Hva er effektiviteten til varmepumper under forskjellige driftsforhold?

Varmepumper er blitt et stadig mer populært valg for oppvarming i både boliger og kommersielle bygg. Deres evne til å hente varme fra omgivelsene og levere den til et bygg, gjør dem til et effektivt og miljøvennlig alternativ. Effektiviteten til en varmepumpe måles ofte ved hjelp av forskjellige indekser, som den sesongbaserte ytelseskoeffisienten (SCOP) eller den faktiske sesongmessige ytelsesfaktoren (SPF). Begge er viktige for å forstå hvordan varmepumper fungerer under varierende forhold.

Når man vurderer varmepumper, er det essensielt å definere de nøyaktige måleforholdene, ettersom den termodynamiske Carnot-koeffisienten, som representerer den teoretisk maksimale ytelsen, avhenger sterkt av temperaturforholdene mellom varme- og kalde kilder (TL/TH). For eksempel, høy COP (koeffisient for ytelse) oppnås oftest ved målinger hvor utetemperaturen er høy, og innetemperaturen lav. Hvis måleforholdene ikke er angitt, blir det umulig å vurdere hvor langt unna Carnot-verdien den faktiske ytelsen ligger.

Det er derfor vanlig å spesifisere COP sammen med en betegnelse som A2/W35 eller B0/W35. Betydningen av disse forklaringene er enkel: A2 refererer til luft med en temperatur på 2 °C som går inn i varmepumpen, mens W35 indikerer at vann forlater varmepumpen og går inn i varmesystemet med en temperatur på 35 °C. Når det gjelder brine-til-vann varmepumper, brukes ofte betegnelsen B0/W35, som angir at brine med en temperatur på 0 °C går inn i systemet.

Den sesongbaserte ytelseskoeffisienten (SCOP) gir et mål på forholdet mellom varme som leveres og elektrisk energi som forbrukes i løpet av en oppvarmingssesong, basert på standardiserte klimaforhold. SCOP er et nyttig verktøy for å sammenligne ulike varmepumpemodeller under kontrollerte forhold. På den annen side gir den sesongmessige ytelsesfaktoren (SPF) et mer realistisk bilde av effektiviteten i et spesifikt bygg, ettersom den tar hensyn til faktorer som værforhold, brukeradferd og installasjonsdetaljer.

I en undersøkelse gjennomført av det tyske Fraunhofer-instituttet i 2019, oppnådde luft-til-vann varmepumper for eksisterende bygninger en SPF på mellom 2,5 og 3,8, mens grunnvann-til-vann varmepumper viste en litt bedre ytelse med verdier fra 3,3 til 4,7. Her er det også viktig å merke seg at det elektriske tilleggsvarmesystemet kun ble brukt minimalt, og sto for mindre enn 2 % av det totale energiforbruket.

Det finnes imidlertid en viktig nyanse når man vurderer effektiviteten til varmepumper. Effektiviteten til en varmepumpe kan umiddelbart virke som en åpenbar gevinst: For eksempel, selv med en sesongbasert ytelsesfaktor på 3, vil en varmepumpe fortsatt hente ut mer enn dobbelt så mye varme fra omgivelsene som det elektriske energiforbruket som kreves for å drifte den. Men det er viktig å forstå at denne energien ikke nødvendigvis er ren eller fornybar.

I et scenario hvor strømforsyningen hovedsakelig kommer fra fossile energikilder, kan den primære energibalansen for varmepumper være langt mindre positiv. For eksempel, i et kullfyrt kraftverk, vil bare en liten del av energien frigjort fra forbrenning av kull bli brukt til å generere elektrisitet, mens resten blir sluppet ut som varmesvinn. Effekten av elektrisitetsproduksjon er rundt 35 %, noe som betyr at hele 65 % av den primære energien går tapt.

