Schema's en werking van warmtepompen voor duurzame verwarming en koeling

Inleiding

In de huidige focus op duurzame energieopwekking en energie-efficiëntie spelen warmtepompen een steeds belangrijkere rol in de woningbouw en renovatiepraktijk. Ze bieden een duurzame, milieuvriendelijke en kostenefficiënte oplossing voor het verwarmen en koelen van woningen. Warmtepompen gebruiken gratis energiebronnen zoals lucht, water en bodem om via een thermodynamische cyclus warmte te genereren, met een relatief laag elektriciteitsverbruik. Door middel van schematische diagrammen is het werkingsprincipe van deze systemen goed te visualiseren, wat essentieel is bij het kiezen, installeren en begrijpen van deze technologie.

In dit artikel worden de werking en schema’s van verschillende soorten warmtepompen gedetailleerd beschreven, met aandacht voor de technische processen, voordelen en nadelen. Ook wordt ingegaan op de efficiëntie en de levensduur van de verschillende systemen, zodat zowel huiseigenaren als professionals een beter overzicht krijgen van deze duurzame verwarmingstechnologie.

1. Werking van een warmtepomp

De kern van een warmtepomp is een thermodynamische cyclus die bestaat uit vier hoofdfasen: verdamping, compressie, condensatie en expansie. Deze cyclus is vergelijkbaar met de werking van een koelkast of airco, maar in dit geval wordt de warmte niet afgevoerd, maar gebruikt om een ruimte of warm water te verwarmen.

1.1 Verdamping (verdamper)

In de verdamper onttrekt de warmtepomp warmte uit de omgeving – zoals lucht, water of de grond. Een koelmiddel met een lage kooktemperatuur vangt deze warmte op, waardoor het kookt en in gasvorm overgaat. De verdamper is dus de plek waar de warmte wordt opgenomen.

1.2 Compressie (compressor)

Het gasvormige koelmiddel stroomt naar de compressor, waar de druk en de temperatuur van het gas sterk stijgt. Door deze compressie wordt de warmteverhouding verhoogd, waardoor het koelmiddel geschikt wordt om warmte af te geven aan het verwarmingssysteem.

1.3 Condensatie (condensor)

De condensor is de plek waar het warme, gecomprimeerde koelmiddel zijn warmte afgeeft aan het water of de lucht in het verwarmingssysteem. Het koelmiddel condenseert hierdoor weer in vloeistofvorm.

1.4 Expansie (expansieventiel)

Na de condensatie passeert het koelmiddel het expansieventiel, waarbij de druk en temperatuur van het koelmiddel sterk dalen. Hierdoor is het koelmiddel weer in staat om warmte op te nemen uit de omgeving, waarmee de cyclus zich herhaalt.

2. Soorten warmtepompen en hun werking

Er zijn verschillende soorten warmtepompen, afhankelijk van de bron van de warmte en de manier waarop deze wordt afgegeven. In de volgende subsecties worden de belangrijkste varianten beschreven, met aandacht voor hun schema en werking.

2.1 Lucht-luchtwarmtepomp

Een lucht-luchtwarmtepomp haalt warmte uit de buitenlucht en gebruikt deze om de binnenlucht te verwarmen of te koelen. Dit type warmtepomp is ideaal voor ruimtes waar alleen luchtverwarming nodig is, zoals woonkamers of kantoren.

Schema:

1. Verdamper: De lucht uit de buitenunit geeft zijn warmte af aan het koelmiddel in de verdamper.
2. Compressor: Het koelmiddel wordt gecomprimeerd en verhoogt zijn temperatuur.
3. Condensor: Het warme koelmiddel geeft zijn warmte af aan de binnenlucht via een ventilatorconvector.
4. Expansieventiel: Het koelmiddel keert terug naar de verdamper, waar het opnieuw warmte kan opnemen.

Voordelen: - Verwarming en koeling mogelijk. - Lage installatiekosten. - Zeer efficiënt met een SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) van 3,0–4,0. - Laag geluidsniveau. - Milieuvriendelijk.

Nadelen: - De buitenluchttemperatuur beïnvloedt de prestaties. - Geen warmwaterfunctie – een extra unit is nodig. - Stof in de lucht kan overgedragen worden.

Levensduur: Tot 20 jaar.

2.2 Lucht-water-warmtepomp

Een lucht-water-warmtepomp haalt warmte uit de buitenlucht en gebruikt deze om een hydraulisch verwarmingscircuit aan te drijven, zoals radiatoren, vloerverwarming of warmwateropwekking. Dit maakt deze warmtepomp geschikt voor woningen met bestaande verwarmingsinstallaties.

Schema:

1. Verdamper: De buitenunit haalt warmte uit de lucht en overdraagt deze aan het koelmiddel.
2. Compressor: Het koelmiddel wordt gecomprimeerd en verhoogt zijn temperatuur.
3. Condensor: Het warme koelmiddel geeft zijn warmte af aan het water in het hydraulische systeem.
4. Expansieventiel: Het koelmiddel keert terug naar de verdamper, waar het opnieuw warmte kan opnemen.

Voordelen: - Verlaagde energiekosten en onderhoud. - Groene verwarmingsoplossing. - Kan het hele jaar door gebruikt worden. - Lange levensduur. - Mogelijkheid tot het gebruik van het RHI-plan (Renewable Heat Incentive).

Nadelen: - Hoge installatiekosten. - Verhoogde bedrijfskosten vergeleken met een ketel. - Verminderde efficiëntie in de winter. - Mogelijk nodig om radiatoren of vloerverwarming aan te passen.

Levensduur: Circa 15–20 jaar.

2.3 Geothermische warmtepomp (aardwarmtepomp)

Een geothermische warmtepomp, ook wel aardwarmtepomp genoemd, haalt warmte uit de bodem of grondwater. Door de constante temperatuur onder de oppervlakte is dit een zeer efficiënte oplossing, vooral in koele winters.

Schema:

1. Verdamper: De warmte wordt onttrokken uit de grond via horizontale of verticale buizen of grondwater.
2. Compressor: Het koelmiddel wordt gecomprimeerd en verhoogt zijn temperatuur.
3. Condensor: Het warme koelmiddel geeft zijn warmte af aan het verwarmingssysteem (CV, vloerverwarming).
4. Expansieventiel: Het koelmiddel keert terug naar de verdamper om opnieuw warmte op te nemen.

Voordelen: - Zeer energie-efficiënt met een COP (Coefficient of Performance) van 3–6. - Laag elektriciteitsverbruik. - Geen afhankelijkheid van buitenluchttemperatuur. - Milieuvriendelijke oplossing met lange levensduur.

Nadelen: - Hoge installatiekosten (grondwerken nodig). - Aanvullend onderzoek nodig naar bodemstructuur en grondwater. - Minder geschikt voor woningen in dichtbebouwde stadsgebieden.

Levensduur: Circa 25–30 jaar.

2.4 Water-water-warmtepomp

Een water-water-warmtepomp haalt warmte uit een meer, rivier of grondwater en gebruikt deze om het huis te verwarmen of warm water te genereren. Het systeem bestaat uit een aanvoerput en een retourput om de cyclus van warmteoverdracht mogelijk te maken.

Schema:

1. Aanvoerput: Grondwater wordt opgepompt en verloopt door de warmtepomp.
2. Verdamper: De warmte uit het water wordt overgedragen aan het koelmiddel.
3. Compressor: Het koelmiddel wordt gecomprimeerd en verhoogt zijn temperatuur.
4. Condensor: Het warme koelmiddel geeft zijn warmte af aan het verwarmingssysteem.
5. Expansieventiel: Het koelmiddel keert terug naar de verdamper.
6. Retourput: Het afgekoelde grondwater stroomt terug in de grond via een retourput.

Voordelen: - Zeer efficiënt bij beschikbaarheid van grondwater of oppervlaktewater. - Milieuvriendelijk en duurzaam. - Lage bedrijfskosten na installatie.

Nadelen: - Aanvullende studies nodig voor grondwaterkwaliteit en -beschikbaarheid. - Minder geschikt in gebieden zonder toegang tot waterbronnen. - Hoge initieel investering.

Levensduur: Circa 25–30 jaar.

3. Warmtepompen voor hoge en lage temperaturen

3.1 Lage temperatuur warmtepompen (tot 55⁰C)

Lage temperatuur warmtepompen zijn geschikt voor woningen met een verwarmingssysteem dat werkt bij een aanvoertemperatuur van maximaal 55⁰C, ideale conditie voor vloerverwarming of lage-temperatuur radiatoren. Het rendement van deze warmtepompen is hoog, met een SCOP-waarde van 3,0–4,0.

