Warmtepomp “lucht-lucht”: werkingsprincipe, opbouw, selectie en berekeningen

Wilt u in uw huis convectorverwarming installeren, waarbij voor het verwarmen van het verwarmingsmedium een lucht-lucht warmtepomp wordt gebruikt, die een aanzienlijke besparing op de verwarmingskosten oplevert? U zult het ermee eens zijn dat het verkrijgen van volledige verwarming in combinatie met warm water bijna gratis — een zeer aantrekkelijke onderneming is.

Maar u weet niet hoe u een dergelijk systeem kunt bouwen om op alternatieve wijze ruimten te verwarmen en warm water voor huishoudelijk gebruik te verkrijgen?

Wij helpen u dit vraagstuk te begrijpen — in het artikel wordt het werkingsprincipe en de constructie van de pomp toegelicht. Energie zal een dergelijk systeem alleen hoeven te verbruiken voor de werking van de compressor, terwijl de belangrijkste hoeveelheid warmte gewoon van buiten uit de atmosfeer wordt gehaald, waarvoor men bij ons nog geen geld vraagt.

Ook worden de voordelen van de integratie ervan in het systeem en de essentiële nadelen besproken. Bijzondere aandacht wordt besteed aan de selectie en berekening van de pomp.

En voor degenen die graag alles zelf doen, stellen wij voor om een dergelijke pomp zelf te bouwen, met gebruik van alledaagse materialen. Ter ondersteuning geven wij fotomateriaal en video-aanbevelingen over de constructie en werking van de luchtwarmtepomp.

Kenmerken van de lucht-lucht warmtepomp

Elke warmtepomp behoort tot de apparatuur uit de sector alternatieve energie. Hij onttrekt thermische energie aan de buitenlucht en aan de omgevingslucht in de ruimte om daarmee woningen en niet-residentiële objecten te verwarmen.

Daarbij worden geen verbrandbare brandstoffen gebruikt.

Uiterlijk lijkt een lucht-lucht warmtepomp (WP) op een inverter-airconditioner, een split-systeem bestaande uit een buiten- en een binnenunit.

Maar qua werkingsprincipe lijkt hij meer op een koelkast, alleen werkt hij "omgekeerd". Maar in tegenstelling tot beide kan deze warmtepomp zowel luchtmassa's in huis koelen als verwarmen.

De warmtepomp onttrekt laagwaardige thermische energie uit de atmosfeer buiten en verwarmt daarmee de binnenlucht tot comfortabele temperaturen

Werkingsprincipe en interne constructie

Aan de basis van de werking van een lucht-lucht warmtepomp ligt een eenvoudig fysisch fenomeen van de thermodynamica: een vloeistof koelt bij verdamping het oppervlak waarvan het verdampt. Bijvoorbeeld, stoom boven een kop hete thee toont hetzelfde effect.

Op dit principe werkt ook een gewone koelkast. Binnenin bevinden zich buizen waar koelmiddel onder hoge druk door circuleert. Het onttrekt warmte uit de binnenruimte van de vriezer, waarbij het enigszins opwarmt.

Vervolgens wordt de verzamelde warmte afgegeven aan de lucht in de kamer via de warmtewisselaar (het rooster achter de koelkast).

's Winters verwarmt de lucht-lucht warmtepomp de binnenlucht, en 's zomers kan hij deze koelen.

En om ervoor te zorgen dat het koelmiddel daarna afkoelt tot bedrijfstemperaturen, wordt het in de compressor samengedrukt. Bovendien verandert het koudemiddel tijdens de werkcyclus in het systeem compressor-condensor-verdamper voortdurend van gasvormige naar vloeibare toestand en weer terug.

Een lucht-lucht warmtepomp functioneert precies hetzelfde. Alleen neemt hij de warmte van buiten, niet uit een gesloten vriezer. Zelfs als het buiten vriest, is er nog steeds genoeg thermische energie in de atmosfeer.

Voor de warmteproductie heeft de warmtepomp alleen energie nodig die besteed wordt aan de werking van de compressor. Het schema toont gedetailleerd het proces van warmteoverdracht.

Een lucht-lucht warmtepomp bestaat uit de volgende onderdelen:

• compressor;
• verdamper met geforceerde ventilatie;
• expansieklep;
• koperen buizen voor het verpompen van freon tussen buiten en binnen;
• condensor met ventilator voor toevoer van verwarmde lucht naar de ruimte.

De eerste drie elementen vormen de buitenunit, en het laatste behoort tot het binnendeel van de warmtepomp. Geïsoleerde koperen buizen zijn bedoeld voor continue verplaatsing van het koelmiddel tussen deze modules van het split-systeem.

De beweging van freon in de warmtepomp vindt plaats in een gesloten kringloop, waardoor het voortdurend wordt samengeperst en uitgezet.

Het werkingsalgoritme van een lucht-lucht warmtepomp ziet er als volgt uit:

1. Buitenlucht wordt door de ventilator in de buitenunit gezogen en door de lamellen van de externe verdamper geperst. Het door de warmtewisselaar circulerende freon neemt de daarin aanwezige thermische energie op, waarbij het overgaat in gasvormige toestand.
2. Vervolgens komt het gas in de condensor, waar het wordt samengeperst. Daarna wordt het via koperen buizen naar de binnenunit gepompt.
3. In de in huis geplaatste condensor gaat het gas terug naar vloeistof, waarbij warmte wordt overgedragen aan de binnenlucht.
4. Vervolgens wordt overtollige druk afgelaten via de expansieklep, en vloeibaar freon wordt weer naar de primaire verdamper gestuurd.

De temperatuur van het freon dat de buitenunit binnenkomt, is altijd lager dan de omgevingstemperatuur. Daarom onttrekt het altijd warmte uit de atmosfeer.

Maar het niveau van 'koeling' van het koelmiddel in het systeem is constant, terwijl de buitentemperatuur constant fluctueert. Om deze reden verliest de warmtepomp bij strenge vorst zijn efficiëntie.

De cyclus van de beweging van het koelmiddel van een lucht-lucht warmtepomp: 1. het wordt samengeperst door de compressor, 2. condenseert in de warmtewisselaar, waarbij het warmte afgeeft, 3. gaat als vloeistof naar de buitenste warmtewisselaar, 4. verdampt daar, waarbij het bij verdamping thermische energie uit de buitenomgeving opneemt, 5. keert weer terug naar de condensor.

Om het vermogen van de warmtepomp te vergroten, worden de oppervlakken van de condensor en de verdamper zo groot mogelijk gemaakt. En voor een ononderbroken werking in de winter wordt de buitenste warmtewisselaar uitgerust met een eigen ontdooisysteem.

Voor- en nadelen van de luchtwarmtepomp

Elk technisch complex systeem heeft zijn eigen voor- en nadelen. Reclamefolders zijn één ding, maar in werkelijkheid lopen eigenaren van warmtepompen het risico op bepaalde problemen te stuiten.

Lucht-lucht verwarmings-/koelinstallaties zijn om een aantal redenen voordelig.

Tot de belangrijkste voordelen behoren:

• Universaliteit. De systemen maken het mogelijk om ruimtes te verwarmen en te koelen, afhankelijk van het doel van de kamer, de behoeften en het klimaatseizoen.
• Milieuvriendelijkheid. Ze maken het mogelijk om volledig af te zien van het verbranden van aardgas, steenkool, hout, enz., die het milieu vervuilen met verbrandingsproducten.
• Eenvoudige installatie. Het in elkaar zetten van een systeem uit fabrieksonderdelen is niet moeilijk. Men kan zelf een warmtepomp uit beschikbare materialen bouwen.
• Brandveiligheid. Het proces van warmtewinning is niet verbonden met het gebruik van brandstof. Zelfs storingen in de werking van de installatie kunnen geen brand veroorzaken.
• Efficiëntie. Ze trekken aan door een hoge warmteafgiftecoëfficiënt bij minimale kosten (per verbruikte 1 kW elektriciteit leveren ze 4–5 kW warmte). Bovendien zijn ze snel terugverdiend.
• Betaalbaarheid. De kosten van fabrieksmatig vervaardigde systemen stellen vrijwel iedereen in staat een warmtepomp aan te schaffen. Een zelfgebouwde installatie zal praktisch gratis zijn.
• Gebruiksgemak. Het technisch meest complexe apparaat in het systeem – de compressor, waarvan het onderhoud eenvoudig is. Met de voor warmtepompen kenmerkende belasting vallen compressoren zelden uit vóór de door de fabrikant gegarandeerde levensduur.

Om één kamer te verwarmen volstaat het om een split-systeem te installeren, door een buitenunit aan de gevel te hangen en een convector aan de binnenmuur. Om meerdere ruimtes te verwarmen, moeten er kanalen voor de verdeling van de verwarmde lucht worden aangelegd.

Voor elke verbruikte kilowattuur elektriciteit levert de warmtepomp tot vijf kilowattuur warmte-energie.

Al het beheer van de lucht-lucht warmtepomp wordt uitgevoerd door de ingebouwde automatiek. U hoeft geen speciale aandacht te besteden aan het functioneren en instellen van dit systeem. U hoeft alleen regelmatig de luchtfilters te reinigen en ze af en toe te vervangen.

Onder de negatieve aspecten van warmtepompen kunt u vermelden:

• een weliswaar geringe maar toch aanwezige geluidsachtergrond;
• een directe afhankelijkheid van de systeemefficiëntie van de buitentemperatuur;
• een toename van het elektriciteitsverbruik bij lagere buitentemperaturen;
• constant in de lucht zwevend stof door de ononderbroken werking van de ventilator en luchtconvectie in de kamer;
• afhankelijkheid van de stroomvoorziening (voor ononderbroken werking is een generator nodig).

Bij buitentemperaturen tot -10°C werkt alles prima, de van buitenaf opgenomen warmte is voldoende om comfortabele omstandigheden in huis te creëren. Maar bij verdere afkoeling daalt de efficiëntie van de pomp sterk.

Als een cottage is gebouwd in een gebied met een koud klimaat en strenge vorst in de winter, dan kunt u niet zonder een extra ketel of open haard.

In een warm klimaat kan een lucht-lucht warmtepomp zonder problemen de gestelde taken voor het verwarmen van een eengezinswoning aan, maar bij strenge vorst is een extra warmtebron geen overbodige luxe.

Voor het realiseren van luchtverwarming zijn dergelijke systemen ideaal geschikt. Minimale kosten voor elektriciteit, installatie-inspanningen en onderhoudsproblemen. Maar u kunt er geen water mee verwarmen. Daarvoor moet u extra een boiler plaatsen of aansluiten op centrale netwerken.

Lucht-lucht warmtepompen zijn de optimale manier om gebouwen te verwarmen die zijn gebouwd van hout of SIP (structureel geïsoleerde panelen). Dergelijke constructies hebben een laag warmteverlies, de capaciteit van de lucht-lucht warmtepomp is voor hun verwarming meer dan voldoende.

In de zomer kan de lucht-lucht warmtepomp worden gebruikt om het zwembadwater te verwarmen.

Fundamentele verschillen met een airconditioner

Uiterlijk lijkt de lucht-lucht warmtepomp op een huishoudelijke airconditioner. Maar het heeft zijn eigen onderscheidende constructieve kenmerken en technische specificaties.

Het eerste apparaat wordt gebruikt als primaire verwarmingsbron, die het hele jaar door werkt. Het tweede is meer bedoeld voor het koelen van de lucht in de zomerhitte.

De hoofdfunctie van een warmtepomp is verwarmen. Echter, veel modellen kunnen ook de binnenlucht koelen. Maar in deze werkwijze zijn ze qua energie-efficiëntie aanzienlijk minder dan een airconditioner. Dit is eerder een uiterst geval van gebruik.

