WARMTEPOMPEN  
Install Magazine 945 – november 2017

Warmtepomp op gasmotor voor gerenoveerd woningcomplex

Sterke isolatie, innoverende verwarmingstechniek en zonnewarmte leiden tot zeer laag energieverbruik

Bij een project om flatgebouwen van kort na de Tweede Wereldoorlog energiezuinig te renoveren, mikte men op een CO₂-neutrale energievoorziening. Centraal element in het nieuwe verwarmingssysteem was een warmtepomp met gasmotor, die grondwater als warmtebron benut. Zo heeft men niet alleen lage-temperatuurverwarming maar ook een efficiënte SWW-productie. Tijdens de testfase kon het prototype echter niet helemaal de verwachte bijdrage aan de verwarming leveren. Dat was te wijten aan problemen met de fabricage en de regeling.

Het gaat om een complex van 149 woningen in de wijk Haidhausen in München van de huisvestingsmaatschappij GWG. Sinds de bouw in de jaren vijftig was er niets wezenlijks aan veranderd. Het primaire energieverbruik lag boven de 300 kWh/m² per jaar. De huisvestingsmaatschappij had tot doel om het energieverbruik drastisch te verlagen. De benodigde energie zou dan geleverd worden door hernieuwbare energiebronnen. De huurders moesten kunnen beschikken over eenvoudige en robuuste technieken, die konden functioneren zonder dat de bewoners er zich speciaal om moesten bekommeren.

De gevels kregen een isolatie met een warmtegeleiding van 0,022 W/mK. Om ook een goede isolatie van de kelders en de gevels aan de straatkant te bereiken (op deze plek was de isolatiedikte beperkt tot 10 cm wegens de aanwezigheid van een wandelpad) werd vacuümisolatie gebruikt. De nieuwe ramen waren voorzien van driedubbel isolerend glas.

Omdat de gebouwen oorspronkelijk verwarmd werden met kachels op steenkool of gas, moest er een nieuwe stookplaats aangelegd worden. Die werd in de ondergrondse garage op het binnenplein geplaatst.

Low-Ex gebouwentechniek

Het gebouwencomplex kon niet op een warmtenet worden aangesloten. Daarom werd besloten om een water-water warmtepomp met gasmotor te gebruiken, aangevuld met een gasketel voor de pieklasten en met een zonnethermische installatie. De warmtepomp zou 70% van de warmtebehoefte moeten dekken.

Specifiek aan dit type warmtepomp is dat niet alleen het grondwater als warmtebron wordt benut, maar ook het koelwater van de motor en de warmte uit de uitlaatgassen. Daardoor kan het toestel efficiënt warmte op twee niveaus leveren: zowel voor de lage-temperatuurverwarming als voor de SWW-productie. Dat is een aanzienlijk voordeel tegenover gangbare warmtepompen.

De warmtepompinstallatie is opgebouwd uit vijf circuits. Het primaire circuit onttrekt de warmte aan het grondwater. Daar is een intermediair circuit op aangesloten, dat via een toerentalgeregelde pomp verbonden is met de verdamper van de warmtepomp. In een volgende stap comprimeert de compressor het koelmiddel, waarbij de warmte via de condensor aan de lage-temperatuurverwarming wordt afgegeven (maximaal 50°C). Het grootste deel van de warmte wordt daar direct gebruikt. De rest gaat naar de retour van de hoge-temperatuurkring (60-70°C). Die wordt gevoed door de warmte van de motor, via het koelwater en de uitlaatgassen. De motor drijft de compressor aan via een directe koppeling, zodat de motor en de compressor steeds gelijktijdig warmte leveren. Het interne koelcircuit van de motor wordt daarbij steeds op een optimale werkingstemperatuur gehouden. De afgiftetemperaturen worden bepaald in functie van de gebouwentechniek. De compressor kan in deellast werken, waarbij het toerental tot 20% kan gevarieerd worden.

De warmte wordt opgeslagen in drie in serie geschakelde buffervaten. De voorrang bij de oplading van de vaten gaat naar de zonnecollectoren, gevolgd door de warmtepomp, omdat die efficiënter werkt dan de condensatieketel. Elektronisch geregelde hoogrendementspompen transporteren het verwarmingswater naar de woningen. Een decentraal systeem stuurt de installatie in functie van de behoefte van de verschillende ruimtes. In de retour van elk verwarmingslichaam bevindt zich een micropomp, die alleen draait als de ruimte warmte nodig heeft. Een voordeel van deze techniek is dat de installatie altijd hydraulisch in evenwicht is, ongeacht de bedrijfstoestand. Venstercontacten schakelen de micropomp uit zodra het raam geopend wordt, om te hoge ventilatieverliezen te verhinderen. Dat alles wordt aangestuurd vanop een server.

Ervaringen met het prototype warmtepomp met gasmotor

Elektrisch aangedreven warmtepompen en gasabsorptiewarmtepompen zijn al vele jaren in serieproductie. Op het ogenblik van het ontwerp bestond er echter nog geen seriemodel van een warmtepomp met gasmotor die voor de centraal Europese markt bestemd was. Daarom werd besloten om een prototype te bouwen.

Aan het begin van het project waren er problemen omdat de motorkoppeling niet sterk genoeg was, en verstevigd moest worden. Toch liep de warmtepomp ook daarna maar half zoveel als gepland. Het probleem was een te hoge temperatuur van het verwarmingswater aan de compressor. De oorzaak werd pas in de loop van 2015 gevonden: een terugstroming van het buffervat op hoge temperatuur naar de compressor. De plaatsing van een terugslagklep verhielp dit euvel. Er bleven echter technische problemen met de combinatie verbrandingsmotor-koppeling-compressor. Daardoor blijft het prototype erg storingsgevoelig en is er veel onderhoud nodig. Dat leidt ertoe dat de warmtepomp niet de verhoopte bijdrage aan de verwarmingsbehoefte kan leveren. Thermodynamisch werkt het concept overtuigend: als de warmtepomp correct werkte, lag de besparing zelfs hoger dan berekend. Vergeleken met een condensatieketel was het jaarrendement van de warmtepomp dan 60% beter.

Ervaringen met anodische oxidatie

Voor het SWW wordt anodische oxidatie ingezet als legionellabescherming, zonder bijkomende temperatuurverhoging. Deze installatie werkt slechts enkele uren per dag; dat is voldoende om legionellagroei te verhinderen. Omdat dit principe niet erkend is door de milieudienst van de stad München, moet de huisvestingsmaatschappij regelmatig legionella-analyses uitvoeren. De werking van deze methode werd bewezen toen de installatie tijdelijk uitviel. De legionellaconcentratie steeg toen meteen, en daalde weer tot onder de toegelaten drempels zodra de module weer operationeel was. Daarbij werden geen bijkomende desinfectiemaatregelen genomen.

Resultaten van de monitoring

Na de renovatie onderzocht een team van het Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP het energieverbruik van het wooncomplex gedurende twee jaar. De metingen toonden aan dat er minder energie verbruikt werd dan aanvankelijk berekend. De isolatie bleek dus doeltreffend. Kijkt men naar primaire energie, dan is het resultaat omgekeerd. Dat is te wijten aan het aandeel van de gasmotor-warmtepomp, dat op 34% uitkwam in plaats van de verwachte 70%. De duidelijk minder efficiënte gasketel moest de rest van de behoefte dekken. Wanneer de warmtepomp correct functioneert, stemmen de meetdata wel goed overeen met de verwachtingen.

Daardoor ligt ook het gemiddeld verbruik aan primaire energie per vierkante meter hoger dan verwacht: 47,4 kWh/m² per jaar in plaats van 41