Varmadælur – Raforka til hitunar húsnæði

Grein/Linkur:  Varmadælur

Höfundur: Gestur Bárðarson

Heimild: 

.

.

22. mars 2022

Varmadælur

Nú um stundir er mikið rætt um orkumál eða öllu heldur um orkuskort. Til að mæta honum er fyrirséð að gangsetja þarf varaafl með tilheyrandi brennslu á dísilolíu og er slíkt mörgum þyrnir í augum í landi endurnýjanlegrar orku. Ef ekki verður gripið til aðgerða er hætt við að vandinn aukist. Þetta ástand er ekki ásættanlegt en hvað er hægt að gera? Bygging vatnsaflsvirkjana, vindorkuvera, jarðvarmaorkuvera ásamt því að styrkja dreifikerfi orku eru meðal hugmynda að lausn. Gallinn er sá að það tekur langan tíma að byggja slík mannvirki og áfram stefnir því í aukna brennslu á dísilolíu næstu árin.

En orku er víða að finna, jafnvel nær en virðist í fljótu bragði. Hvern hefði til dæmis grunað þegar gengið er um úthaga, mýrar eða tún, að orkuauðlind leyndist undir fótum okkar? Þessa auðlind er hægt að virkja og breyta í verðmæti, því þótt hitastig á eins metra dýpi sé ekki ýkja hátt er hægt að nýta varmann sem þar er til hitunar á húsnæði. Við slíka virkjun er notuð varmadæla sem eins mætti kalla varmamagnara. Dælan nýtir sem sagt varma í jarðvegi á eins metra dýpi og hækkar hitastig hans úr u.þ.b. núll gráðum í 30 til 60 gráður eftir því hvernig nýta á varmann.

Ekki verður farið djúpt í tækni­legar útskýringar á varma­dælum hér, en í grunninn liggur galdurinn í því að hringrása vökva með tiltölulega lágt suðumark í varmadælum. Með því að breyta þrýstingi vökvans með rafknúinni þjöppu er hægt að flytja varma úr tiltölulega köldum varmagjafa til framleiðslu á heitu vatni eða lofti við hærra hitastig.

Skýringarmynd 2. Til upplýsingar er hér sýnd hlutfallsleg dreifing á hitaþörf framangreinds húss eftir mánuðum ársins. Myndin byggir á gögnum úr varmadælu sem safnað hefur verið yfir sex ára tímabil.

Orðnar meira og minna tölvustýrðar

Töluverð þróun hefur verið í varmadælum undanfarinn áratug og er þeim nú stýrt í meira mæli af tölvum sem eykur nýtni, rekstraröryggi og þægindi.

Geta varmadælunnar til að umbreyta raforku í varmaorku er skilgreind sem nýtnistuðull (COP eða SCOP). Nútíma varmadælur eru margar hverjar með nýtnistuðul á milli 4 og 5, sem þýðir að þær geta umbreytt einni kílówattstund (kWst) af raforku í fjórar til fimm kWst af varmaorku. Til samanburðar framleiðir hefðbundin hitatúpa um eina kWst af hitaorku fyrir hverja kWst af rafmagni sem notuð er.

Ávinningurinn af því að setja upp varmadælu getur verið verulegur. Sem dæmi má nefna að hefðbundið 150 m2 einbýlishús notar um 30.000 kWst á ári til upphitunar með hitatúpu eða þilofnum, en sama hús búið varmadælu ekki nema 7.000 – 8.000 kWst. Sparnaðurinn er því umtalsverður.

Þrír meginflokkar varmadæla

Helstu flokkar varmadæla eru:

• Jarðvarmadælur (sækja varma í jarðveg og skila honum í vatnskerfi húsa)
• Loft í vatn dælur (sækja varma í útiloft og skila honum í vatnskerfi húsa)
• Loft í loft dælur (sækja varma í útiloft og skila í inniloftið)

Innieining jarðvarmadælu og loft í vatn dælu er á stærð við háan ísskáp. Yfirleitt er um 200 lítra neysluvatnskútur fyrir heitt vatn til heimilisnota innbyggður í varmadæluna og sér dælan um að ávallt sé nægt vatn til reiðu á því hitastigi sem óskað er.

Ef aðstæður leyfa er heppilegast að setja upp jarðvarmadælu þar sem hún er óháð veðri og vindum sem þýðir aukið rekstraöryggi og betri nýtingu á rafmagni. Jarðvarmadælan sækir varma úr jarðveginum með röralögnum sem plægðar eru niður eða grafnar í jarðveg. Um rörin er dælt vökva (frostlög) með hringrásardælu sem stöðugt flytur varma úr jarðveginum inn í varmadæluna, sem magnar síðan upp hitann eða orkuna þannig að hún nýtist til að framleiða varma til húshitunar ásamt neysluvatni.

