Rob Bonenkamp Senior Engineer HF Technics Lichtenvoorde Warmtepompen

• Rob Bonenkamp • Senior Engineer • H&F Technics • Lichtenvoorde

Warmtepompen • Principe • Theorie • Soorten • Specifieke uitvoeringen • Financieel “Meestal goed toepasbaar maar geen wondermachine”. H&F Technics

Principe • 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 een bron, bijv. bodem, lucht, water, processtromen, en afgegeven waar nodig, het doel. H&F Technics

Theorie • Omgekeerde Carnot principe, koelgaskringloop. Carnot is een theoretische thermodynamisch kringproces waarbij alle warmte wordt toegevoerd tijdens de hoogst mogelijke temperatuur en wordt afgevoerd bij de laagst mogelijke temperatuur. Hierdoor wordt een zo groot mogelijk deel van de warmte in arbeid worden omgezet. • Grote flow laagwaardige warmte/energie opwaarderen naar kleine flow hoogwaardige warmte/energie, • Te beschrijven in een T/s diagram, Temperatuur / entropie, in ideaal geval. Houdt geen rekening met onderkoeling en oververhitting.

H&F Technics

• Drukverhoging in de compressor, elektrische arbeid door de compressor; 1 2 – In de eerste stap wordt het gasvormige koudemiddel samengeperst onder hoge druk. Hierbij loopt de temperatuur op tot ruim boven gewenste temperatuur. Het hete gas wordt naar de condensor geperst. • Warmteafgifte in de condensor; 2 4 – In de condensor condenseert de damp door het relatief koude medium dat opgewarmd dient te worden en geeft daarbij (condensatie) warmte af. De temperatuur waarbij dit gebeurt is afhankelijk van de druk: hoe hoger de druk, hoe hoger de temperatuur. Het vloeibaar koudemiddel wordt naar het inspuit of reduceerventiel geperst.

H&F Technics

• Drukverlaging; 4 5 – In het inspuit of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening waarachter de druk aanzienlijk lager is. Extreme expansie van het koelgas, kost energie, druk en dus temperatuur daalt. • Warmte-opname uit de omgeving; 5 1 – In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving of het te koelen medium. • Hierna is de cirkel rond en begint het proces opnieuw. De drijvende kracht van dit proces is de koelgasdruk, geleverd door de compressor. • Warmtepompen zijn koelmachines waarbij de opgewekte condensor -warmte gebruikt wordt om warmte terug te winnen of bijvoorbeeld een huis of een proces te verwarmen. Het principe is echter hetzelfde.

H&F Technics

Rendement Een merkwaardige eigenschap van warmtepompen is dat met een bepaalde hoeveelheid arbeid, een grotere hoeveelheid warmteenergie kan worden verplaatst dan er aan arbeid is verricht. Hierdoor is het rendement COP, Coëfficiënt Of Performance, hoger dan 100%. Dit rendement wordt daarom COP genoemd. Normaal tussen 2 en 5, 5. Hierbij is Q de bruikbare hoeveelheid warmte geleverd door de condensor van de warmtepomp en W de hoeveelheid elektrische energie die verbruikt is door de compressor. • Theoretisch rendement, volgens het omgekeerde Carnotprincipe, is bij 20°C omgevingslucht en 60°C tapwater, COP max = 8, 3. • Reëel is 3 à 3, 5. De rest zijn verliezen, zoals: mechanisch, wrijving, straling, druk, overdracht, expansie, condensatie, etc! H&F Technics

Invloedsfactoren rendement • Temperatuur bron: hoe hoger rendement, • Temperatuur doel: hoe lager hoe hoger rendement, • Warmteoverdracht rendementen in verdamper en condensor, • Elektrische rendementen van compressor, • Keuze soort verdamper, condensor, compressor en koelgas, • Randvoorwaarden. H&F Technics

Randvoorwaarden • Water bevriest beneden de 0°C, • Kosteneffectiviteit onderdelen, grote onderdelen zijn kostbaar, • Tbron moet lager zijn dan Tdoel, koelgas stroomt altijd naar laagste temperatuur/druk, • Maximale en minimale drukken in het koelgassysteem, • Maximale en minimale temperaturen in het doel of bronsysteem, • Eventueel gebruikmaken van de opgewekte koude verdubbeld de COP, mits gelijktijdig nuttig gebruik koude en warmte. H&F Technics

Soorten Bij de warmtepomp heb je verschillende systemen, de keuze van het systeem hangt af van de situatie. Enkele systemen zijn: • Lucht/lucht warmtepomp Bij lucht/lucht-warmtepompen wordt de warmte gehaald uit de buitenlucht en wordt het huis, of de ruimte die men wenst op te warmen, opgewarmd door middel van een directe warmtewisselaar. • Lucht/water warmtepomp Bij lucht/water warmtepompen wordt de energie uit de omgevings of ventilatielucht gehaald en opgepompt tot een hogere temperatuur. Hierbij wordt de warmte afgegeven aan een watersysteem. Dit is een systeem voor een verwarming van een woning, tot 35°C, en de bereiding van warm tapwater, tot 70°C. H&F Technics

