Onderwerpen:
- Inleiding
- Warmtepomp met R134a of R1234yf
- Warmtepomp met R744 (CO₂)
Inleiding:
In voertuigen met een verbrandingsmotor wordt de warmte voor de interieurverwarming onttrokken aan het koelsysteem. Het lage rendement van de verbrandingsmotor (zowel benzine als diesel en LPG) komt voornamelijk door warmteverliezen. In de kachelradiateur circuleert koelvloeistof met een temperatuur tot 90 graden Celsius. De interieurventilator blaast lucht door de kachelradiateur, waardoor de lucht opgewarmd in het interieur terecht komt. Om het interieur sneller op te warmen in de winter, bestaan voor voertuigen met verbrandingsmotoren ook hulpverwarmingssystemen, in de vorm van een elektrische verwarmingsweerstanden of een standkachel.
In elektrische voertuigen ontbreekt de verwarmingsbron (de verbrandingsmotor). Daardoor moet de warmte lucht die de kachel moet produceren op een andere manier worden opgewekt. Dit kan op twee manieren:
- via elektrische verwarmingsweerstanden (PTC-verwarming);
- door middel van een warmtepomp (evt. in combinatie met PTC-verwarming tijdens het opstarten).
Omdat de verwarmingsweerstanden veel vermogen vragen en tot wel 10% capaciteit van een volgeladen HV-batterij kost, wordt de warmtepomp steeds populairder. De warmepomp is simpelweg veel efficiënter. De warmtepomp maakt gebruik van dezelfde componenten van het aircosysteem, maar door toevoegingen van extra componenten werkt de warmtepomp als “omgekeerde” airco. Kennis van de werking van het conventionele airconditioningssysteem is dus benodigd voordat de werking van de warmtepomp wordt bestudeerd.
Filmpje met de opbouw van de warmtepomp: Valeo heat pump
De volgende afbeelding toont de kringloop van de warmtepomp. Een warmtepomp bestaat in principe uit de volgende hoofdbestanddelen: een compressor, verdamper, expansieklep en een condensor.
De compressor verplaatst het gasvormige koudemiddel onder verhoogde druk naar de condensor. Als gevolg van het comprimeren is de temperatuur van het koudemiddel gestegen. Het koudemiddel geeft de warmte af aan de lucht en condenseert. De verwarmde lucht stroomt het interieur in. Het koudemiddel verandert van gasvormig naar vloeibaar.
Wanneer het koudemiddel door het expansieventiel stroomt, vindt er weer een toestandsverandering plaats: hier gaat het van vloeibaar over naar gasvormig. In de verdamper verdampt het koudemiddel volledig. De benodigde verdampingswarmte wordt onttrokken aan de warmere buitenlucht die daardoor afkoelt.
Het gasvormige koudemiddel stroomt vanuit de verdamper weer naar de compressor.
Zoals de bovenstaande uitleg al laat zien, gebruikt de warmtepomp dezelfde componenten als van de airco, waarbij de condensor en verdamper van taak zijn omgewisseld. De condensor zit onder het dashboard en de verdamper in het voorfront bij de radiateur. Het expansieventiel heeft ook een andere plaats in het systeem gekregen, namelijk aan de voorkant van het voertuig bij de verdamper. De warmtepomp kan naast verwarmen ook koelen: daarvoor worden de componenten weer gebruikt zoals we in de airconditioning zijn gewend. Door middel van omschakelkleppen wisselen de condensor en verdamper van functie, en zal tevens het expansieventiel weer het koudemiddel in de verdamper onder het dashboard laten verdampen.
De warmtepomp heeft dus zowel een verwarmende als koelende functie. Dit is niet alleen nuttig voor het interieur, maar ook voor koeling en verwarming van o.a. het HV-batterijpakket.
Warmtepomp met R134a of R1234yf:
Zoals in de inleiding al beknopt is omschreven, kan de warmtepomp voor zowel het interieur als de componenten van het HV-systeem verwarmen en koelen.
In voertuigen vinden we warmtepompen met twee verschillende soorten koudemiddel: het vertrouwde R134a en R1234yf, of R744 (CO₂). De laatst genoemde wordt in de volgende paragraaf behandeld.
In de volgende afbeelding zijn twee circuits weergegeven: bovenaan het roodgekleurde koudemiddelcircuit en onderaan het blauwgekleurde koelvloeistofcircuit. Beide circuits zijn van elkaar gescheiden, maar via een warmtewisselaar is temperatuuroverdracht mogelijk.
Het bovenste circuit richt zich op de koudemiddelkringloop. De drie afsluitkleppen sturen het koudemiddel in de juiste richting. Daarnaast zijn er drie expansieventielen, die afhankelijk van de stand van de afsluitkleppen in werking treden.
