Warmtepomp

Alle soorten warmtepompen nemen bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica gaat dat niet vanzelf, zodat er één of andere vorm van arbeid aan te pas moet komen.

De meest voorkomende soorten warmtepompen werken door een vloeistof bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. In het eerste geval moet het kookpunt dus worden verlaagd en/of in het tweede geval worden verhoogd. Het kookpunt kan worden verhoogd door de druk te verhogen met een compressor (pomp), aan de andere kant kan het kookpunt weer worden verlaagd door de druk te laten zakken in een turbine of (meestal) smoorventiel.

Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop voor het rondstromende koudemiddel, de thermodynamische cyclus, maar niet voor de warmte en de arbeid: aan het systeem wordt netto arbeid toegevoerd (in de compressor) en er wordt warmte verplaatst van de verdamper naar de condensor. Daarnaast ontstaat er extra warmte, geluid en infraroodstraling; deze ongewenste bijproducten heten verlies en gaan ten koste van het rendement.

Thermische aandrijving

Een absorptiewarmtepomp is een warmtepomp die werkt zonder compressor, in sommige gevallen zelfs geheel zonder bewegende delen (behalve het stromende fluïdum uiteraard). Zulke warmtepompen zijn bijvoorbeeld te vinden in gasgestookte koelkastjes voor op de camping. Een ander type warmtepomp is de adsorptiewarmtepomp. Een adsorptiewarmtepomp is gebaseerd op dezelfde techniek als een absorptiewarmtepomp, alleen werkt de adsorptiewarmtepomp met een vaste stof terwijl de absorptiewarmtepomp met een vloeistof werkt.

Een Peltier-element zet elektrische stroom direct om in een warmtestroom tegen een temperatuurverschil.

De eerste warmtepomp werd al in het begin van de 20e eeuw te Zürich in gebruik genomen, maar die werd geen succes. Toen in de zeventiger jaren van de 20e eeuw de energiecrisis uitbrak, werd de warmtepomp gezien als een mogelijk grote energiebespaarder. Er werd dan ook veel onderzoek gedaan naar mogelijke varianten. Daaruit ontstond onder andere de gasgestookte warmtepomp die, zoals de naam al suggereert, op aardgas werkt. Dit zou dan ook een goede toepassing zijn geweest op de toen opkomende aardgasindustrie.

Maar door de sterke daling van de energieprijzen in 1985 werden de meeste onderzoeken stopgezet. De warmtepompindustrie bleek ineens niet meer rendabel. Pas in 1990 begonnen politici in te zien dat niet zo zeer het opraken van de energievoorraden een probleem was maar dat het milieu de stijgende vervuiling niet meer aankon. Daardoor werd het debat over de alternatieve energiebronnen weer aangeslingerd, en daarmee het onderzoek naar de warmtepomp. Dit werd mede gesteund door de stijgende energieprijzen en het bijbehorende financiële voordeel.

Een van de problemen was het gebruikte koudemiddel. De vroeger gebruikte middelen bleken giftig en een bijdrage te leveren aan de afbraak van de ozonlaag en/of aan het broeikaseffect. Een groot probleem bij de keuze van nieuwe middelen was de interactie met het gebruikte smeermiddel. Onder de opvolgers bevinden zich onder meer CO2 en alkanen (propaan en isobutaan).

Op dit moment is de commercialisering van bepaalde projecten volop aan de gang zodat de kostprijs van de installaties omlaag gaat. Dit kan, samen met een stijging van de energieprijzen, zorgen voor een kortere terugverdientijd. Toch blijven onderzoekers verder zoeken naar nieuwe technieken om de grote doorbraak te realiseren.

De werking van een warmtepomp met koudemiddel is in wezen die van een koelkast. Bij een koelkast wordt door de verdamper warmte onttrokken aan de te koelen producten, en wordt dit via de condensor afgegeven aan de buitenlucht. Bij een warmtepomp wordt deze warmte onttrokken aan elementen van het milieu (bodem, lucht, water…) en naar het verwarmingssysteem gevoerd. Het kringproces van het koelmiddel gebeurt volgens eenvoudige natuurkundige wetten. Het koudemiddel, een vloeistof die reeds op lage temperatuur kookt, loopt in een kring en wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en geëxpandeerd.

Figuur 2: Temperatuur–entropiediagram

Drukverhoging in de compressor
In de eerste stap wordt het gasvormige koudemiddel samengeperst, meestal in een scroll-compressor. Hierbij loopt de temperatuur op tot boven die van de te verwarmen ruimte. De hete damp stroomt naar de condensor.

