Warmtepompen: verwarmen met thermische energie uit de omgeving
Gepubliceerd: 01.08.2023 | Leestijd: 8 minuten
Opwarming van de aarde, klimaatverandering, CO2-uitstoot en het broeikaseffect zijn dramatisch klinkende modewoorden die helaas steeds vaker in het nieuws komen.
Daarom moeten broeikasgassen zoals gefluoreerde gassen, methaan, lachgas en kooldioxide (CO2) absoluut worden teruggedrongen. Vooral kooldioxide, dat veel verwarmingssystemen uitstoten bij de verbranding van fossiele brandstoffen zoals kolen, olie of aardgas, draagt onder andere bij aan de opwarming van de aarde en klimaatverandering.
Daarom is er dringend behoefte aan milieuvriendelijke of klimaatneutrale alternatieven uit hernieuwbare energiebronnen. Als het over verwarming gaat, duikt de term "warmtepomp" steeds weer op. Maar wat zijn warmtepompen, hoe werken ze en zijn ze echt het wondermiddel tegen de klimaatcrisis? We willen deze vragen graag ophelderen en u meer interessante informatie geven over dit belangrijke onderwerp.
Er zit veel warmte in de lucht, in de aarde en ook in het water, die idealiter ook kan worden gebruikt voor verwarming. De reden hiervoor is zonnestraling of de hete kern van de aarde. Maar afgezien van de kokende geisers in IJsland is de beschikbare warmte-energie helaas niet direct geschikt voor verwarming. Dit komt omdat de temperaturen van de lucht, het water of de aarde tijdens het stookseizoen vaak aanzienlijk lager zijn dan de vereiste 20 graden Celsius (°C).
Er is enige technische knowhow nodig om ervoor te zorgen dat het verwarmingsproces functioneert en efficiënt en milieuvriendelijk is. Lucht-water warmtepompen (1) worden bijvoorbeeld gebruikt om de bestaande thermische energie (2) van de lucht naar een aanzienlijk hoger niveau (3) te brengen.
De aldus bereikte hoge temperatuur of temperatuurstijging wordt vervolgens overgebracht naar het watercircuit van een verwarmingssysteem (4). Afzonderlijke kamers, hele gebouwen of zelfs complete zwembaden kunnen op deze manier eenvoudig en efficiënt worden verwarmd.
De ingenieuze truc hier is dat een groot deel van de verkregen verwarmingsenergie rechtstreeks uit de omgeving komt. Alleen de elektrische energie die nodig is voor de pomp (5), die idealiter wordt opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen, heeft gevolgen voor de kosten.
Warmtepompen zijn geen nieuwe uitvinding uit de 21e eeuw. Warmtepompen bestaan al meer dan 100 jaar. Want in principe is elke koelkast of vriezer een warmtepomp. Het enige verschil is dat deze koelkasten gebruik maken van de temperatuurverlaging die in het interieur wordt gegenereerd en niet van de afvalwarmte die aan de achterkant wordt gegenereerd. Om beter te begrijpen hoe een warmtepomp werkt, kijken we eerst naar de werking van een compressorkoelkast.
Werking van een compressorkoelkast
Een koelkast heeft een gesloten koelcircuit waarin zich een gasvormig of vloeibaar koelmiddel bevindt, zoals isobutaan. Isobutaan of R600a heeft een zeer laag kookpunt en verdampt al bij een temperatuur van -11,5 °C.
Het gasvormige koelmiddel (1) wordt onder druk gebracht met behulp van een compressor (2), die zich buiten de te koelen binnenruimte bevindt. Tijdens dit proces warmt het koudemiddel op tot ongeveer 60 tot 100 °C als gevolg van het Joule-Thomson-effect. Het hete en onder druk staande koelmiddel wordt naar een koelcircuit of warmtewisselaar (3) op de achterwand van de koelkast geleid. Daar wordt de warmte-energie gewoon afgegeven aan de omgevingslucht.
Aangezien de kooktemperatuur van het onder druk staande koelmiddel aanzienlijk hoger is dan -11,5 °C, condenseert het in de koelkringloop en wordt het vloeibaar. Daarom noemen experts de koellus ook wel een condensor.
Het vloeibare koelmiddel stroomt dan via een capillaire buis naar de binnenkant van de koelkast (Binnen). De capillaire buis dient als smoorklep of expansieventiel (4) dat de druk verlaagt en het koudemiddel fijn verstuift. De leidingen van de nageschakelde verdamper (5) bieden voldoende ruimte voor het koudemiddel om terug te keren naar de gasvormige toestand door de druk te verlagen. De warmte-energie die nodig is voor de verdamping (verdampingskoeling) wordt door de verdamper als warmtewisselaar onttrokken aan de binnenkant van de koelkast. Na de verdamper wordt het gasvormige koelmiddel teruggevoerd naar de compressor zodat de cyclus opnieuw kan beginnen. De temperatuur wordt geregeld door een thermostaat, die de compressor in- of uitschakelt binnen een bepaald temperatuurbereik.
