Theorie warmtepomp

De warmtepomp van het project in Umea

Een warmtepomp is in wezen hetzelfde als een koelmachine. Maar waar bij de koelmachine het doel is om te koelen, is bij de warmtepomp verwarmen het hoofddoel. Een koelmachine en een warmtepomp onttrekken warmte op een lage temperatuur en geven die warmte weer af op een hogere temperatuur. Dat kan op verschillende manieren. De meest toegepaste techniek is de compressiekoelmachine of compressiewarmtepomp.

Kringloop in een compressiewarmtepomp

Koelmiddel wordt in de vorm van vloeistof aan een verdamper toegevoerd. Daar verdampt het koelmiddel. De verdamper is een warmtewisselaar, die warmte onttrekt aan lucht of water. Om lucht te koelen, is de verdamper meestal uitgevoerd in de vorm van koperen pijpen met aluminium lamellen. Het verdampende koelmiddel zit inde pijpen en de lucht stroomt langs de lamellen van de pijp. Bij gebruik van water of een andere vloeistof als warmtebron, wordt via een pijpwand warmte uitgewisseld met het koelmiddel.

Vereenvoudigd schema warmtepomp

De warmte, die nodig is voor het verdampen van het koelmiddel, wordt onttrokken aan de lucht of het te koelen water, dat daardoor in temperatuur daalt. De koelmiddeldamp wordt aangezogen door een compressor. Deze zorgt ervoor dat de druk van het gasvormige koelmiddel veel hoger wordt. Daarbij stijgt ook de temperatuur. Door de hogere druk is het mogelijk om het koelmiddelgas weer vloeibaar te maken bij een hogere temperatuur in een condensor. Bij het condenseren komt de in de verdamper opgenomen warmte weer vrij samen met de door de compressor geleverde energie. De condensor is ook een warmtewisselaar, die de vrijkomende warmte afgeeft aan lucht of water. Het nu vloeibare koelmiddel stroomt vanuit de condensor via een expansieventiel weer terug naar de verdamper. Op deze manier wordt warmte op een lage temperatuur onttrokken en op een hogere temperatuur weer afgegeven.

Voor dit proces moet de compressor arbeid verrichten. De verhouding tussen in de condensor afgegeven warmte en de energie die wordt opgenomen door de compressormotor noemen we de ‘coëfficient of performance’ oftewel de cop (bij koelmachines kennen we ook een cop, maar daar is de cop de verhouding tussen in de verdamper onttrokken warmte, de koude, en de energie voor de compressormotor).

De cop is sterk afhankelijk van het verschil in temperatuur tussen verdamping en condensatie van het koelmiddel. Hoe groter de temperatuursprong is, des te meer energie heeft de compressor nodig. Door gebruik te maken van verdampers en condensors met een relatief groot oppervlak voor uitwisseling van warmte kan de cop gunstig worden beïnvloed.

De cop is ook afhankelijk van de weerstand in zuig- en persleiding van het koelmiddelgas en van het type compressor en het rendement van de aandrijfmotor. Meestal gebruikt men elektromotoren, maar er zijn ook warmtepompen met gasmotor, waarbij de warmte van koelwater en uitlaatgassen ook weer kan worden gebruikt.

De meeste electrisch aangedreven compresiewarmtepompen halen een cop van 3 tot 6. Dat geldt het jaar door voor warmtepompen die koelwater of de bodem als bron hebben. Warmtepompen, die hun warmte uit de buitenlucht halen, hebben bij vorst een beduidend lagere cop.

Ook de verschillende compressortypes hebben nog invloed op de cop. De keuze voor een bepaald crompessortype zal in de praktijk echter meer afhangen van technische beperkingen. Kleine warmtepompen gebruiken vaak een scrollcompressor, grotere schroefcompressoren of zuigercompressoren en in heel grote machines worden ook wel turbocompressoren toegepast. Warmtepompen zijn er vanaf vermogens van enkele kilowatten voor gebruik in woningen of als boiler tot vermogens van meer dan tien Megawatt voor grote complexen of wijkverwarmingen.

Kringloop in een absorptiewarmtepomp

Bij een absorptiewarmtepomp is er geen compressor voor het dampvormige koelmiddel. De damp, die in de verdamper ontstaat, wordt door de hygroscopische kracht naar de absorber verplaatst. In de absorptievloeistof condenseert de damp weer en komt er warmte vrij op een hogere temperatuur. Door de opname van vloeistof vermindert de aantrekkingskracht van de absorber. Daarom wordt vloeistof vanuit de absorber gepompt naar de (re)generator. Daar wordt met behulp van warmte het koelmiddel weer uitgedampt. Deze damp wordt vervolgens weer vloeibaar gemaakt in de condensor. Het vloeibare koelmiddel gaat weer terug naar de verdamper. De geconcentreerde absorptievloeistof gaat vanuit de generator weer terug naar de absorber.

Bij de absorptiewarmtepomp komt zowel in de condensor als in de absorber warmte vrij.

Ook hier kunnen we spreken van een ‘coëfficient of performance’ ofwel cop. Maar het grote verschil is, dat bij een compressiewarmtepomp energie in de vorm van kracht nodig is, terwijl bij de absorptiewarmtepomp de aandrijving van het proces met warmte gaat. De cop van beide mag dan ook niet direct met elkaar worden vergeleken. Immers, bij de opwekking van elektriciteit in een centrale gaat veel energie verloren. Voor een elektrisch aangedreven compressiewarmtepomp moet de primaire energie, die nodig is om de elektriciteit op te wekken en te transporteren, worden meegenomen in de vergelijking.

Er zijn zowel gasgestookte absorptiewarmtepompen als modellen op heet water of stoom. Het vermogensbereik varieert van tientallen kW’s tot meerdere MW’s. Er is slechts een beperkt aantal fabrikanten van specifieke absorptiewarmtepompen. Maar als men gebruik kan maken van verwarmingssystemen op echt lage temperatuur, dan kan ook een conventionele absorptiekoelmachine bruikbaar zijn als warmtepomp zoals in het stadhuis in Apeldoorn.

De warmtepomp van het project in Decin maakt gebruik van aardwarmte

Tegelijk koelen én verwarmen

De grootste kostenbesparingen en milieuvoordelen zijn te bereiken als er zowel koeling als verwarming nodig is. In de industrie is vaak tegelijk proceskoeling en warm tapwater of warmte voor drogers nodig. De koelmachine kan dan tegelijk als warmtepomp functioneren. In situaties waar niet gelijktijdig gebruik van koeling en verwarming wordt gemaakt, maakt men wel gebruik van seizoenopslag van koude en warmte in de bodem.