Het werkingsprincipe van de warmtepomp: thermodynamische cyclus en technische toepassingen

Published by Redactie on september 27, 2025 | Category warmtepomp

Inleiding

Een warmtepomp is een technologische oplossing die steeds vaker wordt ingezet in de context van duurzame verwarming, warmwaterbereiding en koeling van woningen. De kern van deze technologie is de thermodynamische cyclus, een proces dat warmte onttrekt aan een externe bron (zoals lucht, water of grond) en deze omzet in bruikbare warmte voor het verwarmingssysteem. Deze cyclus speelt zich af binnen een gesloten systeem met vier centrale componenten: verdamper, compressor, condensor en expansieventiel.

Het begrip van hoe een warmtepomp werkt is essentieel voor iedereen die betrokken is bij renovatie, woningbouw of energieopwekking. In dit artikel wordt de cyclus van de warmtepomp in detail uitgelegd, met aandacht voor de werking van de verschillende componenten, de thermodynamische principes die erachter zitten, en de technische verschillen tussen lage- en hoge-temperatuur warmtepompen. Daarnaast worden de verschillende soorten warmtepompen en hun toepassingsgebieden besproken, zoals lucht-water, lucht-lucht, grond-water en water-water warmtepompen.

De thermodynamische cyclus van de warmtepomp

De werking van een warmtepomp is gebaseerd op een thermodynamische cyclus, een herhaalbaar proces dat bestaat uit vier hoofdfasen: verdamping, compressie, condensatie en expansie. Deze vier stappen vormen samen een gesloten kringloop, waarbij warmte opgenomen wordt uit een bron en afgegeven wordt aan het verwarmingssysteem.

1. Verdamping (Verdamper)

De cyclus begint in de verdamper, waar het vloeibare koudemiddel verdampend warmte opneemt uit een externe bron. Deze bron kan variëren, afhankelijk van het type warmtepomp:

Lucht-water warmtepompen halen warmte uit de buitenlucht.
Grond-water warmtepompen halen warmte uit de grond.
Water-water warmtepompen halen warmte uit oppervlaktewater.

Het koudemiddel in de verdamper heeft een kookpunt lager dan 0°C, zodat het al bij lage omgevingstemperaturen begint te koken. In de verdamper vindt een faseovergang plaats van vloeibaar naar gasvormig koudemiddel. Tijdens deze verdamping neemt het koudemiddel warmte op uit de omgeving. De verdamper fungeert dus als een warmtewisselaar die energie uit de externe bron overneemt.

2. Compressie (Compressor)

De verdampde damp stroomt vervolgens naar de compressor, een motorisch onderdeel dat de druk van het koudemiddel verhoogt. Door deze drukverhoging stijgt ook de temperatuur van het koudemiddel, soms tot 55°C of hoger, afhankelijk van het type warmtepomp en de gewenste uitgangstemperatuur.

De compressor speelt een cruciale rol in het verhogen van de energie-inhoud van het koudemiddel. Het verhoogde drukniveau maakt het mogelijk om de warmte van het koudemiddel af te geven aan het verwarmingssysteem in de volgende fase van de cyclus.

3. Condensatie (Condensor)

Na de compressie stroomt het hete gasvormige koudemiddel naar de condensor, waar het warmte afgeeft aan het verwarmingssysteem, zoals een CV-systeem of warmwaterbereiding. Tijdens de condensatie vindt een faseovergang plaats van gasvormig naar vloeibaar koudemiddel. Het koudemiddel condenseert, wat betekent dat het warmte afstaat aan het water in het verwarmingssysteem.

De condensor fungeert hier dus als een warmtewisselaar die energie aan het verwarmingssysteem overdraagt. Het verlies van warmte leidt tot condensatie van het koudemiddel.

4. Expansie (Expansieventiel)

Na de condensatie passeert het vloeibare koudemiddel het expansieventiel (ook wel smoororgaan genoemd), waar de druk weer wordt verlaagd. Dit zorgt ervoor dat de temperatuur van het koudemiddel snel daalt, waardoor het zich in de volgende cyclus weer kan verdampen.

Het expansieventiel is een kritisch onderdeel in de cyclus, omdat het het drukverschil tussen de condensor en de verdamper regelt. Daarnaast zorgt het ervoor dat een gedoseerde hoeveelheid koudemiddel de verdamper binnenkomt, om zo vloeistofslag in de compressor te voorkomen.

De cyclus kan nu opnieuw beginnen en herhaalt zich continu, zolang er elektriciteit beschikbaar is om de compressor aan te drijven.

