Hoe werkt een warmtepomp: De technische principes en toepassingen in woningbouw en renovatie

Inleiding

Een warmtepomp is tegenwoordig een van de meest duurzame en efficiënte oplossingen voor het verwarmen van woningen en het voorzien van warm water. Deze technologie is gebaseerd op het principe van thermodynamica en maakt gebruik van een kringloop die warmte uit de omgeving haalt en deze toepast voor verwarming. In dit artikel leggen we de werking van een warmtepomp uit, inclusief de technische principes, de verschillende types en de vereisten voor een efficiënte installatie. We richten ons voornamelijk op de toepassing in de woningbouw en renovatie, met nadruk op de technische aspecten en de impact op energieverbruik en duurzaamheid.

Het principe van een warmtepomp

Een warmtepomp werkt op een vergelijkbare manier als een koelkast, maar dan in omgekeerde richting. In plaats van warmte uit een koelruimte af te voeren naar de omgeving, haalt een warmtepomp warmte uit de omgeving en brengt deze naar binnen, waar het wordt gebruikt om een woning te verwarmen of warm water te genereren.

Het proces bestaat uit vier hoofdfasen:

1. Warmteopname: De warmtepomp onttrekt warmte aan de omgeving (lucht, water of bodem). Dit gebeurt met behulp van een vloeistof of gas dat een lager kookpunt heeft dan de omgevingstemperatuur.

2. Compressie: Het koelmiddel, dat nu in gasvorm is, wordt samengeperst door een compressor. Tijdens dit proces stijgt de druk en dus ook de temperatuur van het gas.

3. Warmteafgifte: De verwarmde damp geeft via een warmtewisselaar zijn warmte af aan het verwarmingssysteem in de woning, zoals radiatoren, vloerverwarming of een boiler.

4. Expansie en herhaling: Het koelmiddel passeert een expansieventiel, waarbij de druk en temperatuur dalen, waarna de cyclus opnieuw begint.

Deze vier stappen vormen samen de kringloop van een warmtepomp. De efficiëntie van deze kringloop hangt af van het ontwerp van het koelcircuit, zoals benadrukt door Jan Hoogmartens in bron [1]. Moderne warmtepompen gebruiken geavanceerde onderdelen om een hoge efficiëntie en een lange levensduur te garanderen.

Technische werking per type warmtepomp

Hoewel alle warmtepompen gebaseerd zijn op hetzelfde basisprincipe, verschilt de werking per type, afhankelijk van de bron van warmte. Hieronder geven we een overzicht van de drie meest voorkomende types warmtepompen.

Lucht/water-warmtepomp

Een lucht/water-warmtepomp haalt warmte uit de buitenlucht. Deze type is vaak de meest eenvoudige oplossing, omdat er geen ingrijpende werkzaamheden nodig zijn voor de installatie. De werking is als volgt:

• Een ventilator haalt lucht uit de omgeving en leidt deze naar een verdamper, waarin een koelmiddel met een lager kookpunt verdampt.
• De damp wordt samengeperst door een compressor, waardoor de temperatuur stijgt.
• In de condensor geeft het gas zijn warmte af aan het verwarmingssysteem.
• Het koelmiddel passeert een expansieventiel en de cyclus herhaalt zich.

De efficiëntie van een lucht/water-warmtepomp is afhankelijk van de buitentemperatuur. Bij lage temperaturen is de warmteopname minder efficiënt, wat de prestaties kan beïnvloeden.

Bodem/water-warmtepomp

Een bodem/water-warmtepomp haalt warmte uit de grond of grondwater. De temperatuur van de bodem is over het gehele jaar relatief stabiel, wat deze warmtepomp geschikt maakt voor een hoge efficiëntie.

De werking is vergelijkbaar met die van een lucht/water-warmtepomp, met de volgende variaties:

• In plaats van lucht, wordt warmte onttrokken aan de bodem via collectoren of sondes.
• De koelmiddelkring werkt op dezelfde manier, maar de warmtecapaciteit van de bodem is groter dan die van de lucht, wat bijdraagt aan een hogere efficiëntie.

