Invoering
Warmtepompen worden steeds populairder als effectief middel om de opwarming van de aarde tegen te gaan en CO2-neutraliteit te bevorderen als verwarmingsapparatuur die fossiele brandstoffen kan vervangen. De efficiëntie van warmtepompen is verbeterd, maar de efficiëntiestijging is vertraagd. Om de efficiëntie van warmtepompen verder te verbeteren, kan het gebruik van efficiënte warmteoverdracht en warmteopslag, naast het verbeteren van de efficiëntie van de apparatuur zelf, zorgen voor efficiënte koeling, verwarming en warmwatervoorziening wanneer nodig en met de gewenste hoeveelheid warm water.
Voordelen van warmteopslag
Warmteopslag is de opslag van thermische energie. De bodem en het wateroppervlak kunnen worden beschouwd als materialen met een grote capaciteit voor warmteopslag, omdat ze zonne-energie en atmosferische energie opslaan. Warmteopslag heeft de volgende voordelen.
De capaciteit van de warmtebronapparatuur kan worden verminderd en het is mogelijk om het tijdelijke onevenwicht in warmtegebruik te compenseren door een grote hoeveelheid warmte te gebruiken, die met een kleine capaciteit wordt opgeslagen op momenten dat de vraag het grootst is.
Het elektriciteitsverbruik kan worden gespreid over de nacht- en daguren. Dit kan door warmteopslag. 's Nachts wordt elektriciteit gebruikt wanneer het elektriciteitsverbruik het laagst is. Overdag wordt de warmte gebruikt om het elektriciteitsverbruik te verlagen.
Een efficiënte werking kan worden gerealiseerd door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen dag en nacht en door warmte op te slaan. Zo wordt bijvoorbeeld in de zomer, 's nachts wanneer de temperatuur lager is dan overdag, ijswarmte efficiënt opgeslagen en overdag gebruikt voor koeling om de condensatietemperatuur te verlagen en zo een efficiënte werking te garanderen.
Het comfort kan worden verbeterd door de installatie van een warmteaccumulator in de buitenunit van de warmtepomp. De warmte kan bijvoorbeeld worden gebruikt om te voorkomen dat de kamertemperatuur daalt tijdens het verwarmen door ontdooien, en om snel warme lucht uit te blazen bij het starten van de verwarming.
Het gebruik van hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie, geothermische energie en restwarmte van fabrieken, wordt steeds gemakkelijker dankzij het gebruik van warmteopslag.
Soorten warmteopslag
Er bestaan verschillende methoden voor warmteopslag.
Warmteopslag met voelbare warmte is een methode die thermische energie opslaat door gebruik te maken van temperatuurveranderingen in vloeistoffen zoals water en vaste stoffen zoals bakstenen en beton, en wordt veel gebruikt. De methode met voelbare warmteopslag met water wordt bijvoorbeeld gebruikt voor lucht-water (ATW) warmtepompen voor waterverwarming en ruimteverwarming. Betonnen gebouwen als voorbeeld van de methode met voelbare warmteopslag met beton, worden de plafonds, vloeren, muren, enz. gebruikt als warmteopslagmateriaal. Omdat voelbare warmteopslag een relatief lage warmteopslagdichtheid heeft, wordt de warmteopslaghoeveelheid vergroot door het temperatuurverschil van het warmteopslagmateriaal te vergroten.
Faseovergangswarmteopslag of latente warmteopslag is een methode om warmte op te slaan met de thermische energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd wanneer een stof in een vaste of vloeibare toestand overgaat. Faseovergangswarmteopslag heeft een hogere warmteopslagdichtheid dan voelbare warmteopslag. Een voorbeeld van het gebruik van faseovergangswarmteopslag zijn thermische opslagsystemen voor airconditioning, die de latente warmte gebruiken die wordt gegenereerd door de faseovergang van water en ijs. Een ander voorbeeld is verwarmingsapparatuur die paraffine met een grote hoeveelheid latente warmte gebruikt als warmteopslagmateriaal om de prestaties te verbeteren. Daarnaast worden functionele polymeren met faseovergangswarmteopslag, harsen met warmteopslageigenschappen, gebruikt als isolatiemateriaal voor vloerverwarming in woningen.
Chemische warmteopslag is een methode voor het opslaan en afgeven van warmte die ontstaat door een chemische reactie die ontstaat wanneer het reactiemedium en het warmteopslagmateriaal met elkaar in contact komen. Door het reactiemedium en het warmteopslagmateriaal te scheiden, kan de warmteopslag gedurende lange tijd worden gehandhaafd. Omdat de reactietemperatuur voor warmteopwekking echter hoger is dan 200 °C, wordt er momenteel onderzoek en ontwikkeling (R&D) gedaan, zoals het benutten van restwarmte van fabrieken met hoge temperaturen.
Systemen die warmteopslag gebruiken
Systemen die gebruikmaken van warmteopslag bestaan in verschillende vormen en methoden, zoals ATW-warmtepompen voor water- en ruimteverwarming, ijswarmteopslagsystemen en gebouwgebonden thermische opslagsystemen voor airconditioning. Ook de ontwikkeling van warmteopslagsystemen in combinatie met zonne-energie, geothermische energie, energie uit fabrieksuitlaatgassen, enz. is volop gaande en er zijn veel nieuwe warmteopslagsystemen gemeld.
Problemen met warmteopslag
Warmteopslag heeft veel voordelen, maar brengt ook uitdagingen met zich mee. Ten eerste is er het warmteverlies. Ten tweede is er het temperatuurverschil tussen de warmtewisseling en de warmteafvoer, wat noodzakelijk is maar leidt tot een lagere efficiëntie. Ten derde is er behoefte aan apparatuur, ruimtes, enz. voor warmteopslag, zoals opslagtanks en zwembaden. Het is belangrijk om deze uitdagingen aan te pakken om warmteopslag gebruiksvriendelijker en effectiever te maken.
Om bijvoorbeeld het als eerste genoemde warmteverlies te verminderen, is het belangrijk om de warmteopslagcontainer te isoleren. Daarom zijn er verschillende warmte-isolatiematerialen ontwikkeld, zoals steenwol, glaswol, polyethyleenschuim, urethaanschuim en vacuümisolatie. Deze warmte-isolatiematerialen moeten, naast warmte-isolerende eigenschappen, ook hittebestendig, vochtbestendig en duurzaam zijn. Vacuümisolatie wordt beschouwd als een ideaal isolatiemateriaal en wordt gebruikt voor warmwatertanks, warmteopslagcontainers en woningen, omdat het steeds dunner wordt gemaakt en de kosten dalen. Thermische isolatie van huizen en gebouwen is ook een belangrijk aspect dat verband houdt met de warmtebelasting van airconditioning.
Conclusie
De moderne samenleving verbruikt grote hoeveelheden energie en de daarmee gepaard gaande grote hoeveelheid restwarmte leidt tot opwarming van de aarde. Als tegenmaatregel is het essentieel om een systeem te ontwikkelen dat de gegenereerde restwarmte-energie benut, de energie-efficiëntie verbetert en het energieverbruik vermindert. Warmtepompen en warmteopslag zijn technologieën die deze doelstellingen realiseren, en er wordt verder onderzoek en ontwikkeling verwacht.
Belangrijke ontwikkelingsthema's zijn snelle warmteoverdracht tijdens warmteopslag in een container en afvoer uit de container met minder verlies, en een hogere warmtedichtheid van de warmteopslag. Als een compact, groot en goedkoop warmteopslagsysteem kan worden gerealiseerd, zullen de toepassingen ervan enorm toenemen. Als warmtepompen die dergelijke verbeterde warmteopslagsystemen gebruiken, worden gerealiseerd, kunnen nieuwe systemen ontstaan, net zoals elektrische voertuigen en drones zijn ontwikkeld met behulp van batterijen met hoge dichtheid.
Plaatsingstijd: 28 juni 2023
