Warmtepomp

Warmtepompen bij huurwoningen in Woerden

De meest voorkomende toepassing naast huishoudelijke apparaten zoals koelkast en vriezer is in de woningbouw en utiliteitsbouw waar de warmtepomp wordt gebruikt voor ruimteverwarming en koeling en bij woningbouw voor het aanmaken van warm tapwater. In die toepassing wordt de warmtepomp gezien als een vorm van duurzame energie waarbij lage temperatuur-omgevingswarmte uit de bodem of de lucht wordt gebruikt voor verwarmingsdoeleinden op een hoger niveau. Wanneer de bodem als bron voor de warmtepomp wordt gebruikt is veelal in de grotere kantoortoepassingen sprake van warmte- en koudeopslag met open bodembronnen en steeds meer met gesloten bronnen. Nederland is vooral op het gebied van toepassing in de bestaande woningbouw zeer innovatief. Nieuwe producten als de hybride warmtepomp, ventilatie-warmtepomp en booster-warmtepomp kunnen als typisch Nederlandse innovaties worden gezien, die Europees steeds meer navolging krijgen.

Ook in de glastuinbouw worden warmtepompen veelvuldig toegepast. Ook hier worden warmtepompen als duurzaam gezien. In de industrie met grote projecten in de chemische industrie en een sterke groei in de voedingsmiddelenindustrie is de warmtepomp een besparingsoptie. Een andere voorkomende toepassing is in koelkasten, waar de warmtepomp wordt gebruikt om de ruimte in de kast van warmte te onttrekken en zo te koelen. In dit soort toepassingen wordt de warmtepomp koelmachine genoemd. De ruimte buiten de koelkast wordt hierbij opgewarmd, zodat warmtepompen ook kunnen worden ingezet voor ruimteverwarming.

Alle soorten warmtepompen nemen bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Volgens de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica gaat dat niet vanzelf, zodat er een of andere vorm van arbeid aan te pas moet komen.

De meest voorkomende soorten warmtepompen werken door een vloeistof bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. In het eerste geval moet het kookpunt dus worden verlaagd en/of in het tweede geval worden verhoogd. Het kookpunt kan worden verhoogd door de druk te verhogen met een compressor (pomp), aan de andere kant kan het kookpunt weer worden verlaagd door de druk te laten zakken in een turbine of (meestal) smoorventiel.

Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop voor het rondstromende koudemiddel, de thermodynamische cyclus, maar niet voor de warmte en de arbeid: aan het systeem wordt netto arbeid toegevoerd (in de compressor) en er wordt warmte verplaatst van de verdamper naar de condensor. Daarnaast ontstaat er extra warmte, geluid en infraroodstraling; deze ongewenste bijproducten heten verlies en gaan ten koste van het rendement.

Er is energie nodig om de lage temperatuur-energie uit de bodem of omgevingslucht-energie naar een hoger niveau te brengen. Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt met de Engelse term Coefficient Of Performance (COP). Er zijn twee soorten, afhankelijk van het doel van de verplaatsing van de warmte. Als verwarming het doel is schrijft men COP_h. met een h voor heat. Het is de geleverde nuttige warmte (de verplaatste warmte plus de warmte overeenkomend met de geleverde arbeid), gedeeld door de warmte overeenkomend met de geleverde arbeid. De waarde is dus groter dan 1.[1] Als de arbeid bijvoorbeeld geleverd wordt door gebruik van elektriciteit dan is de geleverde warmte per kWh dus groter dan bij een elektrische kachel, of anders gezegd, er zijn minder kWh nodig voor dezelfde geleverde warmte. Bij gebruik van grijze stroom is de CO₂-uitstoot bij een warmtepomp dus minder dan bij een elektrische kachel. Als koeling het doel is schrijft men COP. Het is de weggenomen warmte, gedeeld door de warmte overeenkomend met de geleverde arbeid.

