thumb|warmtepomp 1 condensor 2 turbine, eventueel smoorventiel 3 verdamper 4 compressor
Een warmtepomp is een apparaat dat warmte verplaatst door middel van arbeid. De bekendste vorm is een koelkast. Het begrip warmtepomp wordt meestal gebruikt voor de omgekeerde vorm, die bedoeld is om warmte van een lager niveau naar een hoger te brengen, bijvoorbeeld voor gebouwverwarming.
Een warmtepomp kan meer warmte leveren dan hij aan (doorgaans elektrische) energie verbruikt omdat hij warmte van een lagere naar een hogere temperatuur 'pompt'. Hoeveel meer warmte dit betekent is afhankelijk van de gebruikte techniek en het temperatuurverschil dat moet worden overwonnen. In optimale situaties kan het tot vijf maal zo veel zijn, maar bijvoorbeeld een airconditioningsinstallatie, een lucht-lucht-warmtepomp, kan bij sterke vorst nauwelijks nog warmte aan de buitenlucht onttrekken. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de lage-temperatuur bron en de hogere temperatuur sink, hoe meer mechanisch vermogen per eenheid getransformeerde warmte verricht moet worden.
Met een passende warmtepomp kunnen gebouwen efficiënt en milieuvriendelijk worden verwarmd. Bij gelijke omvang is het vermogen van de warmtepompen soms, in vergelijking een gas of olie gestookte cv-ketel, beperkter. Hierbij moet niet vergeten worden dat elektriciteit meestal per kWh duurder is dan aardgas (typisch een factor drie). Een verbeterde gebouwisolatie is daarom bij vervanging van een traditionele verwarming door een warmtepomp veelal noodzakelijk om tot een rendabele oplossing te komen.
Geschiedenis De eerste warmtepomp werd al in het begin van 20e eeuw te Zürich in gebruik genomen, maar deze werd geen succes. Toen in de zeventiger jaren van de 20e eeuw de oliecrisis uitbrak, werd de warmtepomp gezien als een mogelijk grote energiebespaarder. Er werd dan ook veel onderzoek gedaan naar mogelijke varianten. Hieruit ontstond onder andere de gasgestookte warmtepomp die, zoals de naam al suggereert, op aardgas werkt. Dit zou dan ook een goede toepassing zijn geweest op de toen opkomende aardgasindustrie.
Maar door de sterke daling van de energieprijzen in 1985 werden de meeste onderzoeken stopgezet. De warmtepompindustrie bleek ineens niet meer rendabel. Politici begonnen pas in 1990 in te zien dat niet zozeer het opraken van de energievoorraden een probleem was maar dat het milieu door de klimaatverandering de stijgende vervuiling niet meer aankon. Hierdoor werd het debat over de alternatieve energiebronnen weer aangeslingerd en daarmee het onderzoek naar de warmtepomp. Dit werd mede gesteund door de stijgende energieprijzen en het bijbehorende financiële voordeel.
Een van de problemen was het gebruikte koudemiddel. De vroeger gebruikte middelen zoals freon bleken giftig en een bijdrage te leveren aan de afbraak van de ozonlaag en aan het versterkte broeikaseffect. Een groot probleem bij de keuze van nieuwe middelen was de interactie met het gebruikte smeermiddel. Onder de opvolgers bevinden zich onder meer CO2 en alkanen, waaronder propaan en methylpropaan.
De kostprijs van de warmtepompen gaat door het grotere aanbod omlaag. Dit kan, samen met een stijging van de energieprijzen, zorgen voor een kortere terugverdientijd. Toch blijven onderzoekers verder zoeken hoe zij warmtepompen efficiënter kunnen maken.
Toepassingen thumb|warmtepompen bij huurwoningen in Woerden
Een warmtepomp in huishoudelijke apparaten komt voor bij verwarming, maar ook bij de wasdroger. In de woningbouw en utiliteitsbouw wordt de warmtepomp gebruikt voor ruimteverwarming en koeling en bij woningbouw voor het aanmaken van warm tapwater. In die toepassing wordt de warmtepomp gezien als een vorm van duurzame energie, waarbij lage temperatuur-omgevingswarmte uit de bodem of de lucht wordt gebruikt voor verwarmingsdoeleinden op een hoger niveau. Wanneer de bodem als bron voor de warmtepomp wordt gebruikt is veelal in de grotere kantoortoepassingen sprake van warmte- en koudeopslag met open bodembronnen en steeds meer met gesloten bronnen.
