De rol van kg koelvloeistof in warmtepompen: een technische inzoom op hoeveelheid, maatgeving en efficiëntie

Inleiding

In de wereld van warmtepompen speelt de hoeveelheid en het type koelvloeistof een cruciale rol in de efficiëntie en werking van het systeem. De hoeveelheid koelvloeistof in een warmtepomp wordt meestal uitgedrukt in kg (kilogram) of m³ (kubieke meter), afhankelijk van of het in gasvorm of vloeibaar toestand wordt gemeten. Deze hoeveelheid is niet willekeurig gekozen, maar wordt bepaald door de thermodynamische eigenschappen van het koudemiddel, de massastroom, en het verdampings- en condensatieproces binnen het systeem.

In dit artikel wordt de rol van kg koelvloeistof in warmtepompen gedetailleerd toegelicht aan de hand van technische principes, formules, en praktische voorbeelden. Het artikel richt zich op het begrip van massa- en volumegegevens van koudemiddel, de invloed op het COP (Coefficient of Performance), en hoe de massa van het koudemiddel bepaald wordt aan de hand van thermodynamische diagrammen en berekeningen. De informatie is gebaseerd op betrouwbare bronnen en technische uitleg uit de koeltechnieksector.

De basis: massa, volume en thermodynamische eigenschappen van koudemiddel

Soortelijke massa en volume

In de koeltechniek worden massa en volume van koudemiddel nauwkeurig gemeten en berekend om zowel de efficiëntie als de veiligheid van het systeem te garanderen. De eenheden die worden gebruikt zijn:

• kg/m³ en kg/dm³ voor vloeistofvorm (bijvoorbeeld vullingsberekening van een cilinder of systeem).
• m³/kg voor gasvorm (bijvoorbeeld inhoudsmaat voor koudemiddel in gasvorm).

De soortelijke massa van koudemiddel geeft aan hoeveel kilogram van een stof in een bepaalde volume is opgenomen. Deze waarde is afhankelijk van de temperatuur en druk in het systeem. Bij lage temperaturen en hoge druk is het koudemiddel vloeibaar en heeft het een hogere massa per volume dan in gasvorm.

Massa in thermodynamische berekeningen

De massastroom van koudemiddel is een belangrijke parameter in thermodynamische berekeningen. Deze wordt uitgedrukt in kg/s en wordt gebruikt in formules om verwarmingsvermogen (Q) en COP te bepalen.

Een voorbeeldformule die wordt gebruikt in de warmtepompsector:

$$ Q = \dot{m} \times (h3 - h1) $$

Hierbij: - $Q$ = warmteafgifte in kW - $\dot{m}$ = massastroom in kg/s - $h3 - h1$ = enthalpieverschil in kJ/kg

Deze formule laat zien dat de hoeveelheid koudemiddel (uitgedrukt in kg) een directe invloed heeft op het vermogen van een warmtepomp. Hoe hoger de massastroom, hoe groter het warmtevermogen, mits het enthalpieverschil hetzelfde blijft.

Koudemiddel in gasvorm en vloeistofvorm

Gasvormig koudemiddel

Gasvormig koudemiddel wordt gebruikt in de verdamper en condensor van een warmtepomp. In deze fasen is de massa per volume lager dan in de vloeistofvorm. Het gasvormige koudemiddel absorbeert warmte in de verdamper en geeft deze af in de condensor.

De verdampingswarmte speelt een cruciale rol in de efficiëntie van de warmtepomp. De verdampingswarmte is het verschil in enthalpie tussen vloeistof en damp. Voorbeeld:

• Beginwarmte-inhoud = 200 kJ/kg
• Eindwarmte-inhoud = 397 kJ/kg
• Latente warmte = 397 – 200 = 197 kJ/kg

Deze waarde is van belang omdat het aangeeft hoeveel energie nodig is voor verdamping, en dus hoeveel warmte de verdamper kan opnemen.

