De warmtepomp, Werking, geschiedenis, voor en nadelen.
De warmtepomp, Speciale types:
- De hybride warmtepomp, binnenkort in Nederland verplicht??
- De warmtepomp boiler
- De ventilatie warmtepomp
- De warmtepomp droger
- De airco als verwarming
(Leest u de bovenstaande links als u overweegt er eentje aan te schaffen!)
Geschiedenis van de warmtepomp
De warmtepomp zoals we die nu kennen is voort gekomen uit de compressor koelmachine zoals die reeds sinds rond 1834 bestaat. Het idee om de koelmachine in te zetten als warmtebron voor verwarming van gebouwen werd voor het eerst in 1852 door Lord Kelvin geopperd. Belangstelling voor het idee was er toen niet. De reeds bestaande koelmachines werkten goed, vooral in de door de koelmachines nieuw ontstane industrietak van de koelhuizen voor vlees en andere levensmiddelen.
Natuurlijk was bekend dat de koelmachine naast koeling ook warmte produceerde, maar dat werd als een afvalproduct beschouwd.
Pas in 1877 werd in Zwitserland de eerste koelmachine als warmtebron toegepast om een gebouw te verwarmen. Maar daarbij bleef het toen. Want pas in 1930 kwamen er in de USA koelmachines in omloop die ook als warmtebron konden dienen. En tijdens de 2e wereldoorlog werden er in Zwitserland dan nog eens totaal 35 machines gebouwd. Speciaal bedoeld om er een een even groot aantal gebouwen mee te kunnen verwarmen. Daaronder ook het raadhuis van Zürich. Die bewuste warmtepomp, gebouwd door Escher Wyss, is daar tot 2001 in bedrijf geweest!
Werking van de warmtepomp
(De koelmachine/koelkast/vriezer/airco werken allemaal op precies dezelfde manier.)
Feitelijk bestaat de warmtepomp uit 2 gescheiden processen die aan elkaar gekoppeld worden.
Compressie-condensor proces
Het ene proces is het onder druk brengen (comprimeren) van een gas middels een compressor. Daarbij wordt het gas zo ver gecomprimeerd dat het vloeibaar wordt. Bij dat comprimeren komt warmte vrij (vergelijk een fietspomp, die warm wordt als je de band oppompt). Om die warmte te kunnen gebruiken wordt het vloeibare gas door een warmtewisselaar geleid waar het een deel van de warmte kan afstaan aan b.v. een andere vloeistof, meestal water, dat dan weer voor verwarming wordt gebruikt. Nadat het vloeibare gas door deze warmtewisselaar (condensor) is gelopen, wordt het 2e proces begonnen.
Verdamper proces
Het vloeibare gas wordt door een nauwe opening (venturie, sproeier) geperst en komt vervolgens in een veel grotere ruimte. Eigenlijk in een veel wijdere buis. Het vloeibare gas verdampt hier heel snel en wordt weer een gas. Hiervoor is warmte nodig, de verdampingswarmte. Die is nodig is om de vloeistof weer in gas om te zetten. Dat proces gaat héél snel, en daarom wordt de warmte feitelijk aan de nog warme vloeistof zelf onttrokken, die dan sterk afkoelt. (Vergelijk een spuitbus met b.v. aanstekergas, die als je een aansteker vult, zelf steenkoud wordt).
Het resulterende gas is nu ijskoud en wordt door een 2e warmtewisselaar (verdamper) geleid, waar het weer warmte kan opnemen uit b.v. de lucht, uit grondwater of uit de grond zelf. Nadat het gas die verdamper is gepasseerd wordt het weer wat opgewarmde gas naar de compressor gebracht en wordt het opnieuw onder druk vloeibaar gemaakt. Enzovoorts.
Voor de compressor is energie (stroom) nodig, die de elektromotor van de compressor aandrijft. Omdat het koude gas warmte opneemt uit de 2e warmtewisselaar (verdamper), is de in de eerste warmtewisselaar (condensor) afgegeven warmte dus de optel-som van de warmte uit de compressor en van de opgenomen warmte uit de verdamper. Daarmee “pomp” je dus als het ware de warmte van buiten naar een hogere temperatuur binnen. Vandaar de naam warmtepomp.
Op die manier gebruik je dus een beetje energie (compressor) om méér energie van buiten te halen en binnen op een hogere temperatuur te kunnen gebruiken.
