Jordvarmepumper bruger jorden og/eller grundvandet som en kilde til termisk energi i opvarmningstilstand og til at afgive energi i køletilstand. Disse typer systemer indeholder to nøglekomponenter:

• Jordvarmeveksler: Dette er varmeveksleren, der bruges til at tilføje eller fjerne termisk energi fra jorden eller vand. Forskellige varmevekslerkonfigurationer er mulige og forklares senere.
• Varmepumpe: I stedet for luft bruger jordvarmepumper en væske, der strømmer gennem jordvarmeveksleren som deres kilde.

På bygningssiden er både luft- og hydroniske (vand) systemer mulige. Driftstemperaturer på bygningssiden er meget vigtige i hydroniske applikationer. Varmepumper fungerer mere effektivt, når de opvarmes ved lavere temperaturer på under 45 til 50°C, hvilket gør dem til et bedre match til gulvvarme eller ventilatorkonvektorsystemer. Man skal være forsigtig, hvis man overvejer deres brug med højtemperaturradiatorer, der kræver vandtemperaturer over 60°C, da disse temperaturer generelt overstiger grænserne for de fleste boligvarmepumper.

Afhængigt af hvordan varmepumpen og jordvarmeveksleren interagerer, er to forskellige systemklassifikationer mulige:

• Sekundær sløjfe: En væske (grundvand eller frostvæske) bruges i jordvarmeveksleren. Den termiske energi, der overføres fra jorden til væsken, leveres til varmepumpen via en varmeveksler.
• Direkte ekspansion (DX): Et kølemiddel bruges som væske i jordvarmeveksleren. Den termiske energi, der udvindes af kølemidlet fra jorden, bruges direkte af varmepumpen – der er ikke behov for yderligere varmeveksler.

I disse systemer er jordvarmeveksleren en del af selve varmepumpen, der fungerer som fordamper i varmetilstand og kondensator i køletilstand.

Jordvarmepumper kan opfylde en række komfortbehov i dit hjem, herunder:

• Kun opvarmning: Varmepumpen bruges kun til opvarmning. Dette kan omfatte både rumopvarmning og varmtvandsproduktion.
• Opvarmning med ”aktiv køling”: Varmepumpen bruges både til opvarmning og køling
• Opvarmning med “passiv køling”: Varmepumpen bruges til opvarmning, og omgås ved køling. Ved køling afkøles væske fra bygningen direkte i jordvarmeveksleren.

Opvarmning og “aktiv køling” er beskrevet i det følgende afsnit.

Store fordele ved jordvarmepumpesystemer

Effektivitet

I Danmark, hvor lufttemperaturerne kan komme under -20°C, er jordbaserede systemer i stand til at fungere mere effektivt, fordi de udnytter varmere og mere stabile jordtemperaturer. Typiske vandtemperaturer, der kommer ind i jordvarmepumpen, er generelt over 0°C, hvilket giver en COP på omkring 3 for de fleste systemer i de koldeste vintermåneder.

Energibesparelser

Jordbaserede systemer vil reducere dine varme- og afkølingsomkostninger betydeligt. Besparelser på varmeenergi i forhold til elektriskepaneler er omkring 65 %.

I gennemsnit vil et veldesignet jordbaseret system give besparelser, der er omkring 10-20 % mere, end det ville blive leveret af en klassens bedste luftkildevarmepumpe til koldt klima, der er dimensioneret til at dække det meste af bygningens varmebelastning. Dette skyldes, at underjordiske temperaturer er højere om vinteren end lufttemperaturer. Som følge heraf kan en jordvarmepumpe give mere varme i løbet af vinteren end en luftvarmepumpe.

Faktiske energibesparelser vil variere afhængigt af det lokale klima, effektiviteten af ​​det eksisterende varmesystem, omkostningerne til brændstof og elektricitet, størrelsen af ​​den installerede varmepumpe, borefeltkonfiguration og sæsonbestemt energibalance og varmepumpens effektivitet.

Hvordan fungerer et jordbaseret system?

Jordvarmepumper består af to hoveddele: En jordvarmeveksler og en varmepumpe. I modsætning til luftvarmepumper, hvor den ene varmeveksler er placeret udenfor, er varmepumpenheden i jordvarmeanlæg placeret inde i boligen.