Línurit 1. Þetta línurit sýnir hita á vökvanum yfir þriggja mánaða tímabil þegar hann kemur inn í varmadæluna (fjólublá lína) og sú bláa sýnir hitann þegar vökvinn byrjar nýja hringferð um lögnina. Hitamunurinn inn og út úr dælu er um þrjár gráður.

Línurit 2. Litið yfir lengra tímabil fáum við þessa mynd sem sýnir glögglega mun á hitastig vökvans vetur og sumar. Gögn fyrir línuritin á síðunni eru fengin úr varmadælu sem staðsett er í húsi í Fljótshlíð á Suðurlandi.

Línurit 1 og 2 sýna hitastig á vökva sem ferðast hefur um 400-500 metra langt plaströr sem grafið er niður á eins metra dýpi. Á þessu ferðalagi hitnar vökvinn og er varmanum skilað inn í varmadæluna í varmaskipti sem er hluti af dælunni. Kældum vökvanum er svo dælt aftur út í niðurgröfnu rörin og hringrásin heldur áfram.

Krafan er að innihiti í húsunum okkar sé sem stöðugastur sama hvernig útihitinn sveiflast. Varma­dælan sér um að mæta þessum kröfum með hitastýringu sem er stjórnað af tölvubúnaði dælunnar og er hún í sífellu mötuð með upplýsingum frá hitanemum um inni- og útihita. Til frekari útskýringar er línurit 3.

Línurit 3. Græna línan sýnir hitastig inn á gólfhitalögn í húsinu sem nefnt er hér að framan (geta einnig verið ofnar). Dökkgræna línan sýnir innihita og fjólubláa línan útihita. Ef grafið er skoðað sést að innihitinn er mjög stöðugur en hiti inn á gólflögn sveiflast í mótfasa við útihita. Með öðrum orðum, því kaldara sem er úti þeim mun meiri hita þarf inn á gólflögnina til að viðhalda stöðugum innihita. Íbúar velja þann innihita sem óskað er eftir á valmynd í varmadælunni.

Rekstur varmadælu

Orkukostnaður húshitunar með varmaadælu er fyllilega sam­keppnisfær við orkuverð í dreifbýli hjá helstu hitaveitum landsins (til samanburðar eru hér kaup á heitu vatni frá hitaveitu umreiknuð í kWst sem nýtast til upphitunar húsnæðis).

Línurit 4. Öll verð eru án VSK og fastagjalds. Verð á heitu vatni er fengið úr verðskrá fyrir dreifbýli viðkomandi hitaveitu og miðað er við 33 °C bakrásarhita. Verð á rafmagni til varmadælu er meðalverð orkusala skv. verðreikni Orkuseturs og ætlað SCOP varmadælu er 4,0.

Flutningshluti raforku til húshitunar þar sem íbúi er með skráð lögheimili er niðurgreiddur af Orkusjóði og í línuriti 4 kemur fram að orkuverð frá varmadælu við þær aðstæður og með nýtnistuðul 4,0 (SCOP) er lægra en frá hitaveitunum sem skoðaðar voru, hver sem framrásarhitinn er. Við 65°C framrásahita, sem er algengur í dreifbýli, er orkuverð frá varmadælu frá 40% til 70% lægra en ef notað væri hitaveituvatn (taka ber fram í þessu samhengi að hitaveitur landsins hafa lang flestar notið niðurgreiðslu stofnkostnaðar).

Línuritið sýnir jafnframt að orkuverð hitaveitu Veitna í dreifbýli er í öllum tilfellum hærra en frá varmadælunni þó hún njóti ekki niðurgreidds rafmagns og sama gildir við vissar aðstæður þar sem framrásarhiti er í lægri kantinum frá hinum aðilunum. Mjög víða mætti því einnig lækka hitunarkostnað húsnæðis sem ekki nýtur niður­greiðslu rafhitunarkostnaðar (s.s. frístundahús).

Lokaorð

Á Íslandi eru gróft áætlað um 15.000 íbúðarhús kynt með raf­magni. Eins og hér hefur verið bent á má með varmadælu spara allt að 70-80% af rafmagnsnotkun þessara húsa vegna upphitunar. Á landsvísu eru árlega notaðar 600 – 700 GWst raforku til hitunar húsnæðis og um helmingur þess rafmagns er niðurgreiddur annað hvort vegna beinnar raf­hitunar eða vegna notkunar í fjarvarmaveitu. Til samanburðar má nefna að áætluð orkuvinnslugeta Hrauneyja­fossvirkjunar er um 1.300 GWst/ári. Það er því eftir miklu að slægjast í því að bæta nýtingu þessarar raforku og vert er einnig að nefna að varmadælur framleiða mesta varmaorku á þeim hluta ársins þegar mest eftirspurn er eftir raforku og minnst framboð, þ.e.a.s. að vetri til.