Bron [5] legt uit dat er twee manieren zijn om warmte uit de bodem te halen: met horizontale collectoren die vlak onder het grondoppervlak liggen, of met verticale sondes die tot 100 meter diep in de bodem gaan. De keuze tussen deze methoden hangt af van de beschikbare ruimte en de bodemstructuur.

Water/water-warmtepomp

Een water/water-warmtepomp maakt gebruik van grondwater of oppervlaktewater (zoals een vijver of rivier) als warmtebron. Deze type is bijzonder efficiënt in regio's met toegang tot warm waterbronnen.

De werking is vergelijkbaar met de andere types, maar met een hogere warmteopnamecapaciteit vanwege de warmtecapaciteit van water. De cyclus verloopt als volgt:

• Het water wordt geleid door een verdamper, waarin het koelmiddel verdampt.
• De damp wordt samengeperst en de warmte wordt afgegeven aan het verwarmingssysteem.
• Het proces herhaalt zich via expansie.

Werking van lage en hoge temperatuur warmtepompen

Het type verwarmingssysteem in een woning heeft een directe invloed op de efficiëntie van een warmtepomp. Er zijn twee belangrijke categorieën:

Lage temperatuur warmtepompen (tot 55°C)

Een lage temperatuur warmtepomp is geschikt voor woningen met een verwarmingssysteem dat werkt op lage temperaturen, zoals vloerverwarming of convectorverwarming met een aanvoertemperatuur van maximaal 55°C. In dit geval is de werking als volgt:

• Een vorstvrije vloeistof stroomt door een buis dat blootgesteld is aan de omgeving.
• Deze vloeistof neemt warmte op en verdampt in een verdamper.
• De damp wordt samengeperst, waardoor de temperatuur stijgt tot ongeveer 55°C.
• De warmte wordt afgegeven aan het verwarmingssysteem via een condensor.
• Het koelmiddel passeert een expansieventiel en de cyclus herhaalt zich.

Bron [4] benadrukt dat een lage temperatuur warmtepomp efficiënter werkt bij lagere aanvoertemperaturen. Bij hogere temperaturen stijgt het energieverbruik en daalt het rendement (SCOP).

Hoge temperatuur warmtepompen (tot 70°C)

In sommige gevallen is een hogere aanvoertemperatuur nodig, bijvoorbeeld voor radiatoren of in oude woningen. In dat geval kan een hoge temperatuur warmtepomp worden gebruikt. Deze werkt in twee stappen:

1. In de eerste trap wordt de temperatuur van de bron verhoogd van bijvoorbeeld 5°C naar 35°C.
2. In de tweede trap wordt de temperatuur verder verhoogd tot 70°C met behulp van een tweede compressor en een ander type koelmiddel.

Bron [4] meldt dat deze tweestapsoplossing efficiënter kan zijn dan een een-traps systeem, met een COP van 2,7. Echter, de efficiëntie is lager dan bij lage temperatuur warmtepompen.

Vereisten voor een efficiënte warmtepompinstallatie

Om een warmtepompinstallatie efficiënt en duurzaam te maken, zijn er een aantal belangrijke vereisten:

1. Geschikte warmtebron

De keuze van de warmtebron heeft een directe invloed op de efficiëntie van de warmtepomp. Voor een hoge efficiëntie is het verstandig om te kiezen voor een warmtebron met een constante temperatuur, zoals de bodem of grondwater. Lucht als warmtebron is minder efficiënt, maar wel eenvoudiger te installeren.

2. Afgestemd verwarmingssysteem

De warmtepomp moet op een verwarmingssysteem zijn afgestemd dat werkt op lage temperaturen. Dit betekent dat vloerverwarming of convectorverwarming met een aanvoertemperatuur van maximaal 55°C ideaal is. In oude woningen waar radiatoren met een hoge aanvoertemperatuur gebruikt worden, kan een hoge temperatuur warmtepomp nodig zijn.