Jordvarmevekslerdesign kan klassificeres som enten:

• Lukket sløjfe: Lukket sløjfesystemer opsamler varme fra jorden ved hjælp af en kontinuerlig sløjfe af rørledninger begravet under jorden. En frostvæskeopløsning (eller kølemiddel i tilfælde af et DX jordbaseret system), som er blevet afkølet af varmepumpens kølesystem til flere grader koldere end den udvendige jord, cirkulerer gennem rørene og absorberer varme fra jorden.
  Almindelige rørsystemer i lukkede sløjfesystemer omfatter vandrette, lodrette, diagonale og dam-/søjordsystemer.
• Åben sløjfe: Åbne systemer drager fordel af den varme, der opbevares i en underjordisk vandmasse. Vandet trækkes op gennem en brønd direkte til varmeveksleren, hvor dets varme udvindes. Vandet ledes derefter enten til en overjordisk vandmasse, såsom en å eller en dam, eller tilbage til den samme underjordiske vandmasse gennem en separat brønd.

Valget af udendørs rørsystem afhænger af klimaet, jordbundsforhold, tilgængelig jord, lokale installationsomkostninger på stedet samt kommunale bestemmelser. 

Opvarmningscyklussen

I opvarmningskredsløbet føres grundvandet, frostvæskeblandingen eller kølemidlet (som har cirkuleret gennem det underjordiske rørsystem og opsamlet varme fra jorden) tilbage til varmepumpeenheden inde i huset. I grundvands- eller frostvæskeblandingssystemer passerer det derefter gennem den kølemiddelfyldte primære varmeveksler. I DX-systemer kommer kølemidlet direkte ind i kompressoren uden mellemvarmeveksler.

Varmen overføres til kølemidlet, som koger til en lavtemperaturdamp. I et åbent system pumpes grundvandet derefter ud igen og ledes ud i en dam eller ned i en brønd. I et lukket kredsløb pumpes frostvæskeblandingen eller kølemidlet tilbage til det underjordiske rørsystem for at blive opvarmet igen.

Vendeventilen leder kølemiddeldampen til kompressoren. Dampen bliver derefter komprimeret, hvilket reducerer dens volumen og får den til at varme op.

Til sidst leder vendeventilen den nu varme gas til kondensatorspolen, hvor den afgiver sin varme til luften eller vandsystemet for at opvarme boligen. Efter at have opgivet sin varme, passerer kølemidlet gennem ekspansionsanordningen, hvor dets temperatur og tryk falder yderligere, før det vender tilbage til den første varmeveksler eller til jorden i et DX-system for at starte cyklussen igen.

Afkølingscyklussen

Den “aktive køling”-cyklus er dybest set det omvendte af opvarmningscyklussen. Retningen af ​​kølemiddelstrømmen ændres af vendeventilen. Kølemidlet optager varme fra husluften og overfører den direkte, i DX-systemer eller til grundvandet eller frostvæskeblandingen. Varmen pumpes derefter udenfor, ind i et vandområde eller returbrønd (i et åbent system) eller ind i det underjordiske rør (i et lukket kredsløb). Noget af denne overskudsvarme kan bruges til at forvarme varmt brugsvand.

I modsætning til luftvarmepumper kræver jordbaserede systemer ikke en afrimningscyklus. Temperaturer under jorden er meget mere stabile end lufttemperaturer, og selve varmepumpeenheden er placeret indeni; derfor opstår problemerne med frost ikke.

Hvad består en jordvarmepumpe af

Jordvarmepumpesystemer har tre hovedkomponenter: Selve varmepumpeenheden, det flydende varmevekslermedium (åbent system eller lukket kredsløb) og et distributionssystem (enten luftbaseret eller hydronisk), der distribuerer den termiske energi fra varmepumpen til bygningen.

Jordvarmepumper er designet på forskellige måder. For luftbaserede systemer kombinerer selvstændige enheder blæseren, kompressoren, varmeveksleren og kondensatorspolen i et enkelt kabinet. Splittede systemer gør det muligt at tilføje spolen til en tvangsluftovn og bruge den eksisterende blæser og ovn. For hydroniske systemer er både kilde- og vaskevarmeveksler og kompressor i et enkelt kabinet.

Overvejelser i forbindelse med dimensionering 

Det er vigtigt, at jordvarmeveksleren er godt tilpasset varmepumpens kapacitet. Systemer, der ikke er afbalancerede og ude af stand til at genopbygge den energi, der trækkes fra borefeltet, vil løbende klare sig dårligere over tid, indtil varmepumpen ikke længere kan udvinde varme.

Man kan dog godt pumpe varme ned i jorden om vinteren med et tillægssystem.