Qua uiterlijk lijken een airconditioner en een lucht-warmtepomp op elkaar, maar ze hebben een geheel verschillende functie en operationele kenmerken.

Aan de andere kant kunnen ook veel inverter-airconditioners de lucht in ruimtes verwarmen. Maar ze verbruiken daarbij veel meer elektriciteit dan warmtepompen. Elk apparaat heeft zijn eigen bestemming.

Het gebruik van een 'lucht-lucht' warmtepomp is in de eerste plaats een overstap naar hernieuwbare energiebronnen.

Deze systemen zijn economisch voordelig, ondanks de grote initiële investeringen. De verlaging van de verwarmingskosten betaalt alle initiële kosten terug.

Selectie en berekeningen van de warmtepomp

Een lucht-lucht warmtepomp is alleen effectief als deze correct wordt geselecteerd. Het is noodzakelijk om vooraf het vermogen te berekenen op basis van de vierkante meters van het huis. En pas daarna kijken naar de prijzen van verschillende fabrikanten.

Bij de berekeningen wordt de COP-coëfficiënt (verhouding van het warmtepompvermogen tot de verbruikte energie) gebruikt.

Onder 'ideale omstandigheden' bereikt het vaak 4–5 punten, en de modernste modellen tot 7–8. Maar wanneer de buitentemperatuur daalt tot -15–20°C, daalt deze indicator scherp tot slechts twee.

De optimale verwarmingsprestatie levert de warmtepomp bij buitentemperaturen van -10…+10 graden Celsius, zo haalt hij tot ¾ van de warmte-energie van buiten.

Bij het berekenen van luchtverwarming moet u rekening houden met:

• de isolatie en zoninstraling van de ruimtes;
• de oppervlakte van de kamers;
• het aantal bewoners in de woning;
• de algemene klimatologische omstandigheden van de locatie waar het huis staat.

Voor de meeste huizen is per tien vierkante meter ongeveer 0,7 kW vermogen van de warmtepomp nodig. Maar dit is allemaal vrij indicatief. Als de plafonds hoger zijn dan 2,7 m of de muren en ramen slecht geïsoleerd zijn, dan is er meer warmte nodig.

Er zijn veel fabrikanten van lucht-lucht warmtepompen, zowel in Azië als in Europa.

Systemen van Daikin, Dimplex, Hitachi, Vaillant, Mitsubishi, Fujitsu, Carrier, Aertec, Panasonic en Toshiba krijgen goede beoordelingen. Bijna al hun modellen zijn aangepast aan de lokale gebruiksomstandigheden en hebben een goede reputatie opgebouwd.

Zelfs bij spanningsschommelingen gaan ze niet kapot en blijven ze na het inschakelen van de stroom correct werken.

De prijs van gangbare lucht-warmtepompen varieert van 900 tot 4500 €.

Sommige modellen worden aangevuld met:

• luchtzuiverings- en desinfectiefilters;
• reserveverwarmers;
• elektrische generatoren;
• GSM-modules voor systeembesturing;
• ionisatoren en ozonators.

De praktijk leert dat bij vorst onder -15 °C het koel wordt in ruimtes die alleen met een lucht-warmtepomp worden verwarmd. Zonder extra kachel is het in de kamers bepaald niet comfortabel.

In zuidelijke regio's waar dergelijke vorst zeldzaam is, is een warmtepomp echter zeer effectief en verdient hij de geïnvesteerde kosten ruimschoots terug dankzij energiebesparing.

Zelfbouw uit een oude koelkast

Het is vrij lastig om zonder gespecialiseerde technische kennis zelf een lucht-lucht warmtepomp in elkaar te zetten uit losse compressoren en condensors. Maar voor een kleine kamer of kas kunt u een oude koelkast gebruiken.

De eenvoudigste lucht-warmtepomp kan gemaakt worden van een koelkast door een luchtkanaal van buiten naar binnen te leiden en een ventilator op de achterste rooster van de warmtewisselaar te bevestigen.

Hiervoor moeten er twee gaten in de voorkant van de koelkastdeur worden gemaakt. Door het eerste gat stroomt buitenlucht de vriezer in, en via het tweede, onderste gat wordt deze naar buiten afgevoerd.

Tijdens de doorgang door de binnenkamer zal deze lucht een deel van de warmte aan het koelmiddel (freon) afgeven.

U kunt de koelmachine ook eenvoudig in de muur inbouwen met de deur naar buiten en de warmtewisselaar aan de achterkant naar de ruimte. Maar bedenk dat het vermogen van zo'n kachel klein zal zijn en dat hij behoorlijk wat elektriciteit verbruikt.

De lucht in de ruimte wordt verwarmd door de warmtewisselaar aan de achterkant van de koelkast. Maar een dergelijke warmtepomp kan alleen werken bij buitentemperaturen van minimaal plus vijf graden Celsius.

Dit huishoudelijke apparaat is uitsluitend bestemd voor gebruik binnenshuis.

In een groot huis moet het luchtverwarmingssysteem worden aangevuld met luchtkanalen die de warme lucht gelijkmatig over alle ruimtes verdelen.

De installatie van een lucht-lucht warmtepomp is uiterst eenvoudig. Het is nodig om de buiten- en binnenunits te installeren en ze vervolgens met elkaar te verbinden via een circuit met koelmiddel.

Het eerste deel van het systeem wordt buiten geïnstalleerd: direct op de gevel, het dak of naast het gebouw. Het tweede deel kan in huis aan het plafond of aan de muur worden geplaatst.

Het wordt aanbevolen om de buitenunit op enkele meters van de ingang van het huis en uit de buurt van ramen te monteren, zonder de door de ventilator geproduceerde geluidshinder te vergeten.

En de binnenunit wordt zo geïnstalleerd dat de stroom warme lucht eruit gelijkmatig door de hele kamer wordt verspreid.

Als u van plan bent om met een lucht-lucht warmtepomp een huis met meerdere kamers op verschillende verdiepingen te verwarmen, dan moet u een systeem van ventilatiekanalen met geforceerde toevoer inrichten.

In dit geval kunt u beter een project bestellen bij een bekwame ingenieur, anders is het vermogen van de warmtepomp mogelijk niet voldoende voor alle ruimtes.

De elektriciteitsmeter en het beveiligingsapparaat moeten de piekbelastingen weerstaan die door de warmtepomp worden gegenereerd. Bij een plotselinge koudegolf buiten begint de compressor aanzienlijk meer elektriciteit te verbruiken dan normaal.

Het is het beste om voor een dergelijke luchtverwarmer een aparte toevoerleiding vanaf de verdeelkast aan te leggen.

Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan de montage van de freonbuizen. Zelfs het kleinste spaandertje binnenin kan de compressorapparatuur beschadigen.

Hier kunt u niet zonder vaardigheden in het solderen van koper. Het bijvullen van het koelmiddel kunt u beter aan een professional overlaten om later problemen met lekkages te voorkomen.

Een stapsgewijze handleiding voor het maken van een warmtepomp uit een koelkast wordt beschreven in dit artikel.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Werkingsprincipe van het lucht-lucht warmtesplitsysteem:

Lucht warmtepomp in het verwarmingssysteem van een huis met twee verdiepingen:

Inverter airconditioner of lucht warmtepomp – wat is beter?

Warmtepompen die werken volgens het lucht-lucht principe zijn zeer efficiënte apparaten. Ze zijn eenvoudig te onderhouden, gemakkelijk in gebruik en zuinig.

Er is momenteel een enorm assortiment van dergelijke systemen verkrijgbaar; voor elk huis kan een verwarmingsinstallatie worden gekozen. U hoeft alleen het vermogen correct te berekenen, dan zal deze jarenlang effectief dienst doen.

En wat vindt u van de efficiëntie en wenselijkheid van het gebruik van “lucht-lucht” warmtepompen? Deel uw mening, laat feedback over het gebruik van de units achter en stel vragen. Het reactieformulier staat hieronder.