Warmteafgifte in de condensor
In de condensor (radiator) condenseert de damp tegen de relatief koude wand en geeft daarbij warmte af. De temperatuur waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de druk: hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt. De vloeistof wordt aan de onderzijde van het reservoir afgetapt en stroomt dan naar een smoorventiel.

Drukverlaging
In het smoorventiel of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening waarachter de druk aanzienlijk lager is.

Warmteopname uit de omgeving
In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving. De temperatuur waarbij dat gebeurt is afhankelijk van de heersende druk, die door de aanzuigende werking van de compressor laag wordt gehouden.

In de techniek wordt vaak een onderscheid gemaakt tussen warmtepompen en koelmachines. Warmtepompen worden gebruikt om warmte terug te winnen of bijvoorbeeld een huis te verwarmen. Koelmachines worden gebruikt om ruimten te koelen. Het principe is echter hetzelfde.

Een typische eigenschap van warmtepompen is dat met een bepaalde hoeveelheid energie, in de vorm van arbeid, een grotere hoeveelheid warmte-energie kan worden verplaatst dan er aan arbeid is verricht. Hierdoor kunnen ze een Coefficient Of Performance COP, (prestatiecoëfficiënt) hebben die hoger is dan 100%. Dit begrip werd in het leven geroepen om de verschillende warmtepompen te kunnen vergelijken. Men mag het in geen geval vergelijken met een thermodynamisch rendement, dat betrekking heeft op de omzetting van warmte-energie in arbeid, niet op de verplaatsing ervan. Later in dit artikel wordt op dit begrip nader ingegaan.

De arbeid van de compressor is nodig voor het verpompen van het koudemiddel tegen het drukverschil tussen condensor en verdamper in. Naarmate dat drukverschil groter is moet de compressor meer arbeid leveren voor dezelfde hoeveelheid verplaatst koudemiddel (en daarmee verplaatste warmte). Het drukverschil hangt samen met het temperatuurverschil tussen condensor en verdamper. Voor een zo hoog mogelijke opbrengst moet dat temperatuurverschil dus zo klein mogelijk zijn. Een deel van het temperatuurverschil zit tussen die van de verdamper en de omgeving, respectievelijk de condensor en de te verwarmen ruimte. Om die verschillen zo klein mogelijk te maken hebben de condensor en verdamper een groot oppervlak en waar mogelijk een ventilator.

In het T,s-diagram hiernaast zijn de twee deelprocessen weergegeven die de thermodynamische verliezen veroorzaken, namelijk de expansie in het smoorventiel en de afkoeling van het hete gas in de condensor. In het eerste geval wordt mechanische energie direct omgezet in warmte, in het tweede geval worden twee reservoirs van verschillende temperatuur gemengd. Thermodynamisch beter (maar technisch moeilijk) zou zijn de drukverlaging te laten plaatsvinden in een turbine of een cilinder met zuiger, de verplaatsing van de zuiger benuttend als arbeid, respectievelijk de compressor te voeden met een mengsel van vloeistof en damp zodanig dat aan het eind van de compressieslag alle vloeistof net is verdampt.

Bij de warmtepomp heb je verschillende systemen, de keuze van het systeem hangt af van de situatie, er is ook een groot verschil in rendement tussen de verschillende warmtepompen. Enkele systemen zijn:

Oppompen van water uit een rivier of meer

Indien de te verwarmen ruimte naast een waterloop of meer ligt kan daaruit water opgepompt worden, door het warmtepompsysteem gevoerd worden en dan terug geloosd worden. Daarbij moet wel gezorgd worden voor een goed filter. Voor woonboten is het vaak mogelijk om een paar honderd meter PE-slang onder de ark te hangen, waardoor geen filters nodig zijn (gesloten systeem). Het rendement ligt relatief hoog aangezien een rivier of meer meestal niet helemaal dichtvriest en de temperatuur normaal dus niet onder de 4 °C komt te liggen. Ook is er weinig elektra nodig voor het rondpompen van het water, en zal er geen uitputting van het medium ontstaan doordat het continu vervangen wordt.

Afhankelijk van het vermogen van de warmtepomp en de soort grond kan men een schatting maken van welke oppervlakte de collector zou moeten hebben. De uit de diepere lagen opstromende warmte is als warmtebron verwaarloosbaar voor de bovenste lagen. De benutbare warmtehoeveelheid en dus de grootte van het vereiste oppervlak hangen sterk af van de thermosfysische eigenschappen van de grond en van de stralingsenergie.

De thermische eigenschappen, zoals volumetrische warmtecapaciteit en warmtegeleidend vermogen, zijn sterk afhankelijk van de samenstelling en de toestand van de grond. Eenvoudig gezegd zijn de opslageigenschappen en het warmtegeleidende vermogen groter naarmate de bodem meer water bevat, het aantal minerale bestanddelen groter is en de poriën kleiner zijn. Water heeft een relatief grote warmtecapaciteit, hierdoor is bij plaatsing van een warmtepomp met een collector minder oppervlakte vereist in natte bodems.

