Energiens oprindelse for geotermisk opvarmning

februar

Kære Fysik Spørgsmål
Mit navn er J A, og jeg er seksten år gammel. Jeg har tidligere henvendt mig til jer et par gange og er oprigtigt glad for jeres svar.

Jeg har lidt svært ved at fatte princippet bag den vedvarende energikilde, jordvarme. Når vi taler om jordvarme, mener jeg den type, der er tilgængelig for almindelige husholdninger, hvor en slange graves ned i jorden, der holder en konstant temperatur over frysepunktet. I denne slange cirkulerer en væske ved hjælp af en pumpe.

Jeg kunne godt tænke mig at vide, hvordan de få grader under jorden kan bidrage til at opvarme et hjem til omkring 20 grader celsius? Det er temmelig udfordrende at finde en entydig forklaring online, men baseret på min research ser det ud til at involvere en form for kompressionscyklus.

Med venlig hilsen
J A

Jordvarme til private boliger opererer essentielt som et omvendt køleskab. Man nedgraver rør cirka en meter dybt i jorden, eller alternativt, hvis pladsen er begrænset, kan man udføre et antal lodrette boringer.

Den lodrette boring har den fordel, at temperaturen generelt stiger med dybden. Gennem disse rør cirkuleres en frostsikker væske, som for eksempel kan være saltvand. Denne væske ledes til en varmeveksler, hvorved den anden side af veksleren er forbundet til den kolde del af en kompressor, der anvendes i kølesystemer. Dette er den del, som normalt befinder sig inden i et køleskab eller en fryser. Udgangssiden er den varme del, som typisk er placeret på bagsiden af køleskabet eller udenpå fryseren, og denne varme frigives så til opvarmning af huset eller til brugsvand.

Sådan fungerer varmepumpen

Essentielt flytter systemet varmeenergi fra jorden, som derved afkøles, til huset, som derved opvarmes. En sådan proces er mest omkostningseffektiv, når temperaturforskellen, der skal flyttes, ikke er for stor - det vil sige, en så lav temperatur som muligt inde i huset og en så høj som mulig i jordlagene. Kølemaskinen, eller i dette tilfælde en varmepumpe, er en enhed designet til at transportere varmeenergi fra et koldere til et varmere sted.

Den naturlige termodynamiske lov dikterer, at varmeenergi spontant bevæger sig fra varmere områder til koldere. Jo større temperaturgradienten er, som energien skal transporteres over, desto mere energi vil varmepumpen forbruge. En varmepumpe har kapacitet til at flytte mange gange den mængde energi, den selv forbruger.

Ved opvarmning af boliger via køleslanger i jorden, er det mest almindelige scenarie (især ved utilstrækkelig dimensionering), at vandet i jorden fryser omkring kølerørene i vintermånederne; dvs. temperaturen falder til omkring 0˚C - uanset om temperaturen udenfor er lavere (vandets temperatur kan potentielt nå ned på -1˚C i ekstreme tilfælde). Indenfor i boligen er gulvvarme eller store radiatorer ideelle, da de tillader en lavere vandtemperatur sammenlignet med traditionelle radiatorer. Vores kølesystem trækker varme fra jorden og overfører den til huset.

Omkostninger ved et varmepumpeanlæg

Det er muligt at opnå en effektivitetsfaktor, hvorved der kan flyttes fem gange eller mere energi ind i boligen, end kompressoren forbruger. Varmen, der tilføres jordvarmeanlægget (inklusive den potentielle optøning af frossen jord), kommer senere på året fra solens stråler, som opvarmer jordlagene, hvilket igen tør og/eller opvarmer isen omkring kølerørene i jorden. Dette sker typisk i løbet af efteråret.

Afhængigt af systemets design, varmepumpens type og vejret, kan der opstå en markant frysning af jordens lag omkring rørene, der strækker sig flere decimeter. Normalt burde dette dog ikke være et problem i dagens systemer. Her i landet leverer denne type varmepumper årligt omkring tre gange så meget energi til boligen, som de selv forbruger. Et typisk varmepumpeanlæg til parcelhuse varierer normalt mellem 80.000 kr. og 120.000 kr.

Luft-til-luft varmepumper

Et markant fald i effektiviteten ses ved lave temperaturer i luft-til-luft varmepumper (der udvinder varme fra udeluften og afgiver den indenfor), som ofte anvendes i sommerhuse. Her kan kompressoren forbruge op mod 20% af den energi, der leveres til huset ved en udetemperatur på +7 ˚C, men når temperaturen falder til 0 grader, kan forbruget stige til måske tre fjerdedele af den samlede energi leveret til boligen, og ved -20 ˚C er det lige så fordelagtigt at anvende elektrisk opvarmning.

Her i landet er den gennemsnitlige årlige ydelse for luft-til-luft varmepumper sandsynligvis, at de leverer 2,5 gange så meget varmeenergi, som de forbruger i elektrisk energi. Et luft-til-luft varmepumpeanlæg med en kapacitet på omkring 6 kW koster typisk mellem 15.000 kr. og 30.000 kr.

Der kan observeres væsentlige forskelle i, hvor godt luft-til-luft varmepumpesystemer er tilpasset det nordiske klima. Grundlæggende er de identiske med aircondition-systemer, og en del af de solgte enheder er faktisk ombyggede systemer designet til varmere klimaer, der blot fungerer i den modsatte retning. Der findes anlæg på markedet, som ikke yder optimalt, selv ved moderate negative udetemperaturer. Det er vigtigt at bemærke, at der kan være betydelige variationer i lydniveauet fra varmepumpeenhederne (for luft-til-luft er det typisk udendørsenheden, mens jordvarme normalt er indendørs), og for luft-til-luft-anlæg bidrager den indendørs blæsers støjniveau også. Effektiviteten af varmepumpen kan variere meget; dette indikeres af et tal kaldet COP (Coefficient of Performance), hvor et højere tal betyder bedre økonomisk rentabilitet.

Dette er et område, hvor det absolut kan betale sig at undersøge markedet grundigt, især med fokus på, hvordan pumperne præsterer ved lave udetemperaturer. Generelt gælder det som på mange andre områder, at dyrere modeller ofte er mere effektive end billigere. Tilbagebetalingstiden for begge typer anlæg ligger typisk mellem 7 og 15 år, når man sammenligner med el-varme, og dette afhænger af anlægstypen og husets specifikke forhold.

Med venlig hilsen
Malte Olsen