artikel

Compressoren voor warmtepompen: de nieuwste ontwikkelingen

Techniek

Door de transitie naar een gasloos Nederland worden steeds vaker warmtepompen gekozen als alternatief voor de cv-ketel. Een warmtepomp haalt thermische energie uit een bron (zoals de buitenlucht of de bodem) en zet hem om in bruikbare warmte. Een belangrijke rol bij dat proces is weggelegd voor de compressor. Hoe werkt dit onderdeel, en wat zijn de nieuwste technische ontwikkelingen?

Compressoren voor warmtepompen: de nieuwste ontwikkelingen
Een Copeland-scrollcompressor van fabrikant Emerson.

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.

Rol van de compressor

Het rondpompen en op druk brengen gebeurt door middel van een 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.

Scrollcompressoren.

Scrollcompressoren

Elke warmtepomp heeft een compressor. Een van de meest gangbare typen compressoren voor gebruik in warmtepompen is de volledig gesloten scrollcompressor. 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.

Minder lekverliezen

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, vertelt Rimme van der Ree, algemeen directeur van adviesbureau Klimaatexpert: “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.

Onderhoud en smering

Een volledig gesloten warmtepompcompressor vergt in principe geen onderhoud, stelt Van der Ree. “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, voegt hij hieraan toe. “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.”

Tussengasinjectie.

Tussengasinjectie

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.

Betere verwarmingscapaciteit

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.

Doorontwikkeling

De massastroom voor de ingang van de condensor is dus vergroot, wat direct het afgegeven vermogen van de condensor vergroot. Van der Ree: “Tussengasinjectie is een heel mooi principe waarmee een aanzienlijk hoger vermogen en rendement uit de warmtepomp kan worden gehaald. De kosten zijn momenteel nog 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. ”Ondertussen blijven ook andere technische ontwikkelingen elkaar uiteraard opvolgen. “Zo worden scroll-compressoren tegenwoordig ook voorzien van ontlastklepjes”, zegt Van der Ree. “Die kunnen worden gelicht, zodat koudemiddel al kan worden weggeleid als de condensordruk wordt gehaald. Ook dat is een vrij nieuwe ontwikkeling. Bedrijven zijn steeds op zoek naar steeds nieuwe mogelijkheden om de rendementen verder te verbeteren. Compressoren zijn nog lang niet uitontwikkeld.”

Invertertechniek

Een doorontwikkeling die in steeds meer warmtepompen is terug te vinden, is intertertechniek. Een inverterwarmtepomp, ook wel ‘modulerende warmtepomp’ genoemd, kan traploos tussen een minimaal en maximaal vermogen moduleren (in plaats van aan/uit te gaan). Het is een methode waarbij het toerental van de compressor naar behoefte geleidelijk wordt aangepast. Hierdoor komen minder temperatuurschommelingen voor en wordt een te veel aan warmtelevering voorkomen. Als de compressor in deellast op een lager toerental draait, worden de warmtewisselaars ‘overmaats’ en kunnen ze gemakkelijker hun werk doen, wat voor rendementsverbetering van de installatie zorgt.

Complex en kostbaar

Een ander groot voordeel van invertertechniek is dat de aanloopstroom heel laag is, waardoor er geen onnodig hoge 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. “Het ontwikkelen van een invertersysteem is niet eenvoudig”, benadrukt Rimme van der Ree. “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. Daarom worden aan/uit-type compressoren – die overigens aanzienlijk goedkoper zijn – ook nog steeds toegepast.”

> Tip: Voor veel ‘gewone’ eindgebruikers van koelinstallaties en warmtepompen zijn koudemiddelen een ingewikkeld technisch onderwerp. Vakblad RCC K&L heeft daarom een gratis white paper met toegankelijke uitleg ter beschikking gesteld.

Reageer op dit artikel