Varmadæla

Varmadæla er búnaður sem notar vinnu til þess að taka til sín varma við lág hitastig og skila honum frá sér við hærri hitastig. Yfirleitt er tekinn varmi frá náttúrunni (t.d. volgu vatni, lofti, jarðvegi eða sjó) og skilað til upphitunar húsa en einnig er varminn nýttur í margskonar iðnaði. Einnig er hægt er að taka glatvarma frá vélum, t.d. kælivélum frystihúsa.

Hugtakið „varmadæla“ er notað til að lýsa hvoru tveggja tæki sem notað er til hitunar eða kælingar. Venjulega er þó með varmadælu átt við tæki sem hitar en kælivél er tæknilega sambærilegur búnaður sem kælir eða frystir. Ísskápur er dæmigerð kælivarmadæla. Á Íslandi er notkun varmadæla til upphitunar ekki algeng, en ástæðurnar eru hár stofnkostnaður varmadælu og lágt raforkuverð til húshitunar (oft niðurgreitt). Varmadælur eru hins vegar algengari víða erlendis, sérstaklega í Bandaríkjunum, Sviss, Svíþjóð og Þýskalandi. Nánast allar nýbyggingar í Svíþjóð eru til að mynda útbúnar varmadælum. Í Bandaríkjunum eru þær yfirleitt notaðar til kælingar en til upphitunar á Norðurlöndunum.

Saga.

Upphaf nútíma varmadæla og kælivéla má rekja til vísindagreinar sem William nokkur Thomson (1824-1907) ritaði árið 1852. Grein þessi bar titilinn "„On the economy of the heating or cooling of buildings by means of currents of air“". Orkuferli varmadælu hafði áður verið skilgreint í tengslum við 2. lögmál varmafræðinnar, en það var franski vísindamaðurinn Sadi Carnot (1786-1832) sem það gerði og er ferlið kennt við hann, Carnot ferli. Útbreiðsla varmadæla náði ekki neinu marki fyrr en á seinni hluta 20. aldar, en kælivélar hafa hins vegar verið notaðar frá því fyrir aldamótin 1900. Lágt orkuverð og kostnaður við varmadælubúnað stóð útbreiðslu varmadæla fyrir þrifum. Olíukreppan svokallaða á áttunda áratug 20. aldar og aukin umhverfisvitund áttu þátt í að áhugi manna á varmadælum jókst.

Varmaorkuna, sem framleidd er með varmadælu, má nýta á ýmsan hátt. Dæmi um á hvaða sviðum má nýta hana eru húshitun, sundlaugar, sjávardýraeldi og iðnaður. Þegar varmadælur eru nýttar til húshitunar sparast um 60-80% af frumorkunotkun sé borið saman við orkugjafaformin jarðefnaeldsneyti og beina rafhitun. Ef varmadæla gengur fyrir endurnýjanlegri orku, stuðlar hún að minnkun á útblæstri gróðurhúsalofttegunda komi hún í stað orkugjafa sem knúinn er áfram af bruna jarðefnaeldsneytis. Þessir orkusparandi og umhverfisvænu eiginleikar áttu mikinn þátt í fjölgun varmadæla á Norðurlöndunum og víðar á síðari hluta 20. aldar.

Virkni varmadæla.

Byggingareiningar hefðbundinnar varmadælu eru dælubúnaður, leiðslur, þjappa, þensluloki og tveir varmaskiptar sem mynda lokað kerfi. Varmaskipti eru nýtt í þessu lokaða kerfi í vinnsluhringrás (sjá mynd), þar sem vinnslumiðillinn er ýmist í vökva- eða gasfasa.

Varmaskiptarnir tveir eru kallaðir eimir og eimsvali. Í eiminum eiga varmaskipti sér stað við uppgufun en í eimsvalanum eiga þau sér stað við þéttingu gass í vökva. Þjappan gegnir því hlutverki að þjappa saman gasi, en við það eykst þrýstingur þess og hitastig þess hækkar. Þenslulokinn gegnir því hlutverki fyrst og fremst að minnka þrýsting og lækka hitastig vinnslumiðils og ná þannig vinnsluþrýstingi eimis. Þjappan og þenslulokinn sjá um að viðhalda hringrás í kerfinu.

