Technische uitleg

De naam verraadt al iets van de werking van een warmtepomp; deze verpompt warmte. Maar waar haalt de warmtepomp zijn warmte vandaan en hoe wordt deze warmte in een bruikbare vorm weer afgestaan? Warmtepompen werken op het principe van verdampen (koken) en condenseren. Om dit beter te begrijpen, kijken we eerst naar het verdampen en condenseren van water.

Verdampen en condenseren

Onder atmosferische druk kookt water bij een temperatuur van 100 ˚C. Bij gelijke druk en een constante temperatuur van 100 ˚C blijft het water koken, oftewel verdampen, en vormt het zich tot stoom. Tijdens het koken (warmte toevoeren) kunnen we veel warmte kwijt aan het water/stoom. Gebruiken we nu een snelkookpan om datzelfde water te koken en verdampen, dan wordt de druk en daarmee ook het kookpunt verhoogd, kookt het water pas bij 120 ˚C. Omgekeerd, zouden we een glas water onder een vacuüm stolp zetten, dan kookt het water al bij 20 ˚C, waarbij warmte moet worden toegevoerd, bijvoorbeeld uit de omgeving. Het kook- en condensatiepunt van water hangt dus samen met de druk waarin het water zich bevindt. Bij koken kunnen moleculen ontsnappen aan het water. Hoe lager de druk, hoe makkelijker ze kunnen ontsnappen, en hoe hoger de druk, hoe moeilijker. Om de moleculen harder te laten bewegen, moet er meer energie/warmte in. Bij warmteafvoer of het verhogen van de druk zal de damp condenseren, waarbij de eerder toegevoegde warmte vrijkomt en de stoom weer tot water condenseert, warmte afgevend.

• Verdampen (koken) = warmte toevoeren (warmte onttrekken aan een bron)
• Condenseren = warmte afvoeren (warmte afgeven aan de omgeving of installatie)

Koken van water - uitleg warmtepomp

Een warmtepomp onttrekt warmte aan de omgeving volgens dit principe. In plaats van water gebruikt de warmtepomp koudemiddel, ook wel Freon genoemd. Het gebruikte type koudemiddel kookt onder atmosferische druk bij -48,5 ˚C. Dit koudemiddel wordt vloeibaar in een gesloten systeem gebracht en in een verdamper onder een druk van 8,5 bar gebracht, waardoor het bij 5 ˚C wil koken. Als we buitenlucht van 10 ˚C langs deze verdamper laten stromen, warmer dan het kookpunt van het koudemiddel, zal het koudemiddel koken en warmte onttrekken aan de lucht. De koude lucht zal afkoelen, en het koudemiddel zal verdampen. De resulterende damp wordt aangezogen door een compressor, die de druk verhoogt naar 30 bar. Het gas beweegt onder deze druk naar de condensor, waar het wil condenseren bij 50 ˚C. Als we nu water van 30 ˚C langs laten stromen, onder het kookpunt van het koudemiddel, zal het koudemiddel condenseren, warmte afgevend aan het water en het opwarmen. Na volledige condensatie wordt het koudemiddel door een expansieventiel weer in druk verlaagd, en het proces herhaalt zich.

In deze cyclus wordt warmte verplaatst. De energie die nodig is om het koudemiddel te verdampen, wordt verkregen uit de buitenlucht. Elektriciteit is nodig om de compressor aan te drijven. De toegevoegde elektrische energie komt vrij in de condensor. De bruikbare warmte in de condensor is de onttrokken warmte aan de buitenlucht om het koudemiddel te verdampen, plus het elektriciteitsverbruik van de compressor.

Warmtepomp onttrekt warmte uit de buitenlucht

Rendement en COP warmtepomp

De enige betaalde energie die de warmtepomp nodig heeft, is het elektriciteitsverbruik van de compressor.

COP-berekening

Het grootste deel van de energie die de warmtepomp nodig heeft, wordt onttrokken aan de buitenlucht. Bij moderne warmtepompen is de verhouding tussen elektriciteit en energie uit de buitenlucht 1 op 4, wat een totaal van 1 + 4 = 5 delen maakt. De COP is in dit geval 5, met een rendement van 500%.

COP en rendement van een warmtepomp

In deze uitleg onttrekken we warmte/energie aan de buitenlucht, maar het is ook mogelijk om warmte uit de grond of een waterbron te gebruiken, wat resulteert in een grondgebonden warmtepomp.

Dit is in het kort hoe een warmtepomp werkt.

Stap voor stap - Wat gebeurt er exact in de warmtepomp?

De warmtepomp bestaat uit de volgende hoofdcomponenten:

1. Verdamper: In het lagedrukgedeelte wordt warmte onttrokken aan een bron om het koudemiddel te verdampen (koken), waarbij de aggregatietoestand van vloeistof naar gas verandert.
2. Compressor: Dit onderdeel verbruikt elektriciteit en zorgt ervoor dat het koudemiddel onder verschillende drukken kan circuleren.
3. Condensor: In het hogedrukgedeelte condenseert het koudemiddel, waarbij alle toegevoegde warmte vrijkomt. Deze warmte wordt opgenomen door water dat langs de condensor stroomt en wordt gebruikt om gebouwen te verwarmen.
4. Expansieventiel: Een elektronisch regelbare vernauwing om de druk te verlagen. Voor het expansieventiel is de druk hoog, na het expansieventiel is de druk laag.

Toepassingen warmtepomp

Steeds vaker wordt de warmtepomp gezien als hét duurzame alternatief voor een Cv-ketel bij het verwarmen van huizen. Dit komt door voordelen zoals een lagere energierekening, verminderde CO₂-uitstoot en een comfortabel binnenklimaat. Bij gebruik van groene stroom of zonnepanelen is er geen gebruik meer van fossiele brandstoffen.

Een warmtepomp, aangedreven door elektriciteit die eventueel zelf kan worden opgewekt door zonnepanelen, maakt het mogelijk om een Nul-op-de-Meter woning te realiseren, mits het totaalconcept klopt.

De warmtepomp is zeer efficiënt met elektriciteit. Voor elke kWh elektriciteit die wordt verbruikt, produceert de warmtepomp 5 kWh warmte, soms zelfs meer. Dit komt door slim gebruik van warmte uit de buitenlucht, grond of water. Ter vergelijking produceert een volledig elektrische verwarming, zoals een elektrische kachel, slechts 1 kWh warmte voor elke kWh elektriciteit die wordt verbruikt. Een warmtepomp is dus 5 keer efficiënter.

Een warmtepomp kan worden toegepast voor het verwarmen van ruimten en tapwater, maar ook voor het koelen van ruimten. Toepassingen zijn te vinden in huizen, bedrijven, en zelfs grote ziekenhuizen en zwembaden.

Samengevat

Door slim gebruik te maken van natuurkundige principes kan energie worden onttrokken die zich al om ons heen bevindt. In tegenstelling tot het verbranden van fossiele brandstoffen, stoot dit proces geen schadelijke stoffen uit. Elektriciteit is nodig om dit proces te starten. Wanneer deze elektriciteit groen wordt opgewekt, is de uitstoot nul.