Een eerste kennismaking met aardwarmtepompen

Een eerste kennismaking met aardwarmtepompen  Auteur: N. Packer, Staffordshire University (VK), april 2011   . 

Samenvatting  Wat is een warmtepomp? Lijkt een warmtepomp op een gewone waterpomp?

 

Misschien een beetje, maar er zijn belangrijke verschillen.  Een waterpomp is een installatie die water van de ene plek naar de andere plek brengt.  Een warmtepomp is echter een installatie om energie van de ene plek (de warmtebron)  naar  een  andere  (de  warmteput)  te  brengen,  en  wel  door  zowel  de  druk  als  de  aggregatietoestand (vloeibaar/gasvormig) van een warmtemedium te veranderen.  Om dit beter te begrijpen hebben we een lesje thermodynamica (energiekunde) nodig.  

Verdamping en condensatie  Laten we eerst eens kijken naar water, een stof die we goed kennen.  Wij weten dat de toestand van water verandert van vloeistof in gas bij een temperatuur  van 100 oC bij atmosferische druk. We zeggen dan dat het verdampt of 'kookt'.  Als het water weer afkoelt tot onder de 100 oC bij atmosferische druk, condenseert het  weer tot vloeistof.  Als we nu de omgevingsdruk verhogen, wordt het moeilijker voor een watermolecuul  om los te raken van de andere moleculen. Daarvoor is dan extra energie nodig, en  daarom stijgt ook de kooktemperatuur naarmate de druk toeneemt.  Bij 2x atmosferische druk is het kookpunt van water bijvoorbeeld 120 oC.  Als de druk lager is dan de atmosferische druk, geldt het omgekeerde en zal water  gemakkelijker verdampen.   Bij 0,5x atmosferische druk kookt water al bij 81 oC.  Koelmiddelen zijn stoffen die zich ook op deze manier gedragen, behalve dat zij bij elke  willekeurige druk bij veel lagere temperaturen koken dan water.  Zo kookt het koelmiddel R‐134a al bij ‐26 oC bij atmosferische druk.  Waarom is het in dit verband nodig dat stoffen verdampen of condenseren?  Dat zit zo. Vergeleken met de energieoverdracht bij een eenvoudig temperatuurverschil  wordt er bij verdamping en condensatie veel meer warmte‐energie geabsorbeerd of  juist afgegeven. Van dit fenomeen wordt gebruik gemaakt in koelkasten en  warmtepompen. 

Koelkasten en warmtepompen  Laten we eens een huis‐tuin‐en‐keuken‐koelkast als voorbeeld nemen.

 

Stel je voor dat je net een nieuwe koelkast hebt en dat je deze voor het eerst aanzet.   De lucht in de koelkast bevindt zich in eerste instantie op kamertemperatuur en bevat  meer dan genoeg energie om het koelmiddel in een intern buizencircuit (de verdamper)  te doen 'koken'. Doordat de lucht op die manier energie verliest, koelt deze af. De lucht  kan zelfs zo koud worden dat alle daarin vervatte waterdamp niet alleen condenseert  maar ook bevriest. In dat geval ontstaat er een hinderlijke ijsaanslag in het koelvak.  Vervolgens moet de door het koelmiddel opgenomen warmte weer ergens worden  afgegeven. Dan pas kan het middel terug door de verdamper worden geleid, wat ervoor  zal zorgen dat de temperatuur in het koelvak geschikt blijft voor het bewaren van  voedsel.  Hoewel het koelmiddel door de verdamping al aardig wat  energie heeft opgenomen, is het toch niet erg warm  geworden. Omdat er slechts een klein temperatuurverschil  bestaat ten opzichte van de lucht rondom de koelkast, kan  het de eigen warmte moeilijk aan de omgeving afstaan.  

Condensor 

Dit probleem wordt opgelost door de koelmiddeldruk te  verhogen middels een elektrische compressor (meestal een  zwart onderdeel aan de achterkant van de koelkast). Dankzij  de hogere druk stijgt ook de (kook)temperatuur van het  koelmiddel. 

Compressor 

Dankzij de hogere temperatuur en druk staat de koelmiddel nu gemakkelijk alle warmte  aan de omgeving af door te condenseren in het rooster achterop de koelkast (de  condensor).  Het koelmiddel wordt vervolgens teruggeleid naar de verdamper, waarna het proces  weer opnieuw begint.  Het doel van een gewone koelkast is natuurlijk het koelen van de inhoud (meestal  etenswaren). De warmte die hierbij vrijkomt heeft verder geen nut en wordt zo snel  mogelijk afgevoerd.  Er zijn echter ook apparaten die in principe hetzelfde werken, maar waarbij het koelen  van de warmtebron minder belangrijk is en juist het onttrekken van nuttige warmte  centraal staat. In dat geval spreken we van een warmtepomp.  

Warmtepompen zijn in essentie apparaten die op basis van een energiearme  warmtebron en een beperkt elektrisch vermogen een energierijke warmtebron  produceren.  Het effectieve rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP (coefficient  of performance). Deze wordt als volgt gedefinieerd:  COP = hoeveelheid afgegeven warmte bij condensor / elektrisch inputvermogen  van compressor  Hoe hoger de COP, des te beter. In dat geval krijg je immers meer warmte op basis van  dezelfde hoeveelheid (kostbare) elektriciteit. 

Aardwarmtepompen

 

Aardwarmtepompen (ook wel: bodemwarmtewisselaars) gebruiken grond‐ of  oppervlaktewater als energiearme warmtebron voor het verwarmen van water. Dit kan  vervolgens worden gebruikt voor CV‐installaties en warmwatervoorzieningen.  Dit type systeem bestaat meestal uit drie aparte buizencircuits (zie onderstaand schema).  Daarbij stromen drie verschillende warmtemedia direct langs elkaar in warmtewisselaars,  waardoor energieoverdracht mogelijk is. De verschillende vloeistoffen komen echter nooit  in contact met elkaar.  Het gaat om de volgende drie circuits:  Het warmtebroncircuit – een gesloten buizenstelsel met daarin water en anti‐vriesmiddel.  Dit circuit zorgt via een warmtewisselaar (VWW) voor de thermische verbinding tussen de  aarde en het koelmiddel in de verdamper.  Het koelmiddelcircuit – een gesloten buizenstelsel bestaande uit de verdamper‐ warmtewisselaar (VWW), een compressor, de condensor‐warmtewisselaar (CWW) en een  overdrukventiel (ODV).  Het warmteputcircuit – een gesloten buizenstelsel met daarin water dat het koelmiddel in  de condensor‐warmtewisselaar (CWW) thermisch verbindt met de uiteindelijke  warmtetoepassingen, zoals warmwaterkranen, radiatoren of vloerverwarmingen.    Vanuit de  aarde 

  Pomp 

VWW   

ODV   

CWW   

   

 

Warmtebr oncircuit   

 

 

 

Koelmidde lcircuit  Compress or 

 

Warmtepu tcircuit  Pomp 

 

 

Warmtep omp 

 

 

Naar de  aarde 

 

  Naar  warmteto e‐ passingen    Vanaf  warmteto e‐ passingen   

Hoewel dit slechts een schematisch overzicht is, geeft het de werking van een  warmtepomp goed weer. In de kern is het een systeem bestaande uit vier buizen: twee  behorend tot het circuit in de aarde en twee tot het circuit dat naar huishoudens en  gebouwen leidt. 

Het warmtebroncircuit (vanuit en naar de aarde)

 

Allereerst dienen we een onderscheid te maken tussen aardwarmtepompen en geothermische  systemen.  Geothermische systemen maken gebruik van natuurlijke aardwarmte die zich zeer diep onder de  grond bevindt: sommige steenlagen hebben een temperatuur van wel 100 oC.  In  tegenstelling  tot  deze  systemen  onttrekken  aardwarmtepompen  warmte  op  een  diepte  van  slechts 100 meter of minder. De energie op deze diepten is in feite opgeslagen zonne‐energie. Het  gaat hierbij om bodemtemperaturen die doorgaans variëren van 2  oC aan het bodemoppervlak tot  ca. 10 oC op 15 m diepte. Dit klinkt niet echt als een overweldigend temperatuurverschil, maar het  is precies het type energiearme warmtebron dat voor warmtepompen kan worden gebruikt.  Om deze temperatuurverschillen thermisch te overbruggen is zoals gezegd een buizenstelsel nodig  dat gevuld is met water en anti‐vriesmiddel. Deze buizen kunnen op twee manieren worden  aangelegd: door middel van sleuven of boorgaten. De keuze hangt af van de thermische  bodemomstandigheden en de hoeveelheid beschikbare ruimte.  Horizontale sleuven worden gebruikt wanneer er een groot oppervlak beschikbaar is en de grond  gemakkelijk kan worden uitgegraven. Dergelijke horizontale sleuven zijn doorgaans  1 m breed en  1,2 m diep.  Verticale sleuven kunnen worden aangelegd op beperkt toegankelijke locaties en wanneer de  bodem weinig stenen bevat.  Boorgaten worden gebruikt wanneer het beschikbare oppervlak zeer beperkt is. Gangbaar zijn  gaten van 60 tot 100 m diep, met een diameter van 110 tot 150 mm.  Het aantal boorgaten en de diepte ervan hangen per situatie af van de thermische  bodemeigenschappen en van de uiteindelijke warmtebehoefte. 

Het warmteputcircuit (vanuit en naar de huishoudens/gebouwen)

 

Fossiel gestookte CV‐ketels verwarmen water doorgaans tot een temperatuur van 70 à 80 oC.  Aardwarmtepompen zijn in staat om water tot ca. 35 à 50 oC te verwarmen.   Het systeem levert dus genoeg energie op, maar het resulteert wel in een lagere  watertemperatuur. Wanneer er voor het verwarmen van ruimtes reguliere radiatoren worden  gebruikt, is daarom een groter radiatoroppervlak nodig.  Een verwarmingssysteem met een bedrijfstemperatuur van 50 oC heeft bijvoorbeeld 2x zoveel  radiatoroppervlak nodig als een systeem dat op 70 oC werkt. Bij een systeemtemperatuur van  35 oC is 4,5x zoveel radiatoroppervlak nodig.  Een oplossing voor dit probleem kan zijn om niet langer aan de muur gemonteerde radiatoren te  gebruiken. In plaats daarvan kunnen in vloerverwarmingen veel grotere stralingsoppervlakken met  een lagere stralingstemperatuur worden toegepast. 

Tot slot

 

Warmtepompen zijn geen nieuwe technologie. Het gebruik van warmtepompen voor het  verwarmen van ruimtes met de aarde  als warmtebron, is evenmin iets nieuws. 

Tips voor meer informatie  Alternative energy systems and applications, BK Hodge, Wiley, 2010, ISBN 978‐0‐470‐14250‐9  Ground Source Heat pumps, CORGI publications, 2008. 

http://www.heatpumpcentre.org/en/Sidor/default.aspx   http://www.energysavingtrust.org.uk/Generate‐your‐own‐energy/Ground‐source‐heat‐ pumps http://www.gshp.org.uk/gshp.htm   http://www.ehpa.org/

 

Neil Packer is chartered engineer en senior lecturer aan de faculteit van Computing, Engineering and  Technology van de Universtiteit van Staffordshire, VK. Hij is al bijna 20 jaar een autoriteit op het gebied van  thermovloeistoftechniek en milieukunde. Daarnaast adviseert hij op het gebied van CO2‐reductie, met een  breed scala aan energiediensten voor bedrijven, bedrijfstakken en overheid.   Contactgegevens:   Faculty of Computing, Engineering and Technology  Staffordshire University  Beaconside, Stafford, ST18 0AD  Tel. 01785 353243  E‐mail [email protected]

  

Deze informatie maakt deel uit van het RETS‐project  (Renewable Energies Transfer System), dat mede  mogelijk wordt mogelijk door INTERREG IVC in het kader van het Europees Fonds voor Regionale  Ontwikkeling. Het project loopt van januari 2010 tot en met december 2012. Zie voor meer informatie en  om deel te nemen aan onze online‐community: http://www.rets¬community.eu/