaanlæg) om sommeren, og om vinteren til opvarmning af samme lokaliteter. Denne anlægstype anvendes ofte hvor der kun er begrænset plads og hvor komfort og/eller varer stiller krav til regulering af temperaturen.
Motordrevne anlæg
I nogle tilfælde anvendes åbne kompressorer drevet af motorer der kører på enten naturgas eller andet brændstof. Ved anvendelse af motorvarmen til opvarmning af vandet kan man opnå højere fremløbstemperaturer. Som varmekilde anvendes under tiden spildevand fra procesenergi. På denne måde kan man genvinde den varme som ellers var gået tabt. Anlægstypen er derfor velegnet hvor der er behov for store mængder varmt vand.
Affugtning
Varmepumper anvendes ofte til at holde fugtigheden nede i f.eks. svømmehaller. Ved at have en køleflade i udsugningskanalen, kan man affugte den fugtige luft. Herefter blæses luften gennem kondensatoren og opvarmes inden den atter blæses ind i svømmehallen. Herved er den relative luftfugtighed blevet reduceret til et passende niveau.
Nyttevirkning (effektivitet, effektfaktor)
Effektfaktoren er et begreb, der anvendes om varmepumpens effektivitet. Effektfaktoren er forholdet mellem varmepumpens kapacitet (i kW) og den tilførte effekt (i kW) til varmepumpen. Ved prøvning på Prøvestationen for Varmepumpeanlæg måles varmepumpens kapacitet (ydelse) og den tilførte effekt inkl. hjælpeeffekt (pumper, ventilatorer m.v.) ved bestemte driftstilstande fastlagt i henhold til Dansk og Europæisk Standard. Effektfaktoren beregnes for de i standarden fastlagte temperaturer for hhv. varmeoptager og varmeafgiver. I prøvningsrapporter og på systemgodkendelser er det denne effektfaktor der er angivet.
Når et varmepumpeanlæg driftsøkonomisk vurderes, er det nødvendigt at anvende en skønnet årsnyttevirkningsgrad (leveret energi i forhold til tilført energi). Nedenstående tabel kan benyttes til at vurdere årsnyttevirkningen. Tabellen er baseret på driftserfaringer og anvendelse af den seneste teknologi på området (efter 1998).
Praktisk årsnyttevirkning (skønnet) udvikling fra 2000-2020
| VP-type | 1982-1985* | 1994-1997 | 2002 | 2005 | 2020 |
| V/V | 2,3 | 2,7-3,3 | 3,5-4,2 | 3,6-4,5 | 4,3-4,8 |
| L/V | 1,9 | 2,4-2,9 | 3,1-3,6 | 3,2-3,8 | 3,6-4,3 |
| L/L | - | 2,3-2,6 | 2,9-3,4 | 3,0-3,6 | 3,3-3,8 |
| L/Brugsvand | 1,3 | 1,6-2,0 | 1,8-2,2 | 2,2 | 2,5 |
| Staldvarme | 2,9 | 2,9-3,7 | 3,7-4,6 | 3,9-4,8 | 4,5-5,0 |
*Årsnyttevirkningen (middel) er baseret på driftserfaringer (målinger) fra perioden 1982-1985.
I litteraturen ses varmepumpers nyttevirkning ofte opgivet uden angivelse af driftstilstand (varmekildetemperatur og fremløbstemperatur). Dette betyder at man skal være meget opmærksom på kun at drage sammenligninger når driftsbetingelserne og angivelserne af afgivet og tilført effekt (eller energi) er sammenlignelige.
Grunden til at nyttevirkningerne i tabellen er opgivet som et interval er, at der kan være variation i de forskellige anlægstyper og varmeafgiversystemer. Ved nybyggeri, hvor det er muligt fra starten at dimensionere et optimalt varmesystem og i eksisterende boligmasse med lave temperaturkrav til opvarmningsanlægget f.eks. gulvvarmeanlæg, vil det som regel være de højeste (bedste) værdier, der gælder. Ved et første overslag over anlægs- og driftsøkonomien anvendes ofte gennemsnitsværdien af tabellens tal.
Anlægs- og driftøkonomi
Ved nybyggeri vil installation af varmepumpeanlæg normalt altid være økonomisk attraktivt.
Ved udskiftning i den eksisterende boligmasse vil driftsbesparelsen normalt kunne tilbagebetale investeringen (evt. merinvestering) på 6-12 år. Dette anses for rimeligt under privatøkonomiske forhold, idet levetiden for varmepumpeanlæg erfaringsmæssigt og under forudsætning af periodisk vedligeholdelse ligger på omkring 20 år.
Foretages der en udskiftning af en varmepumpe, der er installeret f.eks. før 1985 vil der, som det fremgår være tale om en betydelig forbedring af årsnyttevirkningen. Tilbagebetalingstiden for udskiftningen vil derfor normalt være klart den bedste løsning fremfor tilbagevenden til traditionelle varmeanlæg.
Da prisen for udskiftning kan variere betydeligt afhængig af de aktuelle forhold, anbefales det at indhente pris m.v. hos en installatør der er medlem af varmepumpeordningen.
Under erhvervsmæssige anvendelser gælder helt andre forhold, der må vurderes i hvert enkelt tilfælde.