Warmtepompen accepteren koude klimaten

Twintig huizen verspreid over Canada en het noorden van de Verenigde Staten worden deze winter verwarmd met behulp van prototypes van de nieuwste versie van verwarmingssystemen voor woningen: warmtepompen voor koude klimaten.

Warmtepompen zijn niet gebruikelijk in huizen op deze breedtegraad, omdat ze historisch gezien niet goed hebben gepresteerd bij temperaturen onder het vriespunt. Fabrikanten van warmtepompen zeggen echter dat ze nu over de technologie beschikken om huizen bij bittere kou net zo efficiënt te verwarmen als bij mildere wintertemperaturen.

Om dit te bewijzen testen acht fabrikanten hun prototypes publiekelijk in de Cold Climate Heat Pump Technology Challenge, georganiseerd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) in samenwerking met Natural Resources Canada. De taak van de bedrijven is om een ​​zeer efficiënte lucht-water-warmtepomp voor woningen te demonstreren die bij -15 °C op 100 procent capaciteit kan werken. Bedrijven kunnen ervoor kiezen om hun machines verder te testen tot -26 °C.

Warmtepompfabrikanten Bosch, Carrier, Daikin, Johnson Controls, Lennox, Midea, Rheem en Trane Technologies zijn volgens de DOE geslaagd voor de laboratoriumfase van de uitdaging. Ze testen hun prototypes nu in huizen in tien noordelijke Amerikaanse staten en twee Canadese provincies, waar vaker ovens en ketels worden gebruikt die fossiel gas, stookolie of propaan verbranden.

Bedrijven die de uitdaging voltooien, ontvangen geen geldprijs. Maar DOE zal hen helpen uit te breiden naar markten voor koude klimaten door samen te werken met belanghebbenden in die regio’s, zei een DOE-woordvoerder IEEE Spectrum. De uitdaging loopt later dit jaar af en de prototypes zullen waarschijnlijk in 2025 klaar zijn voor commercialisering.

Hoe warmtepompen de kou verslaan

Technologische vooruitgang is voornamelijk tot stand gekomen door verbeteringen in één belangrijk onderdeel van de warmtepomp: de compressor. Warmtepompen werken door vloeistoffen te verplaatsen en te comprimeren. In de winter halen de systemen warmte van buiten het huis, meestal uit de lucht. (Er zit warmte in de lucht, zelfs bij temperaturen onder het vriespunt.) Een externe warmtewisselaar, of spiraal, absorbeert de warmte in het warmtepompsysteem.

De buitenlucht stroomt over een warmtewisselaar die een vloeistof of koelmiddel bevat met een zeer laag kookpunt. Een gangbaar koelmiddel, R410a genaamd, kookt bij -48,5 °C. Het koelmiddel kookt en verdampt tot stoom, en de compressor verhoogt de temperatuur en druk. De oververhitte stoom beweegt zich vervolgens door een gesloten spiraal, waar ventilatoren lucht overheen blazen en de warmte naar de woning overbrengen. In de zomer keert het systeem zichzelf om, waarbij warmte van de binnenkant van het gebouw naar buiten wordt overgebracht en de woning wordt gekoeld.

‘Ze konden het laboratorium niet koelen [-30 °C]dus moesten we de stroom uitschakelen om de warmtepomp uit te zetten.” —Katie Davis, Trane Technologies

Hoe kouder de buitentemperatuur, hoe harder warmtepompen moeten werken om voldoende warmte te onttrekken en over te dragen om de temperatuur in huis op peil te houden. Bij een temperatuur van ongeveer 4 °C beginnen de meeste lucht-waterwarmtepompen die momenteel op de markt zijn, op minder dan hun volledige capaciteit te werken, en op een gegeven moment (meestal rond de -15 °C) kunnen ze hun werk helemaal niet meer doen. Op dat moment wordt de hulpwarmtebron ingeschakeld, wat minder efficiënt is.

Maar de vooruitgang in de compressortechnologie van de afgelopen vijf jaar heeft dat probleem opgelost. Door de snelheid van de compressormotor te regelen en de timing te verbeteren waarop stoom in de compressor wordt geïnjecteerd, hebben ingenieurs warmtepompen efficiënt gemaakt bij lagere temperaturen.

Het in Dublin gevestigde Trane Technologies heeft bijvoorbeeld “met de dampcompressiecyclus gespeeld” om extra koudemiddelinjectie te krijgen, zegt Katie Davis, vice-president van engineering en technologie bij Trane’s residentiële activiteiten. “Het werkt een beetje zoals brandstofinjectie”, zegt ze. Wanneer het systeem zijn verwarmingscapaciteit begint te verliezen, injecteert het systeem koelmiddel om het een boost te geven, zegt ze.

In het laboratoriumgedeelte van de DOE-warmtepompuitdaging werkte de unit van Trane op 100 procent capaciteit bij -15 °C en bleef werken, zelfs toen de temperatuur in het laboratorium daalde tot -30 °C, hoewel niet langer op volledige capaciteit. “Ze konden het laboratorium niet koeler maken dan dat, dus moesten we de stroom uitschakelen om de warmtepomp uit te schakelen”, zegt Davis.

De technologie voor stoominjectiecompressoren bestaat al jaren, maar was tot voor kort niet geoptimaliseerd voor warmtepompen, zegt Davis. Dat, plus de introductie van slimme systemen waarmee binnen- en buitenunits met elkaar en met de thermostaat kunnen communiceren, heeft ervoor gezorgd dat warmtepompen het koudere weer aankunnen.

Warmtepompen kunnen de uitstoot en de energiekosten verlagen

DOE pleit voor een bredere toepassing van warmtepompen vanwege hun potentieel om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Dergelijke systemen draaien op elektriciteit, niet op fossiele brandstoffen, en als de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen komt, zijn de broeikasgasbesparingen aanzienlijk, zegt de DOE.

De twee jaar durende studie werd op 12 februari in het tijdschrift gepubliceerd Joule ondersteunt de bewering van de DOE. Uit het onderzoek bleek dat als elk verwarmd huis in de VS zou overstappen op een warmtepomp, het energieverbruik thuis met gemiddeld 31 tot 47 procent zou dalen, en de nationale CO2-uitstoot met 5 tot 9 procent zou dalen, afhankelijk van de hoeveelheid elektriciteit die werd geleverd. . hernieuwbare energie. Deze cijfers zijn gebaseerd op warmtepompen die warmte onttrekken aan een luchtbron (in plaats van grond of water) en omvatten zowel woningen met als zonder afvoer.

De energiebesparing zou de rekeningen voor huiseigenaren met 62 tot 95 procent moeten verlagen, afhankelijk van de efficiëntie en de koude klimaatprestaties van de geïnstalleerde warmtepomp. Hoe goed een huis is geïsoleerd en het type verwarmingssysteem dat wordt vervangen, maakt ook een groot verschil voor de energierekening, zo blijkt uit het onderzoek. Voor huishoudens die momenteel worden verwarmd door elektrische weerstandswarmte, stookolie of propaan, kunnen warmtepompen duizenden dollars per jaar besparen. Voor aardgas zijn de besparingen kleiner en afhankelijk van de aardgasprijs in de omgeving.

Sommige huiseigenaren aarzelen om over te stappen op warmtepompen vanwege wat bekend staat als ‘temperatuurangst’.

Warmtepompen voor koude klimaten zullen waarschijnlijk de energiebesparingen voor huiseigenaren vergroten, maar zullen hogere initiële kosten vergen, zegt Eric Wilson, senior onderzoeksingenieur bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, en auteur van het artikel. “Het is algemeen bekend dat warmtepompen geld kunnen besparen, maar er bestaat veel verwarring over de vraag of ze in alle klimaten een goed idee zijn”, zegt hij. Zijn onderzoek en de Cold Climate Heat Pump Challenge van de DOE zullen helpen een duidelijker beeld te schetsen, zegt hij.

De DOE is een van de vele overheidsinstanties die de adoptie van hoogrenderende warmtepompen voor woongebouwen proberen te versnellen. Negen Amerikaanse staten beloofden eerder deze maand de verkoop van warmtepompen te versnellen. Hun belofte bouwt voort op een aankondiging in september van 25 gouverneurs, die beloofden de installatie van warmtepompen in hun staten tegen 2030 te verviervoudigen. De Amerikaanse federale overheid biedt ook belastingvoordelen aan, en staten zullen kortingen invoeren om de installatiekosten te compenseren.

Tot nu toe lijken de inspanningen vruchten af ​​te werpen. In de VS hebben warmtepompen in 2023 voor het tweede jaar op rij meer ovens verkocht dan ovens, volgens gegevens die op 9 februari zijn vrijgegeven door het Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute in Arlington, Virginia.

Europa oefent een vergelijkbare druk uit. De Europese Commissie heeft opgeroepen tot een versnelde introductie van warmtepompen en heeft de lidstaten aanbevolen het gebruik van verwarmingssystemen op fossiele brandstoffen in alle gebouwen tegen 2035 geleidelijk af te schaffen. Veel Europese landen subsidiëren de installatie van warmtepompen in woongebouwen door subsidies aan te bieden aan huiseigenaren.

Maar sommige huiseigenaren aarzelen om over te stappen op warmtepompen vanwege wat bekend staat als ‘temperatuurangst’. Het is net zoiets als zorgen maken over de actieradius van elektrische voertuigen: huiseigenaren maken zich zorgen dat ze vast komen te zitten in een koud huis.

En sommigen houden gewoon van het gevoel van ouderwetse warmte. “Mensen die ovens hebben, zeggen dat ze de manier waarop de warmte aanvoelt erg prettig vinden als deze eruit komt”, zegt Davis van Trane. “Warmtepompen geven warme warmte af en kunnen je huis goed verwarmen, maar het is niet zo heet dat er uit de oven komt.”

Trane’s warmtepomp voor koud klimaat, degene die meedeed aan de DOE-uitdaging, verwarmt momenteel het huis van een gezin in Boise, Idaho, zegt Davis. “We hebben geweldige feedback gehad van onze klanten daar, die zeiden dat hun energierekening is gedaald”, zegt ze.

Om de praktijktest van DOE te doorstaan, moeten warmtepompen warmte uit de lucht halen (niet uit de grond of het water) en werken in huizen die lucht via kanalen distribueren, omdat die instellingen een grotere uitdaging vormen in koudere klimaten.