Warmtepompen essentieel binnen de energietransitie

Een warmtepomp verplaatst namelijk warmte uit een omgeving (omgevingswarmte) waar deze warmte niet nodig is, zoals de bodem (zie artikel 4), de buitenlucht of het oppervlaktewater, naar een omgeving waar deze warmte wél nodig is, zoals onze woningen. De warmtepomp weet daarmee ’gratis’ omgevingswarmte te winnen en op te waarderen tot bruikbare temperaturen voor gebouwverwarming en warm tapwater.

Naast het winnen van omgevingswarmte is de warmtepomp in staat om restwarmte terug te winnen en op te waarderen naar bruikbare temperaturen. Bijvoorbeeld met behulp van een zogenoemde lucht-lucht warmtepomp kan aanwezige warmte in uitgaande ventilatielucht worden teruggewonnen en worden gebruikt voor het opwarmen van de inkomende ventilatielucht.

Benodigde hulpenergie

Een warmtepompsysteem heeft, voor het verplaatsen en opwerken van omgevingswarmte naar bruikbare temperaturen, hulpenergie nodig. Op dit moment bestaat deze hulpenergie vooral uit elektriciteit. Naast elektrisch aangedreven warmtepompen bestaan er ook gasabsorptiewarmtepompen. In plaats van het gebruik van elektriciteit wordt een gasvlam gebruikt voor de aandrijving van de warmtepomp. Bij een gasabsorptiewarmtepomp is de traditionele elektrische compressor vervangen door een thermodynamische compressor, die door warmtetoevoer in staat is om omgevingsenergie te verplaatsen. In de toekomst is het niet ondenkbaar dat er ook warmtepompen op de markt komen die bijvoorbeeld door waterstofgas of biogas worden aangedreven.  

Door de toepassing van een warmtepomp wordt, in vergelijking met het gebruik van een cv-ketel, uitstoot van fossiele CO₂ naar de atmosfeer voor een aanzienlijk deel voorkomen. Immers het grootste deel van de benodigde energie om onze gebouwen te voorzien van warmte is afkomstig uit de omgevingsbron. Enkel het gebruik van de elektrische energie, conform de huidige energiemix, leidt nog tot uitstoot van fossiele CO₂ naar de atmosfeer. Als de benodigde elektriciteit wordt opgewekt met zonnepanelen of windmolens, is sprake van een 100% duurzame installatie, zonder uitstoot van CO₂.

De onderdelen van een warmtepomp

In figuur 1 is een schets opgenomen van de belangrijkste onderdelen van een warmtepomp.

Figuur 1: overzicht onderdelen en werking van een warmtepomp

Een warmtepomp bestaat grofweg uit de volgende onderdelen:

• De verdamper: de verdamper is het deel dat omgevingswarmte kan winnen uit een omgevingsbron. In de verdamper is een koude vloeistof aanwezig, dat bij lage druk en daardoor een lage temperatuur verdampt tot een gas. Indien de temperatuur van de omgevingsbron hoger is dan de koude vloeistof warmt deze vloeistof op en zal gaan verdampen tot gas.
• De compressor: de compressor binnen de warmtepomp zorgt voor een drukverdeling in 2 compartimenten; het creëert een lage druk in de verdamper en een hoge druk in de condensor. Het ontstane gas in de verdamper wordt door de compressor onder grotere druk gebracht richting de condensor. Hierdoor gaan de gasmoleculen sneller bewegen en wordt de temperatuur van het gas aanzienlijk hoger. Hierbij geldt hoe hoger het drukverschil tussen verdamper en condensor die de compressor opbouwt, hoe groter het temperatuurverschil tussen de verdamper en de condensor, en hoe meer (elektrische) hulpenergie noodzakelijk is om de gewenste afgifte temperatuur te maken.
• De condensor: in de condensor condenseert het opgewarmde gas weer tot een vloeistof doordat het warmte verliest aan zijn omgeving (de te verwarmen ruimte). In de condensor heerst nog steeds een hoge druk als gevolg van de opgebouwde druk van de compressor.
• Het smoorventiel: een smoorventiel heeft als functie om het gecondenseerde gas (de vloeistof) door te laten richting de verdamper. Hierbij vindt een drukval plaats en koelt de vloeistof aanzienlijk af. Immers, druk en temperatuur zijn aan elkaar gekoppeld; een hoge druk geeft hoge temperaturen een lage druk lage temperaturen. Deze afgekoelde vloeistof kan in de verdamper weer opwarmen door de te winnen omgevingswarmte, zodat het weer gasvormig wordt en het proces weer van voor af aan kan beginnen.

Factoren die het rendement van een warmtepomp beïnvloeden

Het rendement en de capaciteit van een warmtepomp is voornamelijk afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de verdamper en condensator. Met andere woorden, het rendement van de warmtepomp is afhankelijk van het temperatuurverschil van de omgevingsbron waar warmte uit wordt onttrokken en de benodigde afgiftetemperatuur voor gebouwverwarming. Hierbij geldt dat het rendement en de capaciteit van een warmtepompsysteem toeneemt naar mate het temperatuurverschil tussen de omgevingsbron en de benodigde afgiftetemperatuur kleiner wordt. Immers hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer druk er moet worden opgebouwd door de compressor en dus hoe meer (elektrische) hulpenergie moet worden toegevoegd. Kortom, een warmtepomp werkt het meest efficiënt (duurzaam) als de omgevingstemperatuur hoog is en de benodigde afgiftetemperatuur laag.

Het rendement van een warmtepomp wordt vaak uitgedrukt in een zogenoemde COP-waarde. De COP-waarde, zegt iets over de verhouding tussen de hoeveelheid geleverde thermische energie en de hoeveelheid toegevoegde hulp energie op een bepaald moment in de tijd. Het rendement van een warmtepompsysteem over het gehele seizoen heen wordt uitgedrukt in een SPF-waarde. De SPF-waarde is de gemiddelde COP-waarde over het gehele jaar.

Voorbeeld berekening benodigde hulpenergie

Vaak wordt de SPF-waarde niet vermeldt in verkoopbrochures. Deze waarde is echter voor de eindgebruiker zeer belangrijk. Met behulp van de SPF-waarde is het namelijk mogelijk om een inschatting te maken van de benodigde hulpenergie over het jaar heen. Ter illustratie een indicatieve berekening.

Voorbeeld berekening

Stel een huishouden verbruikt op jaarbasis 1700 m³ aardgas. Deze hoeveelheid energie in aardgas is om te rekenen naar kilowattuur. Eén kuub aardgas bevat namelijk circa 9,769 kWh aan energie. In totaal verbruikt dit huishouden dus jaarlijks 1700 maal 9,769 = 16.607, 3 kWh.

Om deze hoeveelheid energie met behulp van een warmtepomp op te wekken, is het nu mogelijk om te berekenen hoeveel hulp energie hiervoor nodig is. Stel de warmtepomp heeft een SPF-waarde van 4, dan betekent dit dat er jaarlijks circa 4152 kWh aan hulpenergie benodigd is (16.607,3 kWh / 4 = 4.152 kWh) om de totale 16.607,3 kWh aan warmte op te wekken.       

Omgevingsbronnen voor een warmtepomp

De meest gebruikelijke bronnen voor een warmtepomp op dit moment zijn:

• De bodem (zie ook artikel 4 over bodemenergie)
• De buitenlucht

En in mindere mate:

• Oppervlaktewater
• Zonnecollectoren

Temperatuurniveaus duurzame omgevingsbronnen

In de figuren 2 tot en met 6 wordt een beeld geschetst van het verloop en de beschikbaarheid van de omgevingstemperatuur per omgevingsbron. Er is geen figuur opgenomen van de temperatuur van een zonnecollector/boiler, aangezien dit afhankelijk is van de hoeveelheid vierkante meter zonnecollector. Desalniettemin, geldt dat de zonnecollector de buitenluchttemperatuur volgt, maar zodra de zon schijnt hogere temperaturen produceert, aangezien de ingestraalde zon-thermische energie wordt gewonnen. In figuur 6 is de hoeveelheid zoninstraling uitgemiddeld over het seizoen en over het jaar heen opgenomen. Hieruit valt af te leiden dat in de winter gemiddeld 1,0 kWh/m² zonne-energie invalt, tegen 5,2 kWh/m² in de zomer; ruim vijf keer meer. Wanneer dit wordt vergeleken met het jaarlijkse gemiddelde, blijkt dat de insolatie ‘s winters circa 69% minder is, en ‘s zomers ongeveer 61% meer dan gemiddeld.

Figuur 2: fluctuatie bodemtemperatuur in de eerste 10 meter minus maaiveld op verschillende diepten in de bodem. Vanaf circa 10 m-mv is geen seizoensgebonden zonthermische beïnvloeding meer waarneembaar en heerst er een constante achtergrondtemperatuur van circa 10⁰C oplopend tot circa 13 à 15⁰C op een diepte van circa 250 m-mv

Figuur 3: verandering van de lokale bodemtemperatuur bij toepassing van een bodemenergiesysteem als voorbeeld van het effect dat thermische energie kan worden opgeslagen in de bodem. Het voorbeeld is afkomstig van het bodemenergiesysteem ten behoeve van een bestaand kantoorpand

Figuur 4: fluctuatie van de atmosferische buitenluchttemperatuur op basis van het NEN5060-A2 jaar, beginnend in januari en eindigend in december

Figuur 5: fluctuatie van de temperatuur in het oppervlaktewaterlichaam de Noordzee langs de kust bij Zandvoort (bron: meteopagina.nl)

Figuur 6: Dagelijkse insolatie, gemiddeld over 91 dagen (een ‘seizoen’), voor de 4 stralingscomponenten. Van (ongeveer) boven naar beneden: globale (totale; rood) directe (blauw), diffuse (groen), en door de grond gereflecteerde (cyaan) straling. Bron: http://han.vandersluys.nl/pub/PDFs/FactSheetHAN_InstralingZon.pdf

Op basis van de figuren 2 tot en met 6 zijn er de volgende conclusies te trekken  over het gebruik van de verschillende omgevingsbronnen voor winning van omgevingswarmte door een warmtepompsysteem:

• Gezien de temperaturen van de beschikbare duurzame omgevingsbronnen is het logisch dat warmtepompsystemen het meest geschikt zijn voor gebouwen waar kan worden verwarmd met lage afgiftetemperaturen (30 à 45⁰C), aangezien de temperaturen van de omgevingsbronnen relatief laag zijn. Als de omgevingsbron hogere temperaturen bevat is het overigens goed mogelijk om met dezelfde hoeveelheid hulpenergie hogere afgiftetemperaturen te produceren. Dit laatste is van belang voor matig tot slecht geïsoleerde gebouwen met hoge temperatuurafgiftesystemen, waarbij de benodigde afgiftetemperatuur relatief hoog (50 – 95⁰C) moet zijn.
• De bodem heeft vanaf circa 10 m-mv, een constante relatief hoge achtergrondtemperatuur (circa 10 – 13⁰C) op het moment dat de warmtevraag het grootst is. Daarnaast heeft de bodem de eigenschap om thermische energie (zowel koude als warmte) tijdelijk en lokaal op te slaan, waardoor de omgevingstemperaturen gunstiger worden als bron voor een warmtepomp en als bron voor duurzame koeling. Alle overige beschikbare bronnen hebben in de winter een lagere omgevingstemperatuur beschikbaar en in de zomer een hogere.
• De atmosferische buitenlucht is onderhevig aan grote temperatuurfluctuaties in korte tijd (dag en nacht) en aan seizoenfluctuaties. Op de momenten dat de warmtevraag groot is, zijn de beschikbare buitenluchttemperaturen laag. Hierdoor is de buitenlucht een minder geschikte bron voor een warmtepomp en zal er zeker in de wintermaanden relatief veel hulpenergie noodzakelijk zijn om de gewenste afgiftetemperaturen te produceren. Echter, in de tussenseizoenen en het zomerseizoen kan zeer efficiënt warmte worden geproduceerd.
• De temperatuur van een oppervlaktewaterlichaam is onderhevig aan seizoensgebonden temperatuurfluctuaties. Hierbij geldt eveneens dat de watertemperaturen relatief laag zijn op het moment dat de warmtevraag het grootst is. Hierdoor is ook een oppervlaktewater een minder goede bron voor een warmtepomp dan de bodem. Desalniettemin kan ook met deze omgevingsbron in de tussenseizoenen en het zomerseizoen zeer efficiënt warmte worden geproduceerd.
• Een zonnecollector is net als de buitenlucht onderhevig aan grote temperatuurfluctuaties. Het voordeel van een zonnecollector is wel dat zodra de zon schijnt deze energie kan worden gevangen. Echter, afhankelijk van het benodigde vermogen is wel een minimum aantal vierkante meter zonnecollector nodig om te kunnen dienen als omgevingsbron voor een warmtepomp. Daarnaast geldt ook dat er in de winter veel minder zon-thermische energie wordt ingestraald en de buitenlucht temperatuur laag is, waardoor ook deze omgevingsbron minder geschikt is als de bodem. Desalniettemin als de zon schijnt, levert de zonnecollector hogere omgevingstemperaturen dan de buitenlucht. Ook kan met deze omgevingsbron in de tussenseizoenen en het zomerseizoen zeer efficiënt warmte worden geproduceerd. In de zomer is zelfs het gebruik van een warmtepomp niet nodig en kan de zonnecollector naar verwachting volledig voorzien in de warmtevraag.
• Op basis van de beschikbare temperaturen van de beschikbare omgevingsbronnen wordt geconcludeerd dat de bodem de meest efficiënte omgevingsbron is waaruit omgevingsenergie kan worden gewonnen. Niet alleen zijn de omgevingstemperaturen relatief hoog op moment dat de warmtevraag het grootst is, ook kan tijdelijk thermische energie worden opgeslagen zodat de benodigde thermische energie op het juiste moment kan worden onttrokken. Daarnaast is het mogelijk om duurzaam te koelen met de bodem. Het duurzaam koelen kan met de overige omgevingsbronnen niet of minder gunstig.

Volgend artikel

Nu weet u meer van de duurzame techniek van de Warmtepomp. In het volgende artikel vertel ik u meer over de werking van een zonnecollectorsysteem.

-----------------------------------------------------------------

Meer weten over duurzame installatieconcepten?

Vanuit mijn beroep als specialist duurzame technieken bij KWA Bedrijfsadviseurs heb ik onder andere een onderzoek uitgevoerd voor Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO). Het onderzoek heeft vele inzichten opgeleverd over het toepassen van een 19 duurzame installatieconcepten in de bestaande bebouwde omgeving.

Ik publiceer daarom 1x per maand een artikel met uitleg over de te nemen stappen om bestaande gebouwen en woningen op een duurzame manier te verwarmen en/of te koelen. In afzonderlijke artikelen neem ik onder andere de technieken warmte- en koudeopslag in de bodem, warmtepompen, zonnecollectoren, biomassaketels en pelletkachels onder de loep.

Wilt u deze artikelen automatisch ontvangen?

Meld u hier aan, dan stuur ik u het artikel toe zodra het uit is. Zo mist u geen énkel artikel.

Bent u al bezig met het verduurzamen van uw energievoorziening en heeft u vragen over de keuzes die u moet maken? Neem gerust contact met mij op. Ik geef u graag onafhankelijk advies.

Bekijk ook: