Nieuwe warmte en... koelte
Door de lidstaten van de Europese Unie (EU) is met elkaar afgesproken dat in 2030 minimaal 32% van de in de EU opgewekte energie (elektriciteit, gas en warmte) duurzaam moet zijn opgewekt. En in 2050 moet de energievoorziening bijna helemaal duurzaam en CO2-neutraal zijn. Voor warmte betekent het dat we van het aardgas afgaan en we op nieuwe manier warmte gaan maken. Maar hoe gaan we dat doen?
In deze blog kijken we naar de warmtepomp. Een techniek die een centrale rol speelt in het maken van nieuwe warmte en... koelte.
Hoe werkt een warmtepomp?
Een warmtepomp is een apparaat dat warmte verplaatst van de ene omgeving naar de andere omgeving. Zo kan een warmtepomp de warmte uit water, bijvoorbeeld een kanaal, halen en verplaatsen naar de CV-installatie van een woning en zo de woning verwarmen.
Interessant is dat je de warmtepomp ook andersom kan laten werken. Je kan de warmte in een woning, in de zomer bijvoorbeeld, verplaatsen naar het water in het kanaal en zo de woning koelen.
Een warmtepomp verplaatst warmte of koelte ook nog eens heel efficiënt. Met 1 energie-eenheid aan elektriciteit kan een warmtepomp wel 3 tot 7 energie-eenheden aan warmte of koelte leveren aan een woning. Er is geen ander apparaat dat zo efficiënt is in het verplaatsen van warmte en koelte.
De werking van de warmtepomp in meer detail
Ga je in meer detail kijken hoe een warmtepomp werkt dan wordt het wel spannend. Want, hoe krijgt een warmtepomp het voor elkaar om van water uit een kanaal van 12 graden warmte te maken van tussen de 30 en 50 en soms zelfs wel 70 graden voor je CV-installatie in huis?
We leggen het uit aan de hand van het volgende plaatje.
Stel het is winter. Buiten is het 2 graden en het water in het kanaal is nog 12 graden.
In de warmtepomp bevindt zich een volledig gesloten circuit waarin een koelmiddel zit. Dit koelmiddel is bijvoorbeeld propaan.
Stap 1
We beginnen links in het plaatje. Relatief warm water (rood) stroomt langs de verdamper in de warmtepomp. Het koelmiddel in de warmtepomp heeft een zeer laag kookpunt en gaat verdampen en wordt een gas. Dit gas stroomt naar de compressor. Het inmiddels een beetje afgekoelde water uit het kanaal stroomt terug naar het kanaal.
Stap 2
De elektrische compressor perst het gas samen, de druk wordt hoger en het gas wordt sterk verwarmd. Vergelijk het met een fietspomp; die wordt ook warm als je lucht samen perst. Het warme gas stroomt naar de condensor.
Stap 3
We kijken nu naar de rechterkant van het plaatje. Koud water (blauw) uit de CV-installatie stroomt langs de condensor en wordt opgewarmd door het hete gas in de warmtepomp. Het opgewarmde water in de CV-installatie stroomt naar de radiatoren in de verschillende ruimtes in de woning en geven daar hun warmte af. In de condensor in de warmtepomp koelt het gas af en het koelmiddel wordt weer een vloeistof en stroomt naar het expansie ventiel.
Stap 4
Het koelmiddel dat naar het expansieventiel stroomt staat nog onder hoge druk. Het expansieventiel verlaagt de druk en het koelmiddel koelt nog verder af en stroomt naar de verdamper.
De cyclus is nu rond en kan weer opnieuw beginnen.
Koelen
Interessant is dat het hele proces omgedraaid kan worden. De warmtepomp zorgt dan voor koel water in de CV-installatie waardoor ruimtes in een woning gekoeld worden. De warmte uit de woning wordt dan verplaatst naar het water in het kanaal. In werkelijkheid wordt de warmte niet verplaatst naar het kanaal maar wordt de warmte opgeslagen in een warmte-koude-opslag (WKO). Hiermee kan de opgeslagen warmte in de winter weer gebruikt worden. Een WKO wordt hieronder verder uitgelegd.
Aparte leidingcircuits
Het is goed om te benadrukken dat een warmtepompsysteem bestaat uit verschillende strikt van elkaar gescheiden circuits. Water bijvoorbeeld uit het kanaal stroomt nooit door je CV-radiatoren. Er worden nooit vloeistoffen met elkaar uitgewisseld. Er wordt alléén warmte en/of koude uitgewisseld. Dat gebeurt in een zogenaamde warmtewisselaar. In een (collectief) warmtepompsysteem bevinden zich dan ook op diverse plekken warmtewisselaars. In de schematische weergave hierboven zijn de verdamper en de condensor voorbeelden van warmtewisselaars.
Efficiëntie
Een warmtepomp kan, zoals gezegd, heel efficiënt warmte verplaatsen. En kan dat doen over een groot temperatuur bereik.
Maar de efficiëntie neemt af als het temperatuurverschil tussen de linkerkant van het plaatje (de bron) en de rechterkant van plaatje (de woning) groter wordt. Dit temperatuurverschil wordt ook wel delta T (ΔT) genoemd.
Zo zal een installatie met een lucht-water warmtepomp in de winter bij -5 graden buitentemperatuur en een CV-installatie die op 60 tot 70 graden draait minder efficiënt en dus meer elektriciteit vragen dan een water-water warmtepomp die, ook bij een buitentemperatuur van -5 graden, water van 20 graden uit een WKO haalt en die warmte afgeeft op een CV-installatie die op 35 graden draait. Bij de eerste installatie is ΔT 65 graden en bij de tweede installatie is ΔT 15 graden. De tweede installatie heeft in een jaar tijd veel minder stroom nodig dan de eerste installatie.
In het ontwerp van een warmtepompinstallatie is het goed om te streven naar een zo klein mogelijke ΔT. Dat kun je bereiken door goede isolatie van de woning en/of zoveel mogelijk warmte terugwinning in de woning en/of door een bron te kiezen die in de winter zo warm mogelijk blijft en in de zomer zo koud mogelijk.
De verschillen in de benodigde elektriciteit voor verschillende warmtepompinstallaties kunnen zo groot zijn dat netcongestie wel of geen probleem vormt.
Warmte koude opslag (WKO)
De energietransitie zit vol tegenstellingen. Overdag produceren zonnepanelen elektriciteit, terwijl je overdag niet thuis bent en weinig energie gebruikt. 's Avonds ben je thuis en verbruik je juist veel energie. Dat is niet handig. In Nederland lossen we dit, financieel, vooralsnog op middels de salderingsregeling. Een andere oplossing is om elektriciteit op te slaan, in een batterij. Op het moment dat er geen zon is, kun je elektriciteit uit de batterij halen.
Hetzelfde geldt voor warmte. In de zomer is er veel warmte, maar die warmte heb je op dat moment niet nodig. Die warmte heb je nodig in de winter. Het is dus handig als we die warmte kunnen opslaan. Hetzelfde geldt voor koude. In winter is er veel koude en die wil je eigenlijk opslaan zodat je in de zomer je huis ermee kan koelen. En dat is precies wat een warmte-koude-opslag, een WKO, doet. Handig.
Een groot voordeel van een WKO is dat de ΔT door het jaar heen zo klein en stabiel mogelijk gehouden kan worden. Dat komt de efficiëntie en zuinigheid van de warmtepompinstallatie ten goede.
De meest en al jarenlang gebruikte vorm van een WKO is de opslag van warm en koud water diep onder de grond in een waterhoudende zand- of kiezellaag. Deze lagen bevinden zich vaak 80 tot 150m tot soms 300m diep in de grond.
Warmtepompen in diverse maten en soorten
Warmtepompen zijn er in vele maten en soorten. In jouw koelkast zit een warmtepomp. Veel wasdrogers bevatten tegenwoordig een warmtepomp omdat ze zuiniger zijn dan oudere wasdrogers. In veel elektrische auto's zit een warmtepomp om diverse onderdelen en ruimtes in de auto te kunnen koelen en verwarmen.
WKO Cityplaza
Het Stadshart Nieuwegein, Cityplaza, beschikt over een van de grootste WKO-installaties van Nederland. De installatie levert warmte, koude en verwarming van tapwater. Het eerste deel van de installatie is in 2011 opgeleverd en wordt telkens uitgebreid. Woningen, winkels, horeca, het theatercomplex en het Stadshuis zijn aangesloten op het systeem.
Volgende blog
In een volgende blog beschrijven hoe een collectief laag temperatuur bronnet voor het verwarmen en koelen van woningen in een wijk als Vreeswijk eruit kan zien.