Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

De warmtepomp

Onderwerp: Thermische processen

Begrippen: Arbeid, Wet van behoud van energie

Sinds eind 2018 heeft Nederland een ontwerp Klimaatakkoord. Daarin staat dat de uitstoot van CO2 flink beperkt moet worden. Een van de mogelijkheden daartoe is om huishoudens minder gas te laten gebruiken door de invoering van de warmtepomp.

Het idee is om bij bestaande huizen de gasaansluiting te verwijderen en deze bij nieuwe huizen niet meer aan te leggen. Warmte komt dan niet meer van de vertrouwde cv-installatie maar van bijvoorbeeld een warmtepomp. Deze is zelf echter geen warmtebron zoals een cv-installatie, het lijkt daarom wat vreemd om die dan te gebruiken voor verwarming. Het speciale van een warmtepomp is echter dat deze warmte verplaatst. De energie die erin gaat, is nodig voor het verplaatsen van warmte, niet voor het opwekken ervan. Dat is de reden dat ze efficiënter zijn dan elektrische verwarming die wel zelf warmte maakt.

Daarom kunnen warmtepompen om meer redenen interessant zijn. Natuurkundig natuurlijk; hoe werkt dat verplaatsen van warmte? Maar ook maatschappelijk, als warmteopwekking met fossiele brandstoffen problematisch wordt, bijvoorbeeld door de ongewenste bijeffecten ervan (CO2-uitstoot) of als fossiele brandstoffen duur of schaars worden. Vandaar dat het goed is de warmtepomp eens nader te bekijken.

Tegen de stroom in

Warmte vloeit van nature van een warme naar een koude plek, van hoge naar lage temperatuur. Een warmtepomp draait deze richting om. Vergelijk het met water, dat stroomt vanzelf van boven naar beneden. Een pomp kan die richting omdraaien.

Als we warmte onttrekken aan de koude buitenlucht, kunnen we er een huiskamer mee verwarmen. Net als bij water omhoog pompen, zal arbeid ervoor zorgen dat warmte van een lage naar een hogere temperatuur ‘stroomt’.

Hoe zit ie eruit?

De installatie van een warmtepomp bestaat als eerste uit een buitenunit die warmte aan de buitenlucht onttrekt. Verwarmd water zorgt via een warmte-afgiftesysteem dat de temperatuur binnen op peil blijft. Hierbij moet je er rekening mee houden dat de temperatuur van het verwarmde water lager is (tot 55 oC) dan we gewend zijn van de cv-installatie (60-80 oC). Alleen als het huis goed geïsoleerd is, volstaan de bekende radiatoren. Anders moet er wellicht vloerverwarming worden aangelegd. Laatste onderdeel is de warmtepomp zelf, die komt naast of in plaats van de cv.  In figuur 1 zie je de warmtepomp (vlak naar een traditionele cv-ketel) en een buitenunit.

  

Figuur 1: Warmtepomp en buitenunit. Bron links: Milieu Centraal. Bron rechts: The Sunshine Company.

Het principe

Een warmtepomp bestaat uit een gesloten circuit waarin een zogenaamd koudemiddel wordt rondgepompt. Tijdens dit proces zal het koudemiddel afwisselend comprimeren en expanderen, waardoor het energie op de ene plaats opneemt en op de andere plaats afstaat. Het rondpompen en comprimeren kost energie, het opnemen en afstaan van warmte zorgt voor verplaatsing van warmte. Dit principe staat weergeven in figuur 2.

Figuur 2: Schematische warmtepomp. Bij 3 wordt de warmte opgenomen, bij 1 afgestaan. Bron: Wikipedia.

We gebruiken dus de warmte-eigenschappen van een koudemiddel, een stof die reeds bij lage temperatuur kookt. Deze is afwisselend vloeibaar en gas en afwisselend warm en koud. Belangrijk is dat het systeem waarin dit gebeurt, gesloten is.

