Het principe van de warmtepomp
Hoe werkt een warmtepomp eigenlijk?
Een warmtepomp kan verwarmen zonder vuur, en ook nog met een enorm hoog rendement. Hoe dat mogelijk is? Dat leggen we op deze pagina uit. Om te beginnen is het zo dat een warmtepomp warmte verplaatst, van buiten naar binnen. Er wordt warmte onttrokken aan de buitenlucht. Deze warmte wordt verpompt naar de huiskamer. Het verplaatsen van deze warmte kost energie. Er is bijvoorbeeld 1 kW aan elektriciteit nodig om 4 kW energie van buiten naar binnen te verplaatsen. Ook die ene kW elektriciteit kan nog omgezet worden in warmte. Dat betekend in dit voorbeeld dat het rendement 5/1 = 5x = 500% is. Dit verklaart gelijk de hoge rendementen van warmtepompen. Het belangrijkste in een warmtepomp is het koudemiddel. Hoe een koudemiddel werkt verklaren we aan de hand van een vloeistof die iedereen kent: water.
Wat is een koudemiddel?
Water koken: Na 100 °C stijgt de temperatuur niet
verder. Als de druk verder stijgt, stijgt het kookpunt.
Laten we om het principe te verduidelijken aan de slag gaan met een pannetje water. Het water is ca. 20 °C. We stoken er een vuurtje onder en kijken wat er gebeurt. Na verloop van tijd bereikt het water een temperatuur van 100 °C (het kookpunt) en het water begint te verdampen. Luchtbelletjes ontsnappen uit het water. De watertemperatuur stijgt echter niet meer. Deze blijft 100 °C; tot alles verdampt is. Er blijft steeds minder water over en er vormen zich steeds meer luchtbellen (gas). Dit is bij een nominale druk van ongeveer 1 Bar. Eigenlijk geeft de barometer vandaag 1013 mmwk aan, maar dat is een klein verschilletje. Nu gaan we dit nog eens doen maar dan met een deksel op de pan (snelkookpan). Hiermee verhogen we het kookpunt, water kookt dan niet meer bij 100 °C maar bijvoorbeeld bij 120 °C. Als we naar een plaats in de bergen gaan waar de luchtdruk lager is, kookt water bijvoorbeeld al bij 80 °C. Druk is dus een belangrijke factor voor het kookpunt. In grafiek 1 is dit grafisch uitgezet, de temperatuur als functie van de tijd. Maken we nu vervolgens een grafiek met op de x-as de toegevoegde energie en op de y-as de druk, dan krijgen we een hele andere grafiek te zien. De toegevoegde energie noemt men bij variërende drukken enthalpie (warmte inhoud). Bij constante druk is de enthalpie gelijk aan de toegevoegde energie. Doen we dit bij verschillende drukken dan ontstaat een log-ph grafiek. Door alle knikpunten van deze lijnen met elkaar te verbinden ontstaat er een soort lus in de grafiek. Het leuke van dit zogenaamde log ph-diagram is dat men heel goed kan zien wanneer het water zich in de vloeistoffase bevind, wanneer er sprake is van water (vloeistof) en luchtbelletjes(gas), en wanneer het water volledig verdampt is, de zogenaamde gasfase. In het plaatje zien we een eenvoudig log ph-diagram getekend: De rode lijn markeert de diverse fasetoestanden van de vloeistof. In de figuur daaronder zien we een professioneel ph-diagram van het koudemiddel R410A. De druk in Bar staat op de y-as, de enthalpie op de x-as. Op de horizontale lijn is de temperatuur in graden Celsius aangegeven.
De rode lijn verbind de knikpunten van de lijnen
Componenten in de warmtepomp
Met onze warmtepomp willen we nu warmte onttrekken aan de buitenlucht, de temperatuur iets opkrikken en dit vervolgens afgeven aan het water in ons afgiftesysteem, bijvoorbeeld in onze vloerverwarming. Om dit te realiseren zitten de volgende componenten in een warmtepomp:
- een platenwisselaar om de uit de lucht onttrokken warmte af te geven aan het koudemiddel. Dit apparaat lijkt op een radiateur in de auto, vanaf nu noemen we dit de verdamper;
- Een compressor om het kookpunt van het koudemiddel te verhogen;
- Een platenwisselaar om de warmte afgegeven door het koudemiddel naar bijvoorbeeld de vloerverwarming te overdragen. Vanaf nu noemen we dat de condensor. Bij een splituitvoering zit deze in de binnenunit, bij een monoblock in de buitenunit;
- Een expansieventiel (dit is een soort trechter) om de druk te laten zakken waardoor het kookpunt van het koudemiddel wordt verlaagt en weer vloeibaar wordt.
We gaan ons koudemiddel bij lage temperatuur laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur laten condenseren. Voor verdampen moet het kookpunt worden verlaagd en voor condenseren worden verhoogd. Dat laatste gebeurt met behulp van een compressor. Aan de andere kant van het systeem wordt het kookpunt verlaagd door de druk te laten zakken in een expansieventiel. De warmte wordt daarbij verplaatst van de verdamper naar de condensor. De vloeistof, die al bij lage temperatuur kookt, wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en geëxpandeerd.
verdamper, compressor, condensor en expansieventiel.
De waardes komen uit het bovenstaande log-ph diagram.
Lees het vervolg over het principe van de warmtepomp op de volgende pagina.
1. Wat is het verschil tussen een splitunit en een monoblock?
IKn een monoblock zitten alle componenten in de buitenunit. Hiet komt -net als bij een cv-ketel- een aanvoer (warm) en retourleiding (koud) uit. Bij een splitunit heeft men een buitendeel en een binnendeel die met elkaar verbonden zijn met koelleidingen. In het buitendeel zit de verdamper, de compressor en het expansieventiel. In het binnendeel de condensor.
2. Waarom zijn er zoveel verschillende soorten koudemiddels?
Dit heeft vooral met milieu-aspecten te maken. De impact die een koudemiddel heeft als deze in de atmosfeer zou komen kan men berekenen (GWP).
Verduurzaam uw huis
in 10 stappen. De energietransitie van uw woning.
Geluid warmtepomp
Bereken het geluidsniveau van uw warmtepomp
Electriciteitsverbruik
Bereken uw toekomstig elektriciteitsverbruik met de tool
Soorten warmtepompen
Vergelijk warmtepompen en kies uw warmtepomp