Een warmtepomp is een apparaat dat warmte verplaatst door middel van arbeid. De meest voorkomende toepassing vinden we in koelkasten, waar de warmtepomp wordt gebruikt om de ruimte in de kast te koelen. In dit soort toepassingen wordt de warmtepomp koelmachine genoemd. De ruimte buiten de koelkast wordt hierbij opgewarmd, zodat warmtepompen ook kunnen worden ingezet voor ruimteverwarming. Bijvoorbeeld in supermarkten kan de warmte die uit de koelvitrines gepompt wordt, bijdragen aan de verwarming van de winkelruimte.

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.

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

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.

Thermische aandrijving

Een absorptiewarmtepomp is een warmtepomp die werkt zonder compressor, mogelijk zelfs geheel zonder bewegende delen (behalve het stromende fluïdum uiteraard). Zulke warmtepompen zijn bijvoorbeeld te vinden in gasgestookte koelkastjes voor op de camping.

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 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.

Techniek

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 ontspannen.

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.

Rendement

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 ( COP, Coëfficiënt Of Performance) hebben dat hoger is dan 100%. Dit rendement wordt daarom COP genoemd. Dit begrip werd in het leven geroepen om de verschillende warmtepompen te kunnen vergelijken. Men mag het in geen geval bekijken als een thermodynamisch rendement. Het hierboven vermelde rendement van meer dan 100% is dan ook niet thermodynamisch bekeken maar slaat op de COP. Verder in dit artikel wordt dit begrip nader bekeken.

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 blijken twee deelprocessen verantwoordelijk voor thermodynamische verliezen, 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.

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. Enkele systemen zijn:

Lucht/lucht warmtepomp

Bij lucht/lucht-warmtepompen wordt de warmte gehaald uit de buitenlucht en wordt het huis (ruimte die men wenst op te warmen) opgewarmd door middel van een luchtblazer. Dit is eigenlijk de omgekeerde werking van een koelkast. Deze toestellen worden in hoofdzaak gekozen voor hun functie als airconditioning maar kunnen door middel van een klep omgeschakeld worden naar de functie van warmtepomp. De investeringskostprijs van dit type ligt relatief laag in vergelijking met de rest.

Lucht/water warmtepomp

Bij lucht/water warmtepompen wordt de energie uit de lucht gehaald en opgepompt tot een hogere temperatuur. Hierbij wordt de warmte afgegeven aan water. Dit is een ideaal systeem voor een verwarming van een woning. Het water dient meestal slechts tot 38°C opgewarmd te worden, waardoor een erg hoge COP-waarde bereikt kan worden door de lage condensortemperatuur. Daarnaast is het ook nog mogelijk om met sommige lucht/water warmtepompen te koelen. Dit verhoogt het comfort in de woning.

Water/water warmtepomp

Bij water/water warmtepompen wordt de zogenaamde "gratis" warmte uit water gehaald, er zijn verschillende mogelijkheden.

1) Oppompen water uit 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. 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 zal er geen uitputting van het medium ontstaan doordat het continu vervangen wordt.

2) Verticale grondwarmtewisselaar.

In dit geval wordt een put geboord, de diepte hangt af van de grootte van de te verwarmen oppervlakte, In die put laat men water door pijpen vloeien. Het water neemt de warmte van de diepe grondlagen op en wordt weer naar boven gepompt. In het warmtepompsysteem wordt de temperatuur dan weer verhoogd tot een bruikbare temperatuur. Voor dit soort type is wel een vergunning nodig voor het boren van de put. Ook kan het rendement verminderen naar het einde van het stookseizoen door uitputting van de grond. Maar door de grote diepte is de temperatuur niet seizoensafhankelijk.

3) Warmte putten uit grondwater

Hierbij boort men twee putten, uit de ene pompt men grondwater op waaruit de warmte wordt gehaald. In de andere wordt het koude water geloosd. De tweede put is nodig omdat het lozen van het koude water op oppervlaktewater niet toegestaan wordt in België omwille van de grote waterverspilling. Dit systeem heeft een groter rendement dan het vorige maar de kostprijs van de installatie ligt natuurlijk veel hoger doordat ook een tweede put geboord moet worden. Het rendement hangt ook sterk af van het type grond waar de installatie geplaatst wordt. Dit systeem heeft grote voordelen wanneer de woning of het gebouw ook gekoeld moet worden. In de winter pompt men namelijk warm grondwater op, doordat hier warmte uit onttrokken wordt, koelt het af. Dit afgekoelde grondwater wordt weer opgeslagen in de andere put, zodat het in de zomer daaruit gehaald kan worden om het gebouw te koelen. Hierdoor warmt het grondwater weer op, deze warmte kan weer in de eerste put opgeslagen worden en in de winter worden gebruikt. In Nederland is ook voor dit type een vergunning nodig, wanneer er maximaal meer dan 10 m³/h opgepompt kan worden.

4) Horizontale grondwarmtewisselaar

Hierbij wordt er een groot buizennetwerk onder de tuin aangelegd, deze buizen bevatten water aangelengd met antivries. Er is een groot oppervlak nodig: ongeveer drie maal de grootte van het te verwarmen oppervlak. De COP is ook sterk seizoensafhankelijk omdat de leidingen maar 70 cm tot 1.5 m onder de grond liggen. Dit is ideaal als men een grote nog aan te leggen tuin heeft. Als de tuin al aangelegd is is er nog altijd de mogelijkheid om horizontale boringen uit te voeren. Dat zal natuurlijk de kostprijs verhogen. Een andere factor waar rekening mee moet worden gehouden is dat er geen diepwortelende planten boven de collector geplaatst mogen worden.

Benodigde grondoppervlakte

Afhankelijk van het vermogen van de warmtepomp en de soort grond kan men een schatting maken van welke oppervlakte de collector zou moeten hebben.

Het 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 stek 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

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.

Bepalen nodige circuits van de collector

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 benogdigde oppervlakte grond. Deze waarden worden experimenteel vastgesteld.

We gebruiken het nodige grondoppervlak van in vorig 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.

Werkingswijzen

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 behoefte aan warm tapwater. Vooral het type water/water is geschikt voor deze werkingswijze.

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.

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.

De warmtepomp zal tot aan een bepaalde minimum buitentemperatuur voor de volledige verwarming van het huis zorgen. Als 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 doordat deze een laag rendement hebben bij lage buitentemperaturen.

Voor- en nadelen

Voordelen

Nadelen