Capaciteit gestuurde warmtepomp.

Er zijn verschillende manieren om de capaciteit van een warmtepomp aan te passen aan de vraag van een gebouw.

Aan/uit warmtepomp 

Gestuurd in cyclussen, de warmtepomp draait alleen bij vraag gedurende een bepaalde minimum tijd. 
dit verkort de levensduur van de compressor doordat het aantal start- en stops aanzienlijk zal zijn.

Trap gestuurde warmtepomp

Een warmtepomp bestaande uit meerdere compressoren waarbij, naargelang de vraag, compressoren worden bij- of afgeschakeld. Als regel probeert de software hierbij het aantal draaiuren en start- en stop momenten per compressor gelijk te houden.  

Compressor met heetgas-bypass.

Een klein gedeelte van het persgas wordt teruggeleid naar de zuigzijde van de compressor. De aan/uit compressor blijft op het zelfde toerental draaien maar dankzij de bypass wordt de koudemiddelmassastroom die met het systeem circuleert verminderd en daarmee de capaciteit van de warmtepomp. Dit zorgt er natuurlijk voor dat de compressor soms nutteloos draait tijdens de perioden waarin de bypass in werking is. De turndowncapaciteit varieert tussen 0 en 100%.
 

Mechanisch modulerende compressor.

Deze interne mechanische capaciteitsmodulatie is gebaseerd op een periodiek compressieproces met een regelklep, de 2 scroll-sets bewegen uit elkaar en stoppen de compressie voor een bepaalde tijdsperiode. Deze methode varieert de koelmiddelstroom door de gemiddelde compressietijd te wijzigen, maar niet de werkelijke snelheid van de motor. Ondanks een uitstekende turndown-ratio - van 10 tot 100% van de capaciteit, hebben mechanisch gemoduleerde scrolls een hoog energieverbruik omdat de motor continu op hetzelfde toerental draait.

Inverter compressor:

De inverter gestuurde warmtepomp maakt gebruik van een aandrijving met variabele frequentie – ook wel inverteraandrijving genoemd. Om de motor die de compressor laat draaien te vertragen of te versnellen. Deze methode varieert de koelmiddelstroom door de snelheid van de compressor daadwerkelijk te veranderen. De turndown-ratio is afhankelijk van de systeemconfiguratie en de fabrikant. Het moduleert soms wel van 10%- (afhankelijk van het compressormodel) tot 100% vol vermogen met een enkele omvormer. In de praktijk zien we bij warmtepompen vaak een modulatiebereik van 25 tot 100%.
De invertertechniek (frequentie sturing van een compressor) is de meest energie zuinige methode om het vermogen aan te passen. De koperdraadwikkelingen van een compressor zorgen dat, door het voeden met een wisselspanning, er een wisselend magnetisch veld ontstaat in de motor. In Europa gebeurt dat met een frequentie van 50 Hz, ofwel de ‘sinus vorm’  van de wisselspanning komt 50 keer per seconde voor. Door deze frequentie middels elektronica aan te passen / om te vormen tussen bijvoorbeeld 10 en 200 Hz verandert de snelheid van het magnetisch veld  waardoor de motor langzamer of sneller gaat draaien. (In de U.S.A. is de standaard frequentie overigens 60 Hz). 
 

Inverter gestuurde modulerende warmtepomp

De aan-uit compressor heeft langzaam zijn laatste tijd gehad, bijna elk merk stapt over op frequentie  gestuurde compressoren.

• Inverter van inverteren / veranderen of wel omvormen van signaal.  Vandaar ook wel omvormer genoemd.
• Moduleren = aanpassen.  Een modulerende warmtepomp kan het vermogen dat wordt afgegeven aanpassen aan de behoefte.
   