De componenten zijn benoemd zoals in een aircosysteem: de condensor bevindt zich in het voorfront nabij de radiateur, en de verdamper in het kachelhuis onder het dashboard. Daarnaast is er een verwarmingscondensor, waarin de luchtstroming door middel van een luchtklep kan worden geleid of tegengehouden. De verwarmingscondensor wordt gebruikt bij verwarming met de warmtepomp, terwijl de verdamper een rol speelt bij koeling met de airconditioning. Druk- en temperatuursensoren op meerdere locaties meten de drukken en temperaturen wanneer het koudemiddel via de afsluitkleppen van richting verandert.
De rode leidingen in het koudemiddelcircuit geven hogedruk aan, de blauwe lagedruk. De oranje leiding en de verdamper hebben een middelhoge druk, omdat aan beide zijden een expansieventiel is geplaatst. Pijlen geven de stromingsrichting van het koudemiddel aan.
In het onderste deel is het koelsysteem van het HV-systeem weergegeven. De warmtewisselaar draagt de temperatuur van de warme koelvloeistof over aan het koudemiddel. De gekoelde HV-componenten zijn onder andere de onboard charger (waar AC wordt omgezet in DC tijdens het laden van het batterijpakket), de elektromotor voor de aandrijving, en de inverter (waar de DC uit het batterijpakket wordt omgezet in sinusvormige AC voor de elektromotor).
De koelvloeistof-omschakelventielen bepalen de stromingsrichting van de koelvloeistof. Pijlen geven aan hoe de stroming verloopt in de geschakelde toestand. De koelvloeistof kan door de koeler worden geleid om te koelen, of via de PTC-verwarming om te verwarmen.
Zoals hierboven al is beschreven, kan de warmtepomp functioneren als airconditioning of als verwarming. De onderstaande drie situaties tonen de richting van het koudemiddel door de componenten om de warmtepomp te laten functioneren als airconditioning, interieurverwarming of interieurverwarming en HV-pakket koeling
1. Airconditioning
De (airco)compressor zuigt het gasvormige koude-middel via de lagedrukleiding (blauw) aan en perst het via de hogedrukleiding (rood) naar de verwarmings-condensor in het kachelhuis. De luchtklep is gesloten, waardoor er geen luchtstroming door de verwarmings-condensor plaatsvindt en er geen warmte wordt afgegeven. Hierdoor treedt er geen condensatie op.
Het koudemiddel stroomt door naar de condensor via AK2 (afsluitklep 2). In de condensor condenseert het koudemiddel en wordt vloeibaar.
Na de condensor bereikt het koudemiddel EV2 (expansieventiel 2). Hier ondergaat het een drukval, waardoor het koudemiddel verdampt en warmte afgeeft aan de verdamper. Deze warmte wordt onttrokken aan de interieurlucht, die vervolgens het interieur in wordt geblazen.
Vanuit de verdamper stroomt het gasvormige koudemiddel via AK1 (afsluitklep 1) terug naar de zuigzijde van de compressor.
Afsluitklep 3 is gesloten, zodat het koudemiddel deze leiding niet kan gebruiken. Ook expansieventielen EV1 en EV3 zijn gesloten, waardoor de doorgang is geblokkeerd. Alle expansieventielen kunnen in twee richtingen werken. Bij verwarmingsfuncties sturen de afsluitkleppen het koudemiddel in een andere richting, terwijl de expansieventielen in de tegenovergestelde richting voor drukverlaging zorgen.
2. Interieurverwarming
De compressor comprimeert het koudemiddel, waarna het gasvormige koudemiddel via de hogedrukleiding naar de verwarmingscondensor wordt getransporteerd.
De temperatuur van de verwarmingscondensor stijgt, waardoor de interieurlucht, die eerder in de verdamper is voorverwarmd, de warmte opneemt die vrijkomt bij het condenseren van het koudemiddel in de verwarmingscondensor.
Afsluitkleppen AK1 en AK2 zijn gesloten, zodat het koudemiddel na de verwarmingscondensor een drukval ondergaat in EV1 (expansieventiel). Hierdoor wordt het koudemiddel deels gasvormig. In de verdamper, die in deze situatie als condensor fungeert, condenseert het koudemiddel opnieuw en geeft daarbij warmte af aan de binnenstromende interieurlucht. Vervolgens ondergaat het koudemiddel nogmaals een drukval in EV2, waarbij de temperatuur onder de omgevingstemperatuur daalt. In de condensor, die in deze situatie als verdamper werkt, verdampt het koudemiddel en neemt daarbij warmte op uit de buitenlucht die een hogere temperatuur heeft. Het gasvormige koudemiddel stroomt via AK3 terug naar de compressor.
