LT en HT Warmtepompen

Inleiding:  Huidige verwarming met aardgas

Nu worden onze huizen meestal verwarmd met een (aardgas) verwarmingsketel. In die verwarmingsketel wordt aardgas verbrand, de warmte wordt gebruikt om het water van het CV systeem op te warmen en tegelijk ook om warm water te maken voor douchen, wassen enz.  (Tapwater)

Principe van verwarming met gas gestookte CV ketel

 Bij de verbranding van aardgas ontstaat waterdamp en CO2.  De verbrande gassen worden “rookgas” of “verbrandingsgas” genoemd. In de huidige Hoog Rendements ketels wordt er een extra truc toegepast om het rendement te verhogen. De waterdamp in de verbrandingsgassen wordt (gedeeltelijk) gecondenseerd. Daar komt weer wat warmte bij vrij, die ook in de ketel wordt gebruikt. Uiteindelijk blijft er in het rookgas dus voornamelijk CO2 over. Het gecondenseerde water (condens) wordt via een sifon afgevoerd naar het riool.  Daarom heeft zo een CV ketel ook altijd een kleine waterafvoer. Het rendement van zo een ketel is daardoor erg hoog.  Aardgas wordt verbrand en bijna alle energie wordt nuttig gebruikt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld een open haard, waarbij er 80 … 90% van de energie van de verbranding via de schoorsteen naar buiten gaat. 

Elektrisch verwarmen met een warmte pomp

De overheid wil de uitstoot van CO2 verminderen. Daarom is er besloten dat we op (korte) termijn van het aardgas af moeten en over zouden moeten op andere warmtebronnen. Eén van de opties is elektrische verwarming. Daarvoor wordt er in huis niets meer verbrand, maar de verbranding wordt uitbesteed aan een elektrische centrale. Met de opgewekte elektriciteit wordt de woning dan verwarmd en daarmee moet ook het tapwater worden opgewarmd. 

Dat elektrisch verwarmen kan natuurlijk met een straalkachel of een infra rood kachel.   Dat is een simpel systeem, maar in de praktijk wordt dit een dure grap. 

Met een straalkachel wordt de elektrische energie omgezet in warmte.  Voor elke hoeveelheid warmte die er in huis wordt gebruikt moet een gelijke hoeveelheid elektrische energie worden aangevoerd.   Het rendement van dat proces is hooguit 100%    Dat klinkt mooi, maar het nadeel is dat elektrische energie veel duurder is dan de energie uit, bijvoorbeeld, aardgas.   De energierekening zal dan met ongeveer een factor 3 toenemen. 

Bij een warmtepomp wordt er gebruik gemaakt van de energie van buiten het huis. Die buiten energie kan komen van de buitenlucht of het grondwater.   Meestal wordt de warmte vanuit de buitenlucht onttrokken. De buitenlucht heeft een temperatuur lager dan de temperatuur in het huis, maar de warmte wordt uit de buitenomgeving gehaald en naar binnen gebracht. Er wordt daarbij warmte van buiten (lagere temperatuur), naar binnen (hogere temperatuur) “gepompt”   
De koudere buitenlucht koelt dus af en deze warmte wordt doorgegeven aan de binnenruimte in het huis. 

Het idee van een warmtepomp


De enige energie die er wordt gebruikt is de elektrische energie om de warmtepomp aan te drijven. Het “rendement” van dit proces is erg hoog.  Waardes van 300 …  500% zijn mogelijk. Dat betekent dat we met 1 kWh elektriciteit zomaar 3  …. 5 kWh warmte in het huis kunnen krijgen. Als we dat met een straalkachel zouden doen dan is het rendement hooguit 100%  Met een straalkachel, of infra-rood-paneel, krijg je met 1 kWh elektriciteit hooguit 1 kWh warmte in huis. Met een warmtepomp wordt de maandelijkse elektriciteitsrekening dus veel lager dan bij verwarming met straalkachels of infra-rood-panelen. 

Let op:  ook met een warmtepomp zal de elektriciteitsrekening nog altijd flink hoger zijn dan bij stoken op gas, maar daar staat dan tegenover dat je geen gasrekening meer hebt.

De werking van een warmtepomp

De werking van een warmtepomp lijkt op het systeem van een airco of koelkast. 

In de warmtepomp circuleert een koelmiddel. Dat is een vloeistof die makkelijk verdampt en ook makkelijk weer te condenseren is. Dat kan zijn freon, ammoniak, propaan, butaan of CO2

Dit koelmiddel wordt als gas door een compressor samengedrukt. We krijgen dan gas met een hoge druk.   Dat gas gaat door een condensor en drukt dan tegen een druk-regelklep aan.  Dit wordt de expansie klep genoemd.  Deze regelklep houdt het gas tegen, zodat het onder hoge druk in de condensor blijft.    In de condensor condenseert dit gas dan tot een vloeistof. Net zoals waterdamp tot waterdruppels condenseert op een koude ruit.    Bij dat proces komt warmte vrij.    Met die warmte kan het huis dan verwarmd worden. 

De vloeistof komt na de klep in een verdamper. In die verdamper heerst een veel lagere druk dan voor de regelklep. De vloeistof in de condensor gaat daardoor koken. Door dit koken (verdampen) koelt de condensor af. Vergelijk dit met het verdampen van een vloeistof zoals alcohol of ether op je hand, je voelt dan ook dat het afkoelt.  

Dit proces van verdamping trekt daardoor warmte aan van buiten.

We hebben in de condenser nu gas. Dit gas wordt in een compressor samengedrukt tot gas met een hoge dichtheid en dit wordt weer naar de condensor gedrukt om daar opnieuw warmte af te geven.  

Principe van een warmtepomp

Koelmiddelen in een warmtepomp

De koelmiddelen moeten stoffen zijn die op het juiste niveau verdampen. Waterdamp is daarvoor ongeschikt. De gebruikte koelmiddelen zijn de stoffen die oorspronkelijk werden gebruikt voor airco’s en koelkasten. Dat kan zijn freon, ammoniak, propaan, butaan of CO2

Het zijn allemaal stoffen die in het systeem moeten blijven, maar niets is perfect en elk systeem zal altijd een klein beetje lekken. 

Freon is een verzamelnaam voor allerlei verschillende stoffen gemaakt uit koolstof, fluor en chloor. Sommige van deze stoffen kunnen de ozonlaag aantasten en sommigen zijn heel sterke broeikasgassen. Propaan en butaan zijn erg brandbaar. Ammoniak is giftig en brandbaar. Propaan, butaan en ammoniak zijn ook weer een sterk broeikasgas. Ironisch genoeg is CO2 een stof die bij lekkage het minste als broeikasgas werkt van de andere genoemde koelmiddelen. 

Elk koelmiddel heeft zijn eigen risico’s, ze kunnen giftig zijn, ze kunnen brandbaar zijn, ze kunnen de ozonlaag aantasten en ze kunnen zelf ook weer als broeikasgas werken. Het is dus belangrijk dat deze koelmiddelen binnenboord blijven en zo min mogelijk naar buiten mogen lekken. Het effect van een koelmiddel op de Global Warming wordt weergegeven in als het “Global warming Potential”  Hoe groter dit getal, hoe meer effect een gelekt koelmiddel heeft op het broeikaseffect. 

Daarnaast hadden de vroegere freon verbindingen een effect op  de ozonlaag. Het effect op de ozonlaag wordt weergegeven als de “Ozone Depletion Coefficient”.   Het vroegere Freon type R12 kreeg de waarde 1. Hoe lager het ODP getal van de stoffen, hoe minder effect deze stof heeft op de ozonlaag. Deze schadelijke freon types zijn daarom verboden. 

KoelmiddelGlobal Warming PotentialOzone Depletion Coefficient
Freon1  ….   125000,015    …. 1
Ammoniak00
Propaan9,50
Butaan6,50
CO210

Opbouw van een warmtepomp

Om redenen van veiligheid zijn de meeste warmtepompen tegenwoordig opgebouwd als mono block warmte pompen. Het hele systeem met het koelmiddel blijft dan buiten. Het enige wat naar binnen komt is het CV water dat naar de warmtepomp wordt geleid, daar wordt opgewarmd en dan als warm CV water weer naar binnen gaat. 

Opbouw van een warmtepomp installatie

Het systeem is uiteraard wat ingewikkelder dan in deze schets is aangegeven. Het tapwater wordt eerst opgewarmd met hetzelfde (hoge) rendement als de rest van de warmtepomp.  Het tapwater wordt opgeslagen in een boilervat.   In dat boilervat zit nog een extra (normaal) verwarmingselement.  Dat is nodig omdat een warmtepomp maar tapwater aflevert van ± 35°C. Dat is best koud om te douchen en er bestaat het risico op legionella in het tapwatersysteem. Het  extra verwarmingselement warmt het tapwater dan op tot ± 60°C   Dat kost extra elektrische energie. 

Temperaturen en Rendement van een warmtepomp

Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt als de COP.  Coefficient of Performance. Deze COP is de hoeveelheid warmte die naar binnen gepompt wordt, gedeeld door de elektrische energie die er naar de warmtepomp moet worden toegevoerd. Deze COP is afhankelijk van de temperatuur van de buitenlucht en van de temperatuur van de warmte afgifte. Als een warmtepomp de warmte van buiten naar een hoger niveau moet oppompen, dan is daar meer energie voor nodig.   Dat temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overwinnen wordt de “temperatuur lift” genoemd. 

COP van een warmtepomp als functie van de temperatuur lift, Bron: https://www.pickhvac.com/faq/heat-pump-cop/

Met andere woorden:  

  • Hoe kouder het buiten is, hoe meer energie er nodig is voor een warmte pomp.  
            Als het koud is, dan is er natuurlijk sowieso meer verwarmingsenergie nodig,
            maar bij warmtepompen gaat dit dus dubbelop !
  • Hoe warmer het CV water moet zijn, hoe meer energie er nodig is voor de warmte pomp. 

In de volgende grafiek is een voorbeeld gegeven van de COP als functie van de temperaturen in het afgiftesysteem en de buitentemperatuur.


                                                  Voorbeeld COP van een warmtepomp als functie van de buiten temperatuur
, Informatie van Bosch. COP type CS7001iAW 7 OR-S

In deze grafiek van Bosch is voor een bepaald type warmtepomp het verloop van de COP weergegeven als functie van de buiten temperatuur.

Op de horizontale as staat de buitentemperatuur.   Op de verticale as staat de COP.   De afgifte temperatuur is de ingestelde temperatuur voor het CV water. 

  • Lijn 1:  COP bij een afgifte temperatuur van 35°C
  • Lijn 2:  COP bij een afgifte temperatuur van 45°C
  • Lijn 3:  COP bij een afgifte temperatuur van 55°C

Hoe hoger de ingestelde afgiftetemperatuur, hoe lager de COP wordt.  Ook geldt dat bij een lagere buitentemperatuur de COP ook lager wordt. Op een koude winterdag heeft de warmtepomp dus een COP (rendement) dat lager is dan in een warmere najaarsdag.

Om een indicatie te krijgen van de gemiddelde COP gedurende de hele winter heeft men de term SCOP ingevoerd (Seasonal Coefficient of Performance). In deze SCOP heeft men de gemiddelde waarde genomen van de wintertemperatuur die men verwacht voor een bepaalde regio. 

Een warmtepomp kan dus alleen maar goed functioneren als de afgiftetemperatuur zo laag mogelijk wordt ingesteld ! 

De COP van een warmte pomp wordt door de fabrikanten standaard uitgedrukt als de COP bij een buitentemperatuur van 7°C en een temperatuur van de warmte afgifte van 35°C. Dat betekent dat het verwarmingswater van een warmtepomp in deze situatie een temperatuur heeft van maar 35°C.   De temperatuur van het verwarmingswater van een CV ketel is meestal 60 …. 70°C.

Een warmtepomp geeft dus warmte op een lager temperatuurniveau dan een CV-ketel. Dat noemt men een LT (Laag Temperatuur) warmtepomp systeem. Dit kan problemen opleveren bij het warmte overdracht systeem. Het warmte overdracht systeem is alles dat de warmte van het CV systeem overdraagt naar het huis zelf.  Dus de radiatoren, de eventuele vloerverwarming en ook de leidingen waar het CV water doorheen gaat. 

De huizen voor 2012 hebben meestal een warmte overdracht systeem dat ontworpen is voor een HT ( Hoog Temperatuur ) verwarming. Deze systemen functioneren alleen maar goed met CV water van 65  …. 80 °C. Om te bekijken of het warmte-overdracht-systeem in uw huis geschikt is voor een LT warmtepomp, dan kunt u dat eenvoudig testen door op een koude winterdag de temperatuur van het CV water te verlagen naar 35°C.  (De temperatuurregeling van het CV water is niet de thermostaat in de kamer, de instelling voor de watertemperatuur zit op de ketel zelf. )

Als het warmte overdracht systeem niet geschikt is voor een LT warmte pomp dan zijn er een paar mogelijkheden: 

  • Het warmteoverdrachtsysteem in huis aanpassen, dat is een forse verbouwing.  De radiatoren moeten worden vervangen door speciale LT radiatoren, dat zijn grotere radiatoren met een ingebouwde ventilator. Ook kan het zijn dat er een speciaal LT vloerverwarming-systeem moet worden aangelegd. Deze vloerverwarming moet veel pijpen bevatten. Daarvoor moet de hele vloer opgebroken worden. 
  • De warmte pomp bedrijven op een hogere afgifte temperatuur. Dat is nadelig voor het rendement.  Het rendement zakt in, het energieverbruik gaat omhoog.   Als er een te hoge afgiftetemperatuur nodig is zakt de COP in tot een waarde van 100% en dan zou er net zo goed gebruik kunnen worden gemaakt van een set straalkachels, met de bijbehorende maandelijkse energie rekening. 
  • Investeren in een HT warmtepomp. 

Een HT warmte pomp is bedoeld voor warmte afgifte op een hoger temperatuurniveau.   

HT Warmtepompen

Omdat aanpassing van het verwarmingssysteem een kostbare en ingrijpende verbouwing is, wordt er door de fabrikanten van warmtepompen gewerkt aan HT warmtepompen. HT warmte pompen zijn warmtepompen met een hogere afgifte temperatuur dan LT warmtepompen.

Hier kan sprake zijn van een normale warmtepomp, waar de afgiftetemperatuur hoger wordt ingesteld.   In feite wordt de warmtepomp hiermee “over de kop gejaagd”. Het voordeel is de lagere investering, omdat het warmteoverdrachtsysteem nog niet volledig verbouwd hoeft te worden. Het nadeel is de lagere COP en daarmee een hogere maandelijkse elektriciteitsrekening. 

Ook kan er gebruik worden gemaakt van warmtepompen die speciaal ontwikkeld zijn voor warmte afgifte op een hogere temperatuur. O.a. Feenstra en Vattenfall werken aan HT warmtepompen. 

Deze warmtepompen werken iets anders dan ”normale” LT Warmtepompen. Er wordt gebruik gemaakt van superkritisch CO2 als koelmiddel  Superkritisch CO2 is een gas dat bij zo een hoge druk wordt samengeperst dat er eigenlijk geen verschil meer is tussen een gas en een vloeistof. 

Feenstra en Vattenfall claimen dat hiermee een afgifte temperatuur van 65°C kan worden bereikt. Er kan zelfs op pieken van 85°C worden gedraaid om het huis snel op te warmen.  

De warmte voor de tapwater boiler komt hierbij ook van de warmtepomp.  De boiler wordt daarmee opgewarmd met hetzelfde rendement (COP) als de warmtepomp.  Een aparte elektrische bijverwarming voor het tapwater zou dus niet nodig zijn.  

De apparaten zijn wel erg groot.  Voor de warmtepomp en het boilervat moet je denken aan meer dan het formaat van een dubbeldeurs Amerikaanse koelkast. Deze apparaten zijn nog niet op de markt. Duurzaam-Kloosterveen heeft al gevraagd naar de SCOP en de prijzen, maar deze gegevens zijn nu nog niet beschikbaar gesteld. Of deze HT warmtepompen dus doen wat ze beloven kunnen we dus nog niet nagaan.

Deze nieuwe HT warmtepompen zullen het beste functioneren bij een hogere afgifte temperatuur van tenminste 65°C. Maar ze zullen dan nog altijd een lagere COP hebben dan een gewonere LT warmtepomp met een afgiftetemperatuur van 35°C. De investeringskosten bij de ombouw naar een HT warmtepomp zijn dus lager, maar de elektriciteitsrekening is hoger dan bij een LT warmtepomp. 

De keuze tussen een HT of een LT warmtepomp zal dus o.a. af hangen of het warmteoverdrachtssysteem geschikt is voor een lagere afgiftetemperatuur of niet.  Als het warmte overdrachtssysteem al geschikt is voor een lage temperatuur, dan is een normalere LT warmtepomp waarschijnlijk de beste keuze.