Daarmee lijkt dit een energiezuinige methode om je huis te kunnen verwarmen.
Maar… een warmtepomp is geen magische machine die energie “maakt”.
Wat betekent COP?
Stel ik onttrek aan de koude kant (buiten) 1 kWh aan warmte. Die breng ik naar binnen, om aan de warme kant weer 1 kWh af te geven. Voor dat warmtetransport heb ik aan pompenergie netto 0,25 kWh nodig. Omdat ik 1 kWh heb binnen gebracht, stel ik gemakshalve dat ik die heb “geproduceerd”, wat natuurlijk niet zo is… Maar nu kan ik wel zeggen dat ik om 1 kWh “op te wekken” 0,25 kWh heb gebruikt, dus COP is 1/0,25 = 4!
Maar let op: de door fabrikanten opgegeven COP getallen zijn berekend onder de meest ideale omstandigheden voor de warmtepomp. En ze hebben alleen betrekking op het stroomverbruik van de warmtepomp zelf, de compressor dus. Stroomverbruik van hulpapparatuur, elektrische verwarmingselementen of ontdooi-elementen, circulatiepompen en het afstraalverlies van het buffervat worden niet meegerekend! Zie ook hier.
“Elk voordeel heb z’n nadeel” Dat geldt zeker voor de warmtepomp.
Want met alleen die warmtepomp ben je er nog lang niet. Er aan vast hangt nog een hele installatie, die ervoor moet zorgen dat die warmte eerst wordt opgeslagen (boiler/voorraadvat) en vervolgens wordt rondgepompt in de woning. Daar is ook weer energie voor nodig. Heb je een brine/water warmtepomp dan is er ook pomp-energie nodig om de brine rond te pompen tussen de grond/het grondwater en de condensor van de warmtepomp. Al die energie plus het voortdurende verlies van warmte uit het boilervat worden niet meegerekend in het mooie COP getal (rendementsgetal) van de warmtepomp die u heeft aangeschaft. Die energie levert niets op maar u betaalt het wel.
Daarbij komt dat een warmtepomp altijd het beste werkt als het temperatuurverschil tussen buiten en binnen (de afgegeven warmte) klein is. Naarmate het groter wordt, b.v. wanneer de boiler op 60 graden gehouden wordt i.p.v. 35 graden, maar ook als de buitentemperatuur lager wordt bij dezelfde binnentemperatuur, neemt de werkelijke COP/het rendement af.
De voorraadboiler van de warmtepomp
Daarbij is vooral die boiler een grote boosdoener. Door zijn formaat, heel vaak zelfs 500 liter, is het warmteverlies daar erg groot. Hoe groot vindt u b.v. hier. Dat er zo’n boiler/voorraadvat moet zijn komt omdat de warmtepomp zelf moeilijk regelbaar is. Je kunt de compressor eigenlijk alleen maar aan of uit zetten. Langzamer laten lopen heeft weinig zin. De compressie is dan al snel onvoldoende om het gas tot vloeistof te comprimeren. Sneller laten lopen heeft ook weinig zin, omdat zelfs al wordt er meer vloeistof door de sproeier naar de verdamper geperst, die verdamper dan toch niet of nauwelijks méér warmte van buiten kan opnemen* en dus het rendement (en daarmee de COP) dan snel zakt.
Daar komt nog bij dat een warmtepomp na inschakelen niet onmiddellijk voldoende warmte ter beschikking heeft om uw huis te kunnen verwarmen. Die boiler is dus ook nodig om dat op te kunnen vangen. En in het winterseizoen bij hopelijk wat (gunstiger) hogere temperaturen overdag alvast genoeg warm water klaar te zetten om na invallen van de duisternis uw huis mee te kunnen verwarmen.
*Meerdere fabrikanten stellen dat ze nu zgn. modulerende warmtepompen aanbieden, ook wel inverter warmtepompen genoemd. Probleem is daarbij altijd dat de verdamper (de koude-warmtewisselaar dus die de warmte aan de buitenlucht moet onttrekken) niet groter of kleiner gemaakt kan worden en dus alleen bij een bepaalde vastliggend gasstroom optimaal werkt. Daarboven en daaronder is er van een optimale warmteonttrekking geen sprake meer. De COP zakt dan fors…
Lucht-water warmtepomp
Heeft u een lucht/water warmtepomp, dan zit er een stevige ventilator in de buitenunit. Die vraagt ook om stroom. Tevens moet die buitenunit bij lagere temperaturen, onder 10 graden, regelmatig ontdooid worden. Eenvoudig omdat anders het vocht uit de lucht op de verdamper bevriest en deze dan niet meer werkt… Daarvoor worden verschillende methodes toegepast , die allemaal energie (extra stroom) kosten maar niets opleveren.
