Airconditioning

Schematische tekening van een warmtepomp: 1 is de condensor, 2 de turbine (eventueel smoorventiel), 3 de verdamper, 4 is de compressor.

Een warmtepomp is een gesloten kringloop van een vloeibaar koudemiddel met een laag kookpunt, bijvoorbeeld freon, dit koudemiddel verdampt in de verdamper en condenseert weer condenseert tot vloeistof in de condensor. De warmte wordt hierbij netto van de verdamper naar de condensor vervoerd, tegen de bestaande temperatuurgradiënt in.

Er gaat altijd een dikke en een dunne buis naar de verdamper. In de dikste buis stroomt gasvormig (verdampt) koudemiddel, in het kleine buisje vloeibaar koudemiddel op een temperatuur ongeveer gelijk aan de buitentemperatuur. Dit koudemiddel wordt naar de geventileerde koelbatterij in de binnenunit gepompt: de verdamper. Juist voor de koelbatterij (de verdamper) zit een expansiesysteem (capillair of expansieventiel), dat de vloeistof laat ontspannen naar een lagere druk op verdampingstemperatuur. De vloeistof begint te verdampen en neemt daarbij warmte op uit de te koelen ruimte. Bij een airco is de temperatuur hier ongeveer 0 °C. Men neemt voor een airco een verschil van ongeveer 20° C, bij koelcellen is dat 7-10°.

Bij moderne aircotoestellen zit het capillair nagenoeg altijd in het buitentoestel verwerkt. Dit doordat bij het inspuiten van het koudemiddel van hoge naar lage druk er een geluid ontstaat. Mocht het capillair in het binnentoestel verwerkt zijn, is dit geluid van inspuiten oncomfortabel en hoorbaar. Door het kleine buisje stroomt dan niet-verdampte vloeistof op verdampingstemperatuur.

Doordat dit koudemiddel een verdampingstemperatuur heeft dat lager is dan de omgeving, zal het koudemiddel de warmte opnemen en hierdoor verdampen. Deze warmte energie zal worden opgenomen door het koudemiddel. Anders gezegd: warmte van de ruimte wordt overgedragen naar het koudemiddel. Het vloeibaar koudemiddel verdampt volledig en wordt zelfs iets oververhit om te voorkomen dat de compressor last krijgt van vloeistofslag. De compressor van een airco kan namelijk geen vloeistof verpompen, alleen gas. Dit komt het rendement van het systeem niet ten goede, Om een compressor zo effectief mogelijk te maken is de schadelijke ruimte van een compressor erg klein, hierdoor kan er maximale gas hoeveelheid worden verpompt. Het gasvormige koudemiddel wordt hier samengeperst tot een hogere druk en temperatuur en naar de condensor gevoerd. De temperatuur van deze gassen is in sommige gevallen 50° boven de buitentemperatuur. De temperatuur waarop gecondenseerd wordt noemt men de condensatietemperatuur. Om het warmtetransport naar de buitenomgeving te vergemakkelijken wordt vaak een ventilator aangebracht.

Buiten geeft dit gas zijn onttrokken warmte weer af aan de condensor en condenseert terug tot vloeistof. De compressor is de stuwende kracht in het gehele proces door het gasvormig koudemiddel te verplaatsen. Een bijzondere uitvoering is de zogenaamde invertercompressor. Deze is door zijn toerenregeling een stuk comfortabeler in de regeling van de ruimtetemperatuur en bovendien ruim 30% energiezuiniger dan een aan-uitcompressor. De koelcyclus benadert de Carnotcyclus, met uitzondering van het smoorventiel voor de verdamper.

Wanneer water wordt verdampt, verhoogt dit de luchtvochtigheid en wordt de verdampingsenergie onttrokken aan de lucht, waarbij de temperatuur daalt. Dit heet adiabatische koeling. Wanneer de vochtige, gekoelde, lucht wordt toegevoerd aan de gebruiksruimte, dan spreekt men van directe adiabatische koeling.

De vochtige gekoelde lucht kan ook worden gebruikt om een tweede, gescheiden, luchtstroom te koelen. Deze techniek heet indirecte adiabatische koeling. De temperatuur van de tweede luchtstroom wordt hierbij verlaagd door middel van de eerste luchtstroom. De tweede luchtstroom wordt toegevoerd aan de gebruikersruimte. De absolute luchtvochtigheid van de tweede luchtstroom is lager dan bij een direct adiabatische koeling, wat een hoger comfort geeft.

Deze airco heeft als groot voordeel dat er alleen energie nodig is voor de ventilator die de lucht naar de verbruiksruimte pompt, wat vaak toch al wordt gedaan (mechanische ventilatie). De toegevoerde lucht is bovendien verse lucht (bij airco met warmtepomp wordt vaak alleen de ruimtelucht gekoeld en ontvochtigd, en rondgepompt maar niet ververst). Verder is er wat water nodig om te verdampen. Het nadeel van deze airco is dat de bereikbare temperatuurverlaging afhankelijk is van de luchtvochtigheid buiten en niet als ontvochtiger gebruikt kan worden.

De techniek wordt besproken in dit rapport van het ECN.

Hoge temperaturen worden minder goed verdragen wanneer ook de luchtvochtigheid hoog is. Het reduceren van de luchtvochtigheid geeft dan al een bijdrage aan het kunnen verdragen van hoge temperaturen. Dit kan bijvoorbeeld gedaan worden door middel van desiccatie, oftewel het gebruik van droogmiddelen.