Hoe werkt een airco?

hoe werkt een airco

Een airco of airconditioning, is feitelijk een "warmte verplaatser", vandaar dat soms de term "warmtepomp" wordt gebruikt, immers een airco pompt als het ware de warmte van binnen naar buiten. Een airco bestaat uit vijf belangrijke onderdelen:

  • de warmtewisselaar binnen
  • de warmtewisselaar buiten
  • het koelmiddel wat via leidingen door beide warmtewisselaars stroomt
  • de pomp (compressor) die het koelmiddel rondpompt tussen de warmtewisselaars
  • het expansieventiel (die we bewust even negeren en pas aan het eind van dit artikel zullen behandelen)

De warmtewisselaar binnen wordt de "indoor unit" genoemd en heeft tot taak om de warmte van de binnenlucht over te dragen aan het koelmiddel wat door de leiding van de warmtewisselaar stroomt. Buiten heet die warmtewisselaar de "outdoor unit" en daar zal de warmte uit het koelmiddel aan de buitenlucht afgeven worden. Een airco is een gesloten systeem, het koelmiddel wat door de warmtewisselaars en de leidingen stroomt zal door de pomp (compressor) keer op keer rondgepompt worden en zal nooit uit dat leidingstelsel ontsnappen.

blokschema airco
Het koelmiddel van een airco vormt met de warmtewisselaars buizen en compressor een gesloten systeem.

Warmtewisselaar

Een warmtewisselaar is een onderdeel waar warmte overgedragen wordt (wisselt) van het ene naar het ander medium. In het geval van een airco is dat van de binnenlucht naar het koelmiddel of van het koelmiddel naar de buitenlucht. De warmtewisselaar is een buis die een aantal keren gebogen is in korte lussen waar de lucht met een ventilator langs geblazen wordt waardoor de binnenlucht de buis dus ook het koelmiddel in die buis zal verwarmen. Bij de warmtewisselaar buiten gebeurt het precies andersom, de warmte van het koelmiddel wordt via een aantal gebogen lussen weer afgestaan aan de buitenlucht. Het transport van de warmte vindt plaats met een koelmiddel dat door een compressor (gaspomp) via leidingen tussen de indoor- en outdoor unit rondgepompt wordt.

Vier natuurverschijnselen

Het warmtetransport is gebaseerd op een aantal natuurkundige verschijnselen:

  • een vloeistof die verdampt onttrekt warmte uit zijn omgeving
  • een gas dat samengeperst wordt zal in temperatuur stijgen
  • een gas wat condenseert (vloeibaar wordt) zal warmte afstaan aan zijn omgeving
  • het verlagen van de druk boven een vloeistof zal zorgen voor een verlaging van het kookpunt (maar dat behandelen bewust aan het eind van dit artikel)
warmtewisselaar airco
airco warmtewisselaar, door de buizen stroomt het koelmiddel

De koelcyclus in het kort

We beginnen het proces bij de indoor unit. Daar wordt via een leiding vanuit de outdoor unit het koelmiddel aangevoerd die op dat moment een vloeibare vorm heeft. Zodra het in de warmtewisselaar van de indoor unit stroom zal door de warme binnenlucht het koelmiddel (in de leidingen van de warmtewisselaar) gaan koken en uiteindelijk in gasvorm over gaan. Dit gas wordt door de compressor (gaspomp) sterk samengeperst / in druk sterk verhoogd en zal dan in de outdoor unit in contact komen (via de leidingen in de warmtewisselaar) met de buitenlucht. Daar zal het gas (in die leidingen) condenseren en zijn warmte afstaan en vervolgens als vloeistof weer naar de indoor unit stromen.

Verdampen vereist energie

Eerst even een praktijkvoorbeeld, wanneer je net uit het zwembad (of bad / douche) komt krijg je het koud. Je huid is nat en het water op je huid wil verdampen. Maar water kan alleen maar verdampen als je water warm maakt, dus energie/warmte toevoert aan het water. Die energie/warmte komt (voornamelijk) uit je huid. Je huid wordt door het verdampen van water dus afgekoeld en daardoor sta je te bibberen van de kou. Zodra al het water van je huid verdampt is merk je dat je het weer warmer krijgt, immers aan je huid wordt nu geen warmte meer onttrokken. Bij het verdampen van een vloeistof onttrekt deze dus warmte uit zijn omgeving.

Exact hetzelfde proces maar dan niet met water maar met een speciale koelvloeistof, zorgt dat de koelvloeistof warmte uit de kamer onttrekt en daardoor zal verdampen. Hierdoor wordt dus warmte uit de kamer onttrokken, zie hier de koelende werking van een airco. Nu moeten we alleen nog die warmte kwijt en wel aan de buitenlucht. Maar dat is alleen maar mogelijk als het gas warmer is dan de buitenlucht. Maar buiten is het (in de zomer) flink warm en de koelstof (het gas) is nog steeds koeler dan de buitenlucht en zonder verdere actie kunnen we die warmte niet kwijt.

fietspomp

Gas samenpersen verhoogt de temperatuur

Een compressor biedt hier een oplossing. Een compressor is een pomp die het gas sterk samenperst (in druk verhoogd). Tijdens dat samenpersen stijgt de temperatuur van het gas tot flink boven de buitenlucht temperatuur. Dit verschijnsel tref je ook aan bij het oppompen van je fietsband, heb je wel eens na het pompen aan de slang gevoeld? Die is door het pompen flink warm geworden. Dat komt ook door het samendrukken van gas (lucht in dit geval).

Het inmiddels opgewarmde gas, wat een stuk warmer is geworden dan de buitenlucht temperatuur, stroomt door de leidingen van de warmtewisselaar in de outdoor unit. De buitenlucht is (in de zomer) wel warm maar wel een stuk koeler dan het hete (samengeperste) gas in de leidingen. De leiding in de warmtewisselaar wordt daardoor door de buitenlucht afgekoeld waardoor het gas in die leiding ook afkoelt en uiteindelijk condenseert (weer vloeibaar wordt).

Tijdens condensatie komt warmte vrij

Een vloeistof die verdampt onttrekt warmte uit zijn omgeving. Als een gas condenseert gebeurd precies het omgekeerde: het staat warmte af aan zijn omgeving.

Zodra gas in de warmtewisselaar buiten condenseert zal het zijn warmte afstaan. De leiding wordt dus warmer en de buitenlucht zal die leiding weer afkoelen. Op dat moment zijn we de warmte die we binnen hebben afgevoerd aan de buitenlucht dus kwijtgeraakt. Nu stroomt het gecondenseerde gas, een vloeistof dus, weer terug naar de indoor unit en het hele proces begint weer van voren af aan.

Hoeveel energie kost deze koelcyclus?

Zoals je hebt gelezen gaat het koelen "vanzelf". Je moet alleen het proces op gang houden door het gas rond te pompen en in druk te verhogen. Daar dient de compressor dus voor. De compressor wordt aangedreven door een elektromotor. Die elektromotor verbruikt elektrische energie en dat is de energie om dit "warmte verplaatsingsmechanisme" op gang te houden. Het is dus niet de elektriciteit die voor de koelende werking zorgt, dat doet de koelvloeistof. De elektromotor houdt via de compressor dit proces alleen maar op gang. Daardoor kan je met relatief weinig energie veel warmte verplaatsen. Zo zal een airco met een koelende werking van bijvoorbeeld 1500 Watt maar 500 Watt aan elektriciteit nodig hebben.

De mate van efficiency van dit koelsysteem wordt bepaald door de keuze die de fabrikant maakt in zijn ontwerp en keuze van onderdelen. Daardoor verschillen airco's van elkaar en is de ene airco zuiniger dan de ander. De efficiency is een belangrijk kenmerk om airco's onderling te vergelijken. De efficiency van een airco wordt uitgedrukt in EEP en COP waarde.

warmtewisselaar met lamellen airco
metalen lamellen helpen het warmteopnemend oppervlak te vergroten

Lamellen

We schreven eerder dat in de indoor unit zich een warmtewisselaar bevindt. Daarbij is een leiding waar het koelmiddel door stroomt een aantal keren in lussen "dubbelgevouwen". Dit is gedaan om het contactoppervlak die de leiding heeft met de binnenlucht te maximaliseren. Hoe meer leidingoppervlak in contact staat met de binnenlucht hoe meer warmte uit de binnenruimte opgenomen kan worden. Hoe vaak je ook de buis in de indoor unit laat dubbelvouwen, het contactoppervlakte is dan nog steeds gering en dus het koelend vermogen klein.

Net als bij een centrale verwarming waarbij geen buis een aantal keren gebogen wordt onder een raam maar een radiator wordt geplaatst, dat is een metalen plaat met een zeer groot oppervlak waardoor het water van de cv vloeit om maar de oppervlakte met de lucht zo groot te maken, zo doet men dat ook bij een airco. De truc is de "oppervlaktevergroting". Daarbij wordt dezelfde techniek toegepast die ook bij een cv-convectorput gebruikt wordt. Hierbij worden aan de verwarmingsbuis veel dunnen plaatjes metaal gemonteerd. Die plaatjes worden door verwarmingsbuis verwarmt en het plaatje kan met zijn grote oppervlakte deze warmte snel aan de omgeving afstaan.

warmtewisselaar airco indoor unit
de lamellen van de warmtewisselaar zijn rond een langwerpige ventilator geplaatst

Wanneer je de indoor unit opendoet zie je de buis waar de koelvloeistof door heen stroom een aantal keren heen en weer gaan en daartussen zitten talloze zeer dunnen plaatjes metaal. Daardoor is een zeer groot oppervlak ontstaan waardoor de binnenlucht (indirect) in contact staat met de koelvloeistof.

De warmtewisselaar die zich binnen bevindt, of nog nauwkeuriger: waar de warmte wordt opgenomen, wordt de "verdamper" genoemd. Dit naar het fenomeen dat het koelmiddel (in de leiding van de warmtewisselaar) verdampt door de warmteopname uit de lucht. De warmtewisselaar in de outdoor unit, of beter nog, daar waar de warmte wordt afgestaan, wordt "condensor" genoemd naar het fenomeen dat daar de koelvloeistof condenseert doordat het de warmte afstaat aan de lucht. Realiseer dat bij de meeste airco's de koelcyclus omgekeerd kan worden. In dat geval werkt de airco net andersom en zal binnen de lucht niet afkoelen maar juist verwarmen. In dat geval is de indoor unit de "condensor" en de outdoor unit de "verdamper". Meer details lees je in het artikel: kan een airco als verwarming werken en wat zijn daarvan de voor- en nadelen?

Droge lucht

Wanneer we verder geen maatregelen zouden nemen zou op de lamellen en de buizen van de warmtewisselaar ijsvorming ontstaan. Dat is niet gewenst omdat ijs een isolerende werking heeft waardoor de warmtewisselaar de binnenlucht minder goed kan afkoelen. Dit ijs ontstaat omdat de binnenlucht langs de koude lamellen stroomt. In de lucht bevindt zich waterdamp die op de lamellen zal condenseren. Het water zal door de temperatuur van de lamellen zelfs gaan bevriezen en ijs vormen. Mede daarom maar zeker ook om het warmteopnemend vermogen van de warmtewisselaar een heel stuk te verhogen is een langwerpige ventilator voor de lamellen geplaatst. Door de constante aanvoer van warme lucht uit de kamer zal geen ijs kunnen ontstaan. Maar condensdruppeltjes vormen zich wel degelijk. De vorming van condens is zelf behoorlijk groot. Uiteindelijk zullen (veel) druppeltjes van de warmtewisselaar afvallen. Dit water moet afgevoerd worden. Bij de meeste airco's gebeurd dat met een slang die naar buiten gaat en op het dak of straat uitkomt. Niet alleen wordt de warmte uit de kamer onttrokken en verplaatst naar buiten maar de lucht wordt ook flink droger gemaakt. Die drogere lucht draagt ook bij aan een "koude beleving". Dat komt omdat het vocht in de huid makkelijk verdampt in een droge omgeving dan in een omgeving met een hoge luchtvochtigheid. Je ziet hier gelijk het probleem van mobiele airco's, want waar moet bij zo'n mobiele airco het condensvocht blijven? Dat wordt opgevangen in een condens vochtbak die je een paar keer per dag moet legen. Doe je dat niet dat zou de bak overstromen maar een sensor zal dit voorkomen en zorgen dat de mobiele airco vanzelf uitgeschakeld wordt.

Onder afschot of een condens waterpomp

In een normale (split unit) airco moeten we rekening houden met het condenswater. De slang die het water naar buiten voert zal "onder afschot", schuin dus, gemonteerd worden. Water stroom immers niet omhoog. De kabelgoot die van de indoor unit over de muur gaat zal dus altijd, een beetje, schuin gemonteerd moeten worden anders loopt het water niet snel genoeg naar beneden. Soms is het zelfs onmogelijk en moet de leiding even omhoog over een deur bijvoorbeeld. In dat geval kan niet meer gebruik worden gemaakt van het natuurlijke loop van water wat naar beneden stroomt. In dat geval zal een (condens)waterpompje aangebracht worden. Dit is een klein pompje met een vlotterschakelaar. Die pomp bevindt zich in een lekbak van het condensvocht. Zodra het condenswater een bepaald niveau heeft bereikt in dat lekbakje slaat de waterpomp aan en pompt het water via de waterleiding naar buiten. Door de kracht van dit pompje kan de leiding in dit geval desnoods omhoog lopen. Nadeel van dit systeem is dat je om de zoveel tijd de pomp hoort aanslaan en pompen. Daarnaast zal de pomp om de zoveel duizend pomp-uren vervangen moeten worden. Het is dus een stuk onderhoud gevoeliger.