Al die facetten bij elkaar zorgen ervoor dat het rendement van zo’n warmtepomp uiteindelijk een stuk lager komt te liggen dan helaas al te vaak wordt voorgespiegeld.
De warmtepomp als CV
In bijna alle gevallen wordt de warmtepomp ingezet als centrale verwarming voor het hele huis. Meestal ook nog als centrale warm water voorziening voor badkamer en keuken. Dat laatste is sowieso geen goed idee omdat je dan altijd de boiler van de warmtepomp ook als boiler voor je warme douche gebruikt. De temperatuur van de boiler moet dan minimaal 60 graden zijn. En dus is het warmteverlies het hele jaar door, ook in de zomer, nog eens een stuk groter dan wanneer je hem alleen voor de vloerverwarming op 35 graden kunt houden. Want in de zomer kun je de warmtepomp dan uit zetten en het warm water bv. met een doorstromer bereiden.
Nu is het hele idee van centrale verwarming in termen van zuinig omgaan met energie eigenlijk helemaal niet zo’n goed idee. Want waarom zou je ruimtes die je in huis niet of nauwelijks gebruikt steeds warm willen houden? Natuurlijk, je kunt de verwarmingen van die ruimtes dicht draaien. Maar dat bespaart nauwelijks op stookkosten omdat die grote boiler dan gewoon nog meer verlies oplevert, dan als u het water daarin gebruikt wanneer het beschikbaar is. En dat is in (een boiler van) een warmtepomp systeem nu eenmaal altijd beschikbaar.
Andere types warmtepompen
Warmtepomp-boiler
Warmtepompen worden ook geleverd om alleen sanitair warm water te produceren, de warmtepomp boiler dus.
De warmtepomp boiler bestaat uit een warmtepomp die samengebouwd is met een (meestal grote) boiler. Als bron (de koude kant van de warmtepomp) wordt altijd de lucht in de opstellingsruimte gebruikt. Het voordeel daarvan zou zijn dat de warmtepomp met een hogere begintemperatuur werkt (de warmte van de lucht binnenshuis), maar het nadeel daarvan is weer dat in het stookseizoen die warmte wel eerst door uw CV ketel is opgewekt en vervolgens door de warmtepomp boiler wordt afgekoeld! Om uw warmtepomp boiler dus te kunnen laten draaien wordt in het stookseizoen de warmte ervan altijd door uw CV geproduceerd, en niet door de warmtepomp! U kunt dan denken dat uw warmtepomp boiler lekker zuinig werkt, maar tegelijkertijd gaan de stookkosten van uw huis wel omhoog! Hoeveel dat is, is gemakkelijk te berekenen.
Stroom en gasverbruik warmtepomp boiler
Stel u gebruikt per jaar 60 m3 warm water. Om dat in de boiler op te warmen van 10º naar 60º is 3838 kWh aan warmte nodig. De helft daarvan valt in het stookseizoen. Die warmte wordt geproduceerd door uw CV ketel, dat kost dus ongeveer 326 m3 gas extra. Dan komen de elektrakosten van de warmtepomp boiler er nog bij. Met een COP van 4, nu berekend over het hele jaar, komen daar de stroomkosten van: 3838/4 = 959 kWh bij.
Maar die boiler heeft ook afstraalverlies. Hij koelt voortdurend een beetje af en wordt door de warmtepomp dan weer warm gehouden. Voor een 300 ltr. boiler is dat afstraalverlies ongeveer 870 kWh, wat ook door de warmtepomp, à raison van 870/4 (COP) = 217 kWh aan stroom wordt aangevuld. Totale stroomkosten dan dus: 959+217 = 1176 kWh.
Voor 60 m3 warm water uit de warmtepomp boiler betaalt u dus totaal Gas: 326 m3 + stroom: 1176 kWh.
De ventilatie warmtepomp
De ventilatie warmtepomp is een relatief nieuw type, dat bedoeld is als warmte terugwinning in een (bestaand) mechanisch ventilatie systeem. Omdat het de laatste tijd veel aandacht krijgt hebben we er een apart artikel aan gewijd. U vindt het hier.
De warmtepomp droger
Werking:
- De ingebouwde warmtepomp begint met het aanzuigen van lucht uit de opstelruimte. De warmtepomp brengt de luchttemperatuur omhoog en die lucht gaat door de trommel waar waterdamp van de vochtige was wordt opgenomen.
- Vervolgens gaat die wat afgekoelde (verdampingswarmte) vochtige lucht terug naar de verdamper van de warmtepomp en wordt afgekoeld, waarbij het vocht in de lucht condenseert.
- Deze (drogere) lucht stroomt verder door naar de condensor en wordt met de in de vorige stap onttrokken warmte weer opgewarmd, met toevoeging van de extra warmte van de elektrische compressor en (een deel van) de condensatiewarmte uit de vorige stap. En die opnieuw opgewarmde lucht gaat weer de trommel in. Enzovoorts.
En dat betekent dus dat de warmte die de warmtepomp produceert geheel afkomstig is van de elektrische compressor en van de condensatiewarmte! Anders gezegd: hij pompt de warmte van de elektrische compressor alleen maar rond en compenseert de afkoeling door het verdampte water weer met extra elektrische pompenergie. Precies datzelfde doet een normale condensdroger ook, op een aanzienlijk eenvoudiger manier, dat wel! De warmtepompdroger is daarmee dus absoluut niet zuiniger (kan het ook niet zijn) dan een gewone condensdroger met een elektrisch verwarmingselement!
Hij is wel trager omdat hij niet zo ver kan opwarmen als een condensdroger en het droogproces daardoor langer duurt. Hij is ook (vaak niet onaanzienlijk) duurder! Conclusie: Dit apparaat is een volstrekt nutteloze en zinloze toepassing van het principe van de warmtepomp….
De airco als verwarming
Een airco is natuurlijk primair bedoeld voor koeling in de zomer. Dat doet hij prima en tegen relatief lage kosten.
Alle airco’s die nu op de markt zijn kunnen echter ook als verwarming worden gebruikt. Daartoe wordt de werking simpelweg omgedraaid, dwz. de condensor (warme kant) wordt nu als verdamper (koude kant) gebruikt en omgekeerd.
Om hem als verwarming te gebruiken wordt dus nu de buitenunit de “koude” kant van de airco. En omdat men wil dat het toestel ook bij temperaturen lager dan rond 10º nog kan werken moet voorkomen worden dat de buitenunit kan bevriezen. Daartoe wordt er een …elektrische verwarming!.. in de buitenunit ingebouwd die dat bevriezen moet voorkomen.
Een andere methode is het omkeren van de cyclus, dus de warmtepomp wordt weer een airco. Om dan geen koude lucht uw kamer in te blazen wordt de ventilator uitgezet, ook die in de buitenunit. De buitenunit wordt nu opgewarmd en ontdooid door de warmte uit de kamer ernaartoe te pompen. Totdat de buitenunit een temp heeft van rond 15º. Dan schakelt uw toestel weer naar verwarmen. Nadeel hier: er wordt tijdens het ontdooien warmte aan uw kamer onttrokken, u krijgt het dus koud en het kost nog een sloot aan energie (stroom) ook!
U raadt het al, op het moment dat die elektrische verwarming wordt ingeschakelt of de pomp omdraait, haalt u de warmte niet meer uit de buitenlucht maar, inderdaad, of uit die elektrische verwarming, die notabene buiten in die buitenunit zit, of de warmte wordt uit uw kamer gehaald. U betaalt dan stroom voor dat ontdooien of u krijgt het gewoon koud en betaald evengoed de extra stroom voor het ontdooien. Op dat moment is dus het verwarmen met die airco ineens een hele dure grap. Niet aan te bevelen dus…
Conclusie
Een warmtepomp, in welke vorm ook, is altijd hele grote investering. Maar het is zeker géén wondermiddel om stookkosten en/of het milieu te sparen. Bedenk dat in vele gevallen een warmtepomp uw stookkosten zelfs kan verhogen, wanneer hij op verkeerde momenten (koud vochtig weer) of met (te) hoge aanvoertemperaturen (>35º) wordt gebruikt ! Wilt u er toch voor kiezen? Dan is het belangrijk om te weten waarvoor u kiest.