Som med luftvarmepumpesystemer er det generelt ikke en god idé at dimensionere et jordbaseret system til at levere al den varme, som et hus kræver. For omkostningseffektivitet bør anlægget generelt dimensioneres til at dække størstedelen af ​​husstandens årlige varmeenergibehov. Den lejlighedsvise spidsopvarmningsbelastning under hårde vejrforhold kan dækkes af et supplerende varmesystem.

Systemer er nu tilgængelige med ventilatorer og kompressorer med variabel hastighed. Denne type system kan opfylde alle kølebelastninger og de fleste varmebelastninger ved lav hastighed, hvor høj hastighed kun kræves til høje varmebelastninger.

Designovervejelser

I modsætning til luftvarmepumper kræver jordvarmepumper en jordvarmeveksler for at opsamle og aflede varme under jorden.

Åbn Loop Systemer

Et åbent system bruger grundvand fra en konventionel brønd som varmekilde. Grundvandet pumpes til en varmeveksler, hvor termisk energi udvindes og bruges som kilde til varmepumpen. Grundvandet, der kommer ud af varmeveksleren, injiceres derefter igen i grundvandet.

En anden måde at frigive det brugte vand er gennem en afløbsbrønd, som er en anden brønd, der returnerer vandet til jorden. En afløbsbrønd skal have tilstrækkelig kapacitet til at bortskaffe alt det vand, der passerer gennem varmepumpen, og skal installeres af en kvalificeret brøndborer. Har du en ekstra eksisterende brønd, bør din varmepumpeentreprenør have en brøndborer til at sikre, at den er egnet til brug som afløbsbrønd. Uanset hvilken tilgang der anvendes, bør systemet være designet til at forhindre enhver miljøskade. Varmepumpen fjerner eller tilfører simpelthen varme til vandet; der tilsættes ingen forurenende stoffer. Den eneste ændring i vandet, der returneres til miljøet, er en lille stigning eller fald i temperaturen. Det er vigtigt at tjekke med lokale myndigheder for at forstå eventuelle regler eller regler vedrørende åbne kredsløbssystemer i dit område.

Størrelsen af ​​varmepumpeenheden og producentens specifikationer vil bestemme mængden af ​​vand, der er nødvendig for et åbent system. Vandbehovet for en bestemt model af varmepumpe er normalt udtrykt i liter per sekund (L/s) og er angivet i specifikationerne for den pågældende enhed. En varmepumpe med en kapacitet på 10 kW (34 000 Btu/h) vil bruge 0,45 til 0,75 L/s under drift.

Din brønd- og pumpekombination skal være stor nok til at levere det vand, som varmepumpen har brug for ud over dit brugsvandsbehov. Du skal muligvis forstørre din trykbeholder eller ændre dit VVS for at levere tilstrækkeligt vand til varmepumpen.

Dårlig vandkvalitet kan give alvorlige problemer i åbne systemer. Du bør ikke bruge vand fra en kilde, dam, flod eller sø som kilde til dit varmepumpesystem. Partikler og andet kan tilstoppe et varmepumpeanlæg og gøre det ubrugeligt på kort tid. Du bør også få testet dit vand for surhed, hårdhed og jernindhold, inden du installerer en varmepumpe. Din entreprenør eller udstyrsproducent kan fortælle dig, hvilket niveau af vandkvalitet der er acceptabelt, og under hvilke omstændigheder særlige varmevekslermaterialer kan være påkrævet.

Lukket loop systemer

Et lukket sløjfesystem trækker varme fra selve jorden ved hjælp af en kontinuerlig sløjfe af nedgravet plastrør. Kobberrør bruges i tilfælde af DX-systemer. Røret er forbundet med den indendørs varmepumpe for at danne en forseglet underjordisk sløjfe, gennem hvilken en frostvæskeopløsning eller kølemiddel cirkuleres. Mens et åbent system dræner vand fra en brønd, recirkulerer et lukket kredsløb frostvæskeopløsningen i det tryksatte rør.

Røret er placeret i en af ​​tre typer arrangementer:

• Lodret: Et lodret lukket sløjfe-arrangement er et passende valg hvor pladsen er begrænset. Rør indsættes i borede huller, der er 150 mm (6 tommer) i diameter, til en dybde på 45 til 150 meter, afhængigt af jordbundsforholdene og systemets størrelse. U-formede løkker af rør indsættes i hullerne. DX-systemer kan have huller med mindre diameter, hvilket kan sænke boreomkostningerne.
• Diagonal (vinklet): Et diagonalt (vinklet) lukket-sløjfe-arrangement ligner et vertikalt lukket-sløjfe-arrangement; dog er boringerne vinklede. Denne type arrangement bruges, hvor pladsen er meget begrænset, og adgangen er begrænset til ét indgangssted.
• Vandret: Det vandrette arrangement er mere almindeligt i Dabnmark, hvor grunden er stor nok. Røret placeres i render, der normalt er 1,0 til 1,8 m dybe, afhængigt af antallet af rør i en rende. Generelt kræves der 120 til 180 m rør pr. ton varmepumpekapacitet. For eksempel vil et velisoleret hjem på 185 m2 normalt have brug for et tre tons system, der kræver 360 til 540 m rør.

Det mest almindelige vandrette varmevekslerdesign er to rør placeret side om side i samme rende. Andre vandrette sløjferdesigner bruger fire eller seks rør i hver rende, hvis landarealet er begrænset. Et andet design, der nogle gange bruges, hvor området er begrænset, er en “spiral” – som beskriver dens form.

Uanset hvilket arrangement du vælger, skal alle rør til frostvæskesystemer være mindst serie 100 polyethylen eller polybutylen med termisk smeltede samlinger (i modsætning til modhager, klemmer eller limede samlinger), for at sikre lækagefri forbindelser i hele levetiden af rørføring. Korrekt installeret vil disse rør holde alt fra 25 til 75 år. De er upåvirkede af kemikalier, der findes i jorden, og har gode varmeledende egenskaber. Frostvæskeopløsningen skal være acceptabel for lokale miljømyndigheder. DX-systemer bruger kobberrør af kølekvalitet.

Hverken lodrette eller vandrette sløjfer har en negativ indvirkning på landskabet, så længe de lodrette boringer og render er ordentligt tilbagefyldt og stampet (pakket godt ned).

Vandrette sløjfeinstallationer bruger skyttegrave overalt fra 150 til 600 mm i breden. Dette efterlader bare områder, der kan genoprettes med græsfrø eller græstørv. Lodrette sløjfer kræver lidt plads og resulterer i mindre skader på plænen.

Det er vigtigt, at vandrette og lodrette sløjfer monteres af en kvalificeret entreprenør. Plastrør skal være termisk smeltet, og der skal være god jord-til-rør-kontakt for at sikre en god varmeoverførsel, som den opnås ved Tremie-fugning af boringer. Sidstnævnte er især vigtigt for vertikale varmevekslersystemer. Forkert installation kan resultere i dårligere varmepumpeydelse.

Installationsovervejelser

Som med luftvarmepumpesystemer skal jordvarmepumper designes og installeres af kvalificerede entreprenører.

De samlede installerede omkostninger for jordbaserede systemer varierer afhængigt af stedspecifikke forhold. Installationsomkostningerne varierer afhængigt af typen af ​​jordopsamler og udstyrsspecifikationerne. De trinvise omkostninger ved et sådant system kan genvindes gennem energiomkostningsbesparelser over en periode så lavt som 5 år. Tilbagebetalingsperioden er afhængig af en række faktorer såsom jordbundsforhold, varme- og kølebelastninger, kompleksiteten af ​​ventilation og varmeanlægget, lokale forbrugspriser og den varmebrændstofkilde, der udskiftes.

Driftsovervejelser

Du bør være opmærksom på flere vigtige ting, når du betjener din varmepumpe:

• Optimer varmepumpe og supplerende systemsætpunkter. Hvis du har et elektrisk supplerende system (f.eks. elpaneler eller modstandselementer i ventilationskanalen), skal du sørge for at bruge et lavere temperaturindstillingspunkt for dit supplerende system. Dette vil bidrage til at maksimere mængden af ​​varme, varmepumpen leverer til dit hjem, og sænke dit energiforbrug og forbrugsregninger. Et sætpunkt på 2°C til 3°C under indstillingspunktet for varmepumpens varmetemperatur anbefales. Kontakt din installatør om det optimale sætpunkt for dit system.
• Minimer temperaturfald. Varmepumper har en langsommere respons end forbrændingssystemer, så de har sværere ved at reagere på store temperaturfald. Der bør anvendes moderate temperature fald på ikke mere end 2°C, eller der bør anvendes en “smart” thermostat, der tænder systemet tidligt i forventning om genopretning efter tempratursænkning. 

Vedligeholdelsesovervejelser

Du bør have en kvalificeret entreprenør til at udføre årlig vedligeholdelse én gang om året for at sikre, at dit system forbliver effektivt og pålideligt.

Hvis du har et luftbaseret distributionssystem, kan du også understøtte mere effektiv drift ved at udskifte eller rense dit filter hver 3. måned. Du bør også sikre dig, at dine ventilationsåbninger og ventiler ikke er blokeret af møbler, tæpper eller andre genstande, der kan hæmme luftstrømmen.