De COP bereikt waarden, afhankelijk van de toepassing, van 4,0 tot 4,6 en komt daarmee op een tweede plaats aan rendement na de WKK (of micro-WKK) die een COP van 9 heeft.[2]

De eerste warmtepomp werd al in het begin van 20e eeuw te Zürich in gebruik genomen, maar deze werd geen succes. Toen in de zeventiger jaren van de 20e eeuw de energiecrisis uitbrak, werd de warmtepomp gezien als een mogelijk grote energiebespaarder. Er werd dan ook veel onderzoek gedaan naar mogelijke varianten. Hieruit ontstond onder andere de gasgestookte warmtepomp die, zoals de naam al suggereert, op aardgas werkt. Dit zou dan ook een goede toepassing zijn geweest op de toen opkomende aardgasindustrie.

Maar door de sterke daling van de energieprijzen in 1985 werden de meeste onderzoeken stopgezet. De warmtepompindustrie bleek ineens niet meer rendabel. Pas in 1990 begonnen politici in te zien dat niet zozeer het opraken van de energievoorraden een probleem was maar dat het milieu de stijgende vervuiling niet meer aankon. Hierdoor werd het debat over de alternatieve energiebronnen weer aangeslingerd, en daarmee het onderzoek naar de warmtepomp. Dit werd mede gesteund door de stijgende energieprijzen en het bijbehorende financiële voordeel.

Een van de problemen was het gebruikte koudemiddel. De vroeger gebruikte middelen bleken giftig en een bijdrage te leveren aan de afbraak van de ozonlaag en aan het versterkte broeikaseffect. Een groot probleem bij de keuze van nieuwe middelen was de interactie met het gebruikte smeermiddel. Onder de opvolgers bevinden zich onder meer CO₂ en alkanen (propaan en isobutaan).

Op dit moment is de commercialisering van bepaalde projecten volop aan de gang zodat de kostprijs van de installaties omlaag gaat. Dit kan, samen met een stijging van de energieprijzen, zorgen voor een kortere terugverdientijd. Toch blijven onderzoekers verder zoeken naar nieuwe technieken om de grote doorbraak te realiseren.

De werking van een warmtepomp met koudemiddel is in wezen die van een koelkast. Bij een koelkast wordt door de verdamper warmte onttrokken aan de te koelen producten, en wordt dit via de condensor afgegeven aan de buitenlucht. Bij een warmtepomp wordt deze warmte onttrokken aan elementen van het milieu (bodem, lucht, water...) en naar het verwarmingssysteem gevoerd. Het kringproces van het koelmiddel gebeurt volgens eenvoudige natuurkundige wetten. Het koudemiddel, een vloeistof die reeds op lage temperatuur kookt, loopt in een kring en wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en geëxpandeerd.

Figuur 2: Temperatuur–entropiediagram

Drukverhoging in de compressor

In de eerste stap wordt het gasvormige koudemiddel samengeperst, meestal in een scroll-compressor. Hierbij loopt de temperatuur op tot boven die van de te verwarmen ruimte. De hete damp stroomt naar de condensor.

Warmteafgifte in de condensor

In de condensor (radiator) condenseert de damp tegen de relatief koude wand en geeft daarbij warmte af. De temperatuur waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de druk: hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt. De vloeistof wordt aan de onderzijde van het reservoir afgetapt en stroomt dan naar een smoorventiel.

Drukverlaging

In het smoorventiel of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening waarachter de druk aanzienlijk lager is.

Warmteopname uit de omgeving

In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die hiervoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving. De temperatuur waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de heersende druk, die door de aanzuigende werking van de compressor laag wordt gehouden.

In de techniek wordt vaak een onderscheid gemaakt tussen warmtepompen en koelmachines. Warmtepompen worden gebruikt om warmte terug te winnen of bijvoorbeeld een huis te verwarmen. Koelmachines worden gebruikt om ruimten te koelen. Het principe is echter hetzelfde.

Bij de warmtepomp zijn er verschillende systemen; de keuze van het systeem hangt af van de situatie; er is ook een groot verschil in rendement tussen de verschillende warmtepompen. Enkele systemen zijn:

Water/water-warmtepomp

Bij water/water-warmtepompen wordt de zogenaamde 'gratis' warmte uit water gehaald, via een warmtepomppaneel op het dak of het wordt met behulp van water uit de bodem gehaald. Voor al deze types geldt: Hoe groter men de warmtewisselaar dimensioneert, hoe beter het rendement van de installatie. Er zijn verschillende mogelijkheden.