Een manier om een nattere bodem te verkrijgen is dieper graven. Dit zal de plaatsingskosten natuurlijk verhogen. Verder moet men rekening houden met uitputting van de bodem. Na een hele winter stoken zal de grond afkoelen, hierdoor kan men minder warmte onttrekken.

De onttrekkingsvermogens (qe) van de bodem liggen tussen de 10 en 35 W/m². Hier zijn enkele onttrekkingsvermogens voor de verschillende bodems.

Voorbeeld

Veronderstel een situatie van een woning met als grondsoort vochtige leemachtige bodem, we gebruiken dus een onttrekkingsvermogen van 25 W/m². We nemen geen 30 W/m² omdat naarmate het stookseizoen vordert, er minder energie in de bodem aanwezig zal zijn door uitputting van de grond.

Samen met de warmtebehoefte van het huis wordt hiermee de vereiste grondoppervlakte bepaald. Het vereiste grondoppervlak wordt berekend op basis van het koelvermogen (Qk) van de warmtepomp. Het koelvermogen is het verschil tussen het verwarmingsvermogen van de warmtepomp en het opgenomen vermogen uit het net (Pwp).

We beschouwen een warmtepomp met een verwarmingsvermogen (Qwp) van 10,8 kW. Deze warmtepomp heeft als eigenschap dat ze daarvan 2,4 kW uit het net haalt. Dit is met andere woorden een warmtepomp met een COP van 4,5.

Qk=Qwp-Pwp=10,8-2,4=8,4 kW

Het koelvermogen is dus 8,4 kW.

De benodigde grondoppervlakte wordt berekend door het koelvermogen van de warmtepomp te delen door het onttrekkingsvermogen van de bodem.

Hier wordt dit 84 00/25=336 m².

We besluiten dat er in dit voorbeeld een collector nodig is die 336 m² groot is.

Nu weten we reeds de nodige oppervlakte, maar het is ook belangrijk om de lengte van de nodige circuits in dat oppervlak te bepalen. De leidingen worden geplaatst in buiscircuits van maximum 100 m lengte. Deze lengte wordt genomen omdat er anders een te groot drukverlies door de leidingen ontstaat. Het aantal circuits hangt voornamelijk af van de soort gebruikte leiding.

Voorbeeld

Stel dat we leidingen van het type PE 25 x 2,3 gebruiken. Dit zijn leidingen met een diameter van 25 mm en een wanddikte van 2.3 mm. In tabellen kan men vinden dat deze leidingen de eigenschap hebben dat men 2x de lengte leidingen nodig heeft van de benodigde oppervlakte grond. Deze waarden worden experimenteel vastgesteld.

We gebruiken het nodige grondoppervlak van het vorige voorbeeld, namelijk 336 m².

336*2=672m.

We merken dat we ongeveer 672 m leidingen nodig hebben.

Het aantal circuits vinden we nu makkelijk door het aantal meter te delen door 100 (de lengte van elk circuit). We bekomen dat we 6,72 circuits nodig hebben. We zullen in realiteit dus 7 circuits gebruiken.

De coefficient of performance COP geeft de verhouding weer tussen de hoeveelheid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie van onder andere een warmtepomp. Deze energie wordt bij de warmtepomp gebruikt door de compressor.

Het theoretisch maximum van de COP kan simpel worden berekend: 

Hierbij is Q de bruikbare hoeveelheid warmte geleverd door de condensor van de warmtepomp en W de hoeveelheid energie die verbruikt is door de compressor.

Volgens de eerste wet van de thermodynamica geldt dat:  en , waar  de warmte is die door het warmtereservoir is afgegeven. En  de warmte opgeslagen in het koudereservoir.

Als men nu W vervangt vindt men: 
Het kan aangetoond worden dat  en , waar  en  de temperaturen van het warme en het koude reservoir zijn.

Daaruit volgt:

 (Alle temperaturen in Kelvin)

net zoals,

Er kan ook aangetoond worden dat 

Het komt er op neer dat voor een hoge COP, en dus voor lage stookkosten, de temperatuur van de vloeistof die uit de bodem wordt opgepompt, zo hoog mogelijk moet zijn, en dat de temperatuur van het water waarmee het huis verwarmd wordt, zo laag mogelijk moet zijn. Dit vraagt om grote of veel warmtewisslaars in de bodem, en veel slangen in de vloerverwarming.

