6-TSO-IW-c
Warmtepompen
1
Warmtepompen deel 2 Inleiding Nu we weten hoe de warmtepomp werkt, zullen we de verschillende onderdelen onder de loep nemen. In dit deel wordt de functie van de verschillende onderdelen besproken, en hun rol in het thermodynamisch proces van een warmtepomp. Ook worden er verschillende toepassingen van warmtepompen besproken. 1 Onderdelen Onderstaande afbeelding is een schematische voorstelling van een warmtepomp. Hierop zijn de belangrijkste onderdelen van een warmtepomp te zien : de compressor, de condensor, het expansieventiel en de verdamper. De koelvloeistof vloeit door de leidingen die langs deze vier onderdelen lopen.
Figuur 1 : Schematische voorstelling van een warmtepomp 1.1 Koelmiddel het koelmiddel is een zeer belangrijk onderdeel van de warmtepomp. Ze zorgt voor de verbinding tussen de diverse onderdelen. De koelvloeistof zal warmte opnemen in de verdamper, deze transporteren en uiteindelijk afgeven in de condensor. Elk koelmiddel heeft zijn eigen code, op internet is eenvoudig te vinden welke code met welke stof overeenkomt. De keuze van een geschikte koelmiddel is zeer belangrijk. De koelvloeistof moet namelijk voldoen aan bepaalde eisen. Zo moet het koelmiddel zeker verdampen bij een temperatuur van 5 °C.
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
2
Figuur 2 : fasediagram vl-damp van een koelmiddel
De koelvloeistof kan bestaan uit één vloeistof, maar ook uit een mengsel van verschillende vloeistoffen. Een voorbeeld van een mengsel is R410A. het bestaat uit 50 % difluormethaan en 50 % pentafluorethaan.
Figuur 3 : structuurformule difluormethaan
Figuur 4 : structuurformule pentafluorethaan
Vroeger gebruikte men CFK’s, maar die zijn nu verboden. Die CFK’s of ook wel chloorfluorkoolwaterstoffen, bleken erg schadelijk voor de ozonlaag. Men is overgeschakeld naar HCFK’s, maar ook deze blijken schadelijk te zijn voor het milieu. Hoogstwaarschijnlijk gaat van termijn overschakelen op HFK’s. Dat zijn gehalogeneerde fluorkoolwaterstoffen, deze stoffen zijn onzonvriendelijke vervangproducten van de CFK’s. Bij deze stoffen zijn enkele waterstofatomen vervangen door een fluoratoom. Nu is de vraag of deze onschadelijk zijn. Uit een onderzoek van het Planbureau voor de Leefomgeving dat in 2009 gepubliceerd werd in een wetenschappelijk Amerikaans tijdschrift blijkt dat HFK’s ook schadelijk zijn. In 2050 zouden ze verantwoordelijk zijn voor 14 % van het broeikaseffect.
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
3
1.2 Verdamper In de verdamper van een warmtepomp wordt er warmte afgegeven door de omgeving. Met die warmte zal de koelvloeistof vanaf een temperatuur van ongeveer 5 °C verdampen. Het is belangrijk dat de koelvloeistof wordt oververhit zodat zeker alle vloeistofdruppels zijn verdampt. Vloeistofdruppels kunnen de compressor heel wat schade aanrichten. Als verdamper wordt meestal een platenwarmtewisselaar gebruikt. Deze neemt veel minder plaats in dan een buizenwarmtewisselaar. Op die manier kan er plaats worden bespaard.
Figuur 5 : Schematische voorstelling van een platenwarmtewisselaar Een platenwarmtewisselaar bestaat uit dunne, geribbelde platen die in een frame tegen elkaar worden gedrukt. Om ze op hun plaats te houden zijn ze ofwel voorzien van een pakking, ofwel worden ze met hun randen aan elkaar gelast. Het water loopt door welbepaalde buizen, de koelvloeistof loopt door de andere buizen. Wanneer er een temperatuurverschil ontstaat tussen beide netwerken, wordt er warmte overgedragen via de platen van de warme vloeistof ( het water ) naar de koudere vloeistof ( de koelvloeistof ). Deze warmteoverdracht gebeurt via geleiding. 1.3 Compressor Een warmtepomp heeft slecht voor een kwart van haar verbruik extra energie nodig. Driekwart van de warmte die ze nodig heeft wordt gratis uit de lucht gehaald. Het overblijvende kwartje is elektrische energie die wordt verbruikt door de compressor. De compressor is dan ook het enige onderdeel dat elektrische energie verbruikt. Doordat de koelvloeistof is verdampt is de verdamper, heeft die veel warmte opgeslagen, maar wel bij een lage temperatuur. De compressor zal het gas aanzuigen uit de verdamper en het op een hogere druk brengen. Door de druk te verhogen zal ook de temperatuur verhogen. Op die manier wordt een damp verkregen waarin veel warmte is opgeslagen bij hoge temperatuur. De druk moet verhoogd worden van 2 bar naar 12 bar. Hiervoor wordt een Scroll-compressor gebruikt.
Figuur 6 : Werking van een Scroll-compressor
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
4
Door het ronddraaien van de binnenste spiraal ( bruin ) en het stilstaan van de buitenste ( grijs ) ontstaat er in toestand 1 een onderdruk in de compressor. Hierdoor wordt er gas aangezogen. Vervolgens zal van toestand 2 tot en met 4 het gas worden samengeperst. In toestand 5 is het gas op de gewenste druk ( 12 bar ) en dan laat men het gas weg langs leidingen op weg naar de condensor. De Scroll-compressor heeft enkel voordelen: Er zijn geen zuig- en perskleppen nodig en door de continu compressie zijn de drukverliezen minimaal. De pers- en aanzuiggassen zijn gescheiden van elkaar. Weinig geluidshinder. Doordat er weinig bewegende delen zijn, treedt er weinig slijtage op aan de oppervlakken van de spiraal. Daardoor is deze compressor zeer betrouwbaar. Het enige nadeel aan de Scroll-compressor is dat hij niet regelbaar is en daarom enkel toepasbaar is bij kleine systemen tot 20 kW compressorvermogen. 1.4 Condensor Eens het gas met een zeer hoge temperatuur in de condensor komt, zal het condenseren. Dit komt doordat het door een warmtewisselaar loopt waar in een ander netwerk een andere vloeistof loopt met lagere temperatuur. De condensatiewarmte van de koelvloeistof wordt afgegeven aan de vloeistof in het andere netwerk. Deze vloeistof stijgt in temperatuur en kan nu worden gebruikt als warmtebron voor bijvoorbeeld vloerverwarming ,… Als warmtewisselaar wordt weer een platenwarmtewisselaar gebruikt. Dit heeft dezelfde redenen als bij de verdamper : plaats besparen.
Figuur 7 : Condensor met platenwarmtewisselaar 1.5 Expansieventiel Wanneer de koelvloeistof de condensor verlaat, is de druk nog zeer hoog. Die druk moet worden verlaagd en dat gebeurd in het expansieventiel. De druk wordt verlaagd tot het drukniveau van de verdamper. Meestal wordt er een smoorkraan gebruikt omdat er dan geen arbeid vrijkomt. Het expansieventiel is in feite een vernauwing in de leiding, waardoor er een drukverschil ontstaat. Het is te vergelijken met de overgang van 2 naar 3 rijstroken op een autosnelweg. Op de 2 rijstroken gaat het traag en ontstaat er file. Het is druk. Maar wanneer de baan overgaat in 3 rijstroken begint het
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
5
verkeer weer sneller te bewegen en is het minder druk. De koelvloeistof loopt nu terug naar de verdamper en de cyclus begint opnieuw. 2. Toepassingen 2.1. Vloerverwarming Bij vloerverwarming worden de buizen onder de vloer gestoken. In deze buizen zit warm water. Dit water is opgewarmd door een warmtepomp. Dit kan op 2 manieren gebeuren. Een droog systeem dat in de isolatie van de vloer zit. Of een nat systeem waarbij de buizen rechstreeks in de chape zit. De voordelen van vloer isolatie is dat je het bijna niet moet onderhouden i.v.m. een radiator. Het pakt ook veel minder plaats in. Het nadeel van vloerverwarming is dat het gebouw traag opwarmt en dat het ook traag afkoelt.