Voorstelling van een verticale collector. 1 is de aansluiting, 2 de grond, 3 de omgevingswarmte, 4 het koude deel van de collector, 5 het warme deel van de collector

Warmte putten uit grondwater (open systeem)

Boren grondwaterput

Hierbij boort men meestal twee putten. Uit de ene pompt men grondwater op waaruit de warmte wordt gehaald. In de andere wordt het koude water geloosd. Het lozen van het koude water op het riool of oppervlaktewater is niet toegestaan. Dit systeem heeft vaak een groter rendement dan het vorige maar de kostprijs van de installatie ligt natuurlijk veel hoger doordat ook een tweede put geboord moet worden. Het rendement hangt ook sterk af van het type grond waar de installatie geplaatst wordt.

Dit systeem heeft grote voordelen wanneer de woning of het gebouw ook gekoeld moet worden. In de winter pompt men namelijk warm grondwater op; doordat hier warmte uit onttrokken wordt, koelt het af. Dit afgekoelde grondwater wordt weer opgeslagen in de andere put, zodat het in de zomer daaruit gehaald kan worden om het gebouw te koelen. Hierdoor warmt het grondwater weer op, deze warmte kan weer in de eerste put opgeslagen worden en in de winter worden gebruikt. In Nederland is ook voor dit type een vergunning nodig, wanneer er maximaal meer dan 10 m³/h opgepompt kan worden. Moderne, goed geïsoleerde kantoorpanden hebben vaak meer last van zonnehitte dan van koude. Hierdoor lozen ze in de zomer vaak veel meer warmte in de put, dan dat ze in de winter nodig hebben voor verwarming. Hierdoor ontstaat vaak een onbalans die slecht is voor het rendement en de stookkosten. De Nederlandse overheid gaat verplicht stellen dat zulke installaties weer in balans gebracht worden. Oplossing: In de winter gratis koude uit de buitenlucht oogsten en deze in de koude-put opslaan.

Meestal moeten zulke warmtebronnen regelmatig (twee keer per jaar) gespoeld worden met een zeer krachtige pomp.

Een klein deel van deze systemen functioneert slecht, meestal omdat de bron veel minder water levert dan gehoopt. Dan vergt het systeem heel veel pompenergie en de put slaat minder warmte op dan gepland. Soms kan vakkundig uitspoelen helpen. Soms moet er opnieuw geboord worden. Bij kleine projecten (minder dan tien huizen) verzieken de relatief hoge stroomrekeningen van de grondwaterpomp soms ook het rendement.

Horizontale grondwarmtewisselaar (gesloten systeem)

horizontale collector

Hierbij wordt er een groot buizennetwerk onder de tuin aangelegd. Er is een groot oppervlak nodig: ongeveer drie maal de grootte van het te verwarmen oppervlak. De COP is ook sterk seizoensafhankelijk omdat de leidingen meestal maar 70 cm tot 1.5 m onder de grond liggen. Als de winter lang en koud is, dan hebben zulke systemen vaak een heel slecht rendement. Als de tuin al aangelegd is, dan is er nog altijd de mogelijkheid om horizontale boringen uit te voeren. Dat zal natuurlijk de kostprijs verhogen. Een andere factor waar rekening mee moet worden gehouden is dat er geen diepwortelende planten boven de collector geplaatst mogen worden.

Monovalente werking

Bij dit systeem wordt het hele huis uitsluitend verwarmd door de warmtepomp. Er zijn geen bijverwarmingen. Hierbij is het dan ook zeer belangrijk dat de warmtepomp goed gedimensioneerd is. Men moet ervoor zorgen dat er altijd genoeg warmte beschikbaar is, maar een overgedimensioneerde warmtepomp komt vlug duur uit. Hierbij moet ook rekening gehouden worden met de constante behoefte aan warm tapwater. Vooral het type water/water is geschikt voor deze werkingswijze.

Mono-energetische werking

De warmtepomp zorgt voor het grootste deel van de warmtebehoefte, maar bij erg koud weer wordt ze ondersteund door een elektrisch aangedreven warmtegenerator zoals een weerstand. Bij de meeste installaties wordt 70 à 80 % van het benodigde warmtevermogen geschat. Het aandeel van de jaarlijkse stookactiviteit van de warmtepomp bedraagt rond de 92 à 98 %. Hierbij is een minder hoge investering in de warmtepomp nodig, ten opzichte van een warmtepomp met monovalente werking.

Bivalent-parallelle werking

De warmtepompinstallatie wordt tijdens de verwarmingswerking aangevuld met een bijkomende warmtegenerator. (mazout- /gasketel). Het verwarmingsvermogen van de warmtepomp wordt dan gerekend op 50 à 70 % van de warmtebehoefte van het huis. Het aandeel van de warmtepomp in de jaarlijkse stookactiviteit ligt tussen de 72 en 90 %. Dit komt vooral goedkoop uit bij renovatiewerken met een reeds bestaande verwarming.

Bivalent-alternatieve werking

De warmtepomp zal tot aan een bepaalde minimum buitentemperatuur voor de volledige verwarming van het huis zorgen. Als de buitentemperatuur te laag is wordt de warmtepomp volledig uitgeschakeld en wordt het huis verwarmd door een andere verwarmingsinstallatie. Dit komt vooral veel voor bij lucht/water warmtepompen omdat deze een laag rendement hebben bij lage buitentemperaturen.

Voordelen

• Geen olie- of gaskosten
• Lagere CO₂-uitstoot (Als tenminste de benodigde elektriciteit niet vooral uit kolen wordt opgewekt.)
• Geen schoorsteen nodig
• Geen opslag van stookolie nodig
• Kan ook dienen als koeling bij te hoge binnentemperaturen
• Kan bij industriële processen toegepast worden om restwarmte te hergebruiken
• Regeneratie van de bodem in de zomer bij bodem/water warmtepompen (passieve koeling)
• Lage onderhoudskosten
• Premies
• Verhoogt het zelfverbruik
• Verlaging van het EPBD van de woning

Nadelen

• Geluidsoverlast door de buitenunit (compressor)
• Grote investering[6]
• Grotere dimensie van radiatoren of vloerverwarming vereist
• Opwarming gebeurt op lagere temperaturen en verloopt dus trager, of er moeten radiatoren met ingebouwde fan gebruikt worden
• Bij het type met de horizontale collector is een grote oppervlakte vereist, bij andere systemen is een specifieke ligging nodig
• Vergunningen zijn vereist
• Uitbreiding van een woning vereist extra capaciteit van de warmtepomp die het niet kan leveren omdat deze precies is berekend op de huidige warmtevraag.[7]
• Systemen met een elektrisch back-upsysteem voor als de warmtebron (grond, water of lucht) onvoldoende warmte levert of er een storing in het warmtepompsysteem is, zorgen door het lage rendement voor hoge elektriciteitskosten.[7]

De warmtepomp komt met een COP van 4,2 tot 4,6 op de tweede plaats na de warmte-krachtkoppeling (of microwarmte-krachtkoppeling) die een COP van 9 heeft.[2]

Een typische eigenschap van warmtepompen is dat met een bepaalde hoeveelheid energie, in de vorm van arbeid, een grotere hoeveelheid warmte-energie kan worden verplaatst dan er aan arbeid is verricht. Hierdoor kunnen ze een COP (Coefficient Of Performance, ofwel prestatiecoëfficiënt) hebben die hoger is dan 100%. Dit begrip werd in het leven geroepen om de verschillende warmtepompen te kunnen vergelijken. Men mag het in geen geval vergelijken met een thermodynamisch rendement, dat betrekking heeft op de omzetting van warmte-energie in arbeid, niet op de verplaatsing ervan. Later in dit artikel wordt op dit begrip nader ingegaan.

De arbeid van de compressor is nodig voor het verpompen van het koudemiddel tegen het drukverschil tussen condensor en verdamper in. Naarmate dit drukverschil groter is moet de compressor meer arbeid leveren voor dezelfde hoeveelheid verplaatst koudemiddel (en hiermee verplaatste warmte). Het drukverschil hangt samen met het temperatuurverschil tussen condensor en verdamper. Voor een zo hoog mogelijke opbrengst moet dit temperatuurverschil dus zo klein mogelijk zijn. Een deel van het temperatuurverschil zit tussen die van de verdamper en de omgeving, respectievelijk de condensor en de te verwarmen ruimte. Om deze verschillen zo klein mogelijk te maken hebben de condensor en verdamper een groot oppervlak en waar mogelijk een ventilator.

In het T,s-diagram hiernaast zijn de twee deelprocessen weergegeven die de thermodynamische verliezen veroorzaken, namelijk de expansie in het smoorventiel en de afkoeling van het hete gas in de condensor. In het eerste geval wordt mechanische energie direct omgezet in warmte, in het tweede geval worden twee reservoirs van verschillende temperatuur gemengd. Thermodynamisch beter (maar technisch moeilijk) zou zijn de drukverlaging te laten plaatsvinden in een turbine of een cilinder met zuiger, de verplaatsing van de zuiger benuttend als arbeid, respectievelijk de compressor te voeden met een mengsel van vloeistof en damp zodanig dat aan het eind van de compressieslag alle vloeistof net is verdampt.

De coefficient of performance COP geeft de verhouding weer tussen de hoeveelheid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie van onder andere een warmtepomp. Deze energie wordt bij de warmtepomp gebruikt door de compressor.

Het theoretisch maximum van de COP kan simpel worden berekend: ${\displaystyle COP={\frac {|Q|}{W}}}$

Hierbij is Q de bruikbare hoeveelheid warmte geleverd door de condensor van de warmtepomp en W de hoeveelheid energie die verbruikt is door de compressor.

Volgens de eerste wet van de thermodynamica geldt dat: ${\displaystyle Q_{warm}=Q_{koud}+W}$ en ${\displaystyle W=Q_{warm}-Q_{koud}}$, waar ${\displaystyle Q_{warm}}$ de warmte is die door het warmtereservoir is afgegeven. En ${\displaystyle Q_{koud}}$ de warmte opgeslagen in het koudereservoir.

Als men nu W vervangt vindt men: ${\displaystyle COP_{verwarming}={\frac {Q_{warm}}{Q_{warm}-Q_{koud}}}}$
Het kan aangetoond worden dat ${\displaystyle {\frac {Q_{warm}}{T_{warm}}}={\frac {Q_{koud}}{T_{koud}}}}$ en ${\displaystyle Q_{koud}={\frac {Q_{warm}T_{koud}}{T_{warm}}}}$, waar ${\displaystyle T_{warm}}$ en ${\displaystyle T_{koud}}$ de temperaturen van het warme en het koude reservoir zijn.

Hieruit volgt:

${\displaystyle COP_{verwarming}={\frac {T_{warm}}{T_{warm}-T_{koud}}}}$ (Alle temperaturen in Kelvin)

net zoals,

${\displaystyle COP_{koelen}={\frac {Q_{koud}}{Q_{warm}-Q_{koud}}}={\frac {T_{koud}}{T_{warm}-T_{koud}}}}$

Er kan ook aangetoond worden dat ${\displaystyle COP_{koelen}=COP_{verwarming}-1}$

Het komt erop neer dat voor een hoge COP, en dus voor lage stookkosten, de temperatuur van de vloeistof die uit de bodem wordt opgepompt zo hoog mogelijk moet zijn en dat de temperatuur van het water waarmee het huis verwarmd wordt zo laag mogelijk moet zijn. Dit vraagt om grote of veel warmtewisselaars in de bodem, en veel slangen in de vloerverwarming.

Warmtepompen worden standaard getest met een T-koud van 0, en een T-warm van 35 graden Celsius. De theoretisch maximale COP is volgens bovenstaande formule dan 7,8. De door TNO gemeten COP is echter bij bijna alle merken tussen 4,2 en 4,6. Dat laat zien dat er nog veel ruimte voor verbetering van het rendement is.

Sinds 2016 verstrekt de overheid de ISDE (InvesteringsSubsidie Duurzame Energie), om het verbruik van gas terug te dringen en Nederland te verduurzamen. De subsidie loopt tot en met 31 december 2020. Het aantal warmtepompen in Nederland groeit sinds 2015 in een rap tempo.[8][9][10]