Värmepump och kylskåp
En värmepump gör något som vid första anblick verkar bryta mot fysikens regler: den flyttar värme från en kallare plats till en varmare, fast värme annars alltid strömmar åt motsatt håll av sig själv. Det är möjligt eftersom värmepumpen tillför arbete, i praktiken elektricitet som driver en kompressor, och det arbetet är precis det som gör den "olagliga" riktningen tillåten.
Inne i värmepumpen cirkulerar ett köldmedium, en vätska som förångas redan vid låg temperatur. På den kalla sidan tar köldmediet upp värme från luften, marken eller vattnet utanför och förångas till en kall gas. Kompressorn trycker sedan ihop gasen, vilket höjer både trycket och temperaturen. På den varma sidan kondenserar köldmediet och lämnar ifrån sig värmen till husets värmesystem, innan trycket sänks igen i en expansionsventil, så att köldmediet blir kallt och är redo att ta upp ny värme utifrån.
Hur mycket värme en värmepump ger för varje investerad enhet arbete beskrivs av värmefaktorn, COP = Q/W, där Q är värmen som levereras inomhus och W är det arbete kompressorn utför, båda mätt i joule. En värmepump med COP 3 levererar tre gånger så mycket värme som den el den använder, eftersom större delen av värmen egentligen kom från omgivningen och bara en mindre del är omvandlat arbete från elnätet.
Detta bryter inte mot energiprincipen, eftersom all levererad värme är summan av det arbete som tillförts och den värme som redan fanns i omgivningen, bara flyttad till en mer användbar plats. Ju större temperaturskillnaden är mellan utomhus och inomhus, desto mer arbete krävs för att flytta samma mängd värme, så värmefaktorn sjunker när vintern blir riktigt kall, även om värmepumpen fortfarande fungerar och fortsätter att leverera värme.
Formel
COP = Q/W
Värmefaktorn. Q är värmen som levereras till det uppvärmda utrymmet i joule, W är det arbete kompressorn utför i joule. En COP på 3 innebär tre gånger så mycket värme ut som arbete in. COP saknar enhet.
Det här lär du dig
- Förklara hur en värmepump flyttar värme från en kall till en varm plats med hjälp av arbete
- Beskriva köldmediets kretslopp genom förångning, kompression och kondensation
- Räkna med värmefaktorn COP = Q/W
- Förklara varför en COP över 1 inte bryter mot energiprincipen
Begrepp att kunna
- Värmepump
- En maskin som flyttar värme från en kallare plats till en varmare med hjälp av tillfört arbete, oftast elektricitet till en kompressor.
- Köldmedium
- Ett ämne som förångas vid låg temperatur när trycket är lågt och kondenserar vid högre temperatur när kompressorn har höjt trycket. Transporterar värmen runt i värmepumpens kretslopp.
- Kompressor
- Den del av värmepumpen som tillför arbete genom att trycka ihop köldmediets ånga, vilket höjer både tryck och temperatur.
- Värmefaktor (COP)
- Förhållandet mellan den värme en värmepump levererar och det arbete som tillförs, COP = Q/W. Kan vara betydligt större än 1.
Vanliga svårigheter
Tror att värmepumpen skapar energi ur ingenting
Värmepumpen skapar aldrig ny energi, den flyttar bara värme som redan finns i luften, marken eller vattnet utanför till ett ställe där den gör mer nytta. Det tillförda arbetet gör denna omvända riktning möjlig, och med en värmefaktor över 2 kommer merparten av den levererade värmen från omgivningen, inte från elnätet.
Blandar ihop värmefaktorn COP med verkningsgrad
En verkningsgrad kan aldrig överstiga 100 procent, men en COP på 3 eller 4 är helt normalt för en värmepump. Det är inte samma storhet: verkningsgrad jämför nyttig energi med all tillförd energi i en omvandling, medan COP jämför levererad värme med bara den del av energin som kommer från arbete, inte den del som redan fanns i omgivningen.
Tror att värmepumpen slutar fungera när det blir riktigt kallt
Värmepumpen kan ta upp värme ur uteluften även när det är långt under noll, så länge köldmediet i förångaren är kallare än luften. Det som händer är att värmefaktorn sjunker när temperaturskillnaden mot inomhus växer. Många luftvärmepumpar har ändå en lägsta drifttemperatur och tar hjälp av annan uppvärmning, till exempel en elpatron, när det blir mycket kallt.
I verkligheten
Ett kylskåp blir varmt på baksidan samtidigt som det håller maten kall inuti
Kylskåpet är en värmepump där nyttan finns på den kalla sidan: den tar värme från det kalla matförvaringsutrymmet och pumpar den, tillsammans med värmen från kompressorns eget arbete, ut genom spiralerna på baksidan, där du kan känna den som varm luft.
En bergvärmepump håller en stabil och hög värmefaktor även mitt i vintern, till skillnad från en luftvärmepump
Berget nere i borrhålet håller en betydligt jämnare temperatur året runt än utomhusluften, så temperaturskillnaden mellan kallkällan och huset blir mindre på vintern. Mindre temperaturskillnad betyder mindre arbete för kompressorn och därför en högre värmefaktor.
Tips
- Skriv upp COP = Q/W och markera vilken av de tre storheterna uppgiften efterfrågar innan du räknar, precis som med andra formler med tre ihopkopplade storheter.
- Håll isär var värmen egentligen kommer ifrån i en värmepump: en liten del är omvandlat arbete från kompressorn, men den största delen är värme som redan fanns i luften, marken eller vattnet och bara flyttades.
- Jämför en värmepump med en elradiator genom att räkna ut hur mycket el var och en skulle behöva för att leverera exakt samma värmemängd till ett hus, och se hur stor skillnaden blir vid olika COP-värden.
Testa dig själv
1. En värmepump har värmefaktorn COP = 4 och använder 500 J arbete. Hur mycket värme levererar den till huset, och hur mycket av den kommer från omgivningen?
Med COP = Q/W fås Q = COP · W = 4 · 500 J = 2 000 J värme totalt. Av dessa kommer 500 J från det tillförda arbetet, medan resten, 1 500 J, har hämtats från luften, marken eller vattnet utanför huset.
2. Varför strider det inte mot energiprincipen att en värmepump kan leverera fler joule värme än den använder i form av el?
Den extra värmen är inte skapad ur ingenting, utan hämtad från omgivningen genom köldmediets förångning. Den tillförda elen driver bara kompressorn som gör det möjligt att flytta denna redan existerande värme till en varmare plats. Summan av arbetet och den hämtade värmen är exakt lika med den levererade värmen.
3. Varför sjunker en luftvärmepumps värmefaktor på en mycket kall vinterdag, trots att pumpen fortfarande fungerar?
Ju kallare utomhusluften är, desto större blir temperaturskillnaden mot det varma inomhusutrymmet, och desto mer arbete måste kompressorn utföra för att flytta samma mängd värme över den skillnaden. Mer arbete för samma levererade värmemängd innebär per definition en lägre värmefaktor, även om processen i sig fortsätter att fungera.
Ur kursplanen
- Fysik nivå 1a2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Energiprincipen, verkningsgrad och hållbar energiresursanvändning.
- Fysik nivå 1b · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Energiprincipen samt begreppen arbete, effekt och verkningsgrad för att beskriva omvandling, nyttjande och lagring av energi. Hållbar energiresursanvändning.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: