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 koelmiddel. Hoe een koelmiddel werkt verklaren we aan de hand van een vloeistof die iedereen kent: water.

Wat is een koudemiddel?

water in pan van 20 graden celcius kokend water van 100 graden celsius kokend water in pan met deksel onder druk

Laten we om het principe te verduidelijken aan de slag gaan met een pannetje water.

Het tekenen van eenp log h diagram
Zo teken je een log ph-diagram.
De rode lijn verbind de knikpunten van de lijnen
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 hoger 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 varierende 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. 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:
radiateur (verdamper) in de buitenunit van een warmtepomp
Componenten in de buitenunit van een warmtepomp.
-een platenwisselaar om de uit de lucht onttrokken warmte af te geven aan het koelmiddel. 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.
-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 te 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.



Lees het vervolg over het principe van de warmtepomp op de volgende pagina.
Vraag en antwoord
1. Waarom al die aandacht voor radiatoren. Vloerverwarming is toch veel beter in combinatie met een warmtepomp?

Vloerverwarming is een vorm van Laag Temperatuur verwarming (LT-verwarming). Maar dit is ook te verwezenlijken met radiatoren. Soms is het aanleggen van vloerverwarming te ingrijpend, en dan kunnen LT-radiatoren een goed alternatief zijn.


2. Hoe nauwkeurig en realistisch zijn deze berekeningen?

De berekeningen op deze pagina zijn gebaseerd op natuurkundige formules en vuistregels uit de engineering tool box. Dit betekend dat de resultaten van de berekening nooit helemaal correct zullen zijn voor een specifiek type radiator van een bepaald merk. Alle fabrikanten verschaffen specificaties en rekenbladen waarmee de warmteafgifte exact uit te rekenen is.

Doe mee met de discussie, en reageer op dit artikel:

Naam: *
Onderwerp:

Ik ben geen robot. Welke dag is het vandaag?
Bij het plaatsen van een reactie gaat u accoord met de voorwaarden.
Hier komen de reacties te staan
Volgende pagina: Vervolg uitleg principe warmtepompen