De Technische Werking van Warmtepompen: Duurzame Verwarming via Thermodynamische Processen

Published by Redactie on november 1, 2025 | Category warmtepomp

Inleiding

Warmtepompen vertegenwoordigen een revolutionaire benadering van verwarmingstechnologie, gebaseerd op fundamentele thermodynamische principes. Deze systemen werken volgens hetzelfde natuurkundige principe als een koelkast, maar dan in omgekeerde richting. Waar een koelkast warmte onttrekt aan de binnenkant en deze naar buiten afvoert, haalt een warmtepomp juist warmte uit de omgeving en gebruikt deze voor het verwarmen van woonruimtes. De werking van warmtepompen is gebaseerd op een continu proces in een gesloten lus waarbij vier essentiële stappen plaatsvinden: verdamping, compressie, condensatie en expansie van een koudemiddel. Deze technologie biedt een duurzame oplossing voor verwarming en warmwaterbereiding, waarbij verschillende bronnen van omgevingswarmte kunnen worden benut, waaronder lucht, grondwater en bodemwarmte.

Fundamentele Werking van de Warmtepomp

Het Omgekeerde Koelkast Principe

De werking van een warmtepomp kan het beste worden begrepen door deze te vergelijken met een koelkast, maar dan in omgekeerde richting. Bij een koelkast wordt warmte onttrokken aan de binnenkant van het apparaat en afgevoerd naar buiten om de interne ruimte te koelen. Een warmtepomp daarentegen haalt warmte uit de omgeving buiten het huis en gebruikt deze om leefruimtes te verwarmen. Dit proces is mogelijk dankzij een gesloten kringloop waarin een koudemiddel continu circuleert en warmte-energie opwekt via thermodynamische processen.

De essentie van dit proces ligt in het feit dat warmtepompen warmte opnemen bij lage temperatuur aan de bronzijde en deze afgeven bij verhoogde temperatuur aan de afgiftezijde. Dit gaat natuurlijk niet vanzelf, waardoor er altijd een vorm van arbeid aan te pas moet komen, geleverd door een compressor die elektriciteit verbruikt. Het is deze compressor die ervoor zorgt dat warmte kan worden gehaald uit verschillende bronnen zoals grond, lucht of water.

De Vier-Stappen Warmtepompcyclus

De warmtepompcyclus bestaat uit vier verschillende fasen, waarbij elke fase zijn eigen essentiële element heeft:

Stap 1: Verdamping In de verdamper wordt de warmte uit de omgeving overgedragen aan het warmtepompcircuit. Een koudemiddel is verantwoordelijk voor het absorberen en transporteren van de warmte-energie. Het absorbeert de omgevingswarmte in vloeibare toestand, waardoor het verdampt en gasvormig wordt. De verdamper zorgt voor de lagere druk, zodat de warmte uit de omgeving kan worden gehaald. Wanneer de vloeistof verdampt, slaat deze de warmte op.

Stap 2: Compressie In een door stroom aangedreven compressor wordt het gasvormige koudemiddel samengeperst, waardoor de druk en temperatuur sterk toenemen. De compressor zorgt voor de hogere druk en zuigt de gassen uit de verdamper. Nadien drukt dit element de vloeistof samen waardoor de temperatuur stijgt. Dit principe kan worden vergeleken met een fietspomp, die opwarmt als je lucht oppompt. Vandaar dat de term "pompen" ook in verband kan worden gebracht met een warmtepomp. Deze compressor verbruikt elektriciteit en is het element dat ervoor zorgt dat de warmte uit de grond, lucht of het water wordt gehaald.

Stap 3: Condensatie Wanneer de temperatuur is gestegen tot het kookpunt, zal de damp condenseren en terug vloeibaar worden. De condensor staat in voor dit condenseren. In deze fase wordt de warmte afgegeven aan het afgiftesysteem, waardoor het koudemiddel zijn warmte overdraagt aan het verwarmingssysteem van de woning.

Stap 4: Expansie Het expansieventiel zorgt ervoor dat het koelmiddel opnieuw terugkeert naar lagere druk, waardoor dit opnieuw gasvormig wordt en de cyclus kan herbeginnen. Door de druk te laten zakken via het vergroten van de ruimte voor het koudemiddel wordt het kookpunt verlaagd, waardoor het proces opnieuw kan starten.

Het Gesloten Kringloop Systeem

Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop. Dit betekent dat het koudemiddel continu in een gesloten systeem circuleert, waarbij de vier stappen zich herhalen om continu warmte-energie op te wekken. Het meest voorkomende principe bij warmtepompen werkt door een vloeistof bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. In het eerste geval moet het kookpunt worden verlaagd en in het tweede geval worden verhoogd.

Werking per Type Warmtepomp

Lucht-Water Warmtepompen

Bij een lucht/water warmtepomp dient de buitenlucht als energiebron. De werking van de lucht/water warmtepomp volgt hetzelfde schema als alle andere warmtepompen, waarbij een koudemiddel de omgevingswarmte absorbeert. In een lucht/water warmtepomp wordt omgevingslucht aangezogen door een ventilator. De lucht gaat vervolgens door een warmtewisselaar, waar het koudemiddel verdampt. Het gas dat hierdoor ontstaat wordt samengeperst door de compressor, waardoor warmte ontstaat die wordt afgegeven aan het afgiftesysteem.

Een bepalende factor in dit proces is de temperatuur van de energiebron. De luchttemperatuur is niet constant, maar verandert met het seizoen. Hierdoor ontstaan temperatuurverschillen die het warmtepompsysteem moet compenseren. Hoe kouder de buitenlucht die wordt aangezogen, hoe meer de temperatuur in het koudemiddelcircuit moet worden verhoogd, zodat de energie gebruikt kan worden voor de productie van verwarming en warm water.

Bij temperaturen onder het vriespunt kan er nog vrij slim energie worden onttrokken, maar als de temperatuur verder daalt, daalt toch het rendement van de warmtepomp. Dit betekent dat lucht-water warmtepompen bij lagere temperaturen minder efficiënt werken.

Geothermische en Bodem-Water Warmtepompen

De werking van een geothermische warmtepomp is gebaseerd op het principe van geothermische energie. Dit verwijst naar de thermische energie die in de bodem is opgeslagen. De bodem warmtepomp gebruikt thermische energie uit de bodem als energiebron. De functie van bodem warmtepomp wordt mogelijk gemaakt door bodemsondes of bodemcollectoren. Deze sondes en collectoren onttrekken warmte aan de ondergrond en zetten deze in de warmtepompcyclus om in bruikbare energie voor verwarming en warmwaterbereiding.

Om de geothermische energie aan te boren, zijn grondwerken of diepe boringen nodig. De temperatuur van de energiebron is cruciaal voor de efficiëntie en de werking van een warmtepomp. In de bodem is de temperatuur het hele jaar door relatief constant, waardoor de geothermische warmtepomp bijzonder efficiënt werkt.

Water-Water Warmtepompen

Water-water warmtepompen onttrekken warmte uit het grondwater aan de hand van twee boorputten. Deze putten zitten tussen 25 en 150 meter diep, afhankelijk van de bodemsamenstelling. De ene put is een pompput die het grondwater oppompt en naar de verdamper leidt. Het grondwater geeft daar zijn warmte aan het systeem af. Het gekoelde water gaat vervolgens via de retourput opnieuw naar de grond.

Hybride Warmtepompen

Een hybride warmtepomp is een combinatie van een lucht-water warmtepomp en een hoogrendementsketel op gas. De warmtepomp onttrekt daarbij warmte aan de lucht en warmt daarmee het cv-water op om de woning te verwarmen. Als de warmtepomp niet voldoende warmte kan leveren omdat het buiten erg koud is, schakelt het systeem over op de cv-ketel. Deze springt dan bij om het water op te warmen.

Winterwerking en Seizoensgebonden Efficiëntie

De werking van een warmtepomp in de winter brengt specifieke uitdagingen met zich mee, vooral bij lucht-water warmtepompen. De buitenlucht als warmtebron is onderhevig aan aanzienlijke temperatuurschommelingen, wat direct van invloed is op de efficiëntie van het systeem. Wanneer de buitentemperatuur daalt, moet de warmtepomp harder werken om dezelfde hoeveelheid warmte te leveren. Dit resulteert in een lager rendement en hoger energieverbruik.

Bij geothermische warmtepompen speelt dit probleem minder, omdat de bodemtemperatuur gedurende het hele jaar relatief constant blijft. Dit verklaart waarom geothermische systemen over het algemeen een hogere en constantere efficiëntie hebben gedurende alle seizoenen.

Technische Overwegingen en Toepassing

De effectiviteit van een warmtepomp hangt af van verschillende factoren, waaronder de isolatie van de woning. Een warmtepomp werkt het best in combinatie met goede isolatie. Het is belangrijk dat woningen redelijk geïsoleerd zijn voordat een hybride warmtepomp wordt geïnstalleerd, en goed geïsoleerd zijn voor een volledig elektrische warmtepomp.

De keuze tussen verschillende systemen hangt af van verschillende factoren, waaronder het type woning, de beschikbare ruimte voor installatie, de lokale grondwatercondities en de gewenste warmwatervoorziening. Elk systeem heeft zijn eigen specifieke voordelen en beperkingen, die afgewogen moeten worden tegen de lokale omstandigheden en behoeften.

Conclusie

De werking van warmtepompen is gebaseerd op bewezen thermodynamische principes die een efficiënte en duurzame manier bieden om woningen te verwarmen. Het fundamentele proces van verdamping, compressie, condensatie en expansie in een gesloten kringloop maakt het mogelijk om warmte uit verschillende bronnen te benutten. Hoewel verschillende warmtepompvarianten specifieke voordelen hebben, hangt de effectiviteit af van factoren zoals woningisolatie en lokale omstandigheden. De keuze voor een warmtepompsysteem moet gebaseerd zijn op een grondige evaluatie van deze factoren om optimaal rendement en duurzaamheid te garanderen.