De warmtepomp, Werking, geschiedenis, voor en nadelen.
De warmtepomp, Speciale types:
- De hybride warmtepomp
- De warmtepomp boiler
- De ventilatie warmtepomp
- De warmtepomp droger
- De airco als verwarming
(Leest u de bovenstaande links als u overweegt er eentje aan te schaffen!)
Geschiedenis van de warmtepomp
De warmtepomp zoals we die nu kennen is voort gekomen uit de compressor koelmachine zoals die reeds sinds rond 1834 bestaat. Het idee om de koelmachine in te zetten als warmtebron voor verwarming van gebouwen werd voor het eerst in 1852 door Lord Kelvin geopperd. Belangstelling voor het idee was er toen niet. De reeds bestaande koelmachines werkten goed, vooral in de door de koelmachines nieuw ontstane industrietak van de koelhuizen voor vlees en andere levensmiddelen.
Natuurlijk was bekend dat de koelmachine naast koeling ook warmte produceerde, maar dat werd als een afvalproduct beschouwd.
Pas in 1877 werd in Zwitserland de eerste koelmachine als warmtebron toegepast om een gebouw te verwarmen. Maar daarbij bleef het toen. Want pas in 1930 kwamen er in de USA koelmachines in omloop die ook als warmtebron konden dienen. En tijdens de 2e wereldoorlog werden er in Zwitserland dan nog eens totaal 35 machines gebouwd. Speciaal bedoeld om er een een even groot aantal gebouwen mee te kunnen verwarmen. Daaronder ook het raadhuis van Zürich. Die bewuste warmtepomp, gebouwd door Escher Wyss, is daar tot 2001 in bedrijf geweest!
Werking van de warmtepomp
(De koelmachine/koelkast/vriezer/airco werken allemaal op precies dezelfde manier.)
Feitelijk bestaat de warmtepomp uit 2 gescheiden processen die aan elkaar gekoppeld worden.
Compressie-condensor proces
Het ene proces is het onder druk brengen (comprimeren) van een gas middels een compressor. Daarbij wordt het gas zo ver gecomprimeerd dat het vloeibaar wordt. Bij dat comprimeren komt warmte vrij (vergelijk een fietspomp, die warm wordt als je de band oppompt). Die warmte gaat nu door een warmtewisselaar, waar het een deel van die warmte afstaat aan een b.v. een andere vloeistof, meestal aan het water voor de verwarming. Of aan de lucht in de kamer, als het een airco is die de kamer moet verwarmen. . Nadat het vloeibare gas door deze warmtewisselaar (condensor) is gelopen, begint het 2e proces.
Verdamper proces
Het vloeibare gas wordt door een nauwe opening (venturie, sproeier) geperst en komt vervolgens in een veel grotere ruimte. Eigenlijk in een veel wijdere buis. Het vloeibare gas verdampt hier heel snel en wordt weer een gas. Hiervoor is warmte nodig, de verdampingswarmte. Die is nodig is om de vloeistof weer in gas om te zetten. Dat proces gaat héél snel, en daarom wordt de warmte feitelijk aan de nog warme vloeistof zelf onttrokken, die dan sterk afkoelt. (Vergelijk een spuitbus met b.v. aanstekergas, die als je een aansteker vult, zelf steenkoud wordt).
Het resulterende gas is nu ijskoud en wordt door een 2e warmtewisselaar (verdamper) geleid, waar het weer warmte kan opnemen uit b.v. de lucht, uit grondwater of uit de grond zelf. Nadat het gas die verdamper is gepasseerd wordt het weer wat opgewarmde gas naar de compressor gebracht en wordt het opnieuw onder druk vloeibaar gemaakt. Enzovoorts.
De pomp, van de compressor
Voor de compressor is energie (stroom) nodig, die de elektromotor van de compressor aandrijft. Omdat het koude gas warmte opneemt uit de 2e warmtewisselaar (verdamper), is de in de eerste warmtewisselaar (condensor) afgegeven warmte dus de optel-som van de warmte uit de compressor en van de opgenomen warmte uit de verdamper. Daarmee “pomp” je dus als het ware de warmte van buiten naar een hogere temperatuur binnen. Vandaar de naam warmtepomp.
Op die manier gebruik je dus een beetje energie (compressor) om méér energie van buiten te halen en binnen op een hogere temperatuur te kunnen gebruiken.
Daarmee lijkt dit een energiezuinige methode om je huis te kunnen verwarmen.
Maar… een warmtepomp is geen magische machine die energie “maakt”.
Wat betekent COP?
Stel ik onttrek aan de koude kant (buiten) 1 kWh aan warmte. Die breng ik naar binnen, om aan de warme kant weer 1 kWh af te geven. Voor dat warmtetransport heb ik aan pompenergie netto 0,25 kWh nodig. Omdat ik 1 kWh heb binnen gebracht, stel ik gemakshalve dat ik die heb “geproduceerd”, wat natuurlijk niet zo is… Maar nu kan ik wel zeggen dat ik om 1 kWh “op te wekken” 0,25 kWh heb gebruikt, dus COP is 1/0,25 = 4!
Maar let op: de door fabrikanten opgegeven COP getallen zijn berekend onder de meest ideale omstandigheden voor de warmtepomp. En ze hebben alleen betrekking op het stroomverbruik van de warmtepomp zelf, de compressor dus. Stroomverbruik van hulpapparatuur, elektrische verwarmingselementen of ontdooi-elementen, circulatiepompen en het afstraalverlies van het buffervat worden niet meegerekend! Zie ook hier.
“Elk voordeel heb z’n nadeel” Dat geldt zeker voor de warmtepomp.
Want met alleen die warmtepomp ben je er nog lang niet. Er aan vast hangt nog een hele installatie, die ervoor moet zorgen dat die warmte eerst wordt opgeslagen (boiler/voorraadvat) en vervolgens wordt rondgepompt in de woning. Daar is ook weer energie voor nodig. Heb je een brine/water warmtepomp dan is er ook pomp-energie nodig om de brine rond te pompen tussen de grond/het grondwater en de condensor van de warmtepomp. Al die energie plus het voortdurende verlies van warmte uit het boilervat worden niet meegerekend in het mooie COP getal (rendementsgetal) van de warmtepomp die u heeft aangeschaft. Die energie levert niets op maar u betaalt het wel.
Daarbij komt dat een warmtepomp altijd het beste werkt als het temperatuurverschil tussen buiten en binnen (de afgegeven warmte) klein is. Naarmate het groter wordt, b.v. wanneer de boiler op 60 graden gehouden wordt i.p.v. 35 graden, maar ook als de buitentemperatuur lager wordt bij dezelfde binnentemperatuur, neemt de werkelijke COP/het rendement af.
De voorraadboiler van de warmtepomp
Vooral die boiler is een grote boosdoener. Door zijn formaat, heel vaak zelfs 500 liter, is het warmteverlies daar erg groot. Hoe groot vindt u b.v. hier. Dat er zo’n boiler/voorraadvat moet zijn komt omdat de warmtepomp zelf moeilijk regelbaar is. Je kunt de compressor eigenlijk alleen maar aan of uit zetten. Langzamer laten lopen heeft weinig zin. De compressie is dan al snel onvoldoende om het gas tot vloeistof te comprimeren. Sneller laten lopen is ook weinig zinvol, omdat zelfs als je meer vloeistof door de sproeier naar de verdamper perst, die verdamper dan toch niet of nauwelijks méér warmte van buiten opneemt* en dus het rendement (en daarmee de COP) dan snel zakt.
Gedrag van de warmtepomp
Daar komt nog bij dat een warmtepomp na inschakelen niet onmiddellijk voldoende warmte ter beschikking heeft om uw huis te kunnen verwarmen. Die boiler is dus ook nodig om dat op te kunnen vangen. En in het winterseizoen bij hopelijk wat (gunstiger) hogere temperaturen overdag alvast genoeg warm water klaar te zetten om na invallen van de duisternis uw huis mee te kunnen verwarmen.
*Meerdere fabrikanten stellen dat ze nu zgn. modulerende warmtepompen aanbieden, ook wel inverter warmtepompen genoemd. Probleem is daarbij altijd dat de verdamper (de koude-warmtewisselaar dus die de warmte aan de buitenlucht moet onttrekken) niet groter of kleiner gemaakt kan worden en dus alleen bij een bepaalde vastliggend gasstroom optimaal werkt. Daarboven en daaronder is er van een optimale warmteonttrekking geen sprake meer. De COP zakt dan fors…
Maar er is nog een probleem: bij de meest gebruikte warmtepompen wordt de buitenlucht als brongebruikt. Naarmate het buiten kouder is moet de warmtepomp meer warmte kunnen leveren. Zo’n inverter warmtepomp zal dan dus nu meer warmte moeten leveren, dus de pomp werkt harder, de buitenunit wordt nog kouder. Gevolg: hij bevriest alleen nog maar sneller. Niet zo slim dus….. (zie hier onder)
Lucht-water warmtepomp
Heeft u een lucht/water warmtepomp, dan zit er een stevige ventilator in de buitenunit. Die vraagt ook om stroom. Tevens moet die buitenunit bij lagere temperaturen, onder 10 graden, regelmatig ontdooid worden. Eenvoudig omdat anders het vocht uit de lucht op de verdamper bevriest en deze dan niet meer werkt… Hoe vaak dat ontdooien in het NL klimaat gebeurt leest u hier. Wellicht schrikt u ervan: 1.200 tot bijna 4.000 keer per jaar! Voor dat ontdooien worden verschillende methodes toegepast, die allemaal energie (extra stroom) kosten maar niets opleveren.
