De technische werking van een warmtepomp
In dit artikel leggen we, voor de (iets) technisch onderlegde bezoekers, uit hoe een warmtepomp werkt. Ben je minder technisch dan is het artikel wat is een warmtepomp meer geschikt.
Wat is eigenlijk een warmtepomp?
Een warmtepomp verplaatst thermische energie (warmte) van de ingang naar de uitgang. Bij de ingang wordt het daarom kouder en aan de uitgang wordt het daarom warmer.
Zo onttrekt een koelkast, waar een warmtepomp in zit, de thermische energie (warmte) uit de producten die je in de koelkast zet en geeft die thermische energie (warmte) aan de achterkant van de koelkast af, daar zit een zwart metalen rooster dat warm wordt.
De bekendste apparaten waar een warmtepomp in zit zijn de koelkast, vriezer, airco, warmtepompdroger en warmtepompboiler. Sinds circa 2010 zijn voor particuliere warmtepompen te koop die een huis kunnen verwarmen. Daar hebben ze geen speciaal woord voor verzonnen zoals voor de koelkast, vriezer of airco, ze noemen het simpelweg "warmtepomp". Wij vinden dat verwarrend en noemen het in analogie met de cv-ketel dit een cv-warmtepomp.
Faseovergang
Iedere stof kent verschillende aggregatietoestanden: vast, vloeibaar en gas. Denk aan ijs, water en waterdamp. De overgang van ene naar de ander aggregatietoestand wordt een faseovergang genoemd.
De warmtepomp maakt dankbaar gebruik van het feit dat bij een faseovergang van een stof zeer veel energie nodig is of juist zeer veel energie vrijkomt.
Als je water van 0°C naar 100°C wil opwarmen dan kost dit thermische energie, laten we zeggen "1000 eenheden". Wil je dat kokende water daarna ook nog eens compleet laten verdampen dan kost dat enorm veel thermische energie en is in dit voorbeeld gelijk aan "5000 eenheden". Verdampen kost dus vijf keer zoveel energie als water opwarmen van 0 naar 100°C. Wanneer je die waterdamp (gas) later weer laat condenseren (vloeistof) dan komt diezelfde (enorme hoeveelheid) thermische energie weer vrij.
Wil je thermische energie tijdelijk in een stof opslaan of juist onttrekken, en beiden zijn een essentieel onderdeel van het warmtepomp proces, dan is het gebruik van een faseovergang, zoals de overgang van gas naar een vloeistof en van een vloeistof naar een gas, een voor de hand liggende keuze. En deze faseovergangen zijn een cruciaal onderdeel van de warmtepomp.
Wat is het basisprincipe van een warmtepomp?
De kern van de werking van een warmtepomp is dat aan de ingang van de warmtepomp, daar waar de warmte onttrokken wordt uit de bron (de koude kant), een vloeibaar koudemiddel dan kouder is dan zijn omgeving thermische energie onttrekt uit zijn omgeving (de bron). Daardoor zal de temperatuur iets stijgen en het koudemiddel gaan koken en overgaan in gasvorm.
Door de faseovergang van vloeibaar naar gas wordt zeer veel warmte onttrokken uit de bron. Vervolgens wordt dit gas door de compressor zeer sterk gecomprimeerd (samengeperst) waardoor het flink in temperatuur stijgt. Dit gas komt nu bij de uitgang van de warmtepomp (de warme kant) en is warmer dan de omgeving, daardoor daalt de temperatuur van het koudemiddel dat gaat condenseren. Bij deze faseovergang, gas naar vloeistof, komt zeer veel thermische energie vrij (gelijk aan wat aan de bron aan thermische energie is opgenomen).
Welk gas wordt gebruikt als koudemiddel?
De stof die in de warmtepomp wordt gebruikt wordt voor de overdracht van thermische energie, is een bepaald soort gas. Dat kan bijvoorbeeld propaan, kooldioxide of ammoniak zijn. Die gassen hebben allemaal een zogenaamde "R-nummer" (naar refrigerant = koudemiddel). Zo staat R290 voor propaan, R32 voor difluormethaan en R717 voor ammoniak. De rond te pompen stof wordt koudemiddel genoemd. De eerste warmtepompen (rond 1900) werden namelijk gebruikt om ijs te maken vandaar (nemen wij aan) hun naamgeving.
Welke natuurkundige processen spelen zich af in een warmtepomp?
De warmtepomp bevat vier basisonderdelen: compressor, condensor, reduceerventiel en verdamper. Die onderdelen zijn onderling verbonden met een metalen leiding. De compressor is dus met een leiding verbonden met de condensor, die aan het reduceerventiel, die is verbonden met de verdamper en die is weer verbonden met de compressor. De onderdelen vormen samen met de leidingen een gesloten systeem. In dit systeem bevindt zich een bepaalde hoeveelheid koudemiddel.