Bij traditionele aircosystemen bevindt de condensor zich in het voorfront van het voertuig, waar de rijwind (of luchtstroming van de ventilator) de warmte van het koudemiddel opneemt en de temperatuur van het koudemiddel laat dalen. Bij een warmtepomp wordt deze warmte echter niet afgestaan aan de rijwind, maar gebruikt voor het verwarmen van de binnenstromende interieurlucht. Hierbij zijn dus de condensor en verdamper van functie omgewisseld.
3. Interieurverwarming en HV-componenten koelen
In het warmtepompsysteem moet het koudemiddel expanderen voor de overgang van vloeistof naar gas. Er zitten expansieventielen voor de condensor (die als verdamper werkt) en voor de warmtewisselaar, die verantwoordelijk is voor de warmteoverdracht tussen koudemiddel en het koelvloeistofcircuit van de HV-componenten.
EV2 en EV3 staan in deze situatie geopend. Het is ook mogelijk dat alleen EV3 is geopend. In dat geval wordt de warmte van het koelsysteem van de HV-componenten gebruikt om te expanderen. Na het expanderen is de temperatuur van het koudemiddel lager dan de omgevingstemperatuur. Door deze verlaging onttrekt het koudemiddel in de warmtewisselaar warmte uit het koelcircuit van de elektrische aandrijving. Dit helpt om de HV-componenten te koelen: de koelvloeistof transporteert de warmte uit o.a. de inverter en de elektromotor wordt via de warmtewisselaar afgegeven aan het koudemiddel.
Als zowel de condensor als de warmtewisselaar onvoldoende warmte genereren om het koudemiddel te kunnen laten condenseren, bijvoorbeeld als het voertuig langere tijd stilstaat met ingeschakelde verwarming, wordt in het koelsysteem het PTC-verwarmingselement ingeschakeld en de koelvloeistoftemperatuur in de warmtewisselaar verhoogd. Het afgeschermde koelcircuit met eigen koelvloeistofpomp voorkomt dat gevoelige onderdelen zoals de vermogenselektronica, de onboardlader en de elektromotor onbedoeld worden verwarmd. Het verwarmen is immers alleen bedoeld om het koudemiddel te laten expanderen. Deze situatie zal niet ontstaan als de inverter en elektromotor veel vermogen moeten leveren: hierbij ontstaat voldoende warmte die wellicht zelfs via de koeler moet worden begrenst.
Warmtepomp met R744 (CO₂):
Het koudemiddel R744 (CO₂) wordt steeds vaker toegepast in airco- en warmtepompsystemen, zoals in elektrische voertuigen. CO₂ heeft de eigenschap veel warmte op te nemen tijdens het verdampen en veel warmte af te geven bij condensatie. Dit maakt het zeer effectief voor warmteoverdracht. Een belangrijke beperking van CO₂ is echter de kritische temperatuur van 31 °C. Boven deze temperatuur kan CO₂ niet condenseren, wat het moeilijk maakt om bij zomerse buitentemperaturen efficiënt te blijven functioneren. Om dit te verhelpen, is in voertuigen een extra interne warmtewisselaar toegevoegd, die gebruikmaakt van koudemiddel met lage druk tussen de verdamper en compressor om het warme, hogedruk-koudemiddel in de gaskoeler te condenseren.
In vergelijking met andere koudemiddelen, zoals R1234yf, heeft CO₂ veel hogere werkdrukken. De stilstanddruk bij 20 °C is 57 bar, en tijdens bedrijf kan de druk aan de lagedrukzijde oplopen tot 90 bar, met een overdrukklep die opent bij 160 bar. Dit vereist robuustere systemen, zoals een compressor met dikkere wanden en flexibele leidingen met een gegolfde stalen mantel voor bescherming tegen de hoge druk en thermische belasting.
Een belangrijk voordeel van CO₂ als koudemiddel is dat het bij extreem lage buitentemperaturen, zoals onder -10 °C, nog steeds effectief kan verwarmen. In tegenstelling tot R1234yf, dat bij -29 °C kookt, blijft CO₂ gasvormig bij temperaturen onder -79 °C, waardoor het in zeer koude omgevingen kan blijven functioneren. Dit maakt CO₂ bijzonder geschikt voor gebruik in voertuigen als zowel koel- als verwarmingssysteem, met betere prestaties bij lage temperaturen dan traditionele koudemiddelen.
De bovenstaande afbeelding toont de componenten van het R744 warmtepompsysteem (tekening: VAG). Hieronder worden zeven mogelijkheden getoond hoe de warmtepomp voor koeling en verwarming van het hele systeem, of gedeeltes van het systeem kan verzorgen.
1. Interieur koelen:
Het koudemiddel stroomt via de compressor naar de gaskoeler in het front van de auto, waar het condenseert en de warmte aan de buitenlucht afgeeft. Via het expansieventiel (EV1) ondervindt het koudemiddel een drukverlaging, waarna het in de verdamper de warme lucht uit het interieur opneemt, waardoor de temperatuur van de lucht die naar het interieur stroomt, daalt. De extra warmtewisselaar tussen de gaskoeler en het expansieventiel zorgt ervoor dat het koudemiddel verder afkoelt, zodat het volledig condenseert. Bij hogere buitentemperaturen kan de werking van de gaskoeler onvoldoende zijn om het koudemiddel volledig te condenseren, aangezien de kritische temperatuur van CO₂ 31 °C bedraagt.
2. Interieur en HV-accupakket koelen:
Net als in situatie 1 waarbij alleen het interieur werd gekoeld, verplaatst in deze situatie de compressor het koudemiddel naar de gaskoeler in het front van de auto. Nu is ook EV2 (expansieventiel 2 voor de warmtewisselaar) geopend. De twee expansieventielen (EV1 en EV2) zorgen voor het expanderen van het koudemiddel om zowel de lucht in het interieur koelen, maar ook het HV-batterijpakket via de warmtewisselaar (chiller). Het batterijpakket wordt op deze manier actief gekoeld zodra de temperatuur boven de 30 á 35 °C komt.
3. HV-accupakket koelen:
Het HV-batterijpakket kan worden gekoeld zonder dat het interieur wordt gekoeld. Wanneer de temperatuur van de HV-batterij boven de 30 á 35 °C komt, wordt het koudemiddel vanaf de gaskoeler, via EV1 en EV2 door de warmtewisselaar (chiller) geleidt, waardoor het warmte opneemt uit de batterij en de temperatuur onder controle wordt gehouden. Deze koeling is essentieel voor de levensduur van de batterij. Om het koudemiddel niet door de verdamper te laten stromen, worden de afsluitkleppen AK3, AK4, AK5 gesloten.
4. Reheat-fase:
In de reheat-fase wordt de afgekoelde lucht die uit de verdamper komt, opnieuw verwarmd met behulp van de verwarmingscondensor.
De reheat-functie wordt ingezet bij lage buitentemperaturen, bijvoorbeeld wanneer de voorruit moet worden ontwasemd terwijl de luchtvochtigheid hoog is. De droge, koude lucht uit de verdamper wordt opgewarmd, zodat het interieur tegelijkertijd wordt verwarmd en ontvochtigd.
5. Lucht-warmtepomp:
Net als bij de R134a-warmtepomp stroomt het gasvormige koudemiddel vanaf de compressor door de verwarmingscondensor en de verdamper, waar de warmte van het koudemiddel wordt afgegeven aan de binnenstromende interieurlucht.
Echter, bij het opstarten van de CO₂-warmtepomp duurt het enige tijd voordat de verwarmingscondensor op voldoende temperatuur is om de interieurlucht op de gewenste temperatuur te brengen, omdat de warmte nog niet kan worden onttrokken uit het HV-circuit.
Om direct na het starten van de auto warmte in het interieur te krijgen, wordt de PTC-verwarming geactiveerd.
6. Lucht-water-warmtepomp:
Net als in situatie 6 kan de warmtepomp warmte opnemen uit de buitenlucht, maar in deze situatie wordt ook warmte onttrokken uit het koelsysteem van het HV-batterijpakket.
Via de compressor en het open afsluitventiel AK4 wordt het koudemiddel naar de warmtecondensor en de verdamper geleid, waar het warmte afgeeft aan de binnenkomende interieurlucht. Tegelijkertijd stroomt het koudemiddel via EV1 door de gaskoeler in het front van de auto, waar het warmte opneemt uit de buitenlucht, en via EV2, waar het warmte opneemt uit het koelsysteem van het HV-systeem.
7. Water-warmtepomp:
De CO₂-warmtepomp kan bij lage buitentemperaturen ook als water-warmtepomp functioneren, waarbij het koudemiddel warmte uit het HV-koelsysteem haalt en deze afgeeft aan het interieur of andere systemen van het voertuig.
Via de compressor wordt het koudemiddel onder hoge druk naar de verwarmingscondensor en de verdamper geleid om de binnenkomende lucht te verwarmen. Vervolgens expandeert het koudemiddel via expansieventiel 2 in de warmtewisselaar (chiller), om daarna via de extra warmtewisselaar te worden aangezogen door de compressor.
Gerelateerde pagina’s: