WARMTEPOMPEN
Install Magazine 953 – september 2018

Voordelen van een dubbele warmtebron

Lager energieverbruik van warmtepompen door dubbele warmtebron en centrale regeling van kamertemperatuur.

Bij nieuwe of gerenoveerde energiezuinige eengezinswoningen worden steeds meer lucht-water warmtepompen toegepast. In vergelijking met geothermische warmtepompen is de investering duidelijk lager. Deze toestellen kunnen ook probleemloos gecombineerd worden met lage-temperatuurverwarming. Onderzoekers proberen het rendement van dergelijke systemen te laten stijgen door enerzijds de warmtepomp aan te sluiten op een tweede warmtebron en anderzijds de warmtebehoefte te verminderen door een centraal gestuurde regeling van de kamertemperatuur en het verwarmingsregime.

Warmtepompen werken efficiënter naargelang het temperatuurverschil tussen de brontemperatuur en de afgiftetemperatuur lager is. In woningen maakt men dus meestal gebruik van vloerverwarming of overgedimensioneerde verwarmingslichamen om de vertrektemperatuur laag te houden. De temperatuur van de warmtebron kan men echter meestal niet beïnvloeden. Terwijl geothermische warmtepompen met een vrij constante brontemperatuur van ongeveer 10°C werken, evolueren bij een lucht-water warmtepomp het warmte-aanbod en de warmtebehoefte in tegengestelde zin: net wanneer er meer warmte nodig is, dus bij lagere buitentemperaturen, is het warmte-aanbod het kleinst.

Bij de onderzoeksinstelling Fraunhofer ISE werd nagegaan hoe het aanbod aan warmte kon verhoogd worden door gebruik te maken van bijkomende warmtebronnen aan relatief hoge temperatuur. Daarbij werd gedacht aan warmte uit zonne-installaties of uit het ventilatiesysteem van goed geïsoleerde woningen.

Het onderzoek gebeurde in nauwe samenwerking met de collega’s van het E.ON Research Center (ERC) van RWTH Aachen. Deze laatste nam de warmteverdeling onder de loep. Ze ontdekten optimalisatiemogelijkheden, meer bepaald door betere regelstrategieën voor een vraaggestuurde regeling van de kamertemperatuur.

Het onderzoek naar combinaties van bron- en afgiftetemperaturen werd gevoerd aan de hand van rekensimulaties en tests in het laboratorium. Fabrikant Vaillant trad op als partner uit de industrie en coördineerde en ondersteunde het onderzoek. Het project was toegespitst op nieuwbouw of gerenoveerde eengezinswoningen met een energiebehoefte van minder dan 120 kWh per jaar. Om de resultaten te kunnen vergelijken met eerdere studies, werden simulatieberekeningen uitgevoerd aan de hand van een woning van 140 m² van twee verdiepingen, zoals reeds gemodelleerd werd door IEA SHC Task 44. Als randvoorwaarden ging men uit van een warmtebehoefte van 60 kWh/m² per jaar en een warmwaterverbruik van 17,7 kWh/m² per jaar.

Warmte uit twee bronnen

Uit voorstudies bleek dat het installatietechnisch niet moeilijk was om afvoerlucht van de ventilatie te gebruiken als extra warmtebron voor compacte lucht-water warmtepompen. Daarom spitste het onderzoek zich op dit concept toe. Eerst werden er simulaties doorgerekend, daarna werd een geoptimaliseerde verdamper bepaald, en tenslotte werd een demonstratiemodel gebouwd.

Een tweede doelstelling betrof de klassieke lucht-water warmtepomp met buitentoestel, waarbij een zonnethermische installatie als aanvullende warmtebron gebruikt wordt. Uit de berekeningen bleek echter dat de verwachte meeropbrengst niet zou opwegen tegen de investering. Bovendien is de regeling hier bijzonder complex. In functie van de werkingsomstandigheden moet die immers bepalen op de zonnecollectoren gebruikt worden als warmtebron voor de warmtepomp, dan wel of ze direct worden aangesloten op het verwarmingscircuit. Het concept werd om economische redenen niet verder onderzocht. Een belangrijk voordeel van de lucht-water warmtepomp is immers de lagere investering. Die troef wilde men niet verliezen. De omvangrijke simulatieberekeningen van diverse systeemvarianten toonden ook aan dat een PV-installatie van een vergelijkbare grootte van de zonnethermischer installatie voordeliger is op het vlak van primaire energie.

Dubbele warmtebron verhoogt rendement

Balansventilatiesystemen recupereren meestal al een deel van de warmte uit de afvoerlucht, ofwel actief met een kleine warmtepomp, ofwel passief met een warmtewisselaar. Het doel bestond erin om het rendement van passieve systemen met een warmtewisselaar te verhogen. Daarbij werden twee systeemvarianten onderzocht: de afvoerlucht kan na de warmtewisselaar (dus met kleinere enthalpie) bijgemengd worden in de luchttoevoer van de warmtepomp. Een andere mogelijkheid is directe bijmenging, met een bypass van de warmtewisselaar. De tests aan de hand van een speciaal gebouwd demonstratiemodel gaven een duidelijk resultaat. Voor een gegeven werkingspunt stijgt de COP van het systeem met 15% als men afvoerlucht na de warmtewisselaar bijmengt. Bij directe bijmenging bedraagt de stijging slechts 2%.

Verdampers ijsvrij houden

De bijmenging van afvoerlucht heeft een duidelijk effect op de verdamper van de warmtepomp. Deze lucht is meestal verzadigd met vocht, wat kan leiden tot aanzienlijke ijsvorming op de verdamper. Dat veroorzaakt op zijn beurt rendementsverlies, omdat er meer ontdooicycli nodig zijn. Daarom werd een verdamper met ronde buizen van 5 mm diameter ontwikkeld. Dit ontwerp kan dienen als basis voor compactere verdampers voor een gegeven koelvermogen. Met een aangepaste configuratie van de lamellen kan men dan ook het aanvriesprobleem in de greep krijgen. De stromings- en temperatuurverdeling met en zonder bijmenging werd bestudeerd, zowel voor als na de verdamper. Bij het aanvankelijk gebruikte model van verdamper bleek dat de warmere en vochtigere afvoerlucht ongelijkmatig over de verdamper stroomde, met een ongelijkmatige ijsvorming tot gevolg. Dat leidt tot een hogere lokale luchtweerstand, zodat de luchtstroom afwijkt in de richting van de minder aangevroren secties van de batterij. Deze vorm van aanvriezen is niet alleen te wijten aan het bijmengen van afvoerlucht maar ook aan een ongelijkmatige verdeling van koelmiddel in de verdamper.

Vertrektemperaturen en kamertemperatuurregeling

Omdat de temperatuursprong die de warmtepomp moet realiseren, een directe impact heeft op de COP, speelt een lage-temperatuurverwarming een cruciale rol in het systeemrendement. Door de warmte-afgifte op de behoefte af te stemmen, kan men heel wat besparen. Daartoe heeft men precieze gegevens nodig over de kamers en alle andere ruimtes met wisselende bezetting. De onderzoekers van het ERC gingen na hoe men de warmteverdeling kon optimaliseren. Daartoe werden de gegevens van de verschillende kamerthermostaten gecentraliseerd. Op basis van deze gegevens werd dan de vertrektemperatuur aangepast. Vereenvoudigde simulaties van een adaptieve vertrektemperatuur geven een besparingspotentieel van 7% aan primaire energie aan. De kwaliteit van de regeling wordt hoofdzakelijk bepaald door de precisie van de radiatorventielen, de elektrische klepaandrijvingen en de elektronische thermostaten. Daarom werden gangbare sensoren en aandrijvingen in de test gebruikt. Op basis daarvan werden verbeterde modellen ontworpen. De nieuw ontwikkelde componenten werden getest op de proefbanken van de projectpartners, het ERC en de proefstand voor warmtepompen van ISE.

Hardware in the Loop

Na de aparte onderzoekingen en optimalisering van de bron en afgifte, werden beide aspecten samengevoegd tot een totaalsysteem. Het systeem werd dan aan de hand van simulaties en de ‘hardware in the loop’-procedure in verschillende varianten geanalyseerd. Uiteindelijk leidde dit tot een demonstratieproject. De regelingsconcepten werden onderzocht in wisselwerking met een reëel hydraulisch verdeelnet op een proefstand van RWTH Aachen. Hier kan men hardware, bijvoorbeeld verwarmingslichamen met aansluitleidingen, thermostaatventielen en kamerthermostaat testen onder dynamische en gecontroleerde omstandigheden. Dit noemt men het hardware-in-the-loop principe, waarbij reële toestellen gecombineerd worden met computersimulaties. Zo kon men het gedrag van verwarmingslichamen in een woning met vier kamers onderzoeken aan de hand van de dynamische processen die optreden in verwarmingsbedrijf. De verwarmingslichamen werden in een testconfiguratie gemonteerd die het hydraulische verdeelnet in een woning nabootst. Het simulatiemodel bepaalt de omstandigheden voor de proefstand, die de context vormen voor de dynamische modellen.

