Varmepumper og køleskabe

Fysik B · STX · B-niveau · Termodynamik

⚛️ Varmepumper og køleskabe

Varmepumpe = anordning der overfører varme FRA kold til varm reservoir mod gradient — kræver arbejde (elektricitet).

Princip — termodynamikkens 2. lov: varme strømmer naturligt fra varm til kold. Varmepumpe vender denne strømning.

Varmepumpe-cyklus (Carnot-omvendt):

1.

Fordamper (udendørs, kold side): kølemiddel optager varme fra omgivelser → fordamper.

2.

Kompressor (drevet af elektricitet): komprimerer gas → høj temperatur + tryk.

3.

Kondensator (indendørs, varm side): gas afgiver varme til indendørs luft/vand → kondenserer til væske.

4.

Ekspansionsventil: trykfald → temperaturfald → tilbage til fordamperen.

Effektivitet — COP (Coefficient of Performance): COP = afgivet varme / arbejde. Typisk COP = 3-5 for moderne varmepumpe. Det betyder: 1 kWh elektricitet → 3-5 kWh varme.

Sammenlign med oliefyr (COP = 0,9): varmepumpe er 3-5x mere effektiv. Køleskab = varmepumpe der arbejder den anden vej — fjerner varme FRA indendørs (kald = kølerum) til UDENFOR (varm = bag køleskabet). Cyklus identisk, men målet er at KØLE indvendigt.

Klima-effekt: varmepumper er klassisk klimaløsning — UDFASNING af gas/oliefyr i Danmark krav fra 2030. ~500.000 danske varmepumper installeret 2024.

Typer varmepumper:

1.

Luft-luft — billigst, leverer varm luft.

2.

Luft-vand — bruger eksisterende centralvarmeanlæg.

3.

Jord-vand (geotermisk) — dyreste men mest effektive (COP 4-5).

4.

Vand-vand — bruger grundvand eller sø. Kølemidler: tidligere freon (CFC/HCFC, ozon-nedbrydende, forbudt efter Montrealprotokollen), nu HFC og naturlige kølemidler (propan R290, CO₂ R744, ammoniak R717).

Læringsmål

• Anvende idealgasloven pV = nRT
• Beregne varme Q = mcΔT og latent varme Q = mL
• Forklare termodynamikkens 1. og 2. hovedsætning
• Beregne virkningsgrad og Carnot-grænse
• Forklare varmepumper og køleskabe

Sådan kan du arbejde med emnet

• Forklar, hvordan en varmepumpe kan flytte varme fra et koldt til et varmt sted ved at tilføre arbejde
• Beregn varmepumpens effektfaktor (COP) ud fra afgivet varme og tilført arbejde
• Diskutér, hvorfor varmepumper kan være en mere energieffektiv opvarmningsform end direkte elvarme

Eksperiment-forslag

• Beregn COP for en varmepumpe, der bruger 1 kWh elektricitet og leverer 3,5 kWh varme, og sammenlign med et oliefyr med η = 0,90.
• Undersøg temperaturerne bag og foran på et køleskab med en termometer, og forklar, hvad dette viser om energistrømmene i kølecyklus.
• Diskuter, hvornår det IKKE er klimamæssigt fordelagtigt at bruge en varmepumpe i stedet for gasfyr — afhænger det af elforsyningens kulstofintensitet?

Brobygning

Fysik B-pensum er nu gennemgået — alle kategorier fra mekanik til termodynamik er dækket. Næste skridt er Fysik C, der giver en introduktion til de samme emner på et mere overordnet niveau.