Warmtepompen worden standaard getest met een T-koud van nul, en een T-warm van 35 graden Celsius. De theoretisch maximale COP is volgens bovenstaande formule dan 8,8. De door TNO gemeten COP is echter bij bijna alle merken tussen 4,2 en 4,6. Dat laat zien dat er nog veel ruimte voor verbetering van het rendement is.

Voorbeeld

Een water/water warmtepomp heeft een COP van 3,5. Dit wil zeggen dat de warmtepomp theoretisch in staat is om 3,5 kWh aan warmte te produceren voor elke kWh die ze uit het elektriciteitsnet haalt. Dit kan men gelijkstellen aan een rendement van 350%. Bij gewone elektrische verwarming heb je slechts een rendement van 100%. Weer willen we duidelijk maken dat dit rendement bekeken is vanuit een economisch standpunt. De warmte die uit de omgeving opgenomen wordt is immers gratis. Volledig thermodynamisch gezien zou het dan ook verkeerd zijn om te zeggen dat we een rendement van meer dan 100 % behalen.

De verhouding tussen de gas- en elektriciteitsprijs bepaalt vervolgens wat de bedrijfskosten zijn.

Bijvoorbeeld: de productie van 1 GJ warmte met een hoogrendementsketel ten opzichte van een waterwarmtepomp:

• De hoogrendementsketel heeft een gemiddeld rendement van 90% op bovenwaarde.
• De water/waterwarmtepomp heeft een SPF van 3.
• De energetische waarde van 1 kWh elektriciteit is 1 kJ/s * 3600s = 3600 kJ = 3,6 MJ
• De energetische waarde (bovenwaarde) van 1  Gronings aardgas bedraagt 35,2 MJ
• De kosten voor 1 kWh elektriciteit bedragen € 0,20
• De kosten voor 1  aardgas bedragen € 0,60

Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de hoogrendementsketel 1000/0,90 = 1100 MJ aan aardgas nodig, ofwel 1100/35,2 = 31,5  aardgas. De kosten hiervoor bedragen 31,5 * € 0,60 = € 19,00. Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de warmtepomp 1000/3 = 333 MJ aan elektra nodig, ofwel 333/3,6 = 92,5 kWh. De kosten hiervoor bedragen 92,5 * € 0,20 = € 18,50.

Bij een gasgestookte elektriciteitscentrale met een rendement van 40% is uiteindelijk slechts 333 / 0,40 = 833 MJ ofwel 23,7  aardgas nodig, tegenover 31,5  bij de hoogrendementsketel.

Het voordeel van de warmtepomp zit dus niet zozeer in de grote besparing op stookkosten, maar wel in de vermeden uitstoot van CO2 en het extra comfort in de vorm van de geboden passieve koeling (koelen van een gebouw met natuurlijke koude uit de bodem). Overigens valt dit CO2-voordeel weg als de elektriciteit voornamelijk uit kolengestookte centrales komt.

De energiebesparing bij woningen kan worden verhoogd door ’s zomers gratis warmte de grond in te pompen voor gebruik in de winter. Een grote lucht/water-warmtewisselaar kan, bij voldoende afmeting eventueel zonder ventilator, op het dak in de wind gezet worden. Zodra de luchttemperatuur hoger is dan de grondwatertemperatuur, kan dit ding al bijdragen aan rendementsverhoging. Ook kan de vloerverwarming op hete dagen zonnewarmte uit de vloeren naar beneden pompen, en daarmee het huis ook nog gratis koelen. Zo wordt het grondwater voorverwarmd, waardoor het rendement van de warmtepomp in de winter flink stijgt. Met deze combinatie van bodem- en zomerluchtwarmte kan de CO2-uitstoot, en dus de broeikasbijdrage door gebouwverwarmingen, spectaculair dalen.

Het rendement (COP) aangegeven bij de aankoop van een warmtepomp is het theoretische rendement. Dit ligt meestal een stuk hoger dan het reële rendement. Er zijn nauwelijks goede meet-resultaten bekend uit de praktijk. Wel is het duidelijk dat er grote verschillen zijn. Als men toch het reële rendement wil weten, gaat men ervan uit dat de COP met 0,4 à 0,7 verminderd moet worden, dit hangt natuurlijk af van het type warmtepomp en vooral van de bodemlussen en de temperatuur van het verwarmingswater. Dit noemt men de SPF (Seasonal Performance Factor).

Als dit nu toegepast wordt bij een warmtepomp met een COP van 3,5 dan wordt slechts een rendement van ongeveer 300%, in plaats van 350%, behaald. Als de warmtecollectoren in de bodem en de vloerverwarming te krap bemeten zijn, en als de vloerverwarming door de bewoners wordt afgedekt met hout of tapijt, dan daalt het rendement verder.