Werkingsprincipe van de warmtepomp

Hoe werkt een warmtepomp?

De werking van een warmtepomp lijkt sterk op die van een koelkast. Terwijl een koelkast warmte-energie aan het voedsel, d.w.z. het interieur van de koelkast, onttrekt en naar buiten leidt, doet een warmtepomp het tegenovergestelde: ze onttrekt warmte-energie aan de omgeving buiten het gebouw en maakt deze bruikbaar voor verwarming in het interieur. Naast de binnen- of buitenlucht is een warmtepomp ook in staat om warmte-energie uit het grondwater en de bodem te onttrekken. En omdat de temperatuur van deze warmte meestal onvoldoende is om een gebouw of warm water te verwarmen, wordt het thermodynamische proces gebruikt.
 

De koelcyclus in detail

Ongeacht de warmtebron die wordt gebruikt om warmte op te wekken, is de koelcyclus, die in vier stappen plaatsvindt, altijd een onderdeel van de functie van de warmtepomp.

1. Verdampen

Om een vloeistof te kunnen verdampen, moet energie worden geleverd. Dit is zeer goed waarneembaar bij water. Als een pot water tot 100 graden Celsius wordt verwarmd, begint het water te verdampen. Als dan thermische energie wordt toegevoegd, stijgt de temperatuur van het water niet verder. In plaats daarvan wordt het water volledig omgezet in stoom.

2. Gas comprimeren

Als een gas, bijvoorbeeld lucht, wordt samengeperst (de druk neemt toe), stijgt ook de temperatuur. U kunt dit ervaren door de opening van een fietsluchtpomp vast te houden en de lucht samen te drukken - de cilinder van de luchtpomp wordt warm.

3. Condenseren

Omdat er geen energie verloren kan gaan, komt bij condensatie van waterdamp de eerder voor de verdamping gebruikte warmte-energie weer vrij.

4. Ontspannen

Als de druk van een vloeistof onder druk plotseling wordt verlaagd, daalt de temperatuur vele malen. Dit is bijvoorbeeld te zien aan een fles vloeibaar gas in een campinggasfornuis. Als het ventiel wordt geopend, kan er zelfs in de zomer ijs op het ventiel van de vloeibare gasfles ontstaan. (Hier wordt de druk verlaagd van ongeveer 30 bar naar 1 bar)
 

Voortdurende herhaling van het proces

Deze processen vinden plaats in de warmtepomp in een gesloten circuit. Voor het warmtetransport wordt een vloeistof (koelmiddel) gebruikt, die zelfs bij zeer lage temperaturen verdampt. Om deze vloeistof te laten verdampen, wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van warmte-energie uit de grond of de buitenlucht. Zelfs temperaturen van min 20 graden Celsius zijn hiervoor voldoende. De koude koelmiddeldamp, bijvoorbeeld -20 graden Celsius, wordt dan zeer sterk samengeperst. Hij wordt verwarmd tot een temperatuur van 100 graden Celsius. Deze koelmiddeldamp condenseert en geeft de warmte af aan het verwarmingssysteem. De druk van het vloeibare koelmiddel wordt dan sterk verminderd. Hierdoor zakt de temperatuur van de vloeistof tot het beginniveau. Het proces kan opnieuw beginnen.
 

Het proces aan de hand van het voorbeeld van een lucht/water-warmtepomp

De meest eenvoudige manier om dit proces uit te leggen bestaat erin een lucht/water-warmtepomp als voorbeeld te nemen: Een lucht/water-warmtepomp kan uit één of twee eenheden bestaan. In beide gevallen zuigt een ingebouwde ventilator actief omgevingslucht aan en stuurt deze door naar een warmtewisselaar. De warmtewisselaar zelf wordt door een koelmiddel geleid dat zelfs bij zeer lage temperaturen zijn aggregatietoestand verandert. Bij contact met de omgevingslucht warmt het koelmiddel op en wordt het geleidelijk dampvormig. Een compressor wordt gebruikt om de resulterende warmte te verhogen tot de gewenste temperatuur. Hierdoor comprimeert de stoom en nemen zowel de druk als de temperatuur van de koelmiddeldamp toe.

Een andere warmtewisselaar (condensor) brengt vervolgens de energie van de verwarmde stoom over naar het verwarmingscircuit (vloerverwarming, radiator of verwarmingsbuffer of warmwaterboiler). Het koelmiddel, dat nog steeds onder druk staat, koelt af en wordt weer vloeibaar. Vooraleer het terug in het circuit kan stromen, wordt het koelmiddel eerst geëxpandeerd in een expansieklep. Eenmaal in de oorspronkelijke staat kan de koelcyclus opnieuw beginnen.

De afbeelding toont schematisch het compressieproces als onderdeel van de werking van de warmtepomp.

Compressie vereist elektrische stroom

Een essentieel onderdeel van het koelcircuit is de compressor. Zonder compressie zijn de begintemperaturen te laag om een gebouw tot een aangename temperatuur te verwarmen, vooral op zeer koude dagen wanneer de temperatuur onder -10 graden Celsius zakt.

In de praktijk worden verschillende compressoren gebruikt, waaronder zuigercompressoren en scrollcompressoren, die elektrisch aangedreven worden. Het stroomverbruik voor compressie is afhankelijk van heel wat factoren. Zo onder andere de verwarmingsbehoefte, de compressortechnologie en last but not least het temperatuurverschil tussen de warmtebron en het verwarmingssysteem. In principe geldt: hoe groter het temperatuurverschil tussen de warmtebron en de aanvoertemperatuur, hoe meer de compressor moet werken.

Warmtepompstroom verbetert de ecologische balans van een warmtepomp

Sinds enkele jaren overwegen elektriciteitsleveranciers ook speciale warmtepomptarieven aan met verbeterde voorwaarden. Verbruikers hebben hier twee keer voordeel bij: enerzijds beperken dergelijke tarieven de verwarmingskosten tot een minimum. Anderzijds wordt de elektriciteit meestal gegenereerd uit hernieuwbare energieën. Het is schone energie, wat het toch al goede ecologische evenwicht van een warmtepomp nog verder verbetert.