Raforku þarf til að starfrækja allan þann búnað sem tilheyrir varmadælu. Í flestum tilfellum getur þurft að koma varmamiðli að eimi varmadælunnar og krefst það þá orku til viðbótar. Orkuhagkvæmni varmadælu ræðst því af nýtni búnaðar dælunnar, en einnig helstu lögmálum varmafræðinnar. Glögglega má sjá að ef nýtni vélbúnaðar er slök og litlum varma má ná úr vinnslumiðli, verður orkuhagkvæmnin frekar lítil í samræmi við það. Á móti kemur að samanburður við hefðbundna rafhitun er varmadælu í hag, þar sem sömu varmaorku má ná með mun minni raforkunotkun.

Aflstuðull varmadælu.

Ef Qk [kW] er varmi sem varmadæla framleiðir og Pr [kW] er rafaflið sem notað er, þá er aflstuðull varmadælunnar "(e. COP – Coefficient of Performance)" :

formula_1

Ársvarmastuðull varmadælu "(e. SPF – Seasonal Performance Factor)" er fundinn á sambærilegan hátt út frá hlutfalli heildarvarmaorku og –raforku á ársgrundvelli. Ársvarmastuðull er ein af forsendum arðsemisútreikninga varmadælu.

Þegar hitabil á milli varmalindar og varmaþega eykst, lækkar aflstuðull varmadælu.

Vinnslumiðlar.

Vinnslumiðlar sem notaðir eru í varmadælum eru margir og fjölbreyttir að gerð, en sífellt eru nýjar tegundir vinnslumiðla að bætast við. Val á vinnslumiðli byggir á því að nýting varmans sé eins hagkvæm og við verður komið. Ýmislegt fleira ræður þó einnig valinu, til að mynda vinnsluþrýstingur, stöðugleiki, hvarfgirni við olíu og málma, eituráhrif, gróðurhúsaáhrif og eldfimi. Mikilvægt er einnig að auðvelt sé að greina leka vinnslumiðils.

Áður fyrr voru svokölluð klórflúorefni (oft nefnd freonefni, CFC) notuð sem vinnslumiðlar, en þar sem þau eru talin hafa skaðleg áhrif á ósónlag jarðar, hefur verið horfið frá notkun þeirra. Dæmi um slíkt ósoneyðandi efni er R-22 eða CHClF2. Vetnisflúorkolefni (HFC), einnig kölluð f-gös, tóku við og eru án klórs en til þess efnaflokks tilheyra t.d. R-134a, R-143a, R-404A og R-407C. Með auknum áherslum á umhverfismál er nú reynt að skipta út öllum f-gösum, þá ýmist með náttúrulegum miðlum á borð við ammóníak og koltvísýring en einnig með nýjustu gerð vinnslumiðla (4. kynslóð) sem kallast ólefín efni (HFO). Ólefín efnin hafa tvítengt kolefnistengi og þannig er ísogsrófi þeirra hliðrað frá innrauða sviðinu, þ.a. þau verða skaðlaus gróðurhúsagös en halda góðum eiginleikum í vélbúnaði.

Það hitastig sem óskað er eftir að fá úr tiltekinni varmadælu til húshitunar, hefur þó nokkuð að segja um hvaða vinnslumiðill notaður er. Áður en HFC miðlar tóku við af R-22, var sá síðarnefndi notaður í flestum tilfellum þegar óskahitastig var ekki hærra en 55 °C. Vilji menn fá hærra hitastig en 60 °C, er algengast að R-134a sé sá vinnslumiðill sem notaður er (HFC efni), en einnig má nefna própan (náttúrulegt efni). Með própani má ná vatnshita upp á um 65 °C, en það getur hentað ágætlega fyrir vatnsofnakerfi. Kotvísýringsvarmadælur (CO2) geta skilað frá sér enn hærri hita, oft 90 °C sé þess óskað, og skila varmanum í vatn.

Gerðir varmadæla.

Flokka má gerðir varmadæla eftir því hver fasi varmauppsrettunnar er, sem varmadælan nýtir sér, og í hvaða fasa varmafrástreymið frá dælunni er.

Berg/loft varmadæla.

Berg/loft varmadæla nýtir bergvarma og skilar frá sér heitu eða köldu lofti.

Berg/vatn varmadæla.

Berg/vatn varmadæla nýtir í raun berghita sem varmalind. Varmaskipti verða þá í borholu við bergið þannig að vatn í holunni miðlar varma bergsins í varmaskiptavökva sem leiddur er að varmadælunni. Varmaskiptavökvinn getur sem dæmi verið frostlögur, etanól eða saltvatn.

Ísogs- og ásogsvarmadælur.

Ísogs- og ásogsvarmadælur hafa þá sérstöðu að vera keyrðar svo að segja eingöngu á varmaorku í stað raforku. Þessar tvær gerðir varmadæla eru stundum nefndar efnavarmadælur, þar sem uppgufun og upplausn vinnslumiðils stjórnast af eiginleikum efna og efnunum sjálfum. Vinnsluferli þeirra, sem er ólíkt hefðbundnu varmadæluferli, lýsir sér þannig að vökvalausn eða fast efni dregur í sig gufu við lágan þrýsting og sleppir henni við háan þrýsting. Gufan er losuð úr lausninni eða fasta efninu með varma, yfirleitt frá gasloga.

Loft/loft varmadæla.

Loft/loft varmadæla nýtir varmalind sem er í loftfasa og skilar frá sér heitu eða köldu lofti. Yfirleitt er hægt að snúa við flæði vinnslumiðilsins þannig að varmadælan geti ýmist kælt eða hitað. Þetta er ódýrasta útfærsla varmadæla og selst þessi gerð vel í löndum nálægt miðbaug, en síður í löndum þar sem meiri þörf er á upphitun en kælingu. Árið 2005 var þessi gerð algengust allra varmadæla á heimsmarkaði.

Loft/vatn varmadæla.

Loft/vatn varmadæla getur til dæmis nýtt lofthita utandyra til þess að hita upp vatn innanhúss. Dæmi um þetta er svokölluð "Eco Cute" varmadæla.

Vatn/loft varmadæla.

Vatn/loft varmadæla nýtir varma úr vatni og skilar frá sér heitu eða köldu lofti.

Vatn/vatn varmadæla.

Vatn/vatn varmadæla virkar þannig að varmalindin getur verið volgra allt niður í 4°C eða laug og eftir að varmaskipti hafa átt sér stað, skilar dælan frá sér heitu vatni. Heita vatnið má svo nýta t.d. til húshitunar, en vatnshitinn frá hefðbundnum varmadælum er reyndar yfirleitt ekki hærri en 55°C en á móti kemur að bakrás er um 47°C þannig að kerfið keyrir á mun meiri hraða og með lágt delta T.

Upphitun húsnæðis hér á landi með varmadælum, hefur í flestum tilfellum verið með vatn/vatn varmadælum. Erlendis hafa hins vegar loft/loft varmadælur verið algengastar og þá gjarnan útbúnar þannig að þær geti bæði dælt frá sér köldu og heitu lofti.

Vatn/vatn varmadæla notar minnstu raforku á framleiddan varma allra varmadæla.

Þegar borhola er nýtt sem varmalind eru oftast þrjár leiðir til þess að nýta varmann í vatninu í holunni :

Helstu vandkvæði við notkun vatn/vatn varmadælu eru hættur á stíflum og tæringum í leiðslum og dælum. Líkur á slíkum vandræðum eru mestar þegar vatn í varmalind er salt, t.d. sjór, en ráðlagt er í slíkum tilfellum að varmaskiptar séu úr títan málmi eða ryðfríu stáli.

Varmalindir.

Dæmi um varmalindir sem hægt er að nýta með varmadælum eru sjór, vötn og dragár, grunnvatn, útiloft, jarðvarmi og jafnvel vatn úr iðnaðarfrárennsli og skólpvatn.

Jarðvarmi.

Varmauppsprettur sem upprunnar eru frá jarðvarma og nota má sem varmalind varmadælu eru lindir, volgrur, laugar og þess háttar. Hentugast er að hitastig varmalindarinnar sé á bilinu 4-20 °C því ef hitinn er hærri má einfaldlega nýta hann beint til dæmis til gólfhitunar.

Munur hvort að hitastig sé 4 eða 20°C er magnið af vatni sem þarf, reikna þarf út miða við hitastig hversu mikið magn þarf, hægt er að nota heitara vatn heldur en 20°C en flestir kælimiðlar þola ekki heitara en 20°C því hefur oft verið notað heitara vatn með því að taka úr því nokrar gráður. T.D. í gegnum spíral í hitakút eða blanda það með köldu vatni.

Þegar grunnvatn er nýtt sem varmauppspretta er algengast að boraðar séu grunnar holur og vatni dælt úr þeim. Hægt er að fá um 8,4 kWt ef grunnvatni við 4 °C er dælt með hraðanum 1 L/s. Ef aflstuðull varmadælu væri 3,5 og rafafl þjöppumótors 3,4 kW, fengjust um 12 kW af vatni við 35-40 °C sem nýta mætti með gólfhitakerfi til upphitunar einbýlishúss með rúmtakið 500 m3.

Ná má varma úr þurru bergi með því að leggja slöngur með frostlagarblöndu í 100-200 m djúpar borholur. Varminn úr berginu hitar þá blönduna og hún kemur heitari upp en hún fór niður í holuna. Kosturinn við að nýta slíka varmalind er að hiti er stöðugur yfir árið og býður því upp á jafnan rekstur varmadælu.

