Hoe werkt een warmtepomp?

Een warmtepomp is een milieuvriendelijke manier om je huis te verwarmen en van warm tapwater te voorzien. De warmtepomp is een duurzaam alternatief voor de cv-ketel op gas. Omdat er minder gas of geen verbruikt wordt, daalt de CO₂-uitstoot met wel 50 procent.

Een warmtepomp wint warmte uit de lucht, de bodem of het grondwater en zet dit om in bruikbare energie om het huis te verwarmen en wordt meestal direct aangesloten op het cv-systeem. Een warmtepomp draait op stroom: het stroomverbruik in huis neemt toe, het gasverbruik neemt af. Wanneer je de benodigde stroom zelf opwekt, bijvoorbeeld met zonnepanelen, wordt de CO₂-uitstoot nog lager.

lucht warmtepomp modelSimpel uitgelegd bestaat het warmtepomp systeem uit de volgende onderdelen:


Welke warmtepomp soorten zijn er?

Afhankelijk van de warmtebron, kan de warmtepomp er in de praktijk op verschillende manieren uitzien. Er is (bijna) altijd een binnen-unit. Deze ziet er van buiten niet veel anders uit dan een HR-ketel en vaak hangt hij ook aan de wand. We onderscheiden vijf soorten warmtepompen:

 

Hybride warmtepomp
Een hybride warmtepomp naast een HR-ketel.

Tip! Ontdek welke warmtepomp bij je past. Vul de warmtepompverkenner in en bekijk welke warmtepomp geschikt is voor jouw woning.


Warmte omzetten in energie: warmte verplaatsen

Officieel is een warmtepomp een apparaat dat energie uit een bron verplaatst en omzet in energie die de woning kan verwarmen. De bron die gebruikt wordt, bijvoorbeeld lucht of grondwater, heeft een relatief lage temperatuur. Te laag om direct een woning mee te verwarmen. Het buitendeel van de warmtepomp vangt de warmte (energie) op en verplaatst en verhoogt deze om de woning te kunnen verwarmen. Het grappige is: een koelkast is ook een warmtepomp. 

De koelkast is een warmtepomp

Een koelkast of diepvries gebruikt elektriciteit om een ruimte te koelen. Dit gebeurt met de metalen plaat achterin de koelkast. Deze plaat wordt koud als de koelkast aanstaat en het zwarte rooster aan de buitenkant van de koelkast wordt warm. Er verdwijnt dus warmte uit de koelkast (de binnenkant wordt koud), en die warmte wordt naar de buitenkant verplaatst. Voor dit verplaatsen is elektrische energie nodig.

Een koelkast of een warmtepomp?

Een koelkast en een warmtepomp hebben hetzelfde werkingsprincipe, maar het zijn toch verschillende apparaten. Als een ruimte koud moet worden gemaakt, is het een koelkast of airco, als warmte gemaakt moet worden noemen we het een warmtepomp. En als beide belangrijk zijn? Dan noemen we het over het algemeen een warmtepomp.


Warmte opwekken: opnemen en afstaan

In een warmtepomp zit een vloeistof, het koudemiddel. Het koudemiddel neemt energie op en staat die elders onder andere omstandigheden weer af.

De werking van het koudemiddel in de warmtepomp is gebaseerd op twee natuurkundige principes:

  1. verdampen en
  2. condenseren.

Beide zijn bekend uit de keuken: in een pan met water die wordt verhit ontsnapt verdampt water, die op koudere delen (het deksel, de tegelwand, de afzuigkap) weer condenseert tot water.

Verdampen

Water verdampt als er warmte wordt toegevoegd. Het duidelijkst is dit als het water kookt; het kooktoestel levert dan de warmte die wordt gebruikt voor het verdampen. Anders gezegd: bij verdampen neemt het water warmte uit de omgeving op.

Tussen haakjes: dat bij verdampen warmte uit de omgeving wordt opgenomen ervaren mensen ook als er een vluchtige vloeistof op hun huid komt, zoals benzine, ether, thinner of nagellakremover. De vloeistof verdampt, neemt daarbij warmte uit de huid op en koelt de huid plaatselijk af.

Verdampen

Condenseren

Waterdamp condenseert als er warmte aan wordt onttrokken, bijvoorbeeld als de damp afkoelt tegen een koud voorwerp. Anders gezegd: bij condenseren geeft de waterdamp warmte aan de omgeving af. De waterdamp koelt daarbij af, terwijl het koude voorwerp, waarop de vloeistof druppels zichtbaar worden, opwarmt.

Condenseren

De snelkookpan

Een snelkookpan laat zien dat het kookpunt van een vloeistof (in de keuken meestal water) afhankelijk is van de druk. In een snelkookpan ontstaat waterdamp als het water in de pan gaat koken. Omdat de pan zo gemaakt is dat de waterdamp niet kan ontsnappen, loopt de druk in de pan geleidelijk op. Hierdoor kookt het water niet meer bij 100 °C maar bij bijvoorbeeld 120 °C. Hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt en hoe sneller de inhoud van de pan gaar is.

Andersom gaat dit verband tussen druk en kookpunt ook op. Hoe lager de druk, hoe lager de temperatuur waarbij water kookt. Bijvoorbeeld: hoog in de bergen (waar de luchtdruk lager is) kookt water bij temperaturen lager dan 100 °C.

Verdampen en condenseren

  • Verdampen: warmte opnemen uit de omgeving, waarbij vloeistof overgaat in damp.
  • Condenseren: warmte afstaan aan de omgeving, waarbij damp overgaat in vloeistof.
  • Hoge druk betekent: hoog kookpunt (=verdampingspunt).
  • Lage druk betekent: laag kookpunt.

Verdampen en condenseren in de warmtepomp

Het principe van de warmtepomp is gebaseerd op de theorie van verdampen en condenseren en op het gegeven dat het kookpunt van een vloeistof afhankelijk is van de druk.

Een warmtepomp bestaat uit een circuit waarin een koudemiddel wordt rondgepompt. Stel dat dit koudemiddel gewoon water is. Het water wordt in de verdamper aan de kook gebracht bij een lage druk en een temperatuur van bijvoorbeeld 90 °C; het water verdampt. Deze damp van 90 °C wordt naar een ander deel van het circuit gepompt en onder druk gebracht, waardoor de temperatuur van het water hoger komt te liggen (120 °C). De damp wordt daarna afgekoeld door het relatief koude cv-water, waardoor het koudemiddel condenseert, het cv-water wordt verwarmd en is hierdoor bruikbaar. Dit gebeurt in de condensor.

De werking van een warmtepomp
In bovenstaand figuur wordt schematisch weergegeven hoe een warmtepomp werkt.
  • Warmte winnen aan de bronzijde: het koudemiddel bij lage temperatuur en lage druk laten verdampen (koken). De vloeistof wordt dampvormig (verdampen).
  • Temperatuur verhogen van het koudemiddel: in de compressor wordt de druk verhoogd, daarbij gaat ook de temperatuur van het koudemiddel flink omhoog (snelkookpan). De compressor zorgt er ook voor dat het koudemiddel wordt rondgepompt.
  • Warmte afgeven aan de afgiftezijde: het koudemiddel bij een hoge temperatuur en hoge druk laten condenseren. De damp wordt weer vloeistof (condenseren).
  • Druk verlagen van het koudemiddel: in het expansieventiel wordt de druk verlaagd van het koudemiddel, daarbij gaat ook de temperatuur omlaag.

Wat is er nu gebeurd? Het warmtepompsysteem heeft bij 90 °C (het lage temperatuurniveau) warmte opgenomen en heeft bij 120 °C (het hoge temperatuur niveau) warmte afgestaan.

Een warmtepomp werkt exact hetzelfde, alleen bij andere temperatuurniveaus. De verdamper van de warmtepomp neemt warmte op bij temperaturen tot wel -25 °C. De condensor geeft warmte af bij temperaturen tot maximaal 65 °C. Dit is mogelijk door de eigenschappen van het koudemiddel: het kookt onder een lage druk bij zeer lage temperaturen en kookt onder een hoge druk bij hoge temperaturen. Hierdoor is het mogelijk om in de winter een woning te verwarmen met een warmtepomp. De warmtepomp gebruikt koude buitenlucht of een andere relatief koude bron met een praktisch oneindige grootte.

Het principe van de warmtepomp

Het koudemiddel in de warmtepomp heeft de bijzondere eigenschap dat het al bij zeer lage temperatuur “kookt”. Daardoor kan de warmtepomp bij die lage temperatuur warmte opnemen uit de omgeving. Dit gebeurt bij een warmtepomp aan de bronkant, dit gedeelte wordt de verdamper genoemd, omdat het koudemiddel hier overgaat van vloeistof naar damp. De warmtebron is bijvoorbeeld grondwater, buitenlucht of een andere bron met een relatief lage temperatuur.

Vervolgens wordt het dampvormige koudemiddel met nog een relatief lage temperatuur naar een ander deel van het warmtepompsysteem gepompt en onder een hogere druk gebracht. Doordat de druk wordt verhoogd gaat ook de temperatuur van het koudemiddel omhoog. Het warme koudemiddel geeft warmte af aan het afgiftesysteem van een woning, waarmee de woning verwarmd wordt. Dit gebeurt in de condensor van de warmtepomp. Vervolgens wordt de druk van het koudemiddel weer verlaagt, waardoor de temperatuur afneemt en het koudemiddel weer warmte kan opnemen uit de omgeving. De cyclus is nu rond.

Lees meer over de milieu-effecten van koudemiddelen in een warmtepomp


Het huis verwarmen: warmte voelbaar maken

In een verwarmingssysteem wordt warmte vooral verplaatst in de vorm van warm water dat met een pomp wordt verplaatst. Het afgiftesysteem zorgt ervoor dat de warmte in de woning wordt verspreid. De meeste afgiftesystemen maken gebruik van 3 principes om warmte te verspreiden en voelbaar te maken: straling, geleiding en convectie.

Straling

Warmtestraling is net als lichtstraling: de warmte is voelbaar als er vrij zicht is op de warmtebron. De straling van de zon is op heldere dagen vooral voelbaar als stralingswarmte. Kenmerkend voor warmtestraling is dat de tussenliggende lucht niet direct wordt opgewarmd.

Geleiding

Bij geleiding verspreidt de warmte zich door een materiaal, doordat de deeltjes van het materiaal hun thermische energie aan elkaar doorgeven. Een voorbeeld van geleiding is het warm worden van een metalen pan, terwijl alleen de bodem van de pan in contact staat met de hittebron.

Convectie

Convectie is het verschijnsel dat warme vloeistoffen en gassen in de regel lichter zijn dan koude. Daardoor hebben ze de neiging op te stijgen en daarbij hun warmte mee te nemen. Convectie is soms zichtbaar aan een luchttrilling of een werveling in een vloeistof.   

Afgiftesystemen

Afgiftesystemen voor de verwarming van woningen en bedrijfsgebouwen maken vaak gebruik van een combinatie van straling, geleiding en convectie. Geleiding speelt een rol bij de overdracht van warmte van het verwarmingswater via het metaal van de radiator naar de omgevingslucht. De radiator geeft daarnaast warmtestraling af. De opgewarmde warme lucht vlakbij de radiator zal zich gaan verplaatsen, waardoor ook het principe van convectie in werking treedt.

Radiator
Radiator als afgiftesysteem

Deze combinatie van principes geldt dit ook voor vloer- en wandverwarming. Alleen is hier het aandeel van warmtestraling relatief groot en is er relatief weinig convectie.

Moderne verwarmingsradiatoren zijn vaak zo ontworpen dat optimaal gebruikgemaakt wordt van convectie. Dat geldt zeker voor radiatoren die geschikt zijn voor lage watertemperaturen. Naast technische prestaties zijn esthetische overwegingen steeds belangrijker bij het selecteren van radiatoren.

Lees hier meer informatie over afgiftesystemen.


Onderdelen van het verwarmingssysteem

De meeste woningen in Nederland worden centraal verwarmd. De opwekking van warmte vindt centraal plaats en de warmte wordt via vloeistofleidingen verspreid over de woning. Centrale verwarming is efficiënt en effectief. En er is maar één verwarmingstoestel nodig, bijvoorbeeld een warmtepomp.

Hoewel ze heel verschillend kunnen zijn in uitvoering, zijn in alle centrale verwarmingssystemen dezelfde functionele bouwstenen te herkennen. We onderscheiden er zes.

  1. Brandstof – Dit is wat de verwarmingsinstallatie ingaat. Bij een ketel is de brandstof gas. Bij een warmtepomp is de brandstof zowel elektriciteit als duurzame omgevingswarmte.
  2. Conversie – Het verwarmingsinstallatie zet de “brandstof” om in bruikbare warmte voor de woning. Voorbeelden van conversie zijn van gas naar bruikbare warmte in een ketel en van elektriciteit en omgevingswarmte naar bruikbare warmte in een warmtepomp.
  3. Transport en distributie – het centrale verwarmingssysteem zorgt ervoor dat de bruikbare warmte gemaakt door het verwarmingssysteem uiteindelijk op de plek van bestemming komt.
  4. Opslag (niet bij alle verwarmingssystemen) – sommige verwarmingsinstallaties hebben een opslag systeem nodig. Denk daarbij bijvoorbeeld aan een zonneboiler. Ook bij een warmtepomp is het nodig om een boiler te hebben voor warm tapwater. Ook voor ruimteverwarming kan het verstandig zijn een buffer te plaatsen om zo het aantal aan/uit momenten van de warmtepomp te beperken.
  5. Afgifte – Bij de afgifte wordt de warmte overgedragen aan de ruimte. Dit gebeurt via radiatoren, vloerverwarming of een ander afgiftesysteem.
  6. Regeling – om bovenstaande bouwstenen goed op elkaar af te stemmen is een regeling nodig. De regeling kan aangepast worden via de verwarmingsinstallatie, met de thermostaat of tegenwoordig vaak ook met een app op de telefoon of computer.

De onderstaande figuur geeft ze schematisch weer. Niet elk systeem heeft alle bouwstenen; soms kunnen onderdelen worden weggelaten, zoals opslag.

Bouwstenen verwarmingssysteem