Wat is een warmtepomp?

Een warmtepomp is een apparaat dat duurzame omgevingswarmte van een laag naar een hoger en bruikbaar temperatuurniveau brengt. De warmte kan worden onttrokken aan de omgeving: bodem, water, lucht of afvalwarmte. Voor het aandrijven van de warmtepomp is een beperkte hoeveelheid primaire energie nodig. Door duurzame energie te benutten kan een warmtepomp tot ca. 50% primaire energie besparen ten opzichte van een cv-ketel.

De werking van de warmtepomp

Warmtepompen werken in principe net als een koelkast waarbij elektriciteit of aardgas als brandstof kan worden ingezet. De standaard huishoudelijk koelkast is gebouwd als elektrisch aangedreven compressiewarmtepomp terwijl de campingkoelkastjes die op gas of elektriciteit kunnen werken voorbeelden zijn van absorptiewarmtepompen.

• Bij een compressiewarmtepomp wordt de transportvloeistof met behulp van een compressor samengeperst. Deze compressor kan zowel worden aangedreven door een gasmotor (warmtepomp in combinatie met warmte/ kracht koppeling) of door een elektromotor.           

• Bij een absorptiewarmtepomp wordt de transportvloeistof rondgeleid met behulp van een absorptie-generator cyclus. Deze cyclus kan worden aangedreven door zowel elektriciteit, gas of warmte (dit kan warmte zijn afkomstig van warmte/ kracht koppeling of stadsverwarming).           

Rendement

• Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coëfficiënt of Performance (COP); de verhouding tussen de afgegeven energie en de opgenomen energie. Omgevings- en afvalwarmte zijn gratis en in zeer grote hoeveelheden beschikbaar en worden daarom ook niet meegenomen bij het bepalen van de COP. De COP is dus altijd groter dan 1; het rendement is altijd meer dan 100%.
• Richtlijnen voor  de COP van warmtepompen in woningen en gebouwen zijn:
  • elektrische warmtepomp: 2,5 à 5,0           
  • gasmotor warmtepomp: 1,2 à 2,0
  • absorptiewarmtepomp: 1,0 à 1,5           

Compressietechniek

De huidige generatie warmtepompen zijn vooral gebaseerd op de elektrisch aangedreven compressietechniek. De werking is te zien in onderstaande figuur.

Figuur 1: Warmtepomp met als warmtebron buitenlucht.

• Stap 1: Onttrekking van warmte
  Een vloeistof met een kookpunt lager dan de omgevingstemperatuur dient als transportmiddel van de warmte. De vloeistof onttrekt warmte aan de buitenlucht of andere warmtebron en verdampt in de verdamper (1).
• Stap 2: Compressie
  Een compressor (2) drukt vervolgens de verdampte vloeistof samen. Hierdoor stijgt de druk en de temperatuur van de damp. Dit is vergelijkbaar met het oppompen van een fietsband: door het pompen neemt de druk toe en wordt de onderkant van de pomp, waar de druk het hoogst is, behoorlijk heet.
• Stap 3: Afgifte van warmte
  De warmte van de damp kan worden afgestaan aan bijvoorbeeld een cv-installatie. In de condensor (3) wordt de warmte afgegeven aan het koudere cv-water. De damp koelt af, zelfs zó ver dat deze weer condenseert tot vloeistof. De vloeistof stroomt via een smoorventiel (die de druk en daarmee ook de temperatuur verlaagt) naar de verdamper (1), waar het proces van voor af aan begint.           

Absorptietechniek

• Het proces start bij de bellenkoker, waar de gasbrander een ammoniak/watermengsel verwarmt. Omdat het kookpunt van ammoniak lager is dan van water, ontstaan er ammoniak dampbellen die in de stijgleiding van de bellenkoker omhoog stijgen. De ammoniak dampbellen nemen tijdens deze verplaatsing een hoeveelheid water mee. 
• Bovenin de bellenkoker wordt de ammoniakdamp afgescheiden van het water, en stijgt verder door naar de condensor. In de condensor geeft de ammoniakdamp warmte af aan het CV-water dat om de condensor stroomt. Hierdoor koelt de ammoniak af en wordt het weer vloeibaar.
• De vloeibare ammoniak vloeit door zwaartekracht naar de verdamper waar het in een helium omgeving wordt gebracht. Doordat de ammoniak in een helium omgeving komt zakt de dampdruk van de ammoniak. De ammoniak kan daardoor verdampen bij lage temperaturen.
• Voor het verdampen heeft de ammoniak warmte nodig. Deze warmte wordt door een warmtewisselaar onttrokken aan de warmtebron: bodem, buitenlucht of stromend oppervlaktewater.
• Doordat het gasmengsel in de verdamper steeds rijker wordt aan ammoniak en ammoniakdamp relatief zwaar is, zakt het gasmengsel in de verdamper door zwaartekracht naar beneden. Het gasmengsel stroomt uiteindelijk in de absorber. In de absorber wordt het ammoniak/helium gasmengsel in tegenstroom gebracht met het water dat (d.m.v. communicerende vaten) uit de bellenkoker komt. De ammoniak wordt geabsorbeerd door het water waardoor de energie, die via de warmtebron was ingebracht, op een hoog temperatuurniveau wordt vrijgegeven aan het CV-water dat om de absorber stroomt. Het helium komt hierbij weer vrij en stijgt op in de absorber om vervolgens terug te stromen naar de verdamper.
• Het water/ammoniak mengsel stroomt door de zwaartekracht terug naar de bellenkoker waar het proces weer van voren af aan begint.           

Warmtebronnen

Warmtepompen onttrekken duurzame, lage temperatuur warmte aan de omgeving en staan deze warmte op een hoger, bruikbaar temperatuurniveau weer af. Diverse lage temperatuur bronnen kunnen als warmtebron voor een warmtepomp worden gebruikt.

Mogelijke bronnen

• Ventilatielucht is zeer geschikt voor een warmtepompboiler maar onvoldoende voor ruimteverwarming. Deze optie is interessant als de lucht in de woning mechanisch wordt afgezogen, maar er geen luchttoevoer kanalensysteem in de woning is. Hierdoor is er met name in de bestaande bouw een behoorlijk potentieel voor deze warmtepompboilers. De warmtepompboiler kan zowel per woning als collectief op appartementen complex niveau worden toegepast. In nieuwbouw woningbouw is gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning een concurrerend alternatief.
• Buitenlucht heeft als voordeel dat de warmte relatief goedkoop kan worden benut maar heeft als nadeel dat de temperatuur laag is, juist als er een grotere warmtebehoefte ontstaat. Buitenlucht is met name voor individuele systemen het overwegen waard.
• Oppervlaktewater heeft als nadeel dat het niet standaard aanwezig is en bovendien duur is per woning. Hierdoor wordt oppervlakte water alleen in collectieve systemen als bron gebruikt.
• Industriële restwarmte heeft dezelfde kenmerken als oppervlaktewater maar heeft veelal een hogere temperatuur waardoor een hoger rendement behaald kan worden.
• Warmte-/ koude opslag in de bodem(slangen door de aarde waar een medium doorheen loopt dat warmte opneemt) heeft als voordeel dat het goed per individuele woning toegepast kan worden. Het nadeel is dat het ten opzichte van buitenlucht of grote collectieve bronsystemen een dure techniek is.
• Warmte- / koude opslag in een aquifer heeft als nadeel dat het te duur is voor een individuele woning. Het voordeel is dat deze optie bij opschaling, vanaf circa 50 woningen, economisch wel interessant wordt. Voor een aquifer hoeft immers maar eenmaal geboord te worden, onafhankelijk van het aantal verbonden woningen. Bovendien kunnen woningen bij deze optie zonder meerkosten of extra energiegebruik eveneens gekoeld worden.         

Aquifers zijn watervoerende zandlagen. Het opslagsysteem bestaat uit een warme en koude bel en een warmtewisselaar. In de zomer wordt overtollige warmte uit gebouwen of de omgeving via de warmtewisslaar opgeslagen in de warme bel van het aquifer. Tegelijkertijd wordt er koude onttrokken aan de andere bel. Via de warmtewisslaar wordt dit in gebouwen gebruikt voor koeling. In de winter wordt de opgeslagen warmte aan de warme bel onttrokken en via de warmtewisselaar benut voor verwarmingsdoeleinden. Het hierdoor afgekoelde grondwater wordt vervolgens weer in de koude bel gepompt.

Warmte-afgiftesystemen - warmtepompen

LTV voorwaarde voor toepassing warmtepomp

LTV is een verwarmings- en distributiesysteem met een lagere aanvoer- en retourtemperatuur dan een conventioneel systeem met (hoge temperatuur) radiatoren. Voorbeelden van LTV zijn lucht-, wand- en vloerverwarming, vergrote radiatoren en convectoren. Het systeem moet zodanig zijn dat de aanvoertemperatuur voor de ruimteverwarming maximaal 55 °C bedraagt. Lagere verwarmingstemperaturen geven hogere efficiëntie. Dit wordt veroorzaakt door twee factoren:

Warmtepomp toepassingen

Er zijn meerdere toepassingsmogelijkheden voor warmtepompen binnen de woningbouw. We onderscheiden:

• de functie waar de warmtepomp voor wordt ingezet.
• de schaalgrootte van het warmtepompsysteem.
• de inzet van de warmtepomp al dan niet in combinatie met andere warmte-opwekkers.       

Merken en typen warmtepompen

Er is een kwaliteitskeurmerk voor warmtepompen. De website van de Stichting Kwaliteitskeur Warmtepompen geeft een actueel overzicht van goedgekeurde typen warmtepompen en leveranciers.  

Voorwaarden voor plaatsing warmtepompen

Er geldt een aantal voorwaarden voor de plaatsing van een warmtepomp in nieuwbouw woningen.

• Warmtepompen komen financieel het beste tot hun recht wanneer in de woning al energiebesparende maatregelen zijn genomen. De Trias Energetica geeft deze rangorde ook aan. 
• Lage-temperatuur verwarming (<55°C), ofwel LTV, is een voorwaarde voor het toepassen van de warmtepomp. Vloer en wandverwarming en luchtverwarming zijn het meest geschikt. Bij deze systemen is tevens koeling mogelijk. 
• Er moet een warmtebron aanwezig zijn. De bron kan per woning aangelegd worden, maar in nieuwbouwwijken kan er ook voor gekozen worden om een collectief broncircuit aan te leggen. In de energievisie zal deze optie meegenomen moeten worden. 
• De warmtevraag van de woning moet zo nauwkeurig mogelijk worden geschat. Een overschatte warmtevraag verlaagt het rendement van een warmtepomp sterk doordat de warmtepomp niet optimaal kan worden ingezet. 
• De opstellingsruimte voor een warmtepomp dient goed gekozen te zijn in verband met een beperkte hoeveelheid geluid en trillingen die een warmtepomp kan veroorzaken en vanwege de afmetingen en het gewicht. Bij voorkeur worden warmtepompen op de begane grond geplaatst op een locatie die niet direct grenst aan slaapvertrekken. Het benodigde ruimtebeslag voor een individuele combiwarmtepomp bedraagt ca. 0,6 m² bij 2 meter hoog.
• Bij gebruik van de bodem als bron kan een vergunning nodig zijn (open bron = >15 m³/h).  

Kosten en baten van warmtepompsystemen

Invloed op de Energie Prestatie Coëfficiënt (EPC)

• Het Bouwbesluit stelt eisen aan de maximaal toelaatbare EPCvoor een woning, naar verwachting wordt per 1-1-2006 een EPC verlaging voor nieuwbouwwoningen doorgevoerd van 1,0 naar 0,8.
• Het effect van de warmtepomp op de EPC hangt af van toepassing, warmtebron, merk en type warmtepomp en van de aanvoertemperatuur van het water. Let op deze zaken bij de invoer en vraag om de specificaties.
• De EPN website van Novem geeft onder het hoofdstuk maatregelen inzicht in de EPC verlaging van warmtepompen en LTV.
• De EPC-invloed en de kosten van een warmtepomp zijn indicatief te berekenen met de rekensheet 'EPC en kosten'.  'EPC en kosten' is te downloaden van de EPN site.