Resultaten van simulaties en metingen

De inertie van het totale systeem is een ernstige uitdaging voor een correcte vraaggestuurde werking. Het duurt immers geruime tijd vooraleer een wijziging in de aanvoertemperatuur van de warmtepomp via het hydraulisch verdeelsysteem tot bij de verwarmingslichamen raakt. Het effect op de kamertemperatuur is ook pas met vertraging merkbaar, en zal pas na een zekere tijd door de kamerthermostaat geregistreerd worden. Deze dode tijd maakt de regeling moeilijker. Los van het type van de regeling blijkt dat een centrale evaluatie van de regelkringen van de individuele ruimtes een gunstige invloed heeft op een vraaggestuurde werking.

Eenvoudige regelprincipes geven goede resultaten, bijvoorbeeld

Als er geen warmtevraag in een ruimte is, moet het systeem ook niet op temperatuur blijven. Dat reduceert het pendelen van de warmtegenerator en verlaagt de stilstandsverliezen.
Als de warmtepomp niet actief is, moeten de klepaandrijvingen van het verdeelsysteem ook niet werken. Dat verlengt de levensduur van de batterijen en vermindert geluidshinder.

Daaruit kan men complexere regelprincipes afleiden

Staan alle ventielen van een bepaalde ruimte dicht, kan de vertrektemperatuur verlaagd worden. Het lagere stookregime verhoogt het rendement van de warmtepomp.

Als de warmtepomp niet modulerend werkt (en dus in deellast gaat pendelen), is een aan-uit regeling van de kamertemperatuur zinvol.

Door onder meer deze regelprincipes toe te passen, kan het stroomverbruik van de compressor van de warmtepomp met meer dan 10% dalen. Het aantal stop-start cycli van de warmtepomp daalt met de helft en het stroomverbruik voor de warmteverdeling wordt met meer dan 20% gereduceerd.

Warmtepompen in bestaande gebouwen

Het welslagen van de energietransitie hangt hoofdzakelijk af van de sanering van de bestaande gebouwen. Behalve structurele aanpassingen gaat het hier ook om vervanging van inefficiënte verwarmingssystemen. Elektrisch aangedreven warmtepompen kunnen niet alleen het primair energieverbruik van woningen doen dalen, ze verbinden ook de sectoren elektriciteit en warmte. Een sturing in functie van toestand op het elektriciteitsnet maakt het mogelijk om het stroomverbruik uit te stellen tot ogenblikken waarop de vraag lager is.

In het onderzoeksproject ‘WPsmart im Bestand’ werd het rendement van warmtepompen in gerenoveerde eengezinswoningen nagegaan. Tevens werd bekeken hoe flexibel ze konden inspelen op vraagmanagement. Behalve monovalente en monoenergetische lucht-water en bodem-water warmtepompen werden ook hybride systemen onderzocht, die tegelijk gebruik maakten van een olie- of gasketel. Onder leiding van Fraunhofer ISE werden een 60-tal warmtepompen opgevolgd, waaronder 10 installaties die speciaal waren ontworpen om in te spelen op schommelingen in het elektriciteitsnet. In de meetperiode tot oktober 2017 kon men gegevens verzamelen van 15 lucht-water warmtepompen en 12 geothermische. Het bouwjaar van de woningen varieerde van 1850 tot 2001, met wisselende graden van renovatie, gaande van helemaal geen renovatie tot een grondige vernieuwing. De afgiftesystemen bestaan uit vloerverwarming en radiatoren, meestal in combinatie.

Bij de lucht-water warmtepompen is er een duidelijk verband tussen het stookregime (tussen 34 en 53°C vertrektemperatuur) en het jaarrendement (tussen 2,5 en 4,1). Bij de geothermische warmtepompen is dit verband nauwelijks waar te nemen. Dat ligt echter niet aan de invloed van de warmtebron. Het wijst er veeleer op dat er tal van parameters het uiteindelijke rendement beïnvloeden. Hierbij vermelden we in de eerste plaats de aandrijfenergie van de hulpsystemen en het verbruik van de elektrische bijverwarming. Bovendien is er veel verschil in de COP van de geothermische warmtepompen. De bandbreedte van het jaarrendement ligt tussen 1,8 en 4,8, waarbij vertrektemperaturen tussen 32°C en 66°C in de verwarmingskring gemeten werden. Het gemiddelde jaarrendement va 3,1 (lucht-water) en 3,7 (geothermisch) is vergelijkbaar met wat we kennen uit eerdere veldstudies, waarbij voornamelijk nieuwbouw onderzocht werd. In een volgende stap worden de renovatie-ingrepen geanalyseerd, om hun invloed op de werking van warmtepomp en dan in de eerste plaats het systeemrendement te bepalen.

Door Dr. Franz Meyer