Ook in de glastuinbouw worden warmtepompen veelvuldig toegepast. Ook hier worden warmtepompen als duurzamer dan een gewone verwarming gezien. In de industrie met grote projecten in de chemische industrie en een sterke groei in de voedingsmiddelenindustrie is de warmtepomp een besparingsoptie. Nadeel in de industrie is dat de warmtebehoefte vaak op een (veel) hoger temperatuurniveau is, wat en technologische beperkingen geeft en het rendement van warmtepompen verslechtert.
Werkingsprincipe Alle soorten warmtepompen nemen bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Volgens de tweede wet van de thermodynamica gaat dat niet vanzelf, zodat er een of andere vorm van arbeid aan te pas moet komen.
De meest voorkomende soorten warmtepompen werken door een vloeistof bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. Het kookpunt moet dus in de eerste stap worden verlaagd en/of in de tweede worden verhoogd. Het kookpunt kan worden verlaagd door de druk te laten zakken in een turbine of (meestal) met behulp van een smoorventiel en vervolgens worden verhoogd door de druk te verhogen met een compressor (pomp).
Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop voor het rondstromende koudemiddel, de thermodynamische cyclus, maar niet voor de warmte en de arbeid: aan het systeem wordt netto arbeid toegevoerd (in de compressor) en er wordt warmte verplaatst van de verdamper naar de condensor. Verliezen aan de omgeving van warmte treden op door de hoge temperatuur van de componenten.
Er is arbeid nodig om de lage temperatuur-energie uit de bodem of omgevingslucht-energie naar een hoger niveau te brengen. Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt met de Engelse term coefficient of performance (COP). Er zijn twee soorten, afhankelijk van het doel van de verplaatsing van de warmte. Als verwarming het doel is schrijft men COPverwarming. Het is de geleverde nuttige warmte, gedeeld door de warmte overeenkomend met de geleverde arbeid. De waarde is groter dan 1.industrialheatpumps.nl Als de arbeid bijvoorbeeld geleverd wordt door gebruik van elektriciteit dan is de geleverde warmte per kWh dus groter dan bij een elektrische kachel, of anders gezegd, er zijn minder kWh nodig voor dezelfde geleverde warmte. Als koeling het doel is schrijft men COPkoelen. Het is de weggenomen warmte, gedeeld door de warmte overeenkomend met de geleverde arbeid.
De COP bereikt waarden, afhankelijk van de toepassing, van 4,0 tot 4,6 en komt daarmee op een tweede plaats aan rendement na de warmte-krachtkoppeling (WKK) (of micro-WKK) die een COP van 9 heeft.
Thermische aandrijving Een absorptiewarmtepomp is een warmtepomp die werkt zonder compressor, in sommige gevallen zelfs geheel zonder bewegende delen (behalve het stromende fluïdum uiteraard). De thermische energie wordt geleverd door gas, of bij industriële toepassingen door stoom. De pomp functioneert door het absorberen en uitdampen van een fluïdum, bijvoorbeeld water met lithiumbromide (LiBr), of water met ammoniak. Zulke warmtepompen zijn bijvoorbeeld te vinden in gasgestookte koelkastjes voor op de camping.
Een peltierelement zet elektrische stroom direct om in een warmtestroom tegen een temperatuurverschil.