Schematisch bestaat de warmtepomp uit vier onderdelen. We beginnen bij het verwarmen, de radiator of condenser (1). Hier komt het koudemiddel als warm gas aan uit de compressor en in een warmtewisselaar staat dit warmte af aan water waardoor het koudemiddel condenseert tot een vloeistof van (ongeveer) gelijke temperatuur als het aangevoerde gas. De afgestane warmte komt uit het condenseren. Het verwarmde water wordt vervolgens door het huis gepompt.

Dan komt het koudemiddel in een smoor- of reduceerventiel. Hier stroomt de vloeistof door een nauwe opening (2) naar de ruimte met lagere druk, die ontstaan is omdat de compressor hier het koudemiddel weggepompt heeft, het systeem is immer gesloten. De druk in het koudemiddel wordt nu lager. Belangrijk is dat het koudemiddel afkoelt (expanderen kost namelijk energie) tot een temperatuur die lager is dan die van de omgeving van de verdamper of evaporator (3). Hier neemt deze afgekoelde vloeistof energie uit de omgeving (buitenlucht) op zodat het verdampt tot gas. Hierbij stijgt de temperatuur (nagenoeg) niet. Dat verdampen warmte (energie) kost merk je ook op de camping. Als je aan het koken bent, wordt de gasfles koud omdat het vloeibare gas verdampt.

De compressor (4) comprimeert dit gas zodat het opwarmt tot een temperatuur die hoger ligt dan de omgevingstemperatuur van de condensor. Nu begint het proces weer van voren af aan. Deze compressor drijft het hele proces aan.

Het koudemiddel gaat dus door de volgende vier stappen: compressie, condensatie, expansie en verdamping. Bij de verdamping wordt warmte opgenomen uit de omgeving, bij de condensatie weer afgestaan aan de omgeving. Als je nu zorgt dat dit twee verschillende omgevingen zijn, kun je de ene verwarmen en de andere afkoelen. En zelfs een huiskamer verwarmen uit de relatief koelere buitenlucht. Bij dit proces gaat het immers om de temperatuurverschillen van de twee omgevingen ten opzichte van het koudemiddel, niet ten opzichte van elkaar. 

Rendement?

Een warmtepomp heeft geen rendement. Dat begrip reserveren we voor het omgekeerde proces, de thermische motor, oftewel het proces dat warmte omzet in arbeid. Dit proces heet een Carnot-cyclus, dat een beperkt rendement heeft. Het rendement is de verhouding van arbeid en aangevoerde warmte, oftewel de nuttige energie ten opzichte van de ingaande energie. Uit de thermodynamica blijkt dat er altijd een deel van de toegevoerde warmte ‘verloren’ gaat, dat betekent dat het rendement van deze motor kleiner is dan 1.

Omdat een warmtepomp geen warmte produceert, kan deze verhouding van arbeid en verplaatste energie wel groter zijn dan 1. Dat botst met het begrip rendement. Daarom gebruiken we voor de warmtepomp een ander begrip, namelijk de coefficient of performance (COP). Hiervoor geldt: , met Q de verplaatste warmte en W de daarvoor benodigde arbeid.

Voor verwarming van huizen is de COP van een warmtepomp typisch tussen de 3 en 4. Dat betekent dat een warmtepomp bij verwarming van huizen 3 tot 4 keer meer warmte-energie oplevert dan er aan elektrische energie in gaat. En dat heeft grote voordelen, want het rendement van een ‘gewone’ elektrische verwarming is altijd lager dan 1.

Toepassingen

Als je met een ventilator lucht langs de condensor en de evaporator laat stromen, versterkt dat de warmte-uitwisseling. Bekend voorbeeld is de airconditioning. Die koelt de ruimte, zoals een kamer of een auto, af door koude lucht naar binnen te blazen, of eigenlijk de warmte te verplaatsen naar buiten. De koelkast en vrieskist werken op hetzelfde principe, hoewel daar geen koele lucht naar binnen geblazen wordt.