Sjór.

Við Ísland mætast tveir hafstraumar; Golfstraumurinn og Austur-Grænlandsstraumurinn. Grein úr Golfstraumnum kemur upp að suðurströnd Íslands og streymir vestur með ströndinni út fyrir Reykjanes og tekur þá stefnuna norður að Vestfjörðum. Straumurinn greinist í tvennt úti fyrir Vestfjörðum þar sem meginhlutinn streymir vestur að Grænlandi en minni hlutinn heldur áfram til norðausturs.

Sjávarhiti við Ísland er hæstur við Suður- og Vesturland. Á vetrum getur sjávarhiti verið í kringum 5 °C við Vestmannaeyjar, svo dæmi sé tekið, en úti fyrir Vestfjörðum, Norður- og Austurlandi getur hitastig sjávar verið einungis í kringum 1 °C. Á sumrin munar minna á sjávarhita og er hann þá á bilinu 10-12 °C umhverfis landið. Sjórinn við Suður- og Vesturland getur því hentað ágætlega sem varmalind fyrir varmadælur.

Hægt er að ná varmanum úr sjónum í raun á tvenns konar hátt. Annað hvort er sjórinn tekinn beint inn í eimi varmadælunnar eða varmaskiptir notaður. Sjór er mjög tærandi og hætta getur verið á því að hann blandist kælimiðli. Því getur verið varasamt að taka hann beint inn í eiminn. Þegar varmaskiptir er notaður, hitar sjórinn frostlagarblöndu í hringrás eimis og varmaskiptis. Hafa þarf í huga að reikna út rétta lengd á lögnum sem liggja út í sjó til þess að verða ekki fyrir hitatapi sem getur myndast ef lagnir eru of stuttar. Ennfremur geta varmaskiptar verið dýr búnaður sem þarfnast reglulegs viðhalds og hentar sá búnaður því frekar stórum varmadælum 300kW +.

Möguleiki á að nýta sjó sem varmalind fyrir minni varmadælukerfi, felst í því að leggja plastslöngur út í sjóinn og dæla kælimiðli varmadælunnar um þær. Þannig tekur kælimiðillinn í sig varma frá sjónum á leið sinni um slöngurnar og kemur til baka við hærra hitastig. Dæmi um þetta er Thermia Robust 35kW varmadæla í Björgunarsveitarhúsinu á Rifi og liggja þar í höfninni 1200m af lögnum þar sem frostlögur hringrásar til þess að sækja varma í sjó. Orkusparnaður er töluvert meiri en lagt var upp með.

Útiloft.

Þrátt fyrir að útiloft sé algengasta varmalind sem notuð er fyrir varmadælur, hentar það ekkert sérstaklega vel sem varmagjafi. Ókostir útilofts eru t.d. að þegar varmaþörf er mest er útiloftið auðvitað kaldast en afköst varmadælu minnka almennt um 4% fyrir hverja gráðu í hitastigslækkun varmalindar. Hrímmyndun á eimi getur einnig verið vandamál þegar hitastig nálgast frostmark. Helstu kostir við útiloft sem varmalind er aftur á móti hversu aðgengilegt það er og að mögulegt er að nota loft/loft varmadælur á sumrin til kælingar.

Varmadælur á Íslandi.

Elsta varmadæla landsins er líklega sú sem notuð var til þess að hita rafal í Búrfellsvirkjun árið 1969. Mesta reynsla af rekstri varmadæla er enn sem komið er hjá Norðurorku á Akureyri, en nánar er fjallað um það hér að neðan. Fram til ársins 2005 höfðu flestar varmadælur sem notaðar hafa verið á Íslandi verið af vatn/vatn gerð. Eitt skemmtilegt dæmi um notkun varmadæla hérlendis, er að í Smáralind er varmi frá eimsvala kælivélar nýttur með varmadælu til þess að hita upp loft í loftræsikerfum.

1983 var sett upp jarðvarmadæla sem nýtir rennandi vatn á Hofstöðum í Mývatnssveit og virkaði hún mjög vel þar en mikið hafði verið lagt í að finna heitt vatn sem ekki fannst. Varmadælan var að gerðinni Thermia Duo og gekk hún flott fram til ársins 2011 þegar henni var skipt út fyrir nýja varmadælu.