Techniek De werking van een warmtepomp met koudemiddel is in wezen die van een koelkast. Bij een koelkast wordt door de verdamper warmte onttrokken aan de te koelen producten, en wordt dit via de condensor afgegeven aan de buitenlucht. Bij een warmtepomp wordt deze warmte onttrokken aan elementen van het milieu (bodem, lucht, water...) en naar het verwarmingssysteem gevoerd. Het kringproces van het koelmiddel gebeurt volgens eenvoudige natuurkundige wetten. Het koudemiddel, een vloeistof die reeds op lage temperatuur kookt, loopt in een kring en wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en geëxpandeerd.
frame|temperatuur–entropiediagram
Drukverhoging in de compressor In de eerste stap wordt het gasvormige koudemiddel samengeperst, vaak in een scroll-compressor, maar ook andere typen compressoren als zuigercompressoren kunnen toegepast worden. Hierbij loopt de temperatuur op tot boven die van de te verwarmen ruimte. De hete damp stroomt naar de condensor. Warmteafgifte in de condensor In de condensor condenseert de damp tegen de relatief koude wand en geeft daarbij warmte af. De temperatuur waarbij dit gebeurt, is afhankelijk van de druk: hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt. De vloeistof wordt aan de onderzijde van het reservoir afgetapt en stroomt dan naar een smoorventiel. Drukverlaging In het smoorventiel of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening waarachter de druk aanzienlijk lager is. Warmteopname uit de omgeving In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die hiervoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving. De temperatuur waarbij dit gebeurt, is afhankelijk van de heersende druk, die door de aanzuigende werking van de compressor laag wordt gehouden.
In de techniek wordt vaak een onderscheid gemaakt tussen warmtepompen en koelmachines. Warmtepompen worden gebruikt om warmte terug te winnen om bijvoorbeeld een huis te verwarmen. Koelmachines worden gebruikt om ruimten te koelen. Het principe is echter hetzelfde.
Systemen Bij de warmtepomp zijn er verschillende systemen; de keuze van het systeem hangt af van de situatie; er is ook een groot verschil in rendement tussen de verschillende warmtepompen. Enkele systemen zijn:
Lucht-luchtwarmtepomp (airco) Bij lucht-luchtwarmtepompen wordt de warmte, net als bij een lucht-waterwarmtepomp, gehaald uit de buitenlucht, waardoor het rendement afhankelijk is van de buitentemperatuur. In feite is een lucht-luchtwarmtepomp een airconditioning waar door middel van het omschakelen van een klepje de verdamper en de condensor omgeschakeld kunnen worden. Veel airco's worden dan ook verkocht met specificaties voor verwarming. De investeringskostprijs van dit type ligt relatief laag in vergelijking met andere soorten warmtepompen vooral als er sowieso een airco geplaatst moet worden. Daarbij komt dat de benodigde "opvoer" warmte vanwege het gebruik van een luchtblazer lager kan zijn dan bij het gebruik van (lage temperatuur)radiatoren zoals bij een lucht-waterwarmtepomp. Dat komt het rendement (COP-waarde) ten goede. Nadeel is dat de overheid geen subsidie geeft voor lucht-luchtwarmtepompen. Ook leidt het plaatsen van een airco, ook al wordt deze amper of zelfs niet voor koeling gebruikt, tot een lager energielabel. Ook heeft de bij dit systeem noodzakelijke luchtblazer bij zijn functie als airco bij temperaturen als 25 graden dan wel een aangenaam (afkoelend) effect. Maar mogelijk minder in zijn verwarmingsfunctie bij bijvoorbeeld slechts 18 graden. In de verwarmingsfunctie ontstaat er, i.t.t de airco functie, geen condenswater waardoor de kans op ziekteverwekkers zoals legionella een heel stuk kleiner is. De industrie is in de jaren 2010 wereldwijd fors aan het investeren in het betrouwbaar en efficiënter krijgen van een hele nieuwe generatie lucht-luchtwarmtepompen.
Er zijn twee systemen. Een single block waarbij koeler en verwarmer in één apparaat zitten en dus in een gat in de muur geïnstalleerd moeten worden of een split block waarbij het luchtblazer gedeelte in de te verwarmen/koelen ruimte geplaatst moet worden en verdamper (in de verwarmingsfunctie) buiten. Deze moeten o.a. door (geïsoleerde) koperen buisjes tussen de verdamper en condensor met elkaar worden verbonden. De compressor zit in het binnengedeelte waardoor er in de verwarmingsfunctie weinig warmteverliezen optreden.