Een eerste kennismaking met aardwarmtepompen Auteur: N. Packer, Staffordshire University (VK), april 2011. Samenvatting Wat is een warmtepomp? Lijkt een warmtepomp op een gewone waterpomp? Misschien een beetje, maar er zijn belangrijke verschillen. Een waterpomp is een installatie die water van de ene plek naar de andere plek brengt. Een warmtepomp is echter een installatie om energie van de ene plek (de warmtebron) naar een andere (de warmteput) te brengen, en wel door zowel de druk als de aggregatietoestand (vloeibaar/gasvormig) van een warmtemedium te veranderen. Om dit beter te begrijpen hebben we een lesje thermodynamica (energiekunde) nodig. Verdamping en condensatie Laten we eerst eens kijken naar water, een stof die we goed kennen. Wij weten dat de toestand van water verandert van vloeistof in gas bij een temperatuur van 100 o C bij atmosferische druk. We zeggen dan dat het verdampt of 'kookt'. Als het water weer afkoelt tot onder de 100 o C bij atmosferische druk, condenseert het weer tot vloeistof. Als we nu de omgevingsdruk verhogen, wordt het moeilijker voor een watermolecuul om los te raken van de andere moleculen. Daarvoor is dan extra energie nodig, en daarom stijgt ook de kooktemperatuur naarmate de druk toeneemt. Bij 2x atmosferische druk is het kookpunt van water bijvoorbeeld 120 o C. Als de druk lager is dan de atmosferische druk, geldt het omgekeerde en zal water gemakkelijker verdampen. Bij 0,5x atmosferische druk kookt water al bij 81 o C. Koelmiddelen zijn stoffen die zich ook op deze manier gedragen, behalve dat zij bij elke willekeurige druk bij veel lagere temperaturen koken dan water. Zo kookt het koelmiddel R 134a al bij 26 o C bij atmosferische druk. Waarom is het in dit verband nodig dat stoffen verdampen of condenseren? Dat zit zo. Vergeleken met de energieoverdracht bij een eenvoudig temperatuurverschil wordt er bij verdamping en condensatie veel meer warmte energie geabsorbeerd of juist afgegeven. Van dit fenomeen wordt gebruik gemaakt in koelkasten en warmtepompen.
Koelkasten en warmtepompen Laten we eens een huis tuin en keuken koelkast als voorbeeld nemen. Stel je voor dat je net een nieuwe koelkast hebt en dat je deze voor het eerst aanzet. De lucht in de koelkast bevindt zich in eerste instantie op kamertemperatuur en bevat meer dan genoeg energie om het koelmiddel in een intern buizencircuit (de verdamper) te doen 'koken'. Doordat de lucht op die manier energie verliest, koelt deze af. De lucht kan zelfs zo koud worden dat alle daarin vervatte waterdamp niet alleen condenseert maar ook bevriest. In dat geval ontstaat er een hinderlijke ijsaanslag in het koelvak. Vervolgens moet de door het koelmiddel opgenomen warmte weer ergens worden afgegeven. Dan pas kan het middel terug door de verdamper worden geleid, wat ervoor zal zorgen dat de temperatuur in het koelvak geschikt blijft voor het bewaren van voedsel. Hoewel het koelmiddel door de verdamping al aardig wat energie heeft opgenomen, is het toch niet erg warm geworden. Omdat er slechts een klein temperatuurverschil bestaat ten opzichte van de lucht rondom de koelkast, kan het de eigen warmte moeilijk aan de omgeving afstaan. Dit probleem wordt opgelost door de koelmiddeldruk te verhogen middels een elektrische compressor (meestal een zwart onderdeel aan de achterkant van de koelkast). Dankzij de hogere druk stijgt ook de (kook)temperatuur van het koelmiddel. Condensor Compressor Dankzij de hogere temperatuur en druk staat de koelmiddel nu gemakkelijk alle warmte aan de omgeving af door te condenseren in het rooster achterop de koelkast (de condensor). Het koelmiddel wordt vervolgens teruggeleid naar de verdamper, waarna het proces weer opnieuw begint. Het doel van een gewone koelkast is natuurlijk het koelen van de inhoud (meestal etenswaren). De warmte die hierbij vrijkomt heeft verder geen nut en wordt zo snel mogelijk afgevoerd. Er zijn echter ook apparaten die in principe hetzelfde werken, maar waarbij het koelen van de warmtebron minder belangrijk is en juist het onttrekken van nuttige warmte centraal staat. In dat geval spreken we van een warmtepomp. Warmtepompen zijn in essentie apparaten die op basis van een energiearme warmtebron en een beperkt elektrisch vermogen een energierijke warmtebron produceren. Het effectieve rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP (coefficient of performance). Deze wordt als volgt gedefinieerd: COP = hoeveelheid afgegeven warmte bij condensor / elektrisch inputvermogen van compressor Hoe hoger de COP, des te beter. In dat geval krijg je immers meer warmte op basis van dezelfde hoeveelheid (kostbare) elektriciteit.
Aardwarmtepompen Aardwarmtepompen (ook wel: bodemwarmtewisselaars) gebruiken grond of oppervlaktewater als energiearme warmtebron voor het verwarmen van water. Dit kan vervolgens worden gebruikt voor CV installaties en warmwatervoorzieningen. Dit type systeem bestaat meestal uit drie aparte buizencircuits (zie onderstaand schema). Daarbij stromen drie verschillende warmtemedia direct langs elkaar in warmtewisselaars, waardoor energieoverdracht mogelijk is. De verschillende vloeistoffen komen echter nooit in contact met elkaar. Het gaat om de volgende drie circuits: Het warmtebroncircuit een gesloten buizenstelsel met daarin water en anti vriesmiddel. Dit circuit zorgt via een warmtewisselaar (VWW) voor de thermische verbinding tussen de aarde en het koelmiddel in de verdamper. Het koelmiddelcircuit een gesloten buizenstelsel bestaande uit de verdamperwarmtewisselaar (VWW), een compressor, de condensor warmtewisselaar (CWW) en een overdrukventiel (ODV). Het warmteputcircuit een gesloten buizenstelsel met daarin water dat het koelmiddel in de condensor warmtewisselaar (CWW) thermisch verbindt met de uiteindelijke warmtetoepassingen, zoals warmwaterkranen, radiatoren of vloerverwarmingen. Vanuit de aarde Naar de aarde Pomp Warmtebr oncircuit VWW ODV CWW Koelmidde lcircuit Compress or Warmtep omp Warmtepu tcircuit Pomp Naar warmteto e passingen Vanaf warmteto e passingen Hoewel dit slechts een schematisch overzicht is, geeft het de werking van een warmtepomp goed weer. In de kern is het een systeem bestaande uit vier buizen: twee behorend tot het circuit in de aarde en twee tot het circuit dat naar huishoudens en gebouwen leidt.
Het warmtebroncircuit (vanuit en naar de aarde) Allereerst dienen we een onderscheid te maken tussen aardwarmtepompen en geothermische systemen. Geothermische systemen maken gebruik van natuurlijke aardwarmte die zich zeer diep onder de grond bevindt: sommige steenlagen hebben een temperatuur van wel 100 o C. In tegenstelling tot deze systemen onttrekken aardwarmtepompen warmte op een diepte van slechts 100 meter of minder. De energie op deze diepten is in feite opgeslagen zonne energie. Het gaat hierbij om bodemtemperaturen die doorgaans variëren van 2 o C aan het bodemoppervlak tot ca. 10 o C op 15 m diepte. Dit klinkt niet echt als een overweldigend temperatuurverschil, maar het is precies het type energiearme warmtebron dat voor warmtepompen kan worden gebruikt. Om deze temperatuurverschillen thermisch te overbruggen is zoals gezegd een buizenstelsel nodig dat gevuld is met water en anti vriesmiddel. Deze buizen kunnen op twee manieren worden aangelegd: door middel van sleuven of boorgaten. De keuze hangt af van de thermische bodemomstandigheden en de hoeveelheid beschikbare ruimte. Horizontale sleuven worden gebruikt wanneer er een groot oppervlak beschikbaar is en de grond gemakkelijk kan worden uitgegraven. Dergelijke horizontale sleuven zijn doorgaans 1 m breed en 1,2 m diep. Verticale sleuven kunnen worden aangelegd op beperkt toegankelijke locaties en wanneer de bodem weinig stenen bevat. Boorgaten worden gebruikt wanneer het beschikbare oppervlak zeer beperkt is. Gangbaar zijn gaten van 60 tot 100 m diep, met een diameter van 110 tot 150 mm. Het aantal boorgaten en de diepte ervan hangen per situatie af van de thermische bodemeigenschappen en van de uiteindelijke warmtebehoefte. Het warmteputcircuit (vanuit en naar de huishoudens/gebouwen) Fossiel gestookte CV ketels verwarmen water doorgaans tot een temperatuur van 70 à 80 o C. Aardwarmtepompen zijn in staat om water tot ca. 35 à 50 o C te verwarmen. Het systeem levert dus genoeg energie op, maar het resulteert wel in een lagere watertemperatuur. Wanneer er voor het verwarmen van ruimtes reguliere radiatoren worden gebruikt, is daarom een groter radiatoroppervlak nodig. Een verwarmingssysteem met een bedrijfstemperatuur van 50 o C heeft bijvoorbeeld 2x zoveel radiatoroppervlak nodig als een systeem dat op 70 o C werkt. Bij een systeemtemperatuur van 35 o C is 4,5x zoveel radiatoroppervlak nodig. Een oplossing voor dit probleem kan zijn om niet langer aan de muur gemonteerde radiatoren te gebruiken. In plaats daarvan kunnen in vloerverwarmingen veel grotere stralingsoppervlakken met een lagere stralingstemperatuur worden toegepast. Tot slot Warmtepompen zijn geen nieuwe technologie. Het gebruik van warmtepompen voor het verwarmen van ruimtes met de aarde als warmtebron, is evenmin iets nieuws.
Tips voor meer informatie Alternative energy systems and applications, BK Hodge, Wiley, 2010, ISBN 978 0 470 14250 9 Ground Source Heat pumps, CORGI publications, 2008. http://www.heatpumpcentre.org/en/sidor/default.aspx http://www.energysavingtrust.org.uk/generate your own energy/ground source heatpumps http://www.gshp.org.uk/gshp.htm http://www.ehpa.org/ Neil Packer is chartered engineer en senior lecturer aan de faculteit van Computing, Engineering and Technology van de Universtiteit van Staffordshire, VK. Hij is al bijna 20 jaar een autoriteit op het gebied van thermovloeistoftechniek en milieukunde. Daarnaast adviseert hij op het gebied van CO 2 reductie, met een breed scala aan energiediensten voor bedrijven, bedrijfstakken en overheid. Contactgegevens: Faculty of Computing, Engineering and Technology Staffordshire University Beaconside, Stafford, ST18 0AD Tel. 01785 353243 E mail n.packer@staffs.ac.uk Deze informatie maakt deel uit van het RETS project (Renewable Energies Transfer System), dat mede mogelijk wordt mogelijk door INTERREG IVC in het kader van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling. Het project loopt van januari 2010 tot en met december 2012. Zie voor meer informatie en om deel te nemen aan onze online community: http://www.rets community.eu/