Figuur 8 : vloerverwarming
2.2. Wandverwarming Bij wandverwarming is het principe ongeveer het zelfde. Behalve dat de buizen niet in de vloer zitten maar in de muur. Deze buizen worden achteraf weggewerkt met de afwerking van de muur. Het nadeel hiervan is dat je geen dingen aan demuur mag ophangen of meubels voorzetten. Dit komt omdat ervoor kan zorgen dat het rendement veel lager ligt dan normaal. Het positieve hiervan is dat het rapper opwarmt en afkoelt dan vloerverwarming.
Figuur 9 : muurverwarming
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
6
2.3. Zwembad verwarming Bij een zwembad wordt meestal een warmtepomp gebruikt die zijn warmte uit de lucht haalt. Dit soort warmtepomp kan van relatief lage temperaturen het zwembad verwarmen tot voldoende warme temperaturen. Meestal wordt het zwembad opgewarmd tot een 30°C à 32°C. Dit kan zeer makkelijk behaalt worden als de buitentemperatuur tussen dan 10°C en 25°C is. Natuurlijk als de buitentemperatuur groter is dan 25°C is het nietmeer nodig om het zwembad op te warmen. Als de opwarming s’nachts kan gebeuren is dit natuurlijk beter omdat er kan geprofiteerd worden van de lage prijzen van het nachttarief.
Figuur 10 : zwembadverwarming
3. Is een warmtepomp iets voor u? De installatie van een verwarmingssysteem met warmtepomp vraagt een grondige voorbereiding. Om de haalbaarheid ervan te toetsen, is het belangrijk om u vooraf goed te informeren. Dit stappenplan helpt u alvast op weg. 3.1 Nieuwbouw Bij nieuwbouw met doorgedreven isolatie ( lage-energiewoningen ) is een warmtepomp altijd interessant. Een zorgvuldig aangebrachte isolatieschil zorgt ervoor dat de warmtepomp optimaal kan renderen en het vermogen niet al te groot moet zijn. Advies van een energiebewust architect, die uw woning zó ontwerpt dat een warmtepomp volstaat, zonder hulp van een ander verwarmingstoestel, is altijd handig. 3.2 Bestaande woning In een bestaande woning is een warmtepomp geschikt, op voorwaarde dat de woning grondig wordt geïsoleerd en dat de ventilatieverliezen beperkt worden. Bij renovatie is een luchtwaterwarmtepomp vaak een optie. Graafwerken zijn overbodig waardoor de tuin netjes blijft. Er moet worden geïnformeerd of de bestaande radiatoren volstaan. De oppervlakte van de radiatoren moet immers voldoende groot zijn om met een relatief lage watertemperatuur ( 30 tot 55 °C ) toch nog voldoende warmte afgeven. Met te weinig of te kleine radiatoren zal de warmtepomp meer energie verbruiken en een lager rendement hebben.
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
7
3.3 Checklist 3.3.1 Is de woning voldoende geïsoleerd? Zorg eerst voor een goed geïsoleerde, geventileerde en luchtdichte woning. Het heeft weinig zin om een verwarmingsysteem op lagere temperatuur te installeren als het dak, de buitenmuren, de vloer en ramen onvoldoende zijn geïsoleerd. Met een degelijke isolatie van de bouwschil worden de warmteverliezen beperkt waardoor de warmtepomp energiezuinig kan presteren. Hou naast warmteverliezen via materialen ook rekening met ventilatieverliezen. 3.3.2 Zijn de bestaande radiatoren voldoende groot? Een warmtepomp rendeert het best in combinatie met een groot warmteafgiftesysteem zoals vloerof muurverwarming. Bestaande radiatoren zijn vaak te klein om voldoende warmte af te geven. Het vermogen van uw warmtepomp, het afgiftesysteem en de warmtevraag moeten op elkaar zijn afgestemd. Die berekening is de taak van een gespecialiseerde installateur. 3.3.3 Overweeg welk warmtepompsysteem geschikt is Welk systeem het best bij de woning past, hangt onder meer af van het soort woning ( nieuwbouw of bestaande woning ), de beschikbare onbebouwde grondoppervlakte en de bodemsamenstelling. 3.3.4 Raadpleeg een erkend koeltechnisch installateur Bespreek met een specialist de mogelijkheden en bekijk welk warmtepompsysteem voor de woning het beste rendement levert. Het juiste vermogen van de warmtepomp is cruciaal om geld en energie te besparen. Laat bij voorkeur het complete systeem ( bron, warmtepomp, afgifte, regeling ) door één bedrijf uitvoeren. 3.3.5 Ga na of de bestaande elektriciteitsaansluiting voldoende zwaar is Het is handig om de persoonlijke verdeler te raadplegen. Die weet of de huidige elektriciteitsaansluiting al dan niet moet worden verzwaard. TIP Vóór er een geschikt warmtepompsysteem wordt gekozen, is het belangrijk om, samen met een vakman, de capaciteit van de warmtepomp te bepalen. Tijdens de winter moet de warmtepomp bij een buitentemperatuur van -2°C in staat zijn om voldoende warmte af te geven in de woning, zonder bijkomende hulp van een ( ingebouwd ) elektrisch verwarmingselement. 4. Nieuwe normen vanaf 2014 Vanaf 1 januari 2014 wordt de energieprestatieregelgeving weer aangescherpt. Het E-peil wordt dan vastgelegd op maximaal E60 in plaats van E70. Elke nieuwbouw of grondige renovatie, waarvoor er vanaf 1 januari 2014 een bouwaanvraag wordt ingediend, moet bovendien voorzien zijn van een hernieuwbaar energiesysteem ( PV-installatie, zonneboiler, warmtepomp ... ) óf een 10% lager E-peil halen ( E54 in plaats van E60 ).
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
8
4.1 E-peil Het E-peil drukt de globale energieprestatie uit van een woning. Hoe lager het E-peil, hoe minder energie een woning nodig heeft voor ruimteverwarming, productie van sanitair warm water, elektriciteit, ... 5. Veel gestelde vragen over warmtepompen Nu we weten wat een warmtepomp is en hoe ze werkt, zijn er toch nog een aantal handige weetjes. Er worden vaak dezelfde vragen gesteld door mensen die een warmtepomp willen aanschaffen. Vandaar staan hier de veelvoorkomende vragen over warmtepompen. 5.1. Welke verwarmingssystemen zijn geschikt voor een warmtepomp? Alle verwarmingssystemen die werken met water op lage temperatuur (< 55° C), zijn geschikt voor een warmtepompsysteem. Daartoe behoren: vloeren wandverwarming, ventiloconvectoren, maar ook oude installaties met grote radiatoren, op voorwaarde dat bij renovatie voldoende wordt geïsoleerd. 5.2. Kan een warmtepomp worden aangesloten op een bestaande verwarmingsinstallatie? In principe wel, maar een analyse van de bestaande verwarmingsinstallatie door een vakman is zeker nodig. Bij renovatie is het in de praktijk soms onmogelijk om warmte aan de aarde te onttrekken. In dat geval kan een lucht-waterwarmtepomp een oplossing bieden. De warmtepomp neemt dan ongeveer 90 % van uw jaarlijkse warmtebehoeften voor haar rekening. De resterende 10 % (als het extra koud is buiten) worden elektrisch of met een bestaande stookketel aangevuld. 5.3. Wat zijn de voor- en nadelen van een lucht-luchtwarmtepomp? Deze warmtepomp haalt warmte uit de buitenlucht en blaast verwarmde lucht de woning in. Er zijn geen vloerverwarming of radiatoren nodig, wel een binnenunit met ventilator en luchtkanalen naar de verschillende leefruimten. De voordelen van een lucht-luchtsysteem zijn de snelle reactietijd, de mogelijkheid om de circulaire lucht te filteren en/of deels te verversen en het vochtgehalte bij te sturen. Minpunt is het tochtgevoel dat de luchtverplaatsingen in de winter teweegbrengen. Dat vergt meteen ook een hogere ruimtetemperatuur (tot 24°C). Omdat de wanden niet direct worden verwarmd, voelen ze koud aan. Naast dat comfortverlies moet er ook rekening met worden gehouden met een lagere COP- en SPF-waarde en een hoger energieverbruik, zeker bij permanente verwarming. In de zomer kan een lucht-luchtwarmtepomp omgekeerd werken als airco, maar dat heeft een negatieve impact op de energieprestatie van uw woning. 5.4. Kan een woning volledig worden verwarmd met een warmtepomp? In een goed geïsoleerde (K35 of lager) en luchtdichte woning, is verwarming met een warmtepomp perfect mogelijk. 5.5. Is er een schoorsteen nodig voor een warmtepomp?
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
9
Neen, voor een aardgaswarmtepomp volstaat een rookgasafvoer via de buitenmuur. Dat betekent bij een nieuw te bouwen woning een behoorlijke besparing. De woning kan zó worden ontworpen dat een warmtepomp volstaat, zonder hulp van een bijkomend verwarmingstoestel.
5.6. Hoe groot is een warmtepomp eigenlijk? Voor huishoudelijk gebruik is de omvang van een warmtepomp vergelijkbaar met die van een doorsnee aardgasketel. 5.7. Maakt een warmtepomp veel lawaai? Neen, een warmtepomp maakt evenveel geluid als een diepvriezer. 5.8. Hoelang gaat een warmtepomp mee? Er mag gerekend worden op gemiddeld 30 000 warmte-uren. Een warmtepomp gaat dus gemakkelijk 20 jaar mee. De levensduur is vooral afhankelijk van de compressor. Kies bij voorkeur een compressor met traploze regeling, waardoor de warmtepomp nauwelijks start of stopt. Ze verbruiken niet alleen minder energie maar gaan langer mee dan toestellen die aan en uit moet worden geschakeld. 5.9. Is een warmtepomp voordeliger dan een aardgas- of stookolieketel? De jaarlijkse verbruikskost van een warmtepomp kan veel lager liggen dan bij een verwarmingsinstallatie op stookolie of aardgas. Hier tegenover staat dat de investeringskosten een geothermische warmtepomp veel hoger ligt. De kostprijs kan enorm variëren naargelang het type warmtepomp. Vraag daarom verschillende offertes op bij gespecialiseerde firma's. Een voorbeeld: een geothermische warmtepomp (COP 4,7) met verticaal buizenstelsel, heeft een terugverdientijd van minder dan 10 jaar. Nadien bedraagt de verwarmingskost - enkel het elektriciteitsverbruik - gemiddeld 570 euro per jaar (± 3 000 kWh x 0,19 euro/kWh). 5.10. Hoeveel wordt er bespaard met een warmtepomp? Een geothermische warmtepomp met COP4 die volledig autonoom kan instaan voor uw woningverwarming, levert voor elke kWh elektriciteit die de compressor verbruikt, 4 kWh nuttige warmte. 75 % van de warmte is dus gratis! 5.11. En de ecologische voetafdruk? Die wordt kleiner! Een warmtepomp zorgt immers voor 50 % minder C02-uitstoot dan een stookolieketel, 40 % minder dan een aardgasketel en 30 % minder dan een condensatieketel.
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
6-TSO-IW-c
Warmtepompen
10
Besluit Een warmtepomp bestaat uit vijf belangrijke onderdelen. De koelvloeistof, de verdamper, de compressor, de condensor en het expansieventiel. In de verdamper verdampt de koelvloeistof en neemt ze warmte op. In de compressor wordt het gevormde gas samengeperst waardoor het stijgt in temperatuur. In de condensor zal het gas dan verdampen waarbij er warmte wordt afgegeven en uiteindelijk zorgt het expansieventiel ervoor dat de druk van de koelvloeistof terug daalt waardoor de cyclus opnieuw kan worden doorlopen. Bibliografie Wetenschappelijk project warmtepompen, Onderdelen warmtepomp, http://telescript.denayer.wenk.be/2006-07/m1a/public_html/onderdelen.html, 11 februari 2013 ZONNE-PANEEL.net, Wat zijn de belangrijkste delen van een warmtepomp?, http://www.zonne-paneel.net/warmtepomp/onderdelen-van-een-warmtepomp , 11 februari 2013 Gasterra, Expansieventiel, http://www.gaswarmtepompboek.nl/5-2-4-expansieventiel/, 12 februari 2013 Livios, Het E- en K-peil, http://www.livios.be/nl/_build/_dura/_ener/7027.asp , 8 maart 2013 Figurenlijst Figuur 1 Figuur 2 Figuur 3 Figuur 4 Figuur 5 Figuur 6 Figuur 7 Figuur 8 Figuur 9 Figuur 10
Schematische voorstelling van een warmtepomp fasediagram vl-damp van een koelmiddel structuurformule difluormethaan structuurformule pentafluorethaan Condensor met platenwarmtewisselaar Werking van een Scroll-compressor Schematische voorstelling van een platenwarmtewisselaar vloerverwarming Muurverwarming zwembadverwarming
Industriële Wetenschappen
Schooljaar 2012-2013
