t.09.13- Warmtepomp

  • De zon verwarmt lucht, water en grond (= bovenste aardlaag).
  • –  Met een warmtepomp (WP) kunnen we op gewenste momenten (dus ook als de zon niet schijnt !) warmte oogsten (uit water of  lucht) om die “binnenshuis” te gebruiken.
  • Veel WP’n zijn trouwens ook geschikt om warmte uit huis naar buiten te brengen (airco).
  • –  Er zijn diverse types WP ,  te onderscheiden naar
    • *  waar ze de warmte vandaan halen :  lucht, water, grond
    • *  waar ze de warmte naar toe brengen :  binnenlucht, CV-water
  • en naar de gebruikte technologie (zie volgende alinea)
    • *  kompressie en expansie van een medium
      • – dmv een kompressor
      • – geluidsgolven
    • *  verandering in een gevoelige stof door magneetvelden
  • –  In een goed geïsoleerd huis is de WP een moderne , effektieve manier van verwarmen

  • 3 technologieën
  • 1–  De nu gangbare WP werkt volgens de Rankine-cyclus ,  maar dan omgekeerd. Ofwel, met mechanische (pomp-)energie wordt een medium gekomprimeerd waarbij de temperatuur oploopt. De warmte wordt in een warmtewisselaar afgeleverd naar de bestemming (doel). Waarna het bij expansie/verdamping weer warmte opneemt uit de bron. Je kunt dit type vinden in diepvriezers , koelkasten , airco’s
    • * de meeste WP’n werken met een fluorkoolwaterstof als medium (chloorhoudende fluorkoolwaterstoffen zijn inmiddels verboden). Maar er zijn er ook al die propaan of CO2 gebruiken , met een groter temperatuur-bereik…. [S.62]
    • * de meeste WP’n werken met een fluorkoolwaterstof als medium (chloorhoudende fluorkoolwaterstoffen zijn inmiddels verboden). Maar er zijn er ook al die propaan of CO2 gebruiken , met een groter temperatuur-bereik…. [S.62]
  • 2–  Een interessante ontwikkeling is de WP die kompressie en expansie van het medium Helium opwekt via geluidsgolven :  de zgn. thermo-akoestische WP [S.57]. Anders dan je zou vermoeden hoor je aan de buitenkant van het apparaat geen geluid.
    • * Een indruk van de werking kun je krijgen uit S.57a en S.57b , of uit het Promotiefilmpje “See how the system works” op https://www.blueheartenergy.com/
    • * Deze techniek zou een groter bereik hebben , zowel bij de bron- als bij de bestemmings-temperaturen. Zo zou je zonder meer sanitair warmwater kunnen maken met behoud van een goed rendement !   .
      • TNO heeft met zijn expertise meegewerkt aan de ontwikkeling van een industrieel apparaat. Momenteel wordt gewerkt aan een model voor woonhuis-toepassing (zie S.57 )
  • 3-  Nog weer een ander principe is de WP die werkt met magneetvelden [S.68] in daarvoor gevoelige materialen. Het magnetisch veld richt de spin van atomen , of wijzigt de kristalstruktuur. Hierbij komt warmte vrij die naar de bestemming (doel) geleid wordt.
    Als het magneetveld wegvalt keert het gevoelige materiaal terug naar de oorspronkelijke “struktuur” onder opname van warmte(energie) uit een bron , die dus afkoelt.
    Ook hier wordt een ruim temperatuurbereik en een hoog rendement in het vooruitzicht gesteld.
    • * Er zijn geen zgn. koelmedia in het spel…. Een machine zou zonder energieslurpende kompressor werken.
    • * Het principe zelf is al “honderd jaar” bekend , maar het gevoelige materiaal had (veel) zeldzame elementen nodig , wat praktische uitwerking in de weg stond.
    • * Ik heb nog geen plaatje gezien waarin oa. duidelijk wordt hoe warmte toe- en afgevoerd kan worden
    • * Het principe zelf is al “honderd jaar” bekend , maar het gevoelige materiaal had (veel) zeldzame elementen nodig , wat praktische uitwerking in de weg stond.
    • * Ik heb nog geen plaatje gezien waarin oa. duidelijk wordt hoe warmte toe- en afgevoerd kan worden
    • * Het principe zelf is al “honderd jaar” bekend , maar het gevoelige materiaal had (veel) zeldzame elementen nodig , wat praktische uitwerking in de weg stond.
    • * Ik heb nog geen plaatje gezien waarin oa. duidelijk wordt hoe warmte toe- en afgevoerd kan worden
    • * Het principe zelf is al “honderd jaar” bekend , maar het gevoelige materiaal had (veel) zeldzame elementen nodig , wat praktische uitwerking in de weg stond.
    • * Ik heb nog geen plaatje gezien waarin oa. duidelijk wordt hoe warmte toe- en afgevoerd kan worden
  • Aan de TU-Delft worden nu gevoelige materialen ontwikkeld op basis van ruim voorhanden zijnde elementen (of met zo min mogelijk zeldzame)
    • Ter vermijding van onnoemelijk veel “trial and error”-werk kan men dit zoeken tegenwoordig tamelijk gericht doen [S.68]
  • * De startup “Magneto” ontwikkelt een echte “magnetische” WP.

