WARMTEPOMPEN
Install Magazine 1002 – februari 2025

De nieuwe warmtepompgeneratie

Koudemiddelen, rendement en types

De stijgende belangstelling voor de techniek en nieuwe regelgeving leiden tot grote technische ontwikkelingen op de markt van residentiële warmtepompen. Het toepassingsgebied wordt duidelijk groter, het rendement stijgt verder, en de plaatsing en montage werden eenvoudiger.

Quo vadis, energietransitie?

Extreme weersfenomenen komen steeds vaker voor in Europa. Volgens de klimaatscenario’s naderen we het kantelpunt steeds dichter. Een drastische vermindering van de CO₂-uitstoot is dringender dan ooit. In verwarming en SWW-productie is er een groot besparingspotentieel dat snel kan gerealiseerd worden.

Een condensatieketel op aardgas met een jaarrendement van 95% produceert ongeveer 212 g CO₂-uitstoot per afgegeven kWh. Dat is ongeveer 27% minder dan een condensatieketel op stookolie. De CO₂-uitstoot van pellet- of houtketels bedraagt 42 tot 36 g per kWh, dus nog eens 80% lager dan een condensatieketel op aardgas. In Duitsland is houtstook goed voor ongeveer 65% van de groene warmte, en dekt zo’n 10% van de totale warmtebehoefte af. Zelfs bij een maximaal gebruik van de beschikbare snelgroeiende houtsoorten, raakt men echter niet verder dan hooguit 20% van de totale warmtebehoefte (zie BMEL 2023 en FBR 2023). Men moet hout dus eerder als een ‘joker’ in gebouwenverwarming zien, voor gevallen waar een modernisering van het gebouw slechts beperkt mogelijk is. Hetzelfde geldt voor biomethaan, omdat dit, naargelang de bron, doorgaans grote oppervlakken nodig heeft voor de productie van de grondstoffen. Biomethaan zal slechts beperkt beschikbaar zijn, en wordt dus best voorbehouden voor proceswarmte aan hoge temperaturen.

Als men daarentegen de onbeperkt beschikbare omgevingswarmte kan benutten door middel van een warmtepomp, hangt de specifieke CO₂-uitstoot af van het jaarrendement en de elektriciteitsmix, zoals getoond wordt in figuur 1. Met een typisch jaarrendement van 3 en een CO₂-voetafdruk voor elektriciteit van 220 g/kWh, scoort een warmtepomp met ongeveer 73 g/kWh aanzienlijk beter dan een condensatieketel op aardgas. Haalt men een jaarrendement van 4, zakt de specifieke uitstoot naar 55 g/kWh, wat in de buurt komt van houtstook. Hoe lager de uitstoot van de elektriciteitsproductie, hoe interessanter een warmtepomp wordt vanuit milieu-oogpunt.

Het feit dat 2/3 tot ¾ van de warmte direct bij gebruik aan de omgeving wordt onttrokken, verklaart dat warmtepompen een sleutelrol spelen in de verschillende scenario’s voor de energietransitie, ook al moet de elektriciteitsmix nog verder gedecarboniseerd worden, en is er een aanzienlijke uitbouw van het elektriciteitsnet nodig. Het aandeel warmte dat aan omgeving wordt onttrokken, is meteen beschikbaar; er komt geen transport of opslag van brandstof aan te pas. Alle andere technologische pistes vereisen dat er een infrastructuur wordt uitgebouwd die de totale warmtevraag kan dekken. Bij warmtepompen moet men alleen voor het aandeel aandrijfenergie van de warmtepomp zorgen.

Als het niet mogelijk is om de omgevingswarmte direct te benutten, bijvoorbeeld in dichtbebouwde gebieden, of waar er restwarmte beschikbaar is (zoals afvalverbranding), zijn warmtenetten een zinvol alternatief.