In bovenstaande afbeelding ziet u het gedrag van de aanvoertemperatuur naar de vloerverwarming met een inverter gestuurde warmtepomp (blauw) en met een aan-uit warmtepomp (rood). Duidelijk is dat de temperatuur met de inverter gestuurde compressor veel meer geleidelijk verloopt. Dat geeft meer comfort en pakt over een jaar gezien ook nog zuiniger uit.

Een ander woord voor inverter-warmtepomp is ‘modulerende warmtepomp’, een warmtepomp die moduleert tussen minimaal en maximaal vermogen. (Moduleren betekend aanpassen). De print werkt met meestal met een frequentie regeling.

Bij een vergelijking in labels en SPF (jaar rendement van een warmtepomp) zult u ook zien dat modulerende warmtepompen het best presteren.

Naast een precies afgestemde temperatuur is een ander groot voordeel van invertertechniek dat de aanloopstroom heel laag is, waardoor er geen onnodig hoge of trage afzekerwaarden nodig zijn. Bij luchtgevoerde warmtepompen is de invertertechniek al enige tijd ingeburgerd, aangezien de buitentemperatuur door het jaar sterk kan variëren. Ook bij bodem/water-warmtepompen zorgt de techniek echter voor een beter rendement. Een inverteraansturing is technisch en elektronisch complex en kostbaar. Wanneer de techniek wordt toegepast, betekent dit ook dat in verschillende toerentallen wordt gedraaid. Bij bepaalde toerentallen krijg je meer of minder trillingen in een installatie. Hier moet de hele installatie op worden ingericht, om te voorkomen dat bepaalde leidingen en andere zaken lostrillen.  In de toekomst zal je zien dat de aan/uit compressor langzaam gaat verdwijnen en hoofdzakelijk alleen nog invertersturing wordt toegepast.

Zoals hierboven gezegd is bij lucht/water-warmtepompen een modulerende warmtepomp al langer gemeengoed, sterker het kan bijna niet anders:
De verklaring hiervoor is simpel: De buitenlucht varieert immers gedurende het jaar nogal in temperatuur, van -15 ºC tot + 35 ºC bijvoorbeeld. Het benodigd vermogen van de woninginstallatie wordt, in Nederland, bepaalt bij een buitentemperatuur van -10 ºC. De warmtepomp moet bij deze buitentemperatuur een aanvoer van bijvoorbeeld 35 ºC kunnen leveren. Immers in de winter moet met deze aanvoertemperatuur de woning verwarmd kunnen worden. Als je dan ook bedenkt dat het vermogen van de machine meestal toeneemt naar gelang de buitentemperatuur hoger wordt, is het snel duidelijk dat er in het voor- en najaar veel te veel vermogen is. Daarom worden deze warmtepompen bijna altijd modulerend uitgevoerd.

Plaatje hieronder: een scrollcompressor en inverter.

De huidige generatie scroll-compressoren met inverter/ frequentie regelaars kan gemiddeld tussen de 25- en 100% moduleren.  De elektronica hiervoor wordt steeds betrouwbaarder.  Door deze glijdende sturing kan in het voor- en najaar een kleiner vermogen worden aangeboden, dan in de winter. De installatie krijgt dus precies wat deze nodig heeft. Een ander bijkomend voordeel is dan natuurlijk dat de compressor veel minder starts en stops hoeft te maken, wat weer goed is voor de levensduur van de warmtepomp.  Door toepassing van de modulerende scroll-compressor kan ook het buffervat wat kleiner worden gekozen, immers je hoeft niet het vollastvermogen van de warmtepomp te garanderen.

Als voorbeeld om het voordeel van ‘moduleren’ begrijpend te maken wordt vaak een auto genoemd die van A naar B moet over een 25 km lange weg met diverse stoplichten. Het is dan niet economisch om steeds vol gas naar het volgende stoplicht te rijden, daar te remmen en te wachten op groen om vervolgens weer vol gas verder te gaan. Beter is het om rustig te rijden op de snelheid waarbij alle lichten groen zijn (zgn. groene golf) dat verlaagt het brandstof verbruik en is tevens beter voor de auto.

frequentiereglaar (inverter)

Hertz = De eenheid van frequentie (Hz). 1 Hz is een trilling per seconde

De inverter van de warmtepomp is meestal een frequentieregelaar. In Nederland hebben wij een elektriciteitsnet dat 50 Hz is. Dat wil zeggen dat de sinusvorm van de wisselspanning 50 maal binnen een seconde wisselt. Deze frequentie kunnen we middels kostbare elektronica veranderen naar bijvoorbeeld 20- tot 120 Hz. De motorwikkeling in de compressor merkt deze versnelling en gaat hier dan langzamer of sneller door draaien. Lagere frequentie is lagere snelheid. Eenvoudig verteld is dit het principe.

Wisselspanning sinusvorm.

Het veranderen van frequentie gebeurt in meer apparaten tegenwoordig. Denk eens aan een TV-toestel.  Ook daar lees je dat er schermen zijn van 100 en 200 Hz.  Meer wisselingen per seconde betekend dat het voor ons ook nog meer 'trillingsvrij' wordt. In een omvormer bij PV panelen gebeurt weer iets anders. De PV-panelen leveren een gelijkspanning net als een batterij (DC) omdat ons net 50 Hz wisselspanning is (AC) zet de omvormer van de PV de gelijkspanning om in een wisselspanning van 50 Hz.  Maar dit laatste terzijde en alleen als toevoeging aan het frequentie verhaal. 

De compressor, het belangrijkste onderdeel in de warmtepomp.

Elke warmtepomp heeft een compressor. Een van de meest gangbare typen compressoren voor gebruik in warmtepompen is de volledig gesloten scrollcompressor. (plaatje wat u boven zag) In deze compressor bevinden zich twee spiralen. Eén spiraal beweegt in een baan om de tweede, stationaire (contra)spiraal. Het koudemiddel komt door de beweging in de scroll tussen de twee spiralen terecht. Door de beweging van de niet-stationaire spiraal ontstaan holtes waarin het koudemiddel vanaf de buitenzijde naar het middelpunt wordt gedreven en steeds verder wordt gecomprimeerd. De druk van het gas neemt toe naarmate het gas zich verder verplaatst naar het midden. Heeft het gas het midden en dus ook de persdruk bereikt, dan wordt het via een leiding verder geleid. Het voordeel van scrollcompressoren is dat er slechts twee bewegende delen zijn: de spiraal en de contraspiraal. Hierdoor treedt er minder slijtage op dan bij bijvoorbeeld zuigercompressoren. Maar het scrolltype heeft nog meer voordelen; Er zijn minder lekverliezen, minder trillingen, er is een constantere koudemiddelstroom en de efficiëntie is hoger. Er kan een onderverdeling worden gemaakt tussen symmetrische- en asymmetrische scrollcompressoren. De laatstgenoemde categorie wint terrein, omdat deze compressoren persgasgekoeld zijn waarbij onnodige opwarming van het koudemiddel wordt voorkomen en carterverwarming met bijbehorend energiegebruik achterwege kan blijven.

Een volledig gesloten warmtepompcompressor vergt in principe geen onderhoud. Feit blijft echter wel dat er twee metalen delen in contact komen met elkaar. Daarom is er wel smering nodig, met olie. Die in de compressor aanwezige olie wordt door het koudemiddel meegenomen, zodat de compressor continu wordt gesmeerd. Belangrijk is daarbij wel dat het gesloten systeem schoon en vochtvrij blijft. Wanneer tijdens de installatie of na een koeltechnische reparatie vuil of vocht in het gesloten systeem terechtkomt, vormt dit een groot risico. De synthetische olie in moderne compressoren is hygroscopisch, wat betekent dat hij vocht aantrekt. Vocht tast de olie aan waardoor hij zuur wordt. Gaat de olie langs de elektromotor die in de compressor zit, dan kan de van samenstelling veranderde olie de windingen van de elektromotor beschadigen, waardoor de compressor na verloop van tijd doorbrandt. Om zo’n zogeheten burn-out te voorkomen, is het belangrijk om na reparatie aan een koudemiddelensysteem dit systeem goed vacuüm te trekken zodat het zeker geen vocht meer bevat. Daarmee wordt onherroepelijke schade voorkomen. Om meer warmte te produceren, efficiënter te werken en een grotere temperatuurtrap te kunnen maken, kunnen scrollcompressoren worden uitgerust met tussengasinjectie (voor een tweetraps compressie-effect). Middels een elektronisch expansieventiel wordt hierbij halverwege de scroll koudemiddel geïnjecteerd. Halverwege de compressie wordt het koudemiddel daarbij weer teruggebracht naar de verzadigde damp­lijn, waardoor de persgas-eindtemperatuur lager wordt. De compressor kan zo in een hoger toerental draaien, zonder dat het kritisch punt van het koudemiddel wordt overschreden. Hierdoor kan meer vermogen worden gecreëerd en verbetert de verwarmingscapaciteit. Vooral wanneer de omgevings­temperatuur erg laag is, is dit een interessante mogelijkheid. Als het buiten bijvoorbeeld -10 graden Celsius is, is de compressorzuigdruk laag en het volume relatief groot. Hierdoor kan minder koudemiddelvolume in de scrollcompressor stromen. Halverwege het compressieproces is het volume van het koudemiddel door de hogere druk afgenomen, waardoor er ruimte is voor extra koudemiddel. Dat wordt via het elektronische expansieventiel en de warmtewisselaar ingespoten. De warmte die nodig is om te expanderen, wordt onttrokken aan de vloeistof, waardoor de onderkoeling van het vloeibare koudemiddel groter wordt. Dat heeft een positieve uitwerking op het verdampingstraject. Aan de perszijde van de compressor komen de massastroom van zowel het zuiggas als de tussengasinjectie weer bijeen.

De massastroom voor de ingang van de condensor is dus vergroot, wat direct het afgegeven vermogen van de condensor vergroot. Tussengasinjectie is een heel mooi principe waarmee een aanzienlijk hoger vermogen en rendement uit de warmtepomp kan worden gehaald. De kosten zijn momenteel helaas nog te hoog, waardoor het nog niet altijd wordt toegepast. Het wordt nu nog veelal gebruikt bij grotere vermogens, denk aan meer dan 25 kilowatt. Bij kleine warmtepompen voor woningen, waarbij vermogens van ongeveer 4 à 8 kilowatt gangbaar zijn, is slechts een beperkte rendementsverbetering mogelijk. Tussengasinjectie is in die gevallen geen rendabele oplossing.

Koudemiddelcircuit.

In een warmtepomp circuleert koudemiddel, een stof met een erg laag kookpunt. Door dat lage kookpunt kan het koudemiddel in een verdamper warmte onttrekken uit de bron (bijvoorbeeld buitenlucht of grondwater), waarbij het koudemiddel verdampt van vloeistof naar damp. Het koudemiddel wordt in deze damp/gas-vorm naar een ander deel in de warmtepomp getransporteerd, waar het op een hogere druk wordt gebracht.

Het rondpompen en op druk brengen gebeurt dus door middel van de compressor. Door die hogere druk stijgt de temperatuur van het koudemiddel. De ontstane warmte wordt vervolgens via een afgiftesysteem vrijgegeven, bijvoorbeeld om een gebouw te verwarmen. Daarbij verandert het koudemiddel opnieuw van fase: het condenseert en gaat dus terug van gas- naar vloeistofvorm. Om de cyclus te voltooien, wordt de druk vervolgens met een expansieventiel weer verlaagd zodat de temperatuur van het middel daalt. In de verdamper neemt het opnieuw warmte uit de bron op, zodat de cyclus opnieuw begint.