Det er viktig å merke seg at selv om elektriske varmepumper, når de drives med ren elektrisitet, kan bidra til lavere klimagassutslipp, er ikke dette tilfelle med dagens elektrisitetsnett. Så lenge elektrisitetsproduksjonen fortsatt avhenger av fossile brensler, vil overgangen til fullt fornybare energikilder være nødvendig før varmepumper kan anses som en virkelig klimanøytral løsning for oppvarming.

Hvordan Entropi og Den Andre Hovedsetningen For Termodynamikk Forklarer Energiforandringer i Systemer

I fysikken blir vi ofte møtt med begreper som entropi, arbeid og varme. Entropi er et mål på energifordelingen i et system, og beskriver hvordan energi som ikke kan brukes til å utføre arbeid, går tapt som uorganisert varme. Dette tapet av "kvalitet" i energien fører til en økning i entropien i systemet. Dette er grunnlaget for å forstå den andre hovedsetningen for termodynamikk, som sier at entropi aldri kan reduseres i et isolert system – den kan bare øke eller forbli konstant.

I dette tilfellet har vi en sylinder med ideell gass som er omgitt av et konstant temperert miljø, for eksempel et vannbad. Når stempelet i sylinderen beveger seg sakte og overfører varme på en reversibel måte, forblir gassens temperatur konstant under kompresjonen. Siden den interne energien i en ideell gass kun er avhengig av temperaturen, forblir den også konstant. Under kompresjon skjer det arbeid på systemet, men uten at det skjer noen endring i den interne energien.

I en slik prosess kan entropien i systemet reduseres. Dette skjer fordi varme blir fjernet fra systemet (Q < 0), og som et resultat flytter entropien ut av systemet. Siden ingen irreversibiliteter skjer i systemet, er endringen i entropi negativ, og systemet får en lavere entropi i sluttilstanden enn i starttilstanden. Dette kan virke motintuitivt, men det er viktig å merke seg at energien i systemet etter kompresjonen er "mer verdifull" – fordi den kan utføre arbeid når gassen ekspanderes igjen.

Denne prosessen med isothermal kompresjon gir oss innsikt i hvordan energien, selv om den er i en konstant mengde, kan forandre sin form og kvalitet. Entropi har et sentralt forhold til hvordan vi vurderer energiens anvendbarhet. Når vi snakker om "verdi" i denne sammenhengen, refererer vi til energiens evne til å utføre nyttig arbeid. Kompresjonen gjør at gassen er i en tilstand der den har større potensial for å utføre arbeid når den ekspanderes, og dermed øker dens "nytteverdi."

Når vi går videre til den andre hovedsetningen for termodynamikk, er den virkelig fundamentalt viktig for fysikken. Entropi er ikke en bevart størrelse, og i isolerte systemer kan ikke entropi reduseres. Dette er uttrykt i den matematiske formelen ∆iS ≥ 0, der ∆iS representerer entropigenereringen innen systemet. Denne loven sier at alle prosesser fører til en økning eller bevaring av entropi i systemet, men aldri en reduksjon.

Dette betyr at enhver prosess med ∆iS > 0 er irreversibel, og en omvendt prosess med ∆iS < 0 bryter med den andre hovedsetningen. I praksis betyr dette at alle virkelige prosesser er ineffektive på en eller annen måte, fordi de fører til et tap av tilgjengelig energi som varme – en økning i entropi.

Den andre hovedsetningen gjelder ikke bare isolerte systemer, men også for alle apparater vi lager. Entropi er et universelt fenomen som ikke kan unngås. Uansett hvor finurlig vi designer en maskin, vil alltid en viss mengde energi bli tapt som varme og føre til økt entropi. Når vi ser på livsprosesser, som de i mennesker, dyr eller planter, skjer det også en kontinuerlig økning i entropi. Det finnes ingen måte å unngå det på – det er et naturlig resultat av alle fysiske prosesser.

En viktig del av denne forståelsen er å merke seg at entropi ikke er et fysisk stoff som kan skapes eller ødelegges på den måten vi tenker på materialer. Det er et konsept som hjelper oss å forstå energiforandringer i systemene våre. Entropi, akkurat som energi, er et verktøy for å beskrive naturens oppførsel, ikke et fysisk objekt i seg selv.

Hva sier termodynamikkens andre lov om muligheten for perfekte varme- og kjøremaskiner?

Termodynamikkens andre lov uttrykkes gjennom flere klassiske formuleringer, som alle setter grunnleggende begrensninger på energikonvertering og varmeoverføring i fysiske systemer. Utgangspunktet for disse formuleringene er ofte tekniske systemer som dampmaskinen, hvor pionerer som Sadi Carnot og Rudolf Clausius søkte å forstå grensene for effektiviteten til varme motorer.

En ideell varme- eller motorenhet vil ha 100 % effektivitet, hvor all tilført varme omdannes til arbeid uten energitap til omgivelsene. Et slikt system, kalt en "super Kelvin-Planck-motor", ville operere i en syklus og ved prosessens slutt være i samme tilstand som i starten, uten å etterlate noen endringer i miljøet annet enn utført arbeid. Dette strider imidlertid mot Kelvin-Planck-formuleringen av andre lov, som fastslår at det er umulig å lage en slik maskin. For at en slik supermotor skulle fungere, måtte den destruerer entropi, noe som er i strid med andre lovs krav om at entropi aldri kan minke i et isolert system.

Clausius’ formulering av den andre loven forbyr også en hypotetisk maskin som overfører varme fra et kaldere til et varmere legeme uten å gjøre annet arbeid. Selv om kjøleskap og varmepumper gjør nettopp dette, krever de ekstern energi for å drive prosessen. En "super Clausius-motor" som kunne overføre varme fra kaldt til varmt uten tilførsel av arbeid eller endringer i omgivelsene, er likeledes umulig. Ved å kombinere en slik super Clausius-maskin med en Carnot-motor, kan man teoretisk fremstille en super Kelvin-Planck-motor, som allerede er avvist som umulig. Dermed er også super Clausius-maskinen utelukket.

Carnots setning presiserer at ingen varme motor kan ha større virkningsgrad enn en Carnot-motor som opererer mellom to temperaturer TH og TL. Virkningsgraden til en reversibel Carnot-motor er gitt ved ηCarnot = 1 − TL/TH. Alle reelle motorer har lavere virkningsgrad fordi de er irreversible. Denne setningen kan også knyttes til Kelvin-Planck-formuleringen ved å påvise at en motor med høyere effektivitet enn Carnots vil kunne drive en Carnot-varmepumpe og skape en super Kelvin-Planck-maskin, noe som er umulig.

Denne innsikten understreker en fundamental egenskap ved energiomforming: fullstendig omdannelse av varme til arbeid i en syklus uten energitap er umulig. Entropi øker eller forblir konstant, men kan aldri avta i en lukket syklus, noe som er kjernen i andre lov.

Det er viktig å forstå at termodynamikkens andre lov ikke bare setter begrensninger for varme- og kjøremaskiners effektivitet, men også forklarer hvorfor spontane prosesser kan skje til tross for at de krever tilførsel av varme. Noen spontane endoterme reaksjoner med positiv reaksjonsentalpi (∆H > 0) er mulige fordi økningen i entropi (∆S) kompenserer for energien som tilføres. På denne måten blir Gibbs fri energi, G = U + pV − TS, en avgjørende størrelse for å vurdere spontanitet i kjemiske og termodynamiske prosesser.

Videre er det essensielt å erkjenne at de klassiske formuleringene av andre lov gir en dypere forståelse av hvorfor energien må ha et kvalitetsfall ved overføring – varmen må alltid "strømme" fra høyere til lavere temperatur, og det er ikke mulig å bygge en evighetsmaskin som skaper arbeid uten energitilførsel eller miljøpåvirkning. Dette har vidtrekkende konsekvenser for energiteknologi, materialvitenskap og kjemisk termodynamikk.