WARMTEPOMPEN
Install Magazine 977 – mei 2021

Concepten voor energiezuinige renovatie

Resultaten van Heat4Cool project

Om de energietransitie te doen slagen, moet de uitstoot van het gebouwenbestand sterk naar omlaag. Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan: heel wat gebouwen zijn weinig energie-efficiënt, en de renovatiegraad bedraagt ongeveer 1%. Er is dus dringend nood aan aangepaste concepten voor een efficiënte renovatie. In het Heat4Cool project, in het kader van het Europese Horizon 2020 programma, werd gezocht naar technische concepten en software-instrumenten om bestaande gebouwen meer koolstofneutraal te maken. Het ging van start in 2016 en liep af in april 2021.

Concepten en software ontwikkelen

Het programma liep 54 maanden (inclusief een verlenging omwille van de coronacrisis) en telde 13 partners in 10 landen. De coördinatie gebeurde door de Politecnico di Milano (technische universiteit van Milaan). Er waren vier pilootprojecten, in Spanje, Polen, Bulgarije en Hongarije. Daarnaast werd er ook software ontwikkeld, meer bepaald een ontwerptool en een sturingsysteem.

De opdracht was om tot concepten voor verwarming en koeling te komen die een energiebesparing van 20-30% zouden opleveren, met een terugverdientijd van minder dan 10 jaar. Bovendien moesten de concepten gemakkelijk passen in bestaande gebouwen, met de mogelijkheid om op grote schaal te worden toegepast.

Er werden drie thermodynamische concepten ontwikkeld:

het gebruik van zonnecollectoren om een thermische adsorptie warmtepomp aan te drijven. (Valencia in Spanje)
De combinatie van PV-panelen met een warmtepomp en PCM (phase change materials) voor energie-opslag (Chorzow in Polen en Sofia in Bulgarije)
Een warmtepomp met rioolwater als warmtebron (Budapest in Hongarije)

Qua software was er het ontwerpprogramma dat de impact van verschillende concepten berekende, op basis van gebouw- en installatieparameters. De uitdaging was hier om tot een systeem te komen dat nuttige resultaten opleverde terwijl de rekentijd binnen de perken bleef. Voor de uitbating was er het SCI-BEMS pakket, kort voor Self Correcting Intelligent Building Energy Management System. Zoals de naam aangeeft is dit een zelflerend pakket dat alle componenten aanstuurt met het oog op een maximaal comfort op basis van een analyse van het gedrag van de gebruiker.

Koelen met de zon, Valencia

Dit pilootproject betrof een flatgebouw in de oude stad van Valencia met 4 verdiepingen met telkens drie appartementen. De bestaande installatie omvatte een gasketel en 3 omkeerbare lucht-water warmtepompen van 15 kW elk, die verbonden waren met een koud en een warm buffervat. Vanuit die buffervaten werden ventiloconvectoren in de appartementen gevoed. Bij de renovatie werd de gasketel verwijderd en werden er zonnecollectoren geplaatst. De bestaande installatie met warmtepompen werd in koelbedrijf ondersteund door een adsorptiewarmtepomp van Fahrenheit, met als warmtebron een buffervat dat opgeladen werd door de thermische zonnecollectoren. De adsorptiewarmtepomp maakt gebruik van water als koelmiddel met behulp van zeoliet en een silicagel coating. Alles wordt in goede banen gestuurd door de SCI-BEMS regeling. Op basis van de werking van de ventiloconvectoren en de toestand in de appartementen beoordeelt het algoritme het comfort, en past de insteltemperatuur van de ventiloconvectoren aan indien nodig.