Koudemiddelen

Verwarmingssystemen hebben ook nog andere milieu-effecten, behalve CO₂-uitstoot. Verbranding produceert bijvoorbeeld ook nog fijnstof en andere schadelijke uitstoot. Qua indirecte effecten zijn voor warmtepompen vooral het ozonafbraakpotentieel (ODP) en bijdrage tot het broeikaseffect (GWP) door lekken belangrijk. Verder kunnen er polyfluoralkylstoffen (PFAS) ontstaan door de afbraakprocessen van koudemiddelen in de atmosfeer. Schade aan de ozonlaag wordt voorkomen omdat CFKs en HCFKs ondertussen verboden zijn. Tevens wordt de inzet van koudemiddelen met een hoog GWP systematisch beperkt. Hierin speelt de nieuwe versie van de F-gassenverordening een rol, die in 2024 van kracht geworden is. Daardoor wordt ook het gebruik van R32 en vergelijkbare HFKs stap voor stap verboden in nieuwe toestellen tussen 2027 en 2033. De precieze kalender hangt af van het type warmtepomp, het vermogen en de oorsprong van het koudemiddel (nieuw of gerecycleerd). Gezien PFAS in het grondwater gevonden werd, (de ‘eeuwige chemicaliën) voorziet men een verbod in Europa op het op de markt brengen van alle F-gassen tussen 2032 en 2050, ook de HFO’s met laag GWP zoals R1234ze.

Op middellange tot lange termijn zullen dus alleen maar natuurlijke koelmiddelen kunnen toegepast worden in warmtepompen, omdat ze vrij zijn van dergelijke negatieve milieu-effecten. Behalve ammoniak (R717) voor koeling en CO₂ (R744) voor hoge-temperatuurtoepassingen zoals warmtenetten, komen voor residentiële warmtepompen vooral koolwaterstoffen in aanmerking, zoals fluorethaan (R161), dimethylether (RE170), propaan (R290), cyclopropaan (RC270), propeen (R1270), hetzij puur of als mengsel. (Höger et al 2022).

Wegens de grotere brandbaarheid van koolwaterstoffen, zijn er in de norm EN 378-3 veiligheidsmaatregelen opgenomen, zoals het vermijden van koudemiddelophopingen en ontstekingsbronnen. Tevens zijn er veiligheidsafstanden tot openingen in gebouwen bepaald. De precieze maatregelen hangen af van de koudemiddelinhoud. Voor typische residentiële warmtepompen spreekt men qua veiligheidsafstand over ongeveer 1 m voor eengezinswoningen en voor 2 tot 5 m voor flatgebouwen.

Toepassingsgebieden en rendement

In de afgelopen 10 jaar werden HCFK’s met een hoog GWP toegepast in warmtepompen (zoals bijvoorbeeld R410A). Door de overschakeling op R32 daalde niet alleen het GWP met ongeveer 68%, maar bovendien werd het toepassingsbereik voor verwarming vergroot, zoals te zien is in figuur 2.

Zo hebben lucht-water warmtepompen op R410A bij een buitentemperatuur van -10°C typisch een vertrektemperatuur tot 55°C. Toestellen op R32 bereiken daarentegen typisch 60°C tot 65°C. Gebruikt men propaan (R290), dan wordt het werkingsgebied nog groter: tot 70°C en in sommige gevallen zelfs 75°C, zoals men in figuur 2 kan zien.

Dergelijke vertrektemperaturen maken propaanwarmtepompen ook geschikt voor gebouwen die niet of beperkt gerenoveerd werden (met een stooklijn van 1,6 tot 1,8 ongeveer). Het rendement is wel gering in deze omstandigheden (COP <2), maar dergelijke temperaturen zijn slechts in heel beperkte mate gevraagd, zoals te zien is in figuur 3.

Zelfs in streken zoals het Alpenvoorland situeert 80% van de warmtevraag zich bij temperaturen boven het vriespunt. Radiatoren met een vertrektemperatuur van 55°C kunnen dan volstaan. Op dit werkingspunt (A0/W55) halen gangbare warmtepompen op propaan al een COP van 3. Het rendement van de huidige toestellen op R32 ligt dan slechts nauwelijks lager. Het kleinere werkingsgebied (zie figuur 2) leidt er wel toe dat de elektrische bijverwarming sneller moet worden ingeschakeld.

Figuur 4 toont een overzicht van de SCOP volgens EN 14825 van gangbare warmtepompen in Duitsland op R32 en propaan.

Voor nominale vermogens van meer dan 25 kW zien we bij de R32-toestellen een systematische verlaging van de SCOP. Het gaat hier immers hoofdzakelijk om omkeerbare chillers die geoptimaliseerd zijn voor koelbedrijf. Een analyse van de toestellen met een nominaal vermogen tot 25 kW toont een zo goed als gelijke gemiddelde SCOP voor R32 en voor R290 bij lage-temperatuurwerking (tot 35°C): 4,70 bij R32 en 4,72 bij R290. Het maximum ligt met 6,03 duidelijk hoger voor R290 tegenover 5,61 voor R32. Voor middelhoge temperaturen (55°C) is de gemiddelde SCOP voor propaan (3,62) opnieuw hoger dan voor R32 (3,42). Hetzelfde geldt voor de hoogste rendementen: 4,58 voor R290 en 3,98 voor R32.

Opbouw en installatie

Lucht-water warmtepompen op R32 zijn hoofdzakelijk beschikbaar als split en multisplit, wat te verklaren is door de ruime ervaring van de Aziatische fabrikanten met dit type toestel. De beperkingen op de koudemiddelinhoud voor propaan betekenen echter dat deze toestellen hoofdzakelijk als monoblock verkrijgbaar zijn.

Een marktonderzoek naar geothermische warmtepompen toont aan dat er minder ontwikkelingen in deze categorie zijn. Er zijn nog weinig geothermische warmtepompen op propaan bekend (als monoblock voor buitenopstelling). De meerderheid van de toestellen op de markt werkt nog op een vorige generatie HFK’s zoals R410A.

Bij split lucht-water warmtepompen zijn het buitendeel en het binnendeel verbonden met koudemiddelleidingen. Het buitendeel bevat typisch de verdamper, compressor en expansieventiel. In het binnendeel bevinden zich de condensor en de hydraulische aansluiting. Bij een monoblock daarentegen zit het volledige koelcircuit in het buitendeel. Het warmtetransport tussen het buitendeel en het binnendeel gebeurt door middel van watervoerende leidingen. Deze zijn voorzien van een gasafscheider of een dergelijke beveiliging, zodat er in geval van een probleem aan de compressor geen propaan in de woning kan raken.

Het binnendeel van de huidige toestellen bevat niet alleen een circulatiepomp, een elektrische bijverwarming en een ventiel voor de overschakeling tussen verwarming (vertrektemperatuur volgens stooklijn) en SWW-productie. Sommige fabrikanten voorzien ook een expansievat en/of een kleine buffer om warmte voor de ontdooicyclus te leveren. De verwarmingskringen kunnen direct aan het binnendeel worden aangesloten. Door een buffervat of een boiler tussen het binnendeel en de verwarmingskring te plaatsen, vermindert men het aantal start-stop cycli, wat gunstig is voor de levensduur van de warmtepomp (vermijden van drukpieken en onvoldoende smering bij elke start van de compressor). Door een goede stratificatie in het vat stijgt ook het systeemrendement. Vooral in SWW-modus loopt men anders het risico van mengverliezen. (Haller et al 2015)

Voorlopige conclusie

De specifieke CO₂-uitstoot van warmtepompen is ook met de huidige elektriciteitsmix duidelijk lager dan die van een gascondensatieketel

Tussen 2027 en 2033 verdwijnen R32-warmtepompen van de markt in Europa (naargelang type en vermogen)

Propaanwarmtepompen halen vertrektemperaturen van 70°C bij een buitentemperatuur van -10°C. Hierdoor kunnen ze toegepast worden in tal van bestaande gebouwen met radiatoren.

Meer dan 80% van de warmtevraag situeert zich bij buitentemperaturen boven het vriespunt. Radiatoren komen dan toe met 55°C, zodat men ook in niet-gerenoveerde gebouwen een jaarrendement van 3 mag verwachten voor de warmtepomp.

Propaanwarmtepompen zijn tot nu toe alleen als monoblock verkrijgbaar. Men moet met een veiligheidsafstand van 1 tot 5 m tot openingen in de bouwschil rekenen.

Bibliografie

[BMEL 2023]

Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft: Wärme aus Holz

Online-Quelle (10.09.2023): https://www.bmel.de/DE/themen/wald/holz/waerme-aus-holz.html

[FNR 2023]

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe: Fakten zum Thema Holzenergie

Online-Quelle (10.09.2023): https://heizen.fnr.de/heizen-mit-holz/fakten-zum-thema-holzenergie

[Höges et al. 2022]

Höges, Christoph et al.: Bewertung alternativer Arbeitsmittel für Wärmepumpen im Gebäudesektor.

In: Forschung Ingenieurwesen (2022) 86, 213–224. DOI: 10.1007/s10010-022-00584-0

[Haller et al. 2015]

Haller, Michel Y. et al.: StorEx – Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schichtungseffizienz von Wärmespeichern. Schlussbericht.

Hochschule für Technik Rapperswil: Institut für Solartechnik SPF, 2015.

Door: Prof. Dr.-Ing. Michael Schaub (Hochschule Coburg)

Illustraties: Hochschule Coburg