Wat geluid

In de outdoor unit bevindt zich de compressor. Doordat daar o.a. een elektromotor in draait en de compressor op zich ook niet stil is, zal de outdoor unit, in combinatie met de ventilator die ook in de warmtewisselaar zit van deze outdoor unit wat geluid maken. De indoor unit kan behoorlijk stil zijn omdat daar alleen maar een stille ventilator draait maar de buiten unit zal altijd (een beetje) hoorbaar zijn. Ook zal de buiten unit wat laagtonige trillingen veroorzaken (brommen) en als het tegenzit geeft de muur of dak waar de buiten unit op gemonteerd deze trilling door naar een kamer binnen. Dat is wat minder prettig. In dat geval kunnen deze trillingen beperkt worden door de outdoor unit op trilling absorberend materiaal te plaatsen of de ophanging aan te passen waardoor trillingen minder hard worden doorgegeven. Soms zal het uitzoeken van een ander plaats van de buiten unit een betere keuze zijn.

expansieventiel airco
expansieventiel airco

Expansieventiel

Het koelingsproces van een airco bestaat uit zoveel stappen dat we het in het begin niet onnodig complexer wilde maken. Daarom hebben we dit onderwerp voor het laatst bewaard. Het expansieventiel bevindt zich in het systeem na de condensor. Dus nadat het koelmiddel is gecondenseerd. Het koelmiddel is dan vloeibaar. Dit koelmiddel moet bij de verdamper gaan verdampen wil het de koelende werken hebben. De compressor zorgt echter dat deze vloeistof onder grote druk de verdamper in wil. Het verdampingsproces moet gecontroleerd plaatsvinden. Een constante stroom van koelmiddel, en ook afgestemd op de hoeveelheid warmte die het koelmiddel kan opnemen in de verdamper moet de verdamper instromen. Daar zorgt het expansieventiel voor. Het expansieventiel is feitelijk een kraan die zichzelf "bediend". Het expansieventiel heeft namelijk een sensor die zich bevindt in de verdamper. Die sensor meet hoe warm/koud het weg stromend koelmiddel is en zal aan de hand daarvan de hoeveelheid koelmiddel doseren (meer of minder toelaten).

Het expansieventiel heeft overigens nog een andere zeer belangrijke functie. Doordat het vloeibare gas in het expansieventiel (kraan) met een heel klein straaltje koelmiddel de verdamper ingeleid wordt zal een ander natuurlijk verschijnsel zich voordoen waar we dankbaar gebruik van maken bij de airco. Wanneer de koelvloeistof door een heel klein ventiel stroomt zal de druk aan de verdamper kant (dat is dus de warmtewisselaar binnen) sterk verlaagd worden. Voor het expansieventiel is de druk nog erg hoog (door de compressor) en na het ventiel valt die druk voor het grootste gedeelte weg. Het natuurverschijnsel wat nu optreed is dat een vloeistof in een omgeving van lage druk een lager kookpunt heeft dan een vloeistof in een omgeving met een hogere druk. Door deze drukverlaging zal het koelmiddel al bij zeer lage temperaturen kunnen gaan verdampen, en dat is precies wat we willen want tijdens dit verdampen wordt warmte uit de omgeving opgenomen.

filterdroger airco
filterdroger verwijdert vuil en vocht uit koelmiddel

Filterdroger - accumulator

Geen onderdeel wat een nodig is bij het koelen maar we kunnen toch niet buiten dit onderdeel. In een airco systeem zal altijd wel (een heel klein beetje) vocht zitten of anders via hele kleine lekjes binnentreden. Dit vocht zou voor problemen gaan zorgen bij het expansieventiel. Direct na het expansieventiel zou dit vocht kunnen bevriezen en de doorstroming van het koelmiddel kunnen blokkeren. Daarom is voor de condensor een droger opgenomen die de taak heeft om het water uit het koelmiddel te halen. In de droger zit teven een filter die verontreinigingen uit het koelmiddel filtert.


Foutje of aanvulling? Gebruik het reactieformulier.
wij gebruiken cookies
dat accepteer ik
meer informatie