Vloeistofvormig koudemiddel

Vloeistofvormig koudemiddel wordt gebruikt in de condensor en expansieventiel. In deze fase heeft het koudemiddel een hogere dichtheid en dus een grotere massa per volume. Het vloeistofvormige koudemiddel geeft warmte af aan het verwarmingssysteem en zakt in temperatuur bij het passeren van het expansieventiel.

Het expansieproces is isentroop (geen warmteafvoer of -toevoer), wat betekent dat de enthalpie constant blijft tijdens het proces. Dit is belangrijk bij het bepalen van de hoeveelheid koudemiddel die nodig is voor een bepaalde warmteafgifte.

Invloed van koelvloeistofmassa op COP en SCOP

COP (Coefficient of Performance)

Het COP is een maat voor de efficiëntie van een warmtepomp. Het wordt berekend als het quotiënt tussen afgegeven warmte en verbruikte elektriciteit:

$$ \text{COP} = \frac{\text{Afgegeven warmte (kWh)}}{\text{Elektriciteitsverbruik (kWh)}} $$

De hoeveelheid koudemiddel beïnvloedt het COP indirect via de massastroom en het enthalpieverschil. Een hogere massastroom betekent dat er meer warmte kan worden opgenomen in de verdamper, wat leidt tot een hoger COP. Echter, een te hoge massastroom kan ook leiden tot oververhitting of compressoroverbelasting.

Voorbeeld:

• Afgegeven warmte = 5 kW
• Elektriciteitsverbruik = 0,78 kW
• COP = 5 / 0,78 = 6,4

Deze waarde kan nog verlaagd worden als rekening wordt gehouden met het rendement van de compressor (80%):

$$ \text{Elektriciteitsverbruik} = \frac{0,78}{0,8} = 0,975 \, \text{kW} $$ $$ \text{COP} = \frac{5}{0,975} \approx 5,1 $$

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)

Het SCOP is een jaarlijks gemiddeld COP dat rekening houdt met variabele omstandigheden zoals buitenluchttemperatuur, verwarmingsaanvoertemperatuur, en gebruikpatronen. Het SCOP is dus een meer realistische maat voor de jaarlijkse efficiëntie van een warmtepomp.

Een hogere hoeveelheid koudemiddel (kg) kan leiden tot een hoger SCOP, mits het systeem is afgepast op de juiste massastroom en drukverschillen. Te veel koudemiddel kan daarentegen leiden tot condensatieproblemen, compressoroverbelasting, of luchtafkoeling in de verdamper, wat het SCOP negatief beïnvloedt.

Massa- en volumeberekeningen in de koelkring

Thermodynamische diagrammen

Thermodynamische diagrammen, zoals het log p-h diagram (logaritmische druk-enthalpie diagram), worden vaak gebruikt om de massa- en enthalpieveranderingen in een koelkring te bepalen. Deze diagrammen tonen het verloop van:

• Verdampen (van vloeistof naar damp)
• Comprimeren (verhoging van druk en enthalpie)
• Condenseren (van damp naar vloeistof)
• Expanderen (verlaging van druk en enthalpie)

In deze diagrammen is het mogelijk om de massa van het koudemiddel te berekenen op basis van het enthalpieverschil en de massastroom.

Voorbeeldberekening van massastroom

Stel dat de afgegeven warmte 5 kW is en het enthalpieverschil 327 kJ/kg. Dan kan de massastroom ($\dot{m}$) berekend worden als:

$$ \dot{m} = \frac{Q}{(h3 - h1)} = \frac{5}{327} = 0,01529 \, \text{kg/s} $$

Dit betekent dat er 0,01529 kg/s koudemiddel nodig is om 5 kW warmte af te geven. Deze waarde kan worden gebruikt om te bepalen hoeveel koudemiddel in totaal in het systeem moet zitten, afhankelijk van de cyclusduur en de vermogenscapaciteit van de warmtepomp.