Hoewel de warmtepompen van de koelkast, vriezer, airco, warmtepompdroger, warmtepompboiler en cv-warmtepomp technisch identiek zijn, beschrijven we hier de warmtepomp met een cv-warmtepomp in gedachte. Die onttrekt warmte uit bijvoorbeeld de buitenlucht en staat deze af aan het cv-water die op zijn beurt de woning verwarmt.
Stap 1: compressor
In de leiding aan de ingang van de compressor (links in de tekening) bevindt zich een gas. De compressor (een pomp) verhoogt de druk van het gas sterk waardoor de temperatuur van het gas flink stijgt[1].
De compressor verhoogt niet alleen de druk en temperatuur, maar fungeert ook als een pomp die zorgt dat het koudemiddel in de warmtepomp "rondgepompt" wordt.
De compressor wordt aangedreven door een elektromotor (niet zichtbaar in het schema). De elektrische energie die een warmtepomp gebruikt is dus niet om "iets warm te maken" (zoals dat wel het geval is bij een elektrisch verwarmingselement) maar alleen om het koudemiddel rond te pompen, en de natuurkundige processen in de warmtepomp mogelijk te maken (compressie-condensatie-reductie-verdamping).
Stap 2: condensor
Het hete gas dat uit de compressor komt (van bijvoorbeeld 50°C) stroomt door de condensor. De condensor warmt met dit warme gas het koudere cv-water van een centrale verwarming op.
De condensor kan je vereenvoudigd voorstellen als twee metalen buizen die over een bepaalde lengte aan elkaar gelast zijn. Door de ene buis stroomt het hete gas van de warmtepomp. Die buis verwarmd de andere buis waar het cv-water door stroomt en daardoor opwarmt. Dus in de condensor stijgt de temperatuur van het cv-water en daalt de temperatuur van het gas. Feitelijk is de condensor een vorm van een warmtewisselaar en praktisch is het een platenwarmtewisselaar.
De condensor dankt zijn naam doordat het hete gas door het (relatief) koude cv-water afgekoeld wordt en condenseert. Het koudemiddel gaat dus over van een gas naar een vloeistof. Bij het condenseren van een gas (een faseovergang) komt, zoals je hiervoor hebt kunnen lezen, enorm veel thermische energie (warmte) vrij en die wordt overgedragen op het cv-water.
Stap 3: reduceerventiel
Het reduceerventiel zorgt dat de druk én temperatuur verlaagt wordt van het vloeibare koudemiddel.
Het gecondenseerde (vloeibare) koudemiddel stroomt vanuit de condensor naar het reduceerventiel. Een reduceerventiel is een sterke vernauwing in een buis waarbij het vloeibare gas door een hele kleine opening stroomt. Bij de ingang van het reduceerventiel is de druk zeer hoog (bijv. 11 bar), na het reduceerventiel is de druk flink lager (bijv. 5 bar). Hoe kleiner de opening in het reduceerventiel, hoe lager de druk én temperatuur wordt na het reduceerventiel[2].
Niet alleen daalt de druk enorm, maar daardoor ook de temperatuur van het vloeibare koudemiddel. Het reduceerventiel is precies het omgekeerde van de compressor waar juist de druk en daardoor de temperatuur van het gas steeg.
Deze stap in het proces is noodzakelijk om te zorgen dat het vloeibare koudemiddel dat handwarm is bij het verlaten van de condensor sterk wordt afgekoeld. Want in de volgende stap hebben we juist vloeibaar koudemiddel nodig dat een stuk kouder is dan de temperatuur van de bron waar de thermische energie uit onttrokken moet worden. Want alleen als het vloeibare koudemiddel kouder is dan de bron kan sprake zijn van warmteoverdracht.
De opening van het reduceerventiel is elektromechanisch verstelbaar en de warmtepomp zal de opening zodanig instellen dat de temperatuur van het gas een stuk lager is dan de temperatuur van de omgeving aan de ingang.
De drukverlaging is ook noodzakelijk om te zorgen dat het koudemiddel bij een relatief lage temperatuur zal koken/verdampen[3]. Want alleen dan zal, door de faseovergang, veel warmte overdracht plaatsvinden.
Het reduceerventiel ontleent zijn naam omdat hij de druk en temperatuur reduceert (verlaagt).
Stap 4: verdamper
De verdamper onttrekt thermische energie uit de bron waardoor het koudemiddel warmer wordt en verdampt.
Het vloeibare koudemiddel komt nu aan in de verdamper. Feitelijk is dit, net als de condensor, een warmtewisselaar.
Doordat het vloeibare koudemiddel een lagere temperatuur heeft dan de buitenlucht die langs verdamper wordt geblazen door de ventilator in de buitenunit, zal thermische energie aan de voorbijstromende lucht onttrokken worden. Daardoor stijgt de temperatuur van het vloeibare koudemiddel en zal daarom gaan koken[3] en overgaan in een gasvorm. Die faseovergang (van vloeibaar naar gas) kost enorm veel thermische energie en die wordt uit de bron (ingang van de warmtepomp) onttrokken.
Het onttrekken van thermische energie kan ook plaatsvinden als de bron een temperatuur heeft onder het vriespunt, zoals dit plaatsvindt bij een lucht/water warmtepomp. Ter referentie, warmtepompen worden immers ook in Scandinavische landen gebruikt als warmtebron. De buitenlucht heeft bijvoorbeeld een temperatuur van -4°C en wordt dan gekoeld tot bijvoorbeeld -10°C.
De verdamper dankt zijn naam aan het feit dat het vloeibare koudemiddel in de verdamper "verdampt" en weer gas wordt. Na de verdamper wordt het gas weer aangezogen door de compressor en begint alles weer opnieuw (ga naar stap 1).
Gratis warmte, Tlift
Doordat de warmte die warmtepomp afstaat grotendeels afkomstig is van een gratis bron (zoals de buitenlucht, bodemwarmte, oppervlaktewater, ventilatielucht) is de warmtepomp zo energiezuinig. De enige energie die de warmtepomp verbruikt is om het koudemiddel rond te pompen. En zelfs die (elektrische) energie komt ook grotendeels als warmte vrij.
Ter illustratie, als een warmtepomp 5 kW warmte afgeeft is bijvoorbeeld 4 kW afkomstig van gratis thermische energie uit de bron en 1 kW warmte is afkomstig van de elektriciteit die noodzakelijk is geweest voor de compressor.
Hoeveel elektrische energie nodig is om de gratis warmte te verplaatsen is afhankelijk van het verschil in temperatuur tussen de bron en de afgifte, wat ook wel Tlift wordt genoemd. Dat is logisch, want hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer de compressor het gas moet samenpersen om de temperatuur te verhogen. En die extra compressie kost meer elektrische energie.
De factor die zit tussen het opgenomen elektrisch vermogen en het afgegeven thermische vermogen wordt COP-waarde genoemd.
- Dit is een natuurkundig verschijnsel. Als je de druk van een gas verhoogt dan zal de temperatuur stijgen. Dat kan je waarnemen als je met een fietspomp een band oppompt. Doordat je met de pomp de lucht samenperst, dus druk verhoogt, zal de temperatuur van de lucht (wat ook gas is) stijgen. Dit voel je vooral aan het onderste gedeelte van de pomp, vlak bij de aansluiting van de slang (als je flink lang pompt), die behoorlijk warm wordt.
- Dit is een natuurkundig verschijnsel. Als je een gas onder druk door een vernauwing laat stromen naar een grote ruimte zal de druk én temperatuur dalen. Dit fenomeen is bijvoorbeeld merkbaar bij een spuitbus, het maakt niet uit wat de inhoud is. In de spuitbus zit een gas onder hoge druk opgeslagen (en is dan vloeibaar). Als je op de spuitmond drukt komt een beetje (vloeibaar) gas vrij en stroomt door een zeer nauwe opening "naar buiten". Doordat de druk buiten de spuitbus flink lager is, zal het vloeibare gas in temperatuur dalen, warmte uit de omgeving onttrekken en gaan koken en overgaan in gas. Ter plekke van de spuitmond daalt dus de temperatuur.
- De overgang van vloeistof naar gas (of andersom), bij water "het kookpunt" genoemd, is afhankelijk van de druk. Bij een lage druk verlaag je de temperatuur van de faseovergang (het kookpunt/het condensatiepunt) en bij een hoge druk verhoog je de temperatuur wanneer een vloeistof overgaat naar een gas (of andersom).
Zo zal een pannetje met water op zeeniveau koken bij 100°C. Als je dat zelfde pannetje met water laat koken bovenop de Himalaya, waar de druk van de atmosfeer veel lager is, dan kookt het al bij 72°C. In een hogedrukpan, de naam zegt het al, daar heerst een hogere druk, zal het water pas koken bij circa 115°C.
Gebruikers van een vacumeermachine worden in de handleiding altijd gewaarschuwd dat ze afgekoelde vloeistoffen (bijvoorbeeld soep) die nog wel warm is, volledig gekoeld moet worden voordat men deze in een zak gaat vacumeren. Want warme vloeistoffen (dus ver onder het normale kookpunt) kunnen bij een lage druk opnieuw gaan koken (het is immers een machine die het vacuüm benaderd dus zorgt dat de druk enorm laag wordt) en voor een flinke rommel in de keuken kan zorgen.
publicatie: 20220930
aanpassing/controle: 20240404
Foutje of aanvulling? Stuur ons een reactie