Dit betekent dat koelkasten en airco’s ook warmtepompen zijn. Natuurkundig is dat ook zo, bij afkoelen wordt warmte ook verplaatst. In het algemeen echter bedoelen we met een warmtepomp een apparaat dat een ruimte verwarmt, bijvoorbeeld als alternatief voor de cv-installatie. De warmte komt uit de buitenlucht en houdt via vloerverwarming de temperatuur in huis op peil.

Koudemiddel

In alle warmtepompen (dus die voor verwarmen zowel als die voor afkoelen) worden gelijksoortige koudemiddelen gebruikt. Een inmiddels verboden koudemiddel heeft in het verleden veel stof doen opwaaien, namelijk freon. Freon is een verzamelnaam voor een groep van chloorfluorkoolstofverbindingen (cfk's) die we behalve in warmtepompen ook als drijfgas in spuitbussen gebruikten. Dit is een synthetische stof.

Probleem van cfk’s is dat ze de ozonlaag aantasten. Bij het gebruik van cfk’s komt namelijk een deel in de atmosfeer terecht. Hoog in de stratosfeer vallen deze door uv-licht uit elkaar, waardoor chloorradicalen ontstaan. Deze reageren met ozon (O3) tot onder meer zuurstof (O2), zodat ozon verdwijnt. De ozonlaag beschermt ons tegen schadelijke uv-straling van de zon. Afbraak zorgt voor een verhoging van (vooral) uv-b-straling op het aardoppervlak en daarmee voor een verhoogd risico op huidkanker. Intussen zijn cfk’s daarom verboden.

Vergelijkbare synthetische stoffen zijn hfk’s, fluorkoolwaterstoffen. Deze bevatten geen chloor en zijn daarom niet schadelijk voor de ozonlaag. Momenteel zijn ze nog wel toegestaan als koudemiddel. Maar het nadeel van deze (en andere) synthetische koudemiddelen is dat het broeikasgassen zijn, veel sterker dan CO2.

Momenteel richt men zich nu op de ontwikkeling van nieuwe koudemiddelen die minder schadelijk zijn voor het milieu. Synthetische alternatieven zijn bijvoorbeeld HFO’s (fluorwaterstofmoleculen met minstens één dubbele koolstofverbinding). Daarnaast worden ook natuurlijke koudemiddelen zoals propaan en koolstofdioxide vaker gebruikt.

De warmtepomp en CO2

Zoals gezegd wordt de warmtepomp tegenwoordig toegepast om de traditionele cv-installatie te vervangen. Dat betekent dat in het huis geen gasaansluiting meer nodig is (als je ook elektrisch gaat koken). Als er geen gas verstookt wordt, is een huis dan zelf geen bron meer van CO2, afgezien misschien van een open haard.

Om te weten in welke mate de warmtepomp kan bijdragen aan CO2-reductie van huishoudens, moeten we kijken naar wat een cv-installatie aan CO2-uitstoot.

Particuliere huishoudens in Nederland gebruiken ongeveer 1400 m3 gas per jaar. Er zijn 7,6 miljoen huishoudens. CO2 ontstaat door de verbranding van aardgas: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Met de dichtheid van CO2 (1,8 kg/m3 bij 25 oC) betekent dit dat er per kubieke meter aardgas (methaan) 1,8 kg koolstofdioxide vrijkomt. In totaal is dat in Nederland 19,15 Mton CO2 per jaar. Dat biedt mogelijkheden tot forse besparing op de uitstoot van broeikasgas door cv-installaties te vervangen door warmtepompen. Voorwaarde is wel dat de elektriciteit die de huishoudens dan extra gaan gebruiken, opgewekt is zonder uitstoot van CO2, dus niet in elektriciteitscentrales op gas en zeker niet op kolen.