Werking van lage-temperatuur en hoge-temperatuur warmtepompen

Lage-temperatuur warmtepompen (tot 55°C)

Lage-temperatuur warmtepompen zijn ontworpen om verwarmingssystemen te voorzien van warmte op een temperatuur van maximaal 55°C, en voorkeurlijk 35°C of lager. Deze warmtepompen zijn het meest efficiënt als het verwarmingssysteem geschikt is voor lage-temperatuur verwarming (LTV), zoals vloerverwarming of radiatoren met een lage aanvoertemperatuur.

Bij hogere aanvoertemperaturen dan 45°C stijgt het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp en daalt het rendement (SCOP). Dit komt doordat de compressor harder moet werken om de temperatuur verder te verhogen, wat extra energie kost.

Hoge-temperatuur warmtepompen (tot 70°C)

Voor situaties waarin hogere temperaturen nodig zijn, zoals in oude woningen met radiatoren die niet geschikt zijn voor lage-temperatuur verwarming, zijn er hoge-temperatuur warmtepompen beschikbaar. Deze warmtepompen kunnen temperaturen tot 70°C bereiken, maar het rendement is lager dan bij lage-temperatuur modellen.

Er zijn twee manieren om hogere temperaturen te bereiken:

Twee-traps warmtepompen
Deze werken met twee cycli. In de eerste cyclus wordt de temperatuur van het koudemiddel verhoogd van bijvoorbeeld 5°C tot 35°C. In de tweede cyclus wordt het koudemiddel verder opgewarmd tot 70°C, met behulp van een tweede compressor en een ander type koudemiddel. Dit proces is haalbaar met een COP (Coefficient of Performance) van ongeveer 2,7, wat redelijk efficiënt is, maar lager dan bij lage-temperatuur systemen.
Eén-traps warmtepompen
Deze werken met één cyclus, waarbij het koudemiddel direct wordt gebracht tot 70°C. Dit vereist een ander type koudemiddel dan bij lage-temperatuur modellen en heeft als nadeel een lagere efficiëntie en een hoger energieverbruik.

Soorten warmtepompen en hun toepassingen

Er zijn verschillende soorten warmtepompen, elk met een unieke manier van warmte opwekken en afgeven. De keuze van een warmtepomp hangt af van factoren zoals de beschikbare energiebronnen, de bouwvorm van het huis, de gewenste verwarmingsoplossing en de budgettaire voorwaarden.

1. Lucht-water warmtepompen

Deze warmtepompen halen warmte uit de buitenlucht en geven deze af aan het hydraulische verwarmingssysteem van het huis, zoals radiatoren, vloerverwarming of warmwaterbereiding. Ze zijn de meest populaire keuze vanwege hun relatief lage aanschafkosten en eenvoudige installatie.

Een nadeel van lucht-water warmtepompen is dat hun efficiëntie afneemt bij zeer lage buitentemperaturen. Tijdens extreme kou moet de warmtepomp vaak aanvullende warmte genereren, wat het energieverbruik verhoogt.

2. Lucht-lucht warmtepompen

Lucht-luchtwarmtepompen verwarmen of koelen de lucht in een ruimte door warmte te onttrekken aan de buitenlucht. Ze zijn meestal gebruikt in situaties waar geen hydraulisch verwarmingssysteem beschikbaar is. Ze kunnen echter geen warm water genereren, wat betekent dat een aparte warmwaterunit moet worden toegevoegd.

Deze warmtepompen zijn ideaal voor koeltoepassingen in zomerse klimaten, maar minder geschikt voor langdurige verwarming in koude winters.

3. Grond-water warmtepompen

Grond-water warmtepompen halen warmte uit de grond, die een constante temperatuur heeft. Dit maakt deze warmtepompen zeer efficiënt, ook in koude klimaten. De installatie vereist echter een netwerk van buizen in de grond, wat een hogere initiële investering met zich meebrengt.

De voordelen van grond-water warmtepompen zijn hun hoge rendement en betrouwbaarheid, zelfs bij lage buitentemperaturen. Ze zijn dus een uitstekende keuze voor huizen die op lange termijn duurzaam en efficiënt moeten worden verwarmd.

4. Water-water warmtepompen

Water-water warmtepompen halen warmte uit oppervlaktewater, zoals meren of rivieren. Ze zijn minder gebruikelijk, maar kunnen zeer efficiënt zijn in regio’s met toegang tot voldoende waterbronnen.

De installatie van een water-water warmtepomp vereist echter een waterrecht en een zorgvuldige inspectie van de waterkwaliteit, omdat aanslag of vervuiling het systeem kan beschadigen.

Technische componenten van een warmtepomp

Compressor

De compressor is de motor van de warmtepomp en speelt een centrale rol in het verhogen van de druk en temperatuur van het koudemiddel. De efficiëntie van de compressor heeft directe invloed op het rendement van de warmtepomp. Modernere compressoren zijn in staat om variabel te werken, wat zorgt voor een betere aanpassing aan de verwarmings- of koelbehoeften van het huis.

Condensor

De condensor is verantwoordelijk voor het overdragen van warmte van het koudemiddel naar het verwarmingssysteem. Het is een warmtewisselaar waarin het gasvormige koudemiddel condenseert tot vloeistof, waarbij warmte aan het water in het systeem wordt afgegeven.

Expansieventiel

Het expansieventiel regelt het drukverschil tussen de condensor en de verdamper en zorgt voor een gedoseerde toevoer van vloeibaar koudemiddel aan de verdamper. Dit voorkomt vloeistofslag in de compressor, wat ernstige schade kan veroorzaken.

Verdamper

De verdamper is de plek waar het vloeibare koudemiddel verdampend warmte opneemt uit de externe bron. De verdamper kan verschillende vormen aannemen, afhankelijk van de bron (lucht, water of grond). Het koudemiddel in de verdamper heeft een laag kookpunt, zodat het al bij lage temperaturen kan verdampen.

Rendement en efficiëntie van warmtepompen

Het rendement van een warmtepomp wordt gemeten aan de hand van de Coefficient of Performance (COP) en de Seasonal Coefficient of Performance (SCOP).

COP geeft het rendement van de warmtepomp op een specifiek moment aan. Bijvoorbeeld: een COP van 4 betekent dat de warmtepomp per 1 kWh elektriciteit 4 kWh warmte kan leveren.
SCOP geeft het gemiddelde rendement van de warmtepomp gedurende een gehele warmteperiode aan. Dit maakt rekening met variaties in omgevingstemperatuur en het gebruiksgewoonten van de gebruiker.

Lage-temperatuur warmtepompen hebben in principe een hoger SCOP dan hoge-temperatuur modellen, omdat ze minder energie verbruiken bij het verhogen van de temperatuur. Voor een efficiënte werking is het belangrijk om het verwarmingssysteem goed te dimensioneren en te koppelen aan een warmtepomp die geschikt is voor lage-temperatuur verwarming.

Keuze van een warmtepomp: factoren en overwegingen

Bij het kiezen van een warmtepomp zijn meerdere factoren van belang:

Beschikbare energiebronnen: Is er toegang tot lucht, grond of water als warmtebron?
Verwarmingssysteem: Is het huis uitgerust met een systeem dat geschikt is voor lage-temperatuur verwarming?
Budget: Welke aanschaf- en installatiekosten zijn er, en wat is de verwachte terugverdientijd?
Klimaat: Hoe efficiënt werkt de warmtepomp in de lokaal klimaatcondities?
Toepassingsgebied: Wil men enkel verwarmen, of ook koelen en warmwater genereren?

Het is verstandig om een energieadviesdeskundige te raadplegen bij het kiezen van een warmtepomp. Deze deskundige kan helpen om het juiste systeem te kiezen op basis van de specifieke situatie van het huis en de behoeften van de gebruiker.

Conclusie

De thermodynamische cyclus van een warmtepomp is een complex maar efficiënt proces dat warmte onttrekt aan een externe bron en deze omzet in bruikbare warmte voor verwarming, koeling en warmwaterbereiding. Deze cyclus bestaat uit vier hoofdfasen: verdamping, compressie, condensatie en expansie, die zich continu herhalen zolang er elektriciteit beschikbaar is.

Er zijn verschillende soorten warmtepompen, elk met hun eigen voordelen en toepassingsgebieden. De keuze van een warmtepomp hangt af van factoren zoals de beschikbare energiebronnen, het verwarmingssysteem van het huis, het klimaat en het budget. Voor een optimale efficiëntie is het belangrijk om een warmtepomp te kiezen die geschikt is voor lage-temperatuur verwarming.

Een warmtepomp biedt een duurzame en energiezuinige oplossing voor de verwarming van woningen, en kan bijdragen aan een lager CO₂-uitstootniveau en lagere energiekosten op de lange termijn.

Bronnen

cyclus