Thermodynamica

Rode cijfers of zwarte cijfers

Q = m.c.∆T

De eerste wet van de thermodynamica geldt nog steeds

Om water op te warmen koelen we ergens anders water af. Open bronnen, met hun relatief hoge bron temperatuur van 10ºC zijn efficiënter dan gesloten bronnen, waarbij de aanvoer temperatuur rond 5ºC ligt. Een lucht/water warmtepomp gebruikt de energie in de lucht om de verdamping van het koudemiddel plaats te laten vinden. Bij hogere buiten temperaturen worden zeer hoge COPs (Co-efficient of Performance) gehaald en bij lage temperaturen moet de machine snel kunnen ontdooien. Temperaturen onder het vriespunt zijn eenvoudiger voor de warmtepomp vanwege de veel lagere relatieve vochtigheid. Omdat het kookpunt van het koudemiddel –48.5ºC bedraagt, is er altijd wel genoeg energie in de buitenlucht om de verdamping plaats te laten vinden, echter, bij temperaturen van 20 graden onder nul is de COP van een lucht/water warmtepomp nog slechts ca. 1.5. Een horizontale bodem collector neemt warmte op van een grasveld dat door de zon en regen wordt geregenereerd. De energie die de warmtepomp in de winter uit de bodem haalt is enorm: sneeuw blijft een aantal dagen langer liggen daar waar de collector op een meter diepte is ingegraven. (In Oostenrijk is dit minder populair: het gras begint later te groeien.)

Horizontale direct-verdampend systeem van Heliotherm

Een water/water warmtepomp, ook wel een open-bron systeem genoemd, pompt grondwater op en infiltreert dit benedenstrooms in de grond. Grondwater heeft een vrij constante temperatuur van ongeveer 10 graden en daarmee zijn deze warmtepomp systemen bijzonder efficiënt. Dit is echter niet overal mogelijk en toestemming wordt enkel gegeven onder bepaalde voorwaarden en met mogelijke jaarlijkse controles. (Bij uw gemeente is een en ander na te vragen.) Rekening houdend met een van de volgende factoren afhankelijk van welk type bron wordt gekozen:

– De diepte van de boring en de regeneratie moet juist berekend worden voor een verticale bron;

– De oppervlakte van de collector moet groot genoeg zijn en zon en regen mogen niet gehinderd worden, ook speelt de grond en water doorlaatbaarheid een rol;

– De volumestroom van het grondwater moet tussen 4 en 10 m3 per uur kunnen zijn (boven 10 m3 zijn er aanvullende eisen in de gemeente wat het voor particulieren vrijwel uitsluit, slechts bij grote (>100 kW, 10 woningen) zijn open bronnen nog enigszins rendabel; en,

– Lucht toe- en afvoer moet vrij zijn (een omkasting belemmert de luchtstroom en daardoor de efficiëntie).

Een hoge energiebron temperatuur is bepalend voor de efficiëntie van de Heliotherm. Investering, onderhoud en installatie zijn daarnaast bepalend voor de keuze van de verschillende mogelijkheden. Hoe hoger de bron temperatuur, hoe hoger de opbrengst per kWh elektriciteit.

Duratherm boort hier bij een tandarts

Stel, een 10 kW warmtepomp verbruikt 2 kW elektrisch, en dankzij het principe van de warmtepomp kan er dus 10 kW thermisch geleverd worden, waarbij de afgifte temperatuur van het verwarmingssysteem bepalend is. Hieruit volgt de Seasonal Coefficiënt of Performance (COP), en die is bijvoorbeeld 6.7 bij een horizontaal direct verdampend systeem, rond de 5.8 bij een (dure) verticale boring, en rond de 5.3 bij lucht als bron; dit alles met een water temperatuur van 35 graden. Elke bron, behalve lucht, moet hierop berekend worden: het volume van een open water bron, de diepte van een boring (en een of meer lussen, enkele of dubbele lus), of de oppervlakte en/of diepte voor een horizontaal collector veld.

Een standaard boorkop: speelwater stuwt de grond omhoog

De warmte die jaarlijks onttrokken kan worden aan met name bodem gebonden systemen is beperkt. Warmte toevoegen door ’s zomers te koelen is van tijdelijke aard vanwege regen of een ondergrondse waterstroom. Interferentie vanwege meerdere systemen binnen een bepaald gebied bepaalt deels de benodigde diepte voor de boring. De energiebron is namelijk niet statisch: de temperatuurdaling bij warmte-onttrekking ofwel het vermogen van de bron is een, de weerstand in de bodemlus en de stroomsnelheid van het medium is een ander. Daar het gevraagde vermogen stijgt bij een dalende buitentemperatuur, moet ook de aanvoer temperatuur van het verwarmingssysteem stijgen. Wanneer de energiebron temperatuur ook daalt, dan gaat de efficiëntie van de warmtepomp achteruit. De opslag capaciteit van de bodem is evenwel groot en bijzonder stabiel: de temperatuur op 1 meter diepte komt in de regel niet onder het vriespunt. Vaste, natte gronden zijn betere dan droge zandgronden: bevriezing van de bodem is gewenst omdat de smeltwarmte van water met ca. 0.09 kWh/kg zeer hoog is.

Een horizontale bodemcollector: 100 meter per lus, 12 lussen, voor een 12 kW Heliotherm