• Water/water warmtepomp Bij water/water warmtepompen wordt de zogenaamde "gratis" warmte uit water gehaald, er zijn verschillende mogelijkheden. 1) Oppompen water uit rivier of meer. 2) Verticale grondwarmtewisselaar, gesloten systeem. 3) Warmte putten uit grondwater, 2 bronnen open systeem. 4) Horizontale grondwarmtewisselaar

Specifiek voorbeeld • Lucht- water warmtepomp. • Speciaal ontwikkeld en gedimensioneerd voor ventilatielucht in woningen en (kleine)utiliteit. • Maakt gebruik van de verplichte ventilatie zoals in bouwbesluit beschreven • Afgestemd op een warmwater behoefte van een gezin. • Voor gebruik in gasloze wijken, stadsverwarming projecten, voor zowel nieuwbouw als renovatie.

Warmtepomp Lucht/Water H&F Technics

Warmtepomp Lucht/Water Lucht in Lucht uit Ventilator Warmtewisselaar Waterpomp Verdamper Compressor Bedieningsunit Expansieventiel Water in Water uit H&F Technics

Effect van de Warmtepomp Traditionele methode: Werking met de warmtepomp: Warmte verlies door centrale afzuiging. Warme lucht vanuit afzuiging gaat via de warmtepomp naar buiten waarbij de warmte wordt gebruikt voor opwarming van water. Warme lucht Koude lucht dakdoorvoer ventilator WP Buizen voor afzuiging Boiler Buizen voor afzuiging warme lucht H&F Technics

Lucht Ventilator Expansie ventiel (Druk verlaging) Warm water Verdamper Heet koelmiddel (gasvormig) Vloeibaar koelmiddel Compressor Boiler Warmtewisselaar =koelmiddel =warm water =koud water H&F Technics Waterpomp Leiding water

Werking Warmtepomp • • • Koelmiddel wordt door de compressor onder druk gebracht. Door hoge temperatuur van het koelmiddel blijft het gasvormig, In de warmte wisselaar condenseert het koelmiddel en warmt het water op, Het koelmiddel wordt door de lage temperatuur en de hoge druk vloeibaar, Het expansie ventiel zorgt voor een drukverlaging waardoor het koelmiddel in de verdamper gasvormig kan worden, Voor deze stap is energie nodig, die, in de verdamper, aan de passerende lucht wordt ontrokken, Dit gasvormig koelmiddel wordt in de compressor weer op druk gebracht. De energie die nodig is om het koelmiddel gasvormig te krijgen wordt aan de lucht ontrokken en afgegeven aan het water. Deze methode heeft als resultaat dat het verwarmen van water ongeveer een driekwart (75%) minder elektrische energie kost dan de traditionele methoden. H&F Technics

Financieel • • Bij niet aanwezig zijn van gas, gasloze wijken of stadsverwarming projecten: meenemen in ontwerp. Indien al gasgestookte ketel aanwezig, TVT berekenen: de productie van 1 GJ warmte met een HR ketel ten opzicht van een water warmtepomp: De HR ketel heeft een gemiddeld rendement van 90% op bovenwaarde. De warmtepomp heeft een COP van 3. De energetische waarde van 1 k. Wh elektriciteit is 1 k. J/s * 3600 s = 3600 k. J = 3, 6 MJ De energetische waarde (bovenwaarde) van 1 m 3 aardgas bedraagt 35, 2 MJ De kosten voor 1 k. Wh elektriciteit bedragen € 0, 20 De kosten voor 1 m 3 aardgas bedragen € 0, 60 Voor de productie van 1 GJ warmte heeft de hoogrendementsketel 1000/0, 90 = 1100 MJ aan aardgas nodig, ofwel 1100/35, 2 = 31, 5 m 3 aardgas. De kosten = € 19, 00. Voor de productie van 1 GJ warmte heeft de warmtepomp 1000/3 = 333 MJ aan elektra nodig, ofwel 333/3, 6 = 92, 5 k. Wh. De kosten = € 18, 50. Bij een gasgestookte energiecentrale met een rendement van 40% is uiteindelijk slechts 333 / 0, 40 = 833 MJ ofwel 23, 7 m 3 aardgas nodig, tegenover 35, 5 m 3 bij de hoogrendementsketel. Bij elektrische verwarming is de COP de verhouding van het energiegebruik tussen warmtepomp en conventionele verwarming

Conclusie • Mits goed gedimensioneerd een zeer goed alternatief voor conventionele technieken. • In projecten vaak een verzwaring nodig van het elektranet, meer vastrecht • “Geen wondermachine”.