Thermo-akoestische warmtepomp: verwarmen en koelen met geluid

De thermo-akoestische warmtepomp van de Alkmaarse start-up Blue Heart Energy zet geluidstrillingen om in warmte of koude. beeld TNO
3

Warmte of koude opwekken met geluidsgolven klinkt als sciencefiction. Maar met de thermo-akoestische warmtepomp wordt het werkelijkheid: een behaaglijke woning met behulp van geluidsgolven. En, de radiatoren kunnen gewoon blijven hangen.

Glasblazers weten het allang: als je een pijp glas in een felle vlam verhit, kan deze spontaan gaan zingen. Hoe langer de pijp, hoe lager de toon. Ingenieuze knutselaars maakten al in de negentiende eeuw met dit effect een vuurorgel. Om te spelen met vuur.

Dat deed componist Georges Frédéric Eugène Kastner, toen hij in 1875 plaats nam achter de indrukwekkende pyrofoon. Met dit orgue à feu (vuurorgel) bracht hij zijn compositie ”Les Flammes Chantantes” ten gehore. In de glazen buizen achter het klavier speelden vlammen. Het vuur warmde de lucht op en bracht de buizen in resonerende trilling. Hoe langer de buis, hoe lager de toon.

Krijsen

Aan dit exotische muziekinstrument ontlokte de organist donker brommende klanken, omlijst door hese en soms krijsende boventonen. Nu is deze ”pyrophone” nog te bewonderen in musea in Londen en in Straatsburg.

Omgekeerd kunnen geluidstrillingen ook warmte opwekken. Door het geluid van een normaal gesprek verandert de temperatuur al met ongeveer een tienduizendste van een graad Celsius.

Het Energie Centrum Nederland (ECN) in de duinen bij Petten experimenteerde begin deze eeuw hiermee. Het onderzoeksinstituut bracht de zingende buis van de glasblazer opnieuw tot leven in de vorm van de thermo-akoestische warmtepomp.

Als belangrijkste toepassing ziet ECN-onderzoeker Spoelstra het opwerken van grote hoeveelheden restwarmte van de industrie. „Vloeistoffen of rookgassen van bijvoorbeeld 140 graden zijn nu te ‘koud’ om weer te gebruikten. Onze thermo-akoestische warmtepomp kan deze waardeloze restwarmte wel 100 graden heter maken. Met warmte van 240 graden kan de industrie weer zinnige dingen doen”, legt Spoelstra uit.

Wanneer hij de aansluitingen van de thermo-akoestische warmtepomp omdraait, wordt de temperatuur juist 100 graden verlaagd. Spoelstra: „Het is in de VS zelfs gelukt om daarmee aardgas vloeibaar te maken, door het af te koelen tot -160 graden.” Olieplatforms op zee fakkelen dit meekomende gas doorgaans als onbruikbaar af. Of ze lozen het gewoon in de atmosfeer. Maar als het wordt gekoeld, kan het als vloeistof per schip naar het vasteland worden getransporteerd.

Airconditioning

Sound Energy, een bedrijf in Enschede, borduurde voort op het pionierswerk van ECN. Het bedrijf bouwt nu grote koelsystemen om industriële restwarmte te gebruiken voor airconditioning.

Ook voor het verwarmen en koelen van woningen biedt de thermo-akoestische warmtepomp interessante mogelijkheden. Samen met de onderzoeksinstituten TNO en ECN ontwikkelde de Alkmaarse start-up Blue Heart Energy vier jaar geleden een aangepaste thermo-akoestische warmtepomp. Deze is geschikt voor het regelen van het binnenklimaat van woningen.

Directeur Michiel Hartman wil de thermo-akoestische techniek van zijn bedrijf klein en vooral betaalbaar houden. „Zodoende wordt deze toepasbaar voor bijvoorbeeld verwarming van appartementen.”

Gewone warmtepompen leveren warmte door deze van buiten naar binnen te pompen. Voor het rendement wordt de COP-waarde gebruikt, de prestatiecoëfficient. Zo kan een warmtepomp 1 kilowatt elektrisch vermogen gebruiken om er 3 kilowatt aan warmte uit te halen. De COP-waarde is in dat geval 3. Onder de 10 graden Celsius neemt de COP-waarde van dergelijke pompen snel af.