PCM als warmte-opslag in Chorzów en Sofia

In Chorzów in Zuid-Polen werd een oud flatgebouw gerenoveerd. Het werd oorspronkelijk gebouwd in 1902 en omvatte 12 appartementen en drie winkels. De bestaande installaties verschilden van pand tot pand: het ging zowel om combiketels op gas, gaswandketels voor verwarming, aangevuld met elektrische doorstromers voor SWW, elektrische kachels in combinatie met doorstromers, of elektrische doorstromers voor SWW en kolenkachels. Bij de renovatie werd er een lucht-water warmtepomp van 30 kW geplaatst, evenals 43 PV-panelen. De warmtepompinstallatie is verbonden met een primaire kring, waarop elk pand is aangesloten met een warmtewisselaar. Er is dus een volledige hydraulische scheiding tussen de primaire kring en de secundaire kringen in de appartementen. De warmtepomp levert een vertrektemperatuur van 55 à 60°C. Waar toepasselijk werden de gaswandketels in de appartementen behouden, die dan dienen als bijverwarming. Voor SWW-productie wordt de warmte geleverd door thermische batterijen met Phase Change Materials (PCM) van Sunamp. Dat zijn modulaire units die tegelijk warmte kunnen leveren en stockeren. Ze hebben een opslagcapaciteit van 96 kWh en kunnen het water tot 41°C opwarmen. De oplading gebeurt door middel van de warmtepomp, waarbij maximaal gebruik wordt gemaakt van zonnestroom. Opnieuw zorgt het SCI-BEMS systeem voor de sturing.

Het project in het Bulgaarse Sofia is gelijkaardig, behalve dat het om een kleiner flatgebouw gaat, met slechts zes appartementen uit 1974. Ook hier heeft elk appartement een gaswandketel, die ondersteund wordt door een primair circuit dat gevoed wordt door een warmtepomp met PCM-batterijen voor opslag, dat alles aangesloten op een PV-installatie.

Het basisdoel van beide projecten is om het energieverbruik zoveel mogelijk te verminderen, met minimale aanpassingswerken in de appartementen zelf. Vandaar dat het individuele installaties met de gaswandketels behouden bleven. De thermische opslag in PCM vergroot het eigenverbruik van de PV-panelen, waarbij de PCM-batterijen het voordeel hebben dat ze weinig plaats innemen. Dat laatste is belangrijk in renovatie.

Warmte uit rioolwater

Het project in Budapest is van een andere orde. Het betreft een klein warmtenet dat drie grote gebouwen (in totaal 12.500 m²) bedient en wordt aangedreven voor water-water warmtepomp met rioolwater als warmtebron. De gebouwen zijn onderling sterk verschillend: twee oudere administratieve gebouwen (het stadsbestuur en een regeringsloket) en een modern commercieel centrum met conferentiecentrum, theater en kantoren uit 2018. De warmtepomp-installatie heeft een vermogen van 1,7 MW en is aangesloten op een rioolwarmtewisselaar met een brondebiet van 3.500 m³ per dag, wat overeenkomt met 10.000 inwoner-equivalenten. De grote uitdaging bestond erin om de uiteenlopende behoeftes van de gebouwen te verzoenen. De overheidsgebouwen hebben andere openingsuren dan het commercieel centrum, en zijn voorzien van oudere afgifte-installaties met radiatoren. Daarom werd gebruik gemaakt van twee warmtepompen: een voor het commercieel centrum en een voor de overheidsgebouwen.

De innovaties in het kader van het Heat4Cool project waren een nieuw type warmtewisselaar tussen het rioolwater en het broncircuit van de warmtepompen met een hoger rendement, en een nieuwe filter voor het rioolwater met een geïntegreerde spoeling. Hierdoor werd slibophoping vermeden en zodat er minder storingen optraden. Tevens werd een monitoringsysteem geïnstalleerd om de goede werking te bewaken.

Warmtepompen voor renovatie

Uit deze concepten blijkt dat warmtepompen wel degelijk een rol kunnen spelen om de uitstoot van bestaande gebouwen te verminderen, ook al blijft het oorspronkelijke afgiftesysteem behouden. Een juiste dimensionering en een optimale sturing -vooral in het geval van hybride systemen- is wel een absolute voorwaarde. Specifieke software-oplossingen kunnen hier een uitkomst bieden.

Door Alex Baumans

Grafieken: Heat4Cool