Warmtepomp
Van Wikipedia
Een warmtepomp is een apparaat dat warmte verplaatst van een plek met een lagere temperatuur naar een plek met een hogere temperatuur door arbeid. De meest voorkomende toepassing vinden we in koelkasten, waar de warmtepomp wordt gebruikt om de ruimte in de kast te koelen. Warmtepompen kunnen ook worden ingezet voor ruimteverwarming, wat een energiezuinig alternatief is voor meer traditionale vormen van verwarming.
Inhoud |
[bewerk] Werkingsprincipe
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 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.
[bewerk] Geschiedenis
De eerste warmtepomp werd al in het begin van 20e eeuw te Zürich in gebruik genomen, maar die werd geen succes. Toen in de jaren ‘70 van de 20e eeuw de energiecrisis losbrak, 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 de 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. Bij de opvolgers vallen onder meer CO2 en alkanen (propaan, 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 stijginv van de energieprijzen, zorgen voor een kortere terugverdientijd. Toch blijven onderzoekers verder zoeken naar nieuwe technieken om de grote doorbraak waar te maken.
[bewerk] Techniek
De werking van een warmtepomp lijkt sterk op 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 eenvoudig natuurkundige wetten. De koelvloeistof, een vloeistof die reeds op lage temperatuur kookt, loopt in een kring en wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en ontspannen.
- Warmteopname uit de omgeving
De koelvloeistof in de verdamper (R407C, R134a, R290 enz.) staat onder lage druk. Het temperatuurniveau van de omgevingswarmte en de verdamper moet groter zijn dan van de koelvloeistof en zijn kookpunt. Mede door de lage druk kan het kookpunt onder de 0°C liggen. Dit temperatuursverschil zorgt ervoor dat er warmte van de omgeving naar de koelvloeistof zal vloeien en de vloeistof al snel gaat koken. Het koelmiddel is nu dus in gasvormige toestand.
- Temperatuursverhoging in de compressor
Het, nu gasvormige, koelmiddel wordt door de compressor aangezogen, bij een warmtepomp wordt meestal met een scroll-compressor gewerkt. Daar wordt het gasvormige koelmiddel sterk samengedrukt wat zorgt voor een sterke opwarming (denk maar aan de fietspomp). Daardoor kan de temperatuur van de werkvloeistof van zo een 5 °C naar maximum 65°C gebracht worden. Wel moet men hierbij rekening houden dat je rendement sterk verlaagt als er een hoog temperatuursverschil is. Het samendrukken zorgt immers voor het grootste deel van je energiefactuur. Men zorgt dus best voor een zo warm mogelijke warmtebron en een zo koud mogelijke werktemperatuur. Zodra de vloeistof de gewenste warmte bereikt heeft, wordt deze doorgestuwd naar de condensor.
- Warmteafgifte aan de verwarming
De temperatuur van het verwarmingswater moet lager zijn dan de condenseertemperatuur van de werkvloeistof. Daardoor wordt de damp afgekoeld en wordt hij vloeibaar. De in de verdamper opgenomen energie en de bijgevoegde energie van de compressor wordt afgegeven aan het water. Dit water kun je dan gebruiken voor de verwarming van je woning.
Ook elektronisch is het mogelijk warmte te verplaatsen met een Peltier-element.
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.
Een merkwaardige 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 rendement hebben dat hoger is dan 100%. Dit rendement wordt daarom COP genoemd (Coëfficiënt Of Performance).
[bewerk] Systemen
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. Hier ziet u enkele systemen:
[bewerk] Werkingswijzen
- Monovalente Werking
Bij dit systeem wordt het hele huis uitsluitend verwarmd door de warmtepomp. Er zijn geen bijverwarmingen. Hierbij is het dan ook zeer belangrijk dat de warmtepomp goed gedimensioneerd is. Men moet er voor zorgen dat er altijd genoeg warmte beschikbaar is, maar een overgedimensioneerde warmtepomp komt vlug duur uit. Hierbij moet ook rekening gehouden worden met de constante behoeft aan warm tapwater. Vooral het type water/water is geschikt voor deze werkingswijze.
- Mono-energetische werking
De warmtepomp zorgt voor het grootste deel van de warmtebehoefte maar bij erg koud weer wordt ze ondersteund door een elektrisch aangedreven warmtegenerator zoals een weerstand. Bij de meeste installaties wordt 70 à 80 % van het benodigde warmtevermogen geschat. Het aandeel van de jaarlijkse stookactiviteit van de warmtepomp bedraagt rond de 92 à 98 %. Hierbij is er een mindere investeringskost nodig.
- Bivalent-parallelle werking
De warmtepompinstallatie wordt tijdens de verwarmingswerking aangevuld met een bijkomende warmtegenerator. (mazout- /gasketel). Het verwarmingsvermogen van de warmtepomp wordt dan gerekend op 50 à 70 % van de warmtebehoefte van het huis. Het aandeel van de warmtepomp in de jaarlijkse stookactiviteit ligt tussen de 72 en 90 %. Dit komt vooral goedkoop uit bij renovatiewerken met een reeds bestaande verwarming.
- Bivalent-alternatieve werking
De warmtepomp zal tot aan een bepaalde minimum buitentemperatuur voor de volledige verwarming van het huis zorgen. Eens de buitentemperatuur te laag is wordt de warmtepomp volledig uitgeschakeld en wordt het huis verwarmd door een andere verwarmingsinstallatie. Dit komt vooral veel voor bij lucht/water warmtepompen. Dat komt omdat deze een laag rendement hebben bij lage buitentemperaturen.
[bewerk] voorbeeld
Stel een water/water warmtepomp heeft een COP van 3,5. Dit wil zeggen dat de warmtepomp in staat is om 3,5 kWh aan warmte te produceren voor elke kWh die ze uit het elektriciteitsnet haalt. Dit kan men interpreteren als een rendement van 350%. Bij gewone elektrische of gasverwarming heb je slechts een theoretisch rendement van maximaal 100%.