Driftsomkostninger

Driftsomkostningerne for et jordbaseret system er normalt betydeligt lavere end for andre varmesystemer på grund af energibesparelserne. Kvalificerede varmepumpeinstallatører bør kunne give dig information om, hvor meget elektricitet et bestemt jordkildesystem ville bruge.

Relativ besparelse vil afhænge af, om du i øjeblikket bruger elektricitet, olie eller naturgas, og af de relative omkostninger ved forskellige energikilder i dit område. Ved at køre en varmepumpe vil du bruge mindre gas eller olie, men mere strøm. 

Forventet levetid og garantier

Jordvarmepumper har generelt en forventet levetid på omkring 20 til 25 år. Dette er højere end for luftvarmepumper, fordi kompressoren har mindre termisk og mekanisk belastning og er beskyttet mod miljøet. Selve jordsløjfens levetid nærmer sig 75 år.

Udstyr i forbindelse med varmepumper

Opgradering af el-instalationer

Generelt er det ikke nødvendigt at opgradere elinstalationerne, når der installeres en luft til luft varmepumpe. Serviceydelsens alder og husets samlede elektriske belastning kan dog gøre det nødvendigt at opgradere.

Skifter du til  enten en luft til vand varmepumpe eller en jordvarmepumpe kan det være nødvendigt at opgradere din eltilslutning. Det er som regel noget som skal gøres i din tavle eller tilslutning til din tavle. Der kan være et administrativ gebyr, som du skal betale for at få lov til at trække et større mængde strøm. Til gengæld kan du spare noget af afgifterne ved tilslutning af en varmepumpe og efter et minimumsforbrug. 

Supplerende varmesystemer

Luftvarmepumpesystemer

Luftvarmepumper har en minimum udendørs driftstemperatur og mister noget af deres evne til at opvarme ved meget kolde temperaturer. På grund af dette kræver de fleste luftkildeinstallationer en supplerende varmekilde for at opretholde indendørstemperaturer på de koldeste dage i Danmark. Tilskudsvarme kan også være påkrævet, når varmepumpen afrimer.

De fleste luftkildesystemer lukker ved en af ​​tre temperaturer, som kan indstilles af din installatør:

• Termisk balancepunkt: Den temperatur, under hvilken varmepumpen ikke har tilstrækkelig kapacitet til alene at imødekomme bygningens varmebehov.
• Økonomisk balancepunkt: Den temperatur, under hvilken forholdet mellem elektricitet og et supplerende brændstof (f.eks. naturgas) betyder, at det er mere omkostningseffektivt at bruge det supplerende system.
• Cut-off Temperature: Minimum driftstemperatur for varmepumpen.

De fleste supplerende systemer kan klassificeres i to kategorier:

• Hybridsystemer: I et hybridsystem bruger luftkildevarmepumpen et supplerende system, såsom en ovn eller kedel. Denne mulighed kan bruges i nye installationer, og er også en god mulighed, hvor en varmepumpe tilføjes et eksisterende system, for eksempel når en varmepumpe installeres som erstatning for et centralt klimaanlæg.
  Disse typer systemer understøtter skift mellem varmepumpe og supplerende drift i henhold til det termiske eller økonomiske balancepunkt.
  Disse systemer kan ikke køres samtidigt med varmepumpen – enten kører varmepumpen, eller gas/oliefyret kører.
• Fuld elektriske systemer: I denne konfiguration er varmepumpedriften suppleret med elektriske modstandselementer placeret i kanalsystemet eller med elektriske paneler.

Disse systemer kan køres samtidigt med varmepumpen og kan derfor bruges i balancepunkt- eller i en  cut-off temperaturstyringsstrategier.

En udetemperaturføler slukker for varmepumpen, når temperaturen falder under den forudindstillede grænse. Under denne temperatur er det kun tilskudsvarmeanlægget, der fungerer. Føleren er normalt indstillet til at slukke ved den temperatur, der svarer til det økonomiske balancepunkt, eller ved den udetemperatur, hvorunder det er billigere at opvarme med tilskudsvarmeanlægget i stedet for varmepumpen.

Jordvarmepumpesystemer

Jordbaserede systemer fortsætter med at fungere uanset udendørstemperaturen og er som sådan ikke underlagt den samme slags driftsrestriktioner. Tilskudsvarmesystemet leverer kun varme, der overstiger jordkildeenhedens nominelle kapacitet.