Eigenaren van een slecht te isoleren woning opgelet! Energieleverancier Eneco heeft, zo schreef De Gelderlander op 29 januari 2016, een apparaat ontwikkeld dat in een handomdraai voor een besparing van 250 euro per jaar op de energienota kan zorgen. Deze ‘revolutionaire warmtewinner’ ziet er uit als een kleine cv-ketel, maar in werkelijkheid is het een elektrische pomp die warmte uit lucht haalt – een omgekeerde koelkast als het ware.
Die warmte wordt gebruikt om water tot zestig graden op te warmen voor het de cv-ketel ingaat. Volgens Eneco wordt zo tot wel zestig procent gas bespaard. Het apparaat kost 2.000 euro, maar dankzij subsidie van het ministerie van Economische Zaken kan het voor de helft worden aangeboden. Al met al zijn de aanschafkosten in vier jaar terugverdiend, zegt Eneco.
Een warmtepomp werkt op dezelfde manier als een koelkast. In een koelkast wordt een koelmiddel gebruikt met een laag kookpunt. Het komt in vloeibare fase via het expansieventiel in de verdamper (koelelement) in de koelkast. Het kookpunt van het koelmiddel ligt zo laag dat de vloeistof verdampt. Voor verdamping is warmte nodig, die wordt onttrokken aan de inhoud van de koelkast.
Vervolgens zorgt aan de buitenkant van de koelkast de compressor ervoor dat de damp wordt samengeperst en condenseert. Bij condensatie komt warmte vrij. Deze wordt aan de buitenlucht afgegeven.
Eerst een paar vragen over de werking van een koelkast. Hieronder zie je een schema.
a) Schets in het schema de wanden van de koelkast.
b) In welke richting circuleert het koelmiddel in het schema?
c) Wat geeft de groene pijl aan?
d) Wat de rode pijl?
e) Welke energieomzetting vindt plaats in een koelkast?
Twee leerlingen, Ahmed en Bets, worden geprikkeld door dit verhaal. Ahmed stelt voor: ‘Ik heb het warm, zullen we de koelkast open zetten?’ Bets reageert: ‘Nee, dan wordt het alleen maar warmer’.
f) Wat vindt jij?
Volgens een hoofdwet van de warmteleer stroomt warmte spontaan van een plaats met hoge temperatuur naar een plaats met lage temperatuur. Wat bij een koelkast gebeurt gaat daar tegenin. Het is dan ook geen spontaan proces. De benodigde energie voor dat gedwongen proces komt uit het stopcontact.
Nu stappen we over op de warmtepomp, waarvan de ‘warmtewinner’ van Eneco een voorbeeld is. Warmtepompen worden veel gebruikt om warmte van de grond te benutten voor verwarming van gebouwen. De ‘warmtewinner’ wint warmte uit de ventilatielucht van de woning. In moderne huizen wordt namelijk voortdurend lucht afgezogen uit badkamer, toilet en keuken. Deze ‘vuile’ lucht heeft een hogere temperatuur dan de frisse lucht die van buiten wordt aangezogen. Zonder ventilatie-warmtepomp gaat deze warme vuile lucht gewoon naar buiten.
De leverancier zegt dat het afgegeven thermisch vermogen van de ‘warmtewinner’ 1,4 kW bedraagt.
g) Beschrijf wat de ‘warmtewinner’ doet.
h) Wat zal men bedoelen met het thermisch vermogen?
i) Welke uitspraak kun je met zekerheid doen over het elektrisch vermogen van de ‘warmtewinner’ wil het een nuttig apparaat zijn?
Stel het elektrisch vermogen van de warmtewinner is 600 W.
j) Bereken het rendement.
k) Leg uit dat een rendement van meer dan 100% niet in strijd is met de wet van behoud van energie.
Uitwerking vraag (a)
Het omlijnde deel bevindt zich in de koelkast.
Uitwerking vraag (b)
Met de klok mee. Na passage van het expansieventiel verdampt de koelvloeistof, na de compressor condenseert de damp weer, enz.
Uitwerking vraag (c)
De groene pijl geeft aan dat door de verdamping warmte van de spullen in de koelkast naar het koelmiddel gaat. (De richting van de pijl heeft geen betekenis.)
Uitwerking vraag (d)
De rode pijl geeft aan dat bij het condenseren warmte van het koelmiddel naar de buitenlucht gaat. (Ook hier heeft de richting van de pijl geen betekenis.)
Uitwerking vraag (e)
Elektrische energie naar warmte.
Uitwerking vraag (f)
Je zou zeggen: als je doet wat Ahmed voorstelt, koelt het af in de kamer omdat koude lucht uit de koelkast de kamer in komt. Maar omdat de temperatuur in de koelkast dan stijgt, blijft de compressor werken en dus is er zonder ophouden warmteafgifte door de condensor (aan de achterkant van de koelkast). Dat schiet niet op. Bets heeft een beetje gelijk, omdat er per saldo een toename van warmte in de kamer is als gevolg van de aan de compressor toegevoerde elektrische energie. Het vermogen van de compressor is echter niet zo hoog – bijvoorbeeld 100 watt – dat zo’n koelkast geschikt zou zijn om de kamer te verwarmen.
Uitwerking vraag (g)
De ventilatie-warmtepomp zorgt ervoor dat warmte aan de ventilatielucht onttrokken wordt en afgegeven wordt waar we die willen hebben, in dit geval aan het cv-water.
Uitwerking vraag (h)
Het apparaat voegt 1,4 kW thermisch vermogen toe aan het water, dus 1400 J warmte per seconde.
Uitwerking vraag (i)
Het elektrisch vermogen moet veel kleiner zijn dan 1,4 kW. Anders is het niet zinvol.
Uitwerking vraag (j)
$\eta=\frac{P_{uit}}{P_{in}}\times 100\% = \frac{1400}{600}\cdot 100\%=233 \%$
Uitwerking vraag (k)
Er wordt helemaal niet meer energie geproduceerd dan erin ging. Het energieschema is:
$E_{elektrisch}+\Delta Q_{ventilatielucht}\rightarrow \Delta Q_{water}$
De energie uit de ventilatielucht is gratis. Daarom tellen we die niet mee in de rendementsberekening:
$\eta=\frac{\Delta Q_{water}}{E_{elektrisch}}$