3. Goede isolatie en afgifte

De efficiëntie van een warmtepomp hangt ook af van de isolatie van de woning en de manier waarop de warmte wordt afgegeven. Een goed geïsoleerde woning vermindert het warmteverlies en verhoogt de efficiëntie van de warmtepomp. Bovendien is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de warmte afkomstig van de warmtepomp efficiënt wordt verdeeld, bijvoorbeeld via een vloerverwarmingssysteem.

4. Regeling en automatisering

Moderne warmtepompen zijn uitgerust met geavanceerde regeltechnologie die ervoor zorgt dat het systeem optimaal werkt. Een goede regeling helpt om het energieverbruik te beheren en de efficiëntie te maximaliseren.

5. Kwaliteit van de installatie

De kwaliteit van de installatie is van groot belang voor de prestaties van een warmtepomp. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de installatie door een ervaren professional wordt uitgevoerd, die ervaring heeft met warmtepompen en het verwarmingssysteem in de woning.

Kostprijs en terugverdientijd

De aanschaf van een warmtepomp is een aanzienlijke investering, maar het energieverbruik is aanzienlijk lager dan bij een traditioneel verwarmingssysteem. Bron [6] geeft een overzicht van de kosten voor verschillende typen warmtepompen:

De terugverdientijd hangt af van het type warmtepomp, de efficiëntie en het energieverbruik. In veel gevallen is de terugverdientijd tussen 5 en 10 jaar, afhankelijk van de energieprijzen en de subsidieopties.

Subsidies en financiële steun

De overheid biedt subsidies aan voor de installatie van warmtepompen om de overgang naar duurzame energie te bevorderen. Deze subsidies zijn afhankelijk van de regio en het type woning. Het is raadzaam om vooraf te informeren over de beschikbare steun en subsidies in jouw regio.

Toepassing in renovatieprojecten

In renovatieprojecten kan een warmtepomp een belangrijk onderdeel van het energieplan vormen. Een warmtepomp kan worden geïntegreerd in een bestaande verwarmingsinstallatie of als een volledige vervanging van een oude cv-ketel. In dit geval is het belangrijk om ervoor te zorgen dat het verwarmingssysteem aangepast is aan de lage temperatuurwerking van de warmtepomp.

In renovatieprojecten waarbij de woning uitgebreid wordt geïsoleerd en het bouwvolume wordt vergroot, kan een warmtepomp een efficiënte oplossing bieden voor het verwarmingssysteem. In combinatie met zonne-energie en slimme regelingen kan een warmtepomp een duurzame en kostenefficiënte oplossing zijn.

Conclusie

Een warmtepomp is een duurzame en efficiënte oplossing voor het verwarmen van woningen en het voorzien van warm water. De werking van een warmtepomp is gebaseerd op een kringloop die warmte uit de omgeving haalt en deze toepast voor verwarming. De efficiëntie van een warmtepomp hangt af van het type, de warmtebron en het verwarmingssysteem in de woning.

Bij de keuze voor een warmtepomp is het belangrijk om rekening te houden met de vereisten voor een efficiënte installatie, zoals de kwaliteit van de installatie, de geschiktheid van de warmtebron en het afgestemde verwarmingssysteem. Daarnaast is het belangrijk om de kostprijs en de beschikbare subsidies te overwegen.

In renovatieprojecten kan een warmtepomp een waardevolle bijdrage leveren aan een duurzamere en energiezuinigere woning. Door de juiste keuze van warmtepomp en het optimale aanpassen van het verwarmingssysteem, kan een warmtepomp een efficiënte en duurzame oplossing bieden voor het verwarmingssysteem.

Bronnen

1. Viessmann – Hoe werkt een warmtepomp?
2. Pure Energie – Hoe werkt een warmtepomp?
3. KlimaLand – De toekomst van verwarmen
4. Duurzame Monumenten Brabant – Warmtepomp algemeen
5. Viessmann – Grond/water-warmtepompen
6. Warmtepomp Weetjes – Kosten en soorten