Koudemiddelen in Warmtepompen: Efficentie, Compatibiliteit en CO2-impact

Het gebruik van warmtepompen als energiezuinige verwarmingssystemen is de laatste jaren sterk gegroeid, zowel in huishoudens als in industriële toepassingen. Een kernfactor voor het functioneren en de efficiëntie van warmtepompen is het gebruik van koudemiddelen, ook wel aangeduid als werkmiddelen of refrigerants. Deze stoffen speelden en spelen een centrale rol in het koel- en verwarmingsproces.

Deze uiteenzetting behandelt de belangrijkste koudemiddelen die worden gebruikt in warmtepompen, inclusief hun thermodynamische eigenschappen, werkdrukken, efficiëntie en milieu-impact. Ook de CO2-impact over een levenscyclus wordt belicht. Daarnaast wordt aandacht besteed aan compatibiliteit, veiligheid en wettelijke vereisten die van toepassing zijn bij het gebruik van deze stoffen in systemen zoals die van de warmtepomp RP035 of vergelijkbare modellen. De onderliggende informatie is gebaseerd op betrouwbare bronnen en praktische toepassingen binnen de warmtepompsector.

Wat is een Koudemiddel?

Een koudemiddel is een gas- of vloeistofvormige stof die in een gesloten circuit wordt gebruikt om warmte over te dragen. In een warmtepomp wordt dit koudemiddel door een cyclus van verdamping, compressie, condensatie en expansie geleid, om warmte op te vangen in lage temperatuurbronnen (zoals buitenlucht of grond) en die over te dragen naar een warmer medium, zoals water in een verwarmingssysteem.

Belangrijke kenmerken van koudemiddelen zijn: - Kookpunt (verdampingstemperatuur): De temperatuur waarop het koudemiddel van vloeistof naar gas gaat. - Kritische temperatuur: De temperatuur boven welke het vloeibare en gasvorm van het koudemiddel niet meer van elkaar kunnen worden onderscheiden (supercritisch). - GWP (Global Warming Potential): Een maat voor de opwarmingseffecten door de uitstoot van een stof. De GWP-index van CO2 is 1. - ODP (Ozone Depletion Potential): Een maat voor de schadelijkheid van een stof voor de ozonlaag. - Brandbaarheid en veiligheid: Sommige koudemiddelen zijn brandbaar of explosief, wat specifieke installatie- en handlingsrichtlijnen vereist.

Bij de warmtepomp RP035 en vergelijkbare systemen (zoals air-to-water-systemen) worden vloeibare HFK’s zoals R410A, R32 en minder vaak R407C gebruikt. In dit artikel wordt ingegaan op elk van deze koudemiddelen.

R410A: Hoofdverantwoordelijke in Warmtepompen

Werking en Toepassing

R410A is een synthetisch koudemiddel dat ontwikkeld is om te voldoen aan de stijgende wensen qua energie-efficiëntie en milieubesparing. Het bestaat uit een mengsel van twee fluorchloorkoolwaterstoffen, namelijk R32 en R125, en komt vwoor in kleine tot middelgrote warmtepompen, vanaf verwarmingseenheden van 1 tot 12 kilowatt.

Het kookpunt van R410A ligt lager dan -10°C, wat het geschikt maakt voor gebruik in laag temperatuur omgevingen. De kritische temperatuur van R410A is 71°C, wat duidt op de toepassingsgrens waarbij het medium in een superkritische fase terechtkomt en geen faseverandering meer kan ondergaan.

Efficiëntie en Werdruk

R410A heeft een COP (Coefficient of Performance) van typisch 3.5 tot 4.5 bij normale buitentemperaturen (zoals 7°C boven nul), afhankelijk van de gewenste opwarmtemperatuur van het water. De drukken in het systeem zijn aanzienlijk hoger dan bij R22, wat technische vereisten met zich meebrengt. De compressor benodigt bijvoorbeeld meer energie én zijn constructie dient zwaarder uitgevoerd te worden.

Veiligheid en Veiligheidsrichtlijnen

R410A is niet brandbaar, maar wél schadelijk bij inademing of aanraking. Het heeft een GWP van 2088, wat hoger is dan bijvoorbeeld bij R32 en minder gunstig is voor het klimaat, zeker bij lekkages.

Toepassing in Warmtepomp RP035

Hoewel geen expliciet verwijzing is gedaan naar de warmtepomp RP035 in de bronnen, zijn er voldoende parallellen met andere RP-serie modellen of air-to-water warmtepompen. In dergelijke toepassingen is R410A nog steeds het meest gebruikte koudemiddel vanwege: - Hoog niveau van energie-efficiëntie - goede beschikbaarheid en stabiliteit van de werkdruk - compatibiliteit met meeste moderne systemen

Een warmtepomp die 2,5 kg R410A bevat, kan over een levensduur van 15 jaar ongeveer 5% per jaar weglekken, wat leidt tot een emissie van 5220 kg CO2 equivalent (gerekend over 15 jaar, met 2500 kg koudemiddel, 5% lek = 375 kg lek in 15 jaar).

R32: Een Energie-efficiënt Alternatief

Werking en Toepassing

R32 is een eencomponent koudemiddel dat door zijn goede thermodynamische eigenschappen steeds meer in koudetechnische toepassingen zoals warmtepompen wordt toegepast. Deze HFK (hydrofluorcarbon) vormt een directe vervanging voor huidige systemen en zorgt voor hogere efficiëntie bij lage temperaturen.

Een belangrijk voordeel van R32 is dat het een lager GWP (675) heeft dan R410A of R407C. Bovendien is het niet ontvlambaar, wat een veiligheidsvoordeel biedt.

Het kookpunt van R32 is rond -50°C tot 50°C afhankelijk van druk, wat het zeer goed geschikt maakt voor buitentemperaturen die kunnen dalen tot onder nul. De kritische temperatuur ligt ver boven het gebruikelijke toepassingsgebied van warmtepompen, rond de 78°C, wat betekent dat fasesprongen nog steeds zinvol zijn omwarmte over te dragen.

Werkdruk van R32

De werkdrukken zijn iets lager dan bij R410A, wat kan leiden tot een lager benodigd slagvolume van de compressor. Hierdoor is de investering lager, terwijl het rendement (SCOP of sezonale COP) vergelijkbaar is.

In termen van lekverlies blijkt uit gegevens dat een warmtepomp met R32 en 2,5 kg koudemiddel over 15 jaar circa 75% lekt, waarna er alleen nog maar 375 gram of 375.000 gram verloren is. Dit vertaalt zich in een CO2-emissie van 251.250 kg, wat een CO2-winst van ongeveer 44% (ten opzichte van een conventionele warmtepomp met hoge GWP-waarde) oplevert.

Veiligheid en Installatie

R32 is niet ontvlambaar, dus voldoet niet aan de strengere installatie-richtlijnen zoals NPR-7600, die gelden voor bijvoorbeeld R600a of R600. Dit maakt het voor gebruikers en installateurs minder risicovol, maar het is niet zonder voorzichtigheid te hanteren. De kritische temperatuur en de fasesprong zijn belangrijk om de warmtewisselaar en de compressie-technologie (bijvoorbeeld scroll of schroefcompressor) geschikt te kiezen.

R407C: Schakeloptie met Milieubevordering

Werking en Toepassing

R407C is een koudemiddelmengsel dat vaak wordt ingezet als vervanger van R22. Het bestaat uit: - R32: ca. 30% - R125: ca. 25% - R134a: ca. 45%

Dit mengsel zorgt voor een goede compatibiliteit met oudere systemen en heeft een aanzienlijk lager GWP (1.810) dan R410A. Omdat het kookpunt van R407C lager ligt dan R22, kan het bij lagere temperaturen werken, wat ideaal is voor warmtepompen die water tot maximaal 60°C moeten opwarmen.

De kritische temperatuur van R407C ligt ruim onder die van R410A, ongeveer boven 84°C, waardoor het niet geschikt is voor hoge temperatuur toepassingen (zoals industriële warmtepompen). Het is het meest gebruikt in gemiddelde-temperatuur warmtepompen, zoals die in huishoudelijke verwarmingsinstallaties (heating, cooling en tapwateropwarming).

Werkdruk in Huidige Warmtepompen

Hoewel de werkdruk van R407C lager is dan R410A, is het niet compatibel met R22-systeemsmateriaal. Het is daarom niet toegestaan om R407C bij te vullen in een systeem dat met R22 werd uitgevoerd. Dit is belangrijk bij service- en inspectiewerkzaamheden in oude installaties.

Milieuimpact

Zoals vermeld in de tekst, brengt R407C een lagere CO2-emissie per jaar met zich mee. Over een levensduur telt dit op tot een aanzienlijke CO2-reductie. Het schadelijke GWP-effect is relatief laag, maar vanwege de combinatie van drie stoffen is de impact moeilijk te verhulpen met hergebruik of lekkages.

R600a en R600: Brandbare Alternatieven

Werking en Toepassing

R600a (isobutaan) en R600 (butaan), die beiden natuurlijke koudemiddelen zijn, voldoen aan de eisen voor milieuvriendelijke werkmiddelen. Beide stoffen hebben een GWP van 3 en ODP van 0.

R600a is populaire in lage vermogensinstallaties zoals koelkasten en is ook geschikt voor warmtepompen die water opwarmen tot 80°C of meer. De kritische temperatuur is 134°C, waardoor het geschikt is voor industriële toepassingen.

Veiligheid en Installatie

Voor zowel R600a en R600 geldt dat ze brandbaar en explosief kunnen zijn onder bepaalde voorwaarden. Daarom is compliance met NPR-7600 verplicht. Deze richtlijn schrijft onder meer toe dat: - Alles in het systeem geïsoleerd dient te zijn - Er geen brandgevaar kan zijn bij lekkages - Installatie en sloop uitgevoerd moeten worden door geaccrediteerde specialisten

Deze richtlijnen maken de installatie en service van warmtepompen met R600a of R600 technisch iets lastiger en durend, maar voor professionals en installateurs is het geen onoverkomelijk probleem.

NH3 (R717) en CO2 (R744): Industriële Alternatieven

NH3 (Ammoniak)

• Toepassing: NH3 is hoofdzakelijk gebruikt in industriële koelingssystemen.
• GWP: 0 (Natuurlijk, geen broeikaseffect).
• Kritische temperatuur: 133°C
• Verdeelpunt: -33°C
• Efficiëntie: Hoog, eenvoudig in gebruik bij temperaturen onder 90°C.
• Nadelen: giftig en reukbaar. Bij kleinste lekkage is er snel waarschuwing mogelijk, maar vereist gezondheidsmaatregelen.

Noodzakelijk is dat er voor systemen met NH3 een toepassing voldoet aan de richtlijnen van PGS-13, waaronder veiligheid, detectie, isolatie en sloop.

CO2 (R744)

• Toepassing: Zowel in koel- als vriessystemen. Wordt ook gebruikt in combinatie met NH3 compressoren.
• GWP: 0 (natuurlijk gas).
• Brandbaarheid: Nee.
• Efficiëntie: Afhankelijk van compressie-technologie.

CO2 is in hoge temperaturen in supercritische zones toepasbaar, maar vereist sterke compressie- en aanvoersystemen. Over het algemeen wordt CO2 gebruikt in klimaatbeheersingssystemen en industriële koeling.

CO2-besparing Over de Levensduur van een Warmtepomp

R410A in een 9 kW Warmtepomp

Over een levensduur van ca. 15 jaar blijkt dat gemiddeld een 9 kW warmtepomp met 2,5 kg R410A: - Tot 75% weglekt - 2500 kg * 2088 GWP = 5220 kg CO2 - In de regel bij een elektriciteitsrendement van 69% over een stookseizoen = ca. 1546 kg CO2 besparing per jaar - Netto besparing is 1198 kg per jaar = 44% klimaatbesparing

R32 in hetzelfde Systeem

Met R32 (675 GWP) en hetzelfde koudemiddelvolume (2,5 kg) en hetzelfde lekpercentage (5% per jaar, 375 gram lek over 15 jaar): - 2,5 kg * 675 = 1687,5 kg = 1687,5 kg CO2-emissie - Stookseizoonsverbruik: 1546 kg per jaar (identiek) - Netto besparing is 1546 - 1687,5 = -141,5 kg CO2 per jaar

Een negatief getal duidt op netto uitstoot, maar deze is significant lager dan met R410A.

Bij een verminderde lekpercentage (bijvoorbeeld 2% in plaats van 5%) wordt het netto resultaat gunstiger. Dit benadrukt de belangrijkheid van goede installatie- en servicepraktijken bij het gebruik van koudemiddelen.

Conclusie

In de warmtepompindustrie worden verschillende koudemiddelen toegepast, elk met hun eigen voor- en nadelen. Voor warmtepompen als de RP035 en vergelijkbare air-to-water-modellen speelt R410A nog altijd een centrale rol vanwege efficiëntie, maar wordt deze geleidelijk vervangen door R32 en R407C. Beide latteren bieden een lager milieueffect zonder significant toegevoegde complicaties in termen van installatie of werking.

De veiligheid en milieubesparing is overtuigend bij moderne HFK’s zoals R32, terwijl alternatieven zoals R600a en R717 (NH3) gunstig zijn voor hoge efficiëntie en zero-GWP, maar meer gestandaardiseerde installaties en hoge kennis eisen.

Industriële toepassingen zullen vermoedelijk steeds vaker kiezen voor koudemiddelen met GWP = 0, zoals NH3 en CO2. In huishoudelijke toepassingen zal de overstap naar R32 en R407C vooral beslissend worden bij de uitstootreductie en milieubesparing.

Voor installateurs, ingekoperen en gebruikers geldt: een aandachtige analyse van het koudemiddel in combinatie met systeemparameters leidt tot langdurige winst, zowel op kostenniveau als op CO2.

Bronnen

1. Warmtepompkoelmiddel: soorten en tips
2. Werkingsprincipes van werkmiddelen
3. Evaluatie koudemiddelen in warmtepompen