Invloed van massavariatie

Een variatie in de hoeveelheid koudemiddel heeft verschillende gevolgen:

• Te weinig koudemiddel:
  • Lager COP
  • Minder warmteopname in verdamper
  • Mogelijke oververhitting van compressor
• Te veel koudemiddel:
  • Hogere druk in systeem
  • Risico op condensatie in compressor
  • Minder efficiëntie van warmtewisseling

Het is daarom belangrijk dat de hoeveelheid koudemiddel nauwkeurig wordt afgepast op de thermodynamische eisen van het systeem. Dit wordt vaak gedaan door middel van vullingsberekeningen, waarbij zowel de massa, volume, en enthalpie worden in rekening gebracht.

Koudemiddeltypen en hun invloed op massa

Kookpunten en thermodynamische eigenschappen

De keuze van koudemiddel beïnvloedt ook de hoeveelheid koudemiddel in kg die nodig is voor een warmtepomp. Koudemiddelen met een lager kookpunt (bijvoorbeeld R290 (propaan) met kookpunt bij 1 bar van -42°C) vereisen minder massa om dezelfde warmtecapaciteit te bereiken in vergelijking met koudemiddelen met een hoger kookpunt (zoals R407C of R410A).

Massa- en warmtecapaciteit

De verdampingswarmte van een koudemiddel is een belangrijke parameter die bepalend is voor de hoeveelheid koudemiddel die nodig is. Voorbeeld:

• Koudemiddel A: verdampingswarmte = 200 kJ/kg
• Koudemiddel B: verdampingswarmte = 300 kJ/kg

Als beide koudemiddelen 5 kW warmte moeten afgeven, dan is:

• Voor koudemiddel A: $\dot{m} = 5 / 200 = 0,025 \, \text{kg/s}$
• Voor koudemiddel B: $\dot{m} = 5 / 300 = 0,0167 \, \text{kg/s}$

Dus: koudemiddel B vereist minder massa om hetzelfde vermogen te leveren.

Praktische toepassing in warmtepompinstallaties

Vullingsberekening

Bij het installeren of vervangen van een warmtepomp is het van essentieel belang om de juiste hoeveelheid koudemiddel in te vullen. Dit gebeurt doorgaans met behulp van:

• Vulkaarten die het gewenste vullingsvolume per model geven
• Massavolumemeters die nauwkeurig meten hoeveel koudemiddel is ingevuld
• Drukcontrole om te bepalen of de hoeveelheid koudemiddel voldoet aan de thermodynamische eisen

Een typisch vullingsvolume voor een warmtepomp ligt tussen de 1 kg en 5 kg koudemiddel, afhankelijk van de grootte en het type warmtepomp.

Invloed op warmtewisseling

De hoeveelheid koudemiddel beïnvloedt ook de warmtewisseling in de verdamper en condensor. Te weinig koudemiddel leidt tot:

• Minder warmteopname in verdamper
• Lagedruk in systeem
• Minder efficiëntie

Te veel koudemiddel leidt tot:

• Oververhitting van warmtewisselaars
• Condensatie in compressor
• Verhoogde druk

Samenvatting

De hoeveelheid kg koelvloeistof in een warmtepomp is een essentieel element in de werking en efficiëntie van het systeem. Deze hoeveelheid beïnvloedt het COP, SCOP, en de thermodynamische cyclus van de warmtepomp. Door middel van thermodynamische diagrammen, massastroomberekeningen, en verdampingswarmte kan de optimale hoeveelheid koudemiddel worden bepaald.

Het is belangrijk dat installateurs en ontwerpers deze parameters nauwkeurig in rekening brengen bij het installeren of vervangen van een warmtepomp. Een te laag of te hoog koudemiddelvolume kan de efficiëntie van het systeem negatief beïnvloeden en leiden tot technische problemen.

Bronnen

1. Warmtepomp-tips.nl - Koudemiddelcircuit
2. Duurzamemonumentenbrabant.nl - Warmtepomp algemeen
3. Warmtepomp-weetjes.nl - Kringloop koudetechniek
4. Duurzaamheidsvergelijker.nl - Hoe werkt een warmtepomp