De Warmtepomp
Print deze pagina

1. Theorie

1.6. De warmtepomp

Nu ik heb besproken hoe de warmteleer in elkaar steekt en hoe men tot een warmtepomp is gekomen. We weten inmiddels ook hoe de warmteleer toegepast wordt op het principe van de warmtepomp, wat in principe het zelfde proces is als in een koelkast. Nu zal ik laten zien hoe een warmtepomp in het dagelijks leven eruit ziet en waar het de benodigde warmte vandaan haalt. Er zijn verschillende warmtepompmethoden, de meest toegepaste techniek is de compressiekoelmachine of compressiewarmtepomp.

warmtepomp schematisch
Afbeelding 1.6.1
Een warmtepomp zoals die veel gebruikt wordt ziet er schematisch gezien zo uit.

Kringloop in een compressiewarmtepomp

Koelmiddel wordt in de vorm van vloeistof aan een verdamper toegevoerd. Daar verdampt het koelmiddel, dit koelmiddel (vaak ammoniak De verdamper is een warmtewisselaar, die warmte onttrekt aan lucht of water. Om lucht te koelen, is de verdamper meestal uitgevoerd in de vorm van koperen pijpen met aluminium lamellen. Het verdampende koelmiddel zit inde pijpen en de lucht stroomt langs de lamellen van de pijp. Bij gebruik van water of een andere vloeistof als warmtebron, wordt via een pijpwand warmte uitgewisseld met het koelmiddel.

De warmte, die nodig is voor het verdampen van het koelmiddel, wordt onttrokken aan de lucht of het te koelen water, dat daardoor in temperatuur daalt, het is makkelijker om grondwater te gebruiken als bron, aangezien dit een grotere warmtecapaciteit heeft en water makkelijker is omdat het vloeibaar is. De koelmiddeldamp wordt aangezogen door een compressor. Deze zorgt ervoor dat de druk van het gasvormige koelmiddel veel hoger wordt. Daarbij stijgt ook de temperatuur. Door de hogere druk is het mogelijk om het koelmiddelgas weer vloeibaar te maken bij een hogere temperatuur in een condensor. Bij het condenseren komt de in de verdamper opgenomen warmte weer vrij samen met de door de compressor geleverde energie. De condensor is ook een warmtewisselaar, die de vrijkomende warmte afgeeft aan lucht of water. Het nu vloeibare koelmiddel stroomt vanuit de condensor via een expansieventiel weer terug naar de verdamper. Op deze manier wordt warmte op een lage temperatuur onttrokken en op een hogere temperatuur weer afgegeven. Voor dit proces moet de compressor arbeid verrichten. De verhouding tussen in de condensor afgegeven warmte en de energie die wordt opgenomen door de compressormotor noemen we de coŰfficient of performance oftewel de COP (bij koelmachines kennen we ook een COP, maar daar is de COP de verhouding tussen in de verdamper onttrokken warmte, de koude, en de energie voor de compressormotor). Deze COP-waarde wordt ook wel aangeduid met K en wordt gedefinieerd als volgt:

formule

Qc is hier de warmte (in Joule) die er uit komt en W is de arbeid (energie in Joule) die erin kwam. Dit is in een rendement. De COP is sterk afhankelijk van het verschil in temperatuur tussen verdamping en condensatie van het koelmiddel. Hoe groter de temperatuursprong is, des te meer energie heeft de compressor nodig. Door gebruik te maken van verdampers en condensors met een relatief groot oppervlak voor uitwisseling van warmte kan de COP gunstig worden be´nvloed. De COP is ook afhankelijk van de weerstand in zuig- en persleiding van het koelmiddelgas en van het type compressor en het rendement van de aandrijfmotor. Meestal gebruikt men elektromotoren, maar er zijn ook warmtepompen met gasmotor, waarbij de warmte van koelwater en uitlaatgassen ook weer kan worden gebruikt. De meeste elektrisch aangedreven compressiewarmtepompen halen een COP van 3 tot 6. Dat geldt het jaar door voor warmtepompen die koelwater of de bodem als bron hebben. Warmtepompen, die hun warmte uit de buitenlucht halen, hebben bij vorst een beduidend lagere COP. Ook de verschillende compressortypes hebben nog invloed op de COP. De keuze voor een bepaald compressortype zal in de praktijk echter meer afhangen van technische beperkingen. Kleine warmtepompen gebruiken vaak een scrollcompressor, grotere schroefcompressoren of zuigercompressoren en in heel grote machines worden ook wel turbocompressoren toegepast. Warmtepompen zijn er vanaf vermogens van enkele kilowatten voor gebruik in woningen of als boiler tot vermogens van meer dan tien Megawatt voor grote complexen of wijkverwarmingen.

Warmtebron Temperatuur(in ║C)
Lucht -10 - 15
Uitlaat lucht 15 - 25
Grondwater 4 - 10
Water uit meer 0 - 10
Rivierwater 0 - 10
Zeewater 3 - 8
Steen 0 - 5
Bodem 0 - 10
Geloosd afvalwater >10
Tabel 1.6.2 Dit is een lijst met te gebruiken bronnen voor een warmtepomp, de beste bron voor huizen of complete wijken is grondwater of lucht. Waarbij grondwater de voorkeur verdient boven lucht vanwege zijn veel kleinere dichtheid en hogere warmtecapaciteit.

Afbeelding 1.6.3
Warmte wordt aan de aarde onttrokken. De warmtepomp verwarmt daarmee het water voor de verwarming.

Afbeelding 1.6.4
De nodige warmte wordt uit grondwater gehaald. De warmtepomp verwarmt daarmee het water voor de verwarming.

Afbeelding 1.6.5
Een ventilator zuigt buitenlucht aan die langs de verdamper passeert en afgekoeld wordt. De warmtepomp verwarmt daarmee het water voor de verwarming.

Kringloop in een absorptiewarmtepomp


Afbeelding 1.6.6
Schematisch weergave van een absorptiewarmtepomp

Bij een absorptiewarmtepomp is er geen compressor voor het dampvormige koelmiddel. De damp, die in de verdamper ontstaat, wordt door de hygroscopische kracht naar de absorber verplaatst. De vloeistoffen die in een absorptiewarmtepomp gebruikt worden zijn vaak: water (bewegend vloeistof) met lithium bromide (absorptie vloeistof); of ammonia (werkende vloeistof) met water (absorptievloeistof). In de absorptievloeistof condenseert de damp weer en komt er warmte vrij op een hogere temperatuur. Door de opname van vloeistof vermindert de aantrekkingskracht van de absorber. Daarom wordt vloeistof vanuit de absorber gepompt naar de (re)generator. Daar wordt met behulp van warmte het koelmiddel weer uitgedampt. Deze damp wordt vervolgens weer vloeibaar gemaakt in de condensor. Het vloeibare koelmiddel gaat weer terug naar de verdamper. De geconcentreerde absorptievloeistof gaat vanuit de generator weer terug naar de absorber. Bij de absorptiewarmtepomp komt zowel in de condensor als in de absorber warmte vrij. Ook hier kunnen we spreken van een coŰfficient of performance ofwel COP. Maar het grote verschil is, dat bij een compressiewarmtepomp energie in de vorm van kracht nodig is, terwijl bij de absorptiewarmtepomp de aandrijving van het proces met warmte gaat. Deze vorm van een warmtepomp wordt vooral gebruikt in de industrie, er zijn daar twee mogelijkheden voor het aandrijven van de compressor:

  • Een elektrisch aangedreven processor, bij de compressor zelf is er dan weinig energieverlies. Dit is de meest gebruikelijke aandrijving.
  • Een compressor aangedreven door een gas of dieselmotor, hierbij is er meer uitstoot van schadelijke stoffen. De warmte die hierbij verloren gaat kan binnen het systeem van de warmtepomp wel weer opnieuw gebruikt worden.

Peltier-batterij

Een peltier-element (schematisch)
Afbeelding 1.6.7
Een peltier-element (schematisch)

Als laatste wil ik de peltier-batterij bekijken. Deze 'batterij' werkt ook volgens het principe van een warmtepomp. Het apparaatje wordt gebruikt om kleine apparaten die heel warm worden te koelen. Bijvoorbeeld bij een videocamera. Een peltier-batterij wordt een 'batterij' genoemd omdat het bestaat uit vele, aan elkaar gekoppelde, stukken metaal. Op de laspunten tussen de metalen in deze batterij treedt het zogeheten thermo-elektrisch wanneer hier een stroom door loopt. Dit houdt in dat er warmte wordt opgenomen of afgestaan in deze laspunten afhankelijk van hoe de stroom loopt. Zo kun je er voor zorgen dat aan de ene kant van de peltier-batterij warmte op de laspunten wordt opgenomen en aan de andere kant wordt afgestaan. Aan de ene kant wordt het dus kouder en aan de andere kant wordt het warmer. Zo kun je dus de warmte van binnenuit een kleine, warme ruimte laten opnemen aan de ene zijde van het peltier-batterij en aan de andere kant weer laten afstaan. Je kunt dit ook weer zien als een energie-systeem. Er is een elektrisch vermogen en er wordt een hoeveelheid vermogen opgenomen, het afgegeven vermogen is groter dan het opgenomen vermogen. Theoretisch heeft een peltier-batterij dus een rendement van boven de 1 (of 100 %). Dit blijkt ook uit ons practicum.

Schematische weergave van de peltier-batterij
Afbeelding 1.6.8
Schematische weergave van de peltier-batterij

Deze pagina is automatisch gegenereerd door APP_NAME.