WARMTEPOMPEN
Install Magazine 955 – november 2018

Welke warmtebronnen zijn optimaal voor warmtepompen?

Combinatie van geothermie met zonnewarmte

Steeds meer gebouwen worden voorzien van warmtepompen. De jongste jaren kennen vooral lucht-water-toestellen succes. Nochtans bestaan er meer energie-efficiënte alternatieven voor lucht als warmtebron, zoals bodemwarmte, grondwater, ventilatielucht of zonnewarmte. Die variëteit aan warmtebronnen en de overeenkomstige warmtewinningsystemen betekent een uitdaging voor ontwerpers. Er is dus nood aan gevalideerde concepten en objectieve ontwerpinstrumenten en analysen. Twee groepen van onderzoekers leveren daarvoor een bijdrage.

Bodemcollectoren hebben relatief veel ruimte nodig, waardoor ze eerder zelden worden toegepast. Een onderzoeksgroep van het Institut für Solarenergieforschung (ISFH) uit Emmerthal (Duitsland) wil de vereiste oppervlakte sterk reduceren, met hulp van de regeneratie van de collector door middel van zonnewarmte. Om het concept beter te analyseren, hebben de onderzoekers in samenwerking met de Duitse sectorvereniging voor warmtepompen (BWP) en de firma Tewag een simulatiemodel voor bodemcollectoren ontwikkeld. Dat model werd gevalideerd met data van een experimentele opstelling. Daaruit werden parameters bepaald voor een optimale dimensionering van dergelijke hybride systemen, die moet voorkomen dat de bodem thermisch uitgeput zou raken.

In een tweede project willen onderzoekers van het Institut für Gebaüde- und Solartechnik in Braunschweig het ontwerp van warmtepompinstallaties ondersteunen door een lijst van overzichtelijke en objectieve beslissingscriteria op te stellen. Daarvoor wordt een eenvoudige tool gemaakt op basis van Excel. Zo kan men de meest geschikte warmtebronnen en warmtewinningsystemen bepalen en evalueren aan de hand van de jongste marktgegevens en van empirische installatieparameters. Men kan dan een vergelijking maken van verschillende types gebouw of gebruiker op basis van energetische of economische factoren. De berekeningen werden gevalideerd met behulp van meetdata van concrete installaties en door simulaties.

Al op een diepte van een meter vertoont de bodem minder seizoenale temperatuursverschillen dan de buitenlucht. De hogere gemiddelde temperatuur in het stookseizoen maakt het tot een aantrekkelijke warmtebron voor warmtepompen. In vergelijking met de bodemsondes, waar een boring voor nodig is, zijn de horizontale bodemcollectoren gemakkelijker aan te leggen. Bovendien zijn ook minder beperkingen qua vergunningen. Tenslotte is de werking veel minder afhankelijk van de geologische eigenschappen van de bodem.

Zonnecollectoren als aanvulling van bodemcollectoren

De oppervlakte die nodig is om een bodemcollector aan te leggen, vormt echter vaak een probleem. Eenvoudige zonnecollectoren kunnen echter de vereiste oppervlakte reduceren. Dat was het uitgangspunt van het onderzoeksteam van ISFH. Zo kan de bodemcollector duidelijk kleiner gedimensioneerd worden, zonder risico op bevriezing. Als de bodem kan bevriezen moet men immers overschakelen op directe elektrische bijverwarming.

Simulatie test efficiëntie en duurzaamheid.

Om de bodemcollector exact te kunnen dimensioneren en testen, werd een digitaal simulatiemodel ontwikkeld. Het maakt een fijnlagige analyse van een tweedimensionale doorsnede van de bodem mogelijk. Het houdt ook rekening met omgevingsfactoren, bevriezingsprocessen in de bodem en de warmtecapaciteit van de vloeistof in de collector. Het is ingebed in het simulatieprogramma TRNSYS en is geoptimaliseerd voor snelle dynamische simulaties, zodat men de invloed van individuele parameters op het gehele systeem kan onderzoeken.

Experimenten valideren het model en concept

Om de simulatie te valideren, werd een experimentele opstelling gebouwd. De bodemcollector van 150 m² bestaat uit vier deelvelden, die afzonderlijk kunnen geschakeld worden. Door een serieschakeling van een warmtepomp en een elektrische weerstand kan men naar wens warmte aan de collector toevoegen of onttrekken, met verschillende vermogens. Behalve de toevoer- en teruglooptemperaturen van de collector en de warmtepomp werden ook bodemtemperaturen op verschillende dieptes en horizontale afstanden gemeten.

Uit de tests bleek dat de metingen en de simulaties goed overeen stemden. Dat opende de weg naar omvangrijke parameterstudies om de voornaamste dimensioneringsfactoren te bepalen. In simulaties met bodemcollectoren van verschillende afmetingen en met verschillende regelconcepten werden de reductiefactoren voor de dimensionering berekend.

Parameterstudies leiden tot ontwerpaanbevelingen

De simulatiestudies tonen aan dat door een warmtepompinstallatie te combineren met eenvoudige niet-verglaasde zonnecollectoren, de oppervlakte van de bodemcollector met meer dan 50% kan verminderd worden, ten opzichte van de huidige dimensioneringshandleiding VDI 4640-2. De belangrijkste parameter is hier de kleinere hartafstand van de leidingen in de bodem. Dat verhoogt de efficiëntie en vermindert het plaatsgebruik. Zonder regeneratie loopt men echter het gevaar van kritieke situaties door bevriezing, wat nefast is voor een goede werking van de warmtepomp.

Bij kleinere hartafstanden heeft de toevoer van zonnewarmte een duidelijke invloed op de werking van het systeem (figuren 1 en 3). Door de regeneratie door de zonnecollectoren vermindert de kans dat de bodem thermisch uitgeput raakt. Bevriezing wordt vermeden, en daarmee ook de noodzaak om over te schakelen op elektrische bijverwarming. Voor een gegeven opbrengst komt men dus toe met een kleinere bodemcollector. Daarmee kan men ook bodemcollectoren inzetten in gevallen waar dat anders niet mogelijk zou zijn.

Als men echter de bodemcollector dimensioneert volgens de VDI-richtlijn, dan brengt een combinatie met zonnecollectoren geen merkbaar voordeel qua rendement. De reden daarvoor is het stroomverbruik van de circulatiepomp van zonnecollectoren.

Warmtebronnen en warmtewinningsystemen

De keuze van de warmtebron en de manier waarop daar warmte aan wordt onttrokken, beïnvloedt de rendabiliteit en ook de vereiste oppervlakte van de installatie. De juiste keuze maken is geen gemakkelijke opdracht, want er komen hoe langer hoe meer methoden bij om de warmte uit de omgeving te benutten. Naast de bekende lucht-water warmtepompen, bodemsondes of grondwatersystemen, zijn er nu vele ander mogelijkheden zoals bodemcollectoren, energiepalen, aardwarmtekorven, ijsopslag, statische luchtabsorbers of warmtewisselaars voor oppervlaktewater of afvalwater. Er bestaat wel documentatie met gegevens over specifieke concepten en types van warmtewisselaar, maar het ontbreekt aan een systematische vergelijking tussen verschillende installatieconcepten en varianten. Niet zelden worden producten toegepast, waarover en nauwelijks onderbouwde gegevens beschikbaar zijn wat de kosten-baten analyse betreft. Ontwerpers zien er veelal tegen op om de moeite te doen om een overzicht te krijgen van alle randvoorwaarden, plaatsvereisten, kosten voor investering en werking of het gemak van installatie.

Marktonderzoek en bedrijfsanalyse

Daardoor ontstond bij het Institut für Gebäude- und Solartechnik het idee om een ontwerphulp te maken voor de eerste fase van de planning. Een eenvoudige software op Excel-basis zou dan een gedetailleerde energetische en economische evaluatie maken voor concrete gebouwen, in functie van de behoefte aan warmte en koude. Voor een warmtepompinstallatie kan men dan de meest gepaste warmtebron en warmtewinningsmethode bepalen.

Verder worden door literatuurstudie en marktonderzoek alle relevante gegevens rond mogelijke warmtebronnen en beschikbare warmtepompen verzameld. De onderzoekers uit Braunschweig hebben ook de werking van 14 gebouwen met uiteenlopende warmtepompsystemen gemeten en geanalyseerd. Door parameterstudies en sensititiveitsanalyse werden dan thermodynamische processen en scenario’s verder onderzocht voor bepaalde systemen. Zo kon men de prestaties, het rendement en de werkingskarakteristiek van verschillende warmtebronnen op lage temperatuur documenteren. De simulaties van de rekenmodule voor de ontwerphulp konden zo gevalideerd worden aan de hand van concrete gegevens van installaties.

Beslissingshulp voor een vroege planningsfase

Met WPsource wil men dus eind 2018 tot een gebruiksvriendelijke ontwerphulp komen. Het pakket geeft een overzicht van warmtebronnen, de randvoorwaarden en specifieke kengetallen en prestaties. Daaruit kan men het rendement van de installatie afleiden evenals de kosten qua investering en werking. Ontwerpers en architecten kunnen zo een passende keuze maken, in functie van de specifieke randvoorwaarden van het project. Zo kan men dan de warmtebron selecteren en dimensioneren.

In een eerste fase omvat WPsource een- en meergezinswoningen, en kantoren. Voor woningen kan men warmtepompsystemen voor verwarming en voor sanitair warm water instellen. Voor kantoren houdt het systeem alleen rekening met verwarming.

Vooruitzichten voor WPsource

Door de modulaire opbouw kan dit pakket gemakkelijk uitgebreid worden. In een volgend project zal men ook rekening houden met het eigen verbruik aan zonnestroom en de benutting van zonnewarmte voor regeneratie of als primaire warmtebron. Een uitbreiding naar wijken wordt eveneens overwogen.

Nieuwe ideeën voor de warmtepomp

Er is een duidelijke trend naar gebouwen met een lage verwarmingsbehoefte. Dat maakt lage-temperatuurverwarming beter haalbaar. Gezien het aandeel groene stroom in de elektriciteitsvoorziening groeit, worden warmtepompen een aantrekkelijke optie. Het is dan bijzonder belangrijk dat dergelijke systemen energetisch optimaal ontworpen en gebruikt worden. Behalve de eerder vermelde initiatieven in dit artikel, worden verdere mogelijkheden onderzocht in het kader van het project Energiewendebauen.

Naast de eenvoudige niet-verglaasde zonnecollectoren wordt ook aan hybride collectoren gedacht, de zogenaamde PVT-panelen, die zowel stroom als warmte produceren. Dit type wordt ook onderzocht door het Institut für Solarenergieforschung. Niet-afgedekte PVT-panelen zijn goed combineerbaar met bodem-water warmtepompen. De stroom van de zonnepanelen drijft dan de circulatiepomp van het circuit van de thermische zonnecollectoren aan, en ondersteunt de werking van de warmtepomp. De warmte wordt afgevoerd, wat tot een hoger rendement van de PV-module leidt. Deze warmte kan dan verder gebruikt worden als bron voor de warmtepomp.

Het onderzoeksproject Twin Power gaat een stap verder en mikt op een geïntegreerde energievoorziening voor gebouwen, met hybride collectoren als ‘bisolaire’ warmtebron voor warmtepompen. Met de nieuw ontwikkelde PVT-panelen kan het verbruik van huishoudelijke apparaten, SWW en verwarming grotendeels gedekt worden.

Voor een betrouwbaar installatie-ontwerp is de nieuw ontwikkelde testprocedure interessant. Hiermee kan men op een betrouwbare manier het jaarrendement berekenen voor warmtepompen en mini-WKK. Zo kan men de werking van de installatie beter voorspellen en energetisch optimaliseren. In tegenstelling tot de huidige gangbare methode volgens VDI4650 uitgaande van een statische toestand, willen de onderzoekers ook rekening houden met dynamische omstandigheden, zoals start-stopcycli en verliezen door de warmte-opslag. Deze laatste hebben een niet te onderschatten impact op de rendabiliteit van de installatie.

Door Johannes Lang

Illustraties: BINE