Al die facetten bij elkaar zorgen ervoor dat het rendement van zo’n warmtepomp uiteindelijk een stuk lager komt te liggen dan helaas al te vaak wordt voorgespiegeld.
De warmtepomp als CV
In bijna alle gevallen wordt de warmtepomp ingezet als centrale verwarming voor het hele huis. Meestal ook nog als centrale warm water voorziening voor badkamer en keuken. Dat laatste is sowieso geen goed idee omdat je dan altijd de boiler van de warmtepomp ook als boiler voor je warme douche gebruikt. De temperatuur van de boiler moet dan minimaal 60 graden zijn. En dus is het warmteverlies het hele jaar door, ook in de zomer, nog eens een stuk groter dan wanneer je hem alleen voor de vloerverwarming op 35 graden kunt houden. Want in de zomer kun je de warmtepomp dan uit zetten en het warm water bv. met een doorstromer bereiden.
Nu is het hele idee van centrale verwarming in termen van zuinig omgaan met energie eigenlijk helemaal niet zo’n goed idee. Want waarom zou je ruimtes die je in huis niet of nauwelijks gebruikt steeds warm willen houden? Natuurlijk, je kunt de verwarmingen van die ruimtes dicht draaien. Maar dat bespaart nauwelijks op stookkosten omdat die grote boiler dan gewoon nog meer verlies oplevert, dan als u het warme water daarin gebruikt wanneer het beschikbaar is. En dat is in (een boiler/buffervat van) een warmtepomp systeem nu eenmaal altijd beschikbaar.
Het buffervat van de warmtepomp
Een buffervat is bij lucht-water warmtepompen eigenlijk altijd nodig. De reden is eenvoudig: het regelen (op kamertemperatuur, zoals bij een CV ketel) van uw warmtepomp is feitelijk niet mogelijk. En zelfs als het zou kunnen, dan is het niet wenselijk, omdat de warmtepomp dan véél te vaak aan- en uitschakelt. Dat verspilt energie, omdat tussen het moment dat de warmtepomp begint te lopen en het moment dat hij warmte afgeeft meerdere minuten kunnen verstrijken. Dus wel stroomverbruik maar geen warmte, ofwel opstartverlies. Het buffervat zorgt ervoor dat hij langere tijd aan één stuk kan draaien, om de buffer op te warmen, onafhankelijk van de warmtevraag in de kamer. Moderne inverter warmtepompen hebben allerlei ingebouwde algoritmes die ervoor moeten zorgen dat hij zo lang mogelijk rustig aan één stuk kan draaien. Of u die warmte in huis nu nodig heeft of niet, speelt daarbij dus geen rol…
Vandaar ook dat meestal wordt aangeraden dag en nacht een constante temperatuur in huis te handhaven. Dus géén nachtverlaging of overdag als er niemand thuis is, een verlaagde temperatuur. En dat betekent links- of rechtsom, een verspilling van energie!
Brontemperatuur, buitenlucht of aardwarmte
Hierboven is uitgelegd hoe de warmtepomp werkt. Daaruit blijkt dat de hoeveelheid warmte die hij kan leveren direct afhankelijk is van de temperatuur van de bron, de buitenlucht dus. Hoe hoger die buitentemperatuur hoe meer warmte hij kan leveren. Maar ook: Hoe lager hoe minder warmte. Dat is jammer, want hoe kouder het buiten is, hoe meer warmte je binnen wilt brengen. Dat verklaart dus de ingewikkelde en energieverspillende manier waarop er geregeld moet worden.
Maar zonder buffervat heb je evenveel of nog meer verspilling door de steeds terugkomende opstartverliezen…
Andere types warmtepompen
Warmtepomp-boiler
Warmtepompen worden ook geleverd om alleen sanitair warm water te produceren, de warmtepomp boiler dus.
De warmtepomp boiler bestaat uit een warmtepomp die samengebouwd is met een (meestal grote) boiler. Als bron (de koude kant van de warmtepomp) wordt heel vaak de lucht in de opstellingsruimte gebruikt. Het voordeel daarvan zou zijn dat de warmtepomp met een hogere begintemperatuur werkt (de warmte van de lucht binnenshuis), maar het nadeel daarvan is weer dat in het stookseizoen die warmte wel eerst door uw CV ketel is opgewekt en vervolgens door de warmtepomp boiler wordt afgekoeld! Om uw warmtepomp boiler dus te kunnen laten draaien wordt in het stookseizoen de warmte ervan altijd door uw CV geproduceerd, en niet door de warmtepomp! U kunt dan denken dat uw warmtepomp boiler lekker zuinig werkt, maar tegelijkertijd gaan de stookkosten van uw huis wel omhoog! Hoeveel dat is, is gemakkelijk te berekenen.
Stroom en gasverbruik warmtepomp boiler
Stel u gebruikt per jaar 60 m3 warm water. Om dat in de boiler op te warmen van 10º naar 60º is 3489 kWh aan warmte nodig. De helft daarvan valt in het stookseizoen. Die warmte wordt, wanneer de lucht voor de warmtepompboiler uit de woning komt, natuurlijk geproduceerd door uw CV ketel. Dat kost dus ongeveer 400 m3 gas (een optimistische schatting). Dan komen de elektrakosten van de warmtepomp boiler zelf er nog bij. Met een COP van 4, nu berekend over het hele jaar, komen daar de stroomkosten van: 3489/4 = 872 kWh aan stroomkosten bij.
Maar die boiler heeft ook afstraalverlies. Hij koelt voortdurend een beetje af en wordt door de warmtepomp dan weer warm gehouden. Voor een 300 ltr. boiler is dat afstraalverlies ongeveer 870 kWh, wat ook door de warmtepomp, à raison van 870/4 (COP) = 217 kWh aan stroom wordt aangevuld. Totale stroomkosten dan dus: 959+217 = 1089 kWh.
Voor 60 m3 warm water uit de warmtepomp boiler betaalt u dus totaal Gas: 400 m3 + stroom: 1089 kWh.
Maar als ik de warmte van buiten haal?
Nu kan de warmtepomp zijn warmte weliswaar uit de buitenlucht halen, er worden dan slangen voor lucht aan- en afvoer aan de warmtepomp gekoppeld, maar in de winter zal de warmtepomp dan grotendeels als een gewone elektrische boiler werken, met behulp van de ingebouwde elektrische verwarmingselementen. Reden: de vochtigheid in de lucht bevriest in de warmtepomp en dan werkt hij niet meer. Gevolg: uw stroomrekening schiet ook dan omhoog…
Dan is er ook nog de ventilatie-warmtepomp-boiler.. Wat hieronder staat voor de ventilatie warmtepomp geldt onverminderd ook voor de ventilatie-warmtepomp-boiler!
Conclusie: een warmtepomp boiler produceert uw warm water uiteindelijk tegen ongeveer dezelfde of hogere kosten als een normale elektrische boiler, die slechts een fractie daarvan kost. Een elektrische doorstroomverwarmer produceert uw warme water tegen gemiddeld de helf tot 1/3 van die kosten en het toestel kost zelfs minder dan een elektrische boiler!!
Dus wordt door de branche als drogreden gehanteerd: een elektrische doorstroomverwarmer kan niet en/of mag niet en/of werkt niet… Want ja, aan dat soort apparatuur als doorstroomverwarmers valt gewoon helemaal niets te verdienen… Want ze kosten niet meer dan zo’n € 400, er is geen onderhoud en ze hebben een levensduur van meer dan 15 jaar.
De ventilatie warmtepomp
De ventilatie warmtepomp is een relatief nieuw type, dat bedoeld is als warmte terugwinning in een (bestaand) mechanisch ventilatie systeem. Omdat het de laatste tijd veel aandacht krijgt hebben we er een apart artikel aan gewijd. U vindt het hier.
De warmtepomp droger
Werking:
- De ingebouwde warmtepomp begint met het aanzuigen van lucht uit de opstelruimte. De warmtepomp brengt de luchttemperatuur omhoog en die lucht gaat door de trommel waar waterdamp van de vochtige was wordt opgenomen.
- Vervolgens gaat die wat afgekoelde (verdampingswarmte) vochtige lucht terug naar de verdamper van de warmtepomp om af te koelen, waarbij het vocht in de lucht condenseert.
- Deze (drogere) lucht stroomt verder door naar de condensor en wordt met de in de vorige stap onttrokken warmte weer opgewarmd, met toevoeging van de extra warmte van de elektrische compressor en (een deel van) de condensatiewarmte uit de vorige stap. En die opnieuw opgewarmde lucht gaat weer de trommel in. Enzovoorts.
En dat betekent dus dat de warmte die de warmtepomp produceert geheel afkomstig is van de elektrische compressor en van de condensatiewarmte! Anders gezegd: hij pompt de warmte van de elektrische compressor alleen maar rond en compenseert de afkoeling door het verdampte water weer met extra elektrische pompenergie. Precies datzelfde doet een normale condensdroger ook, op een aanzienlijk eenvoudiger manier, dat wel! De warmtepompdroger is daarmee dus absoluut niet zuiniger (kan het ook niet zijn) dan een gewone condensdroger met een elektrisch verwarmingselement!
Hij is wel trager omdat hij niet zo ver kan opwarmen als een condensdroger en het droogproces daardoor langer duurt. Hij is ook (vaak niet onaanzienlijk) duurder! Conclusie: Dit apparaat is een volstrekt nutteloze en zinloze toepassing van het principe van de warmtepomp….
De airco als verwarming
Een airco is natuurlijk primair bedoeld voor koeling in de zomer. Dat doet hij prima en tegen relatief lage kosten.
Alle airco’s die nu op de markt zijn kunnen ook verwarmen. Door de werking om te draaien, maak je van de condensor (warme kant) nu de verdamper (koude kant) en omgekeerd.
Om hem als verwarming te gebruiken wordt dus nu de buitenunit de “koude” kant van de airco. En omdat men wil dat het toestel ook bij temperaturen lager dan rond 10º nog kan werken moet voorkomen worden dat de buitenunit kan bevriezen. Daartoe wordt er een …elektrische verwarming!.. in de buitenunit ingebouwd die dat bevriezen moet voorkomen.
Bevriezen buitenunit
Een andere methode is het omkeren van de cyclus, dus de warmtepomp wordt weer een airco. Om dan geen koude lucht uw kamer in te blazen wordt de ventilator uitgezet, ook die in de buitenunit. De buitenunit wordt nu opgewarmd en ontdooid door de warmte uit de kamer ernaartoe te pompen. Totdat de buitenunit een temp heeft van rond 15º. Dan schakelt uw toestel weer naar verwarmen. Nadeel hier: er wordt tijdens het ontdooien warmte aan uw kamer onttrokken, u krijgt het dus koud en het kost nog een sloot aan energie (stroom) ook!
U raadt het al, op het moment dat de airco die elektrische verwarming ingeschakelt of de pomp omdraait, haalt u de warmte niet meer uit de buitenlucht maar, inderdaad, of uit die elektrische verwarming, die notabene buiten in die buitenunit zit, of de warmte wordt uit uw kamer gehaald. U betaalt dan stroom voor dat ontdooien of u krijgt het gewoon koud en betaald evengoed de extra stroom voor het ontdooien. Op dat moment is dus het verwarmen met die airco ineens een hele dure grap. Hoe duur dat ontdooien kan worden laat zich raden als het in het Nederlandse klimaat min. 1.200 tot bijna 4.000 keer per jaar gebeurt! Niet aan te bevelen dus…
Daarnaast is er nog het jaarlijks onderhoud. Een airco, ook als verwarming, heeft een stevige ventilator die de lucht in de kamer verwarmt of koelt. (Overigens gebeurt dat niet geruisloos.) Voor een gezond binnenklimaat zitten er in de binnenunit filters, die toch ieder jaar schoongemaakt of vervangen moeten worden. In alle gevallen zal uw installateur daarvoor een onderhoudscontract willen afsluiten.
Conclusie
Een warmtepomp, in welke vorm ook, is altijd hele grote investering. Maar het is zeker géén wondermiddel om stookkosten en/of het milieu te sparen. Bedenk dat in vele gevallen een warmtepomp uw stookkosten zelfs fors kan verhogen, wanneer hij op “verkeerde” momenten (koud vochtig weer) of met (te) hoge aanvoertemperaturen (>35º) wordt gebruikt ! Wilt u er toch voor kiezen? Dan is het belangrijk om te weten waarvoor u kiest.
Anders gezegd: een warmtepomp produceert alleen warmte tegen lage kosten op momenten dat u die warmte helemaal niet nodig heeft. Op het moment dat u die warmte wel nodig heeft laat hij het afweten.
(slimme trucs, zie ook hierboven, laten u bij de moderne warmtepompen denken dat hij het dan ook doet, maar in werkelijkheid komt uw warmte dan helemaal niet meer van de warmtepomp maar van gewone elektrische verwarming in een daarvoor totaal ongeschikt systeem…..want zo slim zijn die trucs nu ook weer niet.)