Werking: 1. Een vorstvrije vloeistof stroomt door een buis, waarbij warmte wordt opgenomen uit lucht, water of zon. 2. In de verdamper wordt een koelvloeistof met een laag kookpunt gebruikt. Deze absorbeert warmte en kookt, waardoor damp ontstaat. 3. De damp wordt gecomprimeerd, waardoor de temperatuur stijgt tot ongeveer 55⁰C. 4. De hete damp geeft zijn warmte af aan de condensor, die het verwarmingssysteem opwarmt. 5. Het koelmiddel passeert het expansieventiel en keert terug naar de verdamper.

Belangrijk: Voor een efficiënte werking moet het huis geschikt zijn voor lage-temperatuur verwarming (LTV). Bij hoge aanvoertemperaturen daalt het rendement van de warmtepomp.

3.2 Hoge temperatuur warmtepompen (tot 70⁰C)

Voor woningen waar een hogere aanvoertemperatuur nodig is (tot 70⁰C), kunnen tweetrapswarmtepompen of een-trapswarmtepompen gebruikt worden. Deze systemen zijn geschikt voor bestaande CV-systemen met hogere temperatuurbehoeften.

Werking van tweetrapswarmtepompen: 1. In de eerste trap wordt het koelmiddel verhoogd van bijvoorbeeld 5⁰C naar 35⁰C. 2. In de tweede trap wordt de temperatuur verder verhoogd tot 70⁰C met behulp van een tweede compressor en een ander koudemiddel. 3. Het rendement van deze systemen is iets lager (COP van ongeveer 2,7), maar ze zijn geschikt voor woningen met hoge temperatuurbehoeften.

Werking van een-trapswarmtepompen: 1. Deze systemen gebruiken een ander type koudemiddel en werken met een hogere druk. 2. De temperatuur kan tot 70⁰C bereiken, maar het rendement is lager dan bij lage temperatuur warmtepompen.

4. Soorten bronnen en toepassingen

Warmtepompen kunnen worden ingedeeld op basis van de bron van warmte en de manier waarop deze wordt afgegeven. De principes van de warmtecyclus zijn voor alle varianten vergelijkbaar, maar de manier waarop de energie wordt opgenomen en afgegeven verschilt per type.

4.1 Luchtbronwarmtepompen

• Lucht-lucht: Verwarming of koeling via lucht.
• Lucht-water: Verwarming via watercircuit (radiatoren, vloerverwarming).

4.2 Grondbronwarmtepompen

• Grond-lucht: Verwarming via lucht, warmte onttrokken uit de grond.
• Grond-water: Verwarming via watercircuit, warmte onttrokken uit de grond.

4.3 Waterbronwarmtepompen

• Water-water: Verwarming via watercircuit, warmte onttrokken uit oppervlaktewater of grondwater.

Belangrijk: Bijna alle warmtepompen kunnen ook gebruikt worden om warm tapwater te genereren en kunnen zowel verwarmen als koelen.

5. Kies de juiste warmtepomp: voordelen en nadelen per type

6. Conclusie

Warmtepompen zijn een duurzame en efficiënte oplossing voor verwarming en koeling in woningen en gebouwen. Door middel van schematische diagrammen is het werkingsprincipe van deze systemen goed te visualiseren, wat essentieel is bij het kiezen en begrijpen van de technologie.

Verschillende soorten warmtepompen – zoals lucht-lucht, lucht-water, geothermisch en water-water – bieden elk hun eigen voor- en nadelen. De keuze hangt af van de beschikbare energiebronnen, de type woning, de verwarmingstechnologie en de persoonlijke voorkeuren van de gebruiker. Lage temperatuur warmtepompen zijn ideaal voor woningen met vloerverwarming of lage-temperatuur radiatoren, terwijl hoge temperatuur warmtepompen geschikt zijn voor woningen met klassieke CV-systemen.

Bij het kiezen van een warmtepomp is het belangrijk om aandacht te besteden aan het rendement, de installatiekosten, de levensduur en de mogelijkheden voor warmwateropwekking en koeling. Voor een maximale efficiëntie moet het huis geschikt zijn voor lage-temperatuur verwarming. Daarnaast is het aanbevolen om een professionele adviesgesprek te voeren met een erkende warmtepompinstallateur om de meest geschikte oplossing te bepalen.

In de toekomst zullen warmtepompen nog belangrijker worden in het kader van duurzame energieopwekking en energie-efficiëntie. Met de huidige technologie en de beschikbare subsides is het nu mogelijk om een duurzame verwarmingssystematiek te realiseren die zowel milieuvriendelijk is als kostenefficiënt.

7. Bronnen

1. Eenvoudig diagram en bediening van warmtepompen
2. Warmtepomp algemeen