Notkun varmadæla hefur aukist verulega frá 2014 er kom stórt stökk í sölu þeirra. Varmadælur verða sífellt vinsælli á köldum svæðum og margir sem eru að byggja huga strax að því hvernig hægt sé að koma varmadælu fyrir á meðan eigendur eldri húsa huga að því hvernig hægt er að skipta út rafmagnshitara fyrir varmadælu.

Fyrsta sundlaugin á Íslandi sem hituð er upp með varmadælu er sundlaugin í Ólafsvík en þar eru 3 stk Thermia Robust varmadælur sem sækja orkuna í 4°C kalt vatn og hita þannig upp sundlaug, heita potta, lendingarlaug, hitakerfi hússins og allt neysluvatn í sturtur.

Varmadælur Norðurorku.

Í apríl árið 1984 var tekin í notkun varmadæla af Sabroe gerð hjá Norðurorku á Akureyri, sem þá hét Hitaveita Akureyrar. Varmadælan var kerfi tveggja raðtengdra varmadæla sem skilaði samtals 2,6 MWt. Notaður var vinnslumiðill af freon gerð, en í dag er notkun slíkra miðla óheimil vegna umhverfisáhrifa. Varmi úr 40 °C heitu bakrennslisvatni frá veitunni og reyndar einnig að hluta úr kælivatni mótoranna, var nýttur til þess að hita 62 °C heitt vatn úr borholu í Glerárdal í 78 °C. Kaup þessarar varmadælu voru talin hafa verið réttmæt og skilaði hún fyrirtækinu hagnaði þegar upp var staðið. Hún var rekin í 14 ár og var þá skipt út fyrir nýja varmadælu.

Líkt og eldri varmadælan var sú nýja, sem tekin var í gagnið í febrúar 1998, samsett úr tveimur raðtengdum varmadælum. Varmaafköst þessarar varmadælu eru að hámarki um 4 MWt og er vinnslumiðillinn ammóníak. Bakrennslisvatn við 27 °C er leitt inn á varmadæluna á tvískiptan hátt. Því er annars vegar skipt inn á eimi, þar sem varmi er tekinn úr vatninu og það kælt niður í 5 °C. Restin fer inn á eimsvala þar sem 27 °C heitt vatnið er hitað í 52 °C. Vatnið sem kælt er, hitnar að nýju í 95 °C við niðurdælingu í jarðhitakerfið á Laugalandi.

Varmadælur í Vestmannaeyjum.

Stærstu varmadælur á Íslandi eru í eigu HS Veitna í Vestmannaeyjum, samtals 10 MW, gangsettar á árinu 2018. Í Vestmannaeyjum var lengi leitað að jarðhitavatni og um árabil nýttu heimamenn varma úr fersku hrauni (hraunaveitunni) og síðar sorpbrennslu í bland við hefðbundna rafhitun inn á lokað dreifikerfi. Rafhitunin gekk vel og er enn notuð með varmadælunum, en verðlagning þeirrar ótryggu orku sem fer til ketilsins hefur farið hækkandi auk þess sem skerðing þeirrar raforku var orðin óbærilega tíð og kallaði á dýra og mengandi olíunotkun. Sjórinn er stærsta auðlind Eyjamanna og hugmyndir um nýtingu sjávar til varmadæla kviknuðu. Aðstæður eru afar góðar; segja mætti að eyjurnar séu á stultum og sjór renni í gegnum þær, enda fæst allt drykkjarvatn frá landi, úr ferskum lindum Eyjafjalla. Sjórinn hreinsast þegar hann rennur undir Heimaey og lítið þarf að sía hann úr þeim fjórum borholum sem boraðar voru utan við sjóvarmadælustöðina. Þessi sjór er einnig sá hlýjasti við Íslandsstrendur og fer vart undir 6°C. Þegar sjórinn er kældur í varmadælunum nýtist hann einnig við fiskvinnslu. Í varmadælustöðinni eru nú fjórar skrúfuþjöppusamstæður, hver með tvær samskonar ammóníak skrúfuþjöppur en sameiginlegan eimi, eimsvala og hagkvæmi (economiser). Hver samstæða er 2,5 MW og getur skilað allt að 77°C heitu vatni inn á dreifiveituna. Aflstuðull (COP) er um 3 þegar sjórinn er kaldastur en vex að vori. Ársvarmastuðull hefur ekki verið metinn þegar þetta er ritað, en hann þyrfti helst að meta með hliðsjón af allri raforkunotkun til varmadælustöðvar, t.d. að sjódælingu meðtaldri (yfir 500 L/s) og nýtingu kælds sjávar. Framleiðandi varmadælanna er Sabroe/JCI, útfærðar í samstarfi við Varmalausnir ehf.