Werking van een warmtepomp
Een warmtepomp heeft ook een gesloten koelcircuit met koelmiddel, twee warmtewisselaars en een compressor. Maar in tegenstelling tot een koelkast gebruikt een warmtepomp de temperatuurstijging en niet de temperatuurdaling.
Hiertoe wordt het gasvormige koudemiddel (2) samengeperst met een compressor (1). Het hete en onder druk gezette koudemiddel wordt naar de eerste warmtewisselaar of condensor (3) geleid.
Deze warmtewisselaar heeft naast de leidingen voor het koelmiddel ook leidingen voor een verwarmingscircuit (4).
Beide leidingsystemen zijn thermisch met elkaar verbonden. Hierdoor kan de warmte van het gecomprimeerde koudemiddel efficiënt worden overgedragen aan het verwarmingscircuit met warmtedistributie- en opslagsysteem.
Het gekoelde en nu vloeibare koudemiddel wordt via een smoorklep (5) naar de tweede warmtewisselaar, de verdamper of het warmtebronsysteem (6) geleid. Naast de leidingen voor het koelmiddel zijn er ook thermisch gekoppelde leidingen voor het koelcircuit (7) in de verdamper. Het koelcircuit is meestal gevuld met antivries en water en kan de kou die ontstaat tijdens de verdamping in de verdamper compenseren met omgevingswarmte. Op deze manier wordt de omgeving als positief neveneffect gekoeld door een warmtepomp. Het koelmiddel, dat nu weer gasvormig is, wordt naar de compressor geleid, waardoor de cyclus weer wordt gesloten.
Er zijn verschillende soorten warmtepompen, afhankelijk van het medium waaruit de energie voor verwarming wordt gehaald. We willen de meest voorkomende types hier in meer detail bespreken:
Lucht/water-warmtepomp
Bij een lucht-water warmtepomp of luchtwarmtepomp (zie schets A) dient de omgevingslucht als warmtebron. Er worden soms split-units geïnstalleerd waarbij de compressor, verdamper en ventilator zich buiten bevinden en de condensor met circulatiepomp en regeltechniek zich binnen in het huis bevinden. Lucht-water warmtepompen kunnen economisch werken tot een luchttemperatuur van -20 °C.
Onze productaanbevelingen voor lucht/water-warmtepompen
Warmtepomp op basis van grondwater
Grondwaterwarmtepompen worden ook wel grondwarmtepompen of brijnwarmtepompen genoemd en maken gebruik van de natuurlijke warmte van de aarde als energiebron. Hiervoor worden ofwel grondcollectoren (zie schets B) dicht onder het oppervlak begraven of diepe boorgaten (40 - 100 m) geboord (zie schets C). Hoewel de installatie-inspanning aanzienlijk hoger is, zorgen de hogere aardtemperaturen meestal voor een hoger rendement van de warmtepomp.
Water/water-warmtepomp
Bij een water/water-warmtepomp (zie schets D) dient het grondwater meestal als warmtebron. Voor dit doel hebben grondwaterwarmtepompen een zuigput nodig om het water te onttrekken en een kwelput om het grondwater terug te geven.
Omdat de grondwatertemperatuur het hele jaar door constant is, ongeacht het seizoen, kunnen deze systemen zeer efficiënt werken. Op veel plaatsen is het gebruik van grondwater echter onderworpen aan een vergunning.
Lucht/lucht-warmtepompen
Een lucht-lucht warmtepomp gebruikt de buitenlucht of ook de afvoerlucht van het huis als warmtebron. In tegenstelling tot een lucht-water warmtepomp wordt de warmte niet overgedragen aan een verwarmingscircuit gevuld met water, maar aan een ventilatiesysteem. Lucht-lucht warmtepompen zijn ideaal voor passiefhuizen en energie-efficiënte gebouwen waar een ventilatiesysteem met warmteterugwinning moet worden geïnstalleerd.
Warmwater-warmtepompen
Een warmwater warmtepomp of tapwater warmtepomp is speciaal ontworpen om warm tapwater te produceren met behulp van de ruimtelucht en warmtepomptechnologie. De warmtepomp en het waterreservoir vormen vaak één geheel. Sommige warmwater-warmtepompen hebben extra verwarmingselementen om de toch al hoge warmwatertemperatuur voor huishoudelijk gebruik van ongeveer 65 °C indien nodig aanzienlijk te verhogen. Als alternatief zijn er ook warmwater-warmtepompen met extra aansluitingen voor zonnecollectoren.
Onze productaanbevelingen voor warmwater-warmtepompen
Een warmtepomp aanvullen met zonnecollectoren
Natuurlijk is het mogelijk om een warmtepomp effectief aan te vullen en te ondersteunen met zonnecollectoren. Hier kunnen de zonnecollectoren ofwel direct worden gebruikt om warm water te produceren of, bij lage temperaturen, om het energieniveau van de warmtebron te verhogen. De mogelijkheden in dit opzicht zijn zo divers dat het in elk geval zinvol is om experts met de planning te belasten.
Warmtepomptechnologie kan worden gebruikt voor zowel het verwarmen als het koelen van huizen en gebouwen. In verband met de steeds warmer wordende zomers zijn achteraf ingebouwde airconditioningsystemen met warmtepomptechnologie daarom steeds vaker te vinden aan de muren van huizen. Zelfs mobiel gebruik in voertuigen bewijst al tientallen jaren zijn waarde.
Ondertussen werken zelfs huishoudelijke apparaten met deze slimme technologie. Wasdrogers, bijvoorbeeld, zijn aan de ene kant handig en nuttig, maar vereisen aan de andere kant ook relatief veel elektrische energie. Om het elektriciteitsverbruik te verminderen en toch dezelfde droogprestaties te behouden, werken moderne wasdrogers met een warmtepomp. Met een warmtepompdroger is het niet nodig om constant nieuwe lucht op te warmen, die dan na het droogproces gewoon in de ruimte of de omgeving wordt vrijgelaten. In plaats daarvan wordt de drooglucht steeds opnieuw gebruikt in een cyclus en specifiek verwarmd en gekoeld door de geïntegreerde warmtepomp.
Warmtepompen hebben veel sterke punten, maar ook enkele zwakke punten die we niet willen verbergen. Het grootste voordeel is waarschijnlijk aan de ene kant dat het essentiële deel van de gewonnen thermische energie uit het milieu wordt gehaald en dus in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar is. Als de elektriciteit om de compressor aan te drijven wordt opgewekt uit hernieuwbare bronnen, zijn warmtepompen milieuvriendelijke energieleveranciers. Aan de andere kant zijn de investeringskosten niet onaanzienlijk, ondanks overheidssubsidies. Bovendien is integratie in bestaande gebouwen moeilijk vanwege de soms lage aanvoertemperatuur.
De voor- en nadelen van warmtepompen op een rij
Voordelen:
- Milieuvriendelijke energieleverancier
- Hoog rendement
- Bijna onuitputtelijke warmtebronnen
- Hoge flexibiliteit van energiebronnen
- Lage bedrijfskosten, snelle afschrijving
- Bijna onderhoudsvrije werking
- Verwarming en koeling mogelijk
Nadelen:
- Hoge aanschafkosten
- Beperkte stromingstemperatuur
- Goede gebouwisolatie vereist
- Optimaal rendement alleen bij vloerverwarming
- Gebruik met radiatoren moeilijk
- Apart systeem voor warm water vereist
- Planning en projectering alleen door specialisten
Het rendement van een verwarmingssysteem geeft de verhouding aan tussen geleverde energie en bruikbare warmte. Als een gasverwarmingssysteem ongeveer 9.000 kWh warmte produceert uit 10.000 kWh aardgas, is het rendement van het verwarmingssysteem 0,9. Voor warmtepompen wordt een rendement tussen 2 en 5 opgegeven! Dit betekent dat er ongeveer 2 - 5 kWh warmte wordt opgewekt uit één kilowattuur (1 kWh) elektriciteit, die het beste wordt verkregen uit hernieuwbare energie.
Maar warmtepompen zijn geen magische machines die op wonderbaarlijke wijze energie kunnen vermenigvuldigen uit het niets. Het hoge rendement is eerder te danken aan het feit dat in dit geval alleen de benodigde elektriciteit en niet ook de geleverde milieuenergie in de berekening is opgenomen.
Uiteindelijk is dit echter irrelevant, aangezien de benodigde milieuenergie in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar is en op geen enkele energierekening zal verschijnen. In het ideale geval zijn er geen bedrijfskosten als de exploitant van de warmtepomp ook een fotovoltaïsch systeem bezit en de elektriciteit voor de compressor, ventilatoren en pompen dus wordt opgewekt door het PV-systeem. Dankzij de regeneratieve energie kan de verwarming dan volledig CO2-vrij zijn.
Om de bevolking te laten overschakelen op een klimaatvriendelijke warmtepomp bij het moderniseren of ombouwen van een bestaand verwarmingssysteem of een oud verwarmingssysteem, geeft de federale overheid financiële steun voor een nieuwe warmtepomp. De subsidie voor warmtepompen is echter gebonden aan bepaalde criteria. Bovendien is de subsidie voortdurend aan verandering onderhevig. Daarom moet u, als u aanspraak wilt maken op een subsidie voor een warmtepomp, zich laten informeren over de huidige subsidiemaatregelen.