De thermo-akoestische warmtepomp presteert bij lage temperaturen een stuk beter, stelt Hartman. „Bij bijvoorbeeld 10 graden vorst, of als je tapwater met een hoge temperatuur nodig hebt, blijft onze COP-waarde hoog.”

Blue Heart Energy heeft vorig jaar samen met TNO een thermo-akoestische warmtepomp met een vermogen van 1 kilowatt ontwikkeld en getest. Hartman: „Die werkte tot tevredenheid, maar is nog te klein voor huishoudelijke toepassing. Daarom werken we aan variant van 2 kilowatt, met een piekvermogen van 3,5 kilowatt. Dat is genoeg om bijvoorbeeld een appartement te verwarmen. Ons streven is een betaalbare pomp van 10 kilowatt te bouwen.”

Tapwater

Hoewel het Blue Heartsysteem zowel warmte als koude kan produceren, richten de fabrikant zich in eerste instantie op verwarming, en nog niet op airconditioning. „Dat is overigens niet meer dan twee aansluitingen verwisselen”, verklaart Hartman.

Hij levert de units momenteel als ”black box” aan fabrikanten van verwarmingssystemen. „Zij hebben veel belangstelling om ons systeem te gebruiken voor verwarming in huizen inclusief tapwatervoorziening. Maar ook om bij stadsverwarming de watertemperatuur te verhogen om tapwater te verwarmen.”

Hartman verwacht dat de onderhoudskosten van het systeem laag zullen zijn, omdat het weinig bewegende delen heeft. „We zetten in op een technische levensduur van vijftien jaar.” Hij streeft ernaar om de Blue Heart-units vanaf volgend jaar te kunnen leveren voor de prijs van een gewone cv-ketel.

Hoe werkt de techniek?

Een thermo-akoestische warmtepomp zet geluidsgolven om in warmte of koude. Het grootste voordeel van deze warmtepomp is de grote temperatuursprong die mogelijk is. Directeur Michiel Hartman van fabrikant Blue Heart Energy noemt het „geen probleem” om de buitentemperatuur 100 graden op te krikken. „Maar voor een optimaal rendement knijpen we het systeem liever af tot een temperatuur van 70 graden, nog steeds ruim voldoende voor standaardradiatoren.” Extreme isolatie is niet nodig, en een kostbaar vloerverwarmingssysteem evenmin.

Ook gunstig ten opzichte van de traditionele warmtepompen is de eenvoud. Een thermo-akoestische warmtepomp heeft nauwelijks beweegbare delen. Er is ook geen milieubelastend koudemiddel zoals ammoniak nodig. Traditionele warmtepompen hebben een aan-uitregeling; de Blue Heartwarmtepomp is traploos regelbaar door de geluidssterkte van de trillende compressor te variëren.

Alternatieve warmtepompen

De gebruikelijke warmtepomp is de zogeheten LTV (lagetemperatuurverwarming). Deze haalt warmte uit de buitenlucht en verwarmt water met ongeveer 50 graden. Er bestaan ook varianten die een grotere temperatuursprong kunnen leveren.

Zoals de LWDV-warmtepomp van Alpha Innotec of Mitsubishi. Deze zou de cv-ketel zonder veel aanpassingen kunnen vervangen. De maximale temperatuursprong blijft zelfs bij buitentemperaturen tot -22 graden Celsius hoog. Hierdoor kunnen bestaande radiators blijven hangen. Deze modulerende warmtepomp is vooralsnog veel duurder in aanschaf dan een cv-ketel.

Samsung levert een HT (hogetemperatuur)warmtepompsysteem met twee warmtepompen. Deze kunnen de temperatuur van het cv-water in twee stappen tot 80 graden verhogen. Het systeem kost beduidend meer dan een gewone warmtepomp terwijl de COP-waarde lager ligt.

Een nieuwe vinding is een warmtepomp die CO2 gebruikt als koudemiddel, Deze is heel efficiënt is bij toepassingen waar een hoge temperatuursprong (tot 85 graden) nodig is, zoals koel- en vrieshuizen.

Een andere fabrikant van thermo-akoestische warmtepompen is Sound Energy. Deze gebruikt een warmtebron om gebouwen mee te koelen. De thermo-akoestische koeler (THEAC) is dit voorjaar geïnstalleerd op een nieuwe schoolgebouw in Delden. Deze gebruikt zonnewarmte om het gehele schoolgebouw te koelen. Elektriciteit is daarvoor nauwelijks nodig.