  • COP   (Coëfficiënt of Performance)
  • –  De prestatie van de WP wordt uitgedrukt in zijn COP ;  het getal geeft aan hoeveel kWh warmte wordt afgeleverd als je 1 kWh energie spendeert [mediumpomp , ventilator of (grond)waterpomp , elektronika]
  • De COP wordt gemeten onder standaard kondities :  7°C bron-temperatuur en 35°C afgifte-temperatuur. Zó zijn de apparaten onderling te vergelijken.
    • Deze COP wordt soms rendement genoemd ,  maar dat is fout !  (Zie hieronder bij WP-rendement ! )
  • –  De COP is oa. afhankelijk van het verschil tussen de bron- en de gewenste aflever-temperatuur. Begrijpelijk ,  want hoe groter dit temperatuur-verschil is ,  hoe meer moeite (=energie) het kost om de warmte op het hogere temperatuur-nivo af te leveren. De COP wordt dan lager (meer kWh nodig om de warmte op te pompen naar het gewenste temperatuur-nivo).
    • * De eenvoudigste/goedkoopste WP-installatie haalt de warmte uit de lucht. Daarbij is over een etmaal gezien voornoemd temperatuur-verschil variabel. Dus ook de COP. Maar ook van dag tot dag verschillend.
      • * Als we de COP’s uitmiddelen over een jaar spreken we van SCOP (Seasonal Coëfficiënt of Performance).
      • * En deze seizoen-temperaturen zijn weer afhankelijk van waar je je bevindt op de aardbol….
      • * Al met al is de SCOP meer een praktijk-ervaring dan een te voorspellen grootheid. Al doen sommige leveranciers wel hun best om althans een indruk ervan te geven ! (binnen daarvoor afgesproken klimaat-zones)
    • * Als warmte geoogst wordt uit water ,  grond of grondwater is de brontemperatuur vrij konstant en relatief hoog. Dit geeft een gunstige COP.
      • Over een jaar gezien zal er eventueel een golving op de bron-temperatuur zitten. Maar dag-nachtverschillen en dag-dagverschillen zijn er niet/nauwelijks
      • Je moet er wel extra voor investeren. En je mag niet overal naar grondwater boren (bijv. bij drinkwater-wingebieden)
  • –  In ons klimaat is voor huisverwarming COP=4 een gangbare rekenwaarde;  betekent 1 kWh (elektra) nodig om 4 kWh warmte af te leveren.
    • In feite doet men hier alsof de rekenwaarde een SCOP-waarde is
  • –  Natuurlijk zullen fabrikanten hun best doen om juist onder de standaard meet-kondities (7°C/35°C) een maximaal getal te scoren. Een eindje naast dit meetpunt zal het makkelijk minder mooi zijn…..
    • Leveranciers noteren in hun brochure soms COP-waarden > 5 . Dit is alleen onder specifieke omstandigheden haalbaar, dus niet als rekenwaarde te nemen. Het is geen SCOP.
  • –  Er zijn ook hybride WP’n :   een kombinatie van een WP met een beperkt vermogen en een volwaardige HR-gasketel.
    • * de WP is zo bemeten dat ie in voor- en najaar meestal voldoende warmte levert
    • * de HR CV-ketel vult het eventueel aan , bijv. als het kouder is. Zijn kapaciteit is bemeten voor de echt koude dagen
  • –  Hybride betekent hier :
    • de WP schakelt automatisch de gas-verwarming bij wanneer de WP onvoldoende warmte kan leveren (dan werken ze beide)
    • de WP laat het helemaal over aan de CV-ketel op het moment dat door een te groot temperatuur-verschil de COP zo diep zakt ,  dat gas stoken voordeliger wordt.
  • – Deze hybride WP’n worden toegepast ingeval de isolatie van de woning niet ver genoeg kan worden opgevoerd.
  • In nieuwbouw-projekten zijn de isolatie-eisen zo hoog dat een gewone WP voldoende is.

De WP in het algemeen past in tak 2 van Fig.7.1 .  Het betreft moeilijk te kwantificeren gebruik van indirekte energie. Je kunt namelijk wel meten hoeveel elektra gebruikt wordt door een WP ,   maar niet (of niet goed ?) hoeveel warmte die uit de omgeving haalt.
Maar erg is dit niet. Zie ook [Psp.00]

  • WP-rendement
  • Zoals hierboven gezegd ,  soms wordt de COP het rendement van de WP genoemd ;  dit is fout !
  • Het echte rendement bepalen we alsvolgt :
    • We weten dat thermische cycli het meest gunstg verlopen volgens de Carnot-cyclus . De rendements-formule kan omgewerkt worden tot de theoretische COP van de WP :
      • * voor verwarming geldt :    COPverw = Tm / (Tm-To)
        • waarin Tm = de temperatuur van het medium (lucht , water) waar de warmte aan afgegeven wordt
        • en T0 is de temperatuur van de bron waaruit warmte wordt geoogst
          • [ temperaturen in K (=Kelvin) , waarbij K = 273 + T (met T in °C) ]
      • (* voor koeling geldt :     COPkoel = COPverw – 1)
  • Bij de standaard kwalifikatie-temperaturen van 7°C bron-temp en 35°C medium-temp bedraagt de theoretische COPverw dan 11,0
  • Als nu in een brochure staat dat de COP 4,8 is gemeten bij 7/35 ,  betekent dit dat de pomp slechts 4,8 kWh aflevert ipv. 11
  • De verhouding tussen wat de WP werkelijk presteert (bijv. COP 4,8) en de theoretisch haalbare 11 noem ik het technisch rendement
    • in dit voorbeeld is dan het rendement van de WP 43,6% (=4,8/11)
    • Een eindje naast het standaard meetpunt (7°C/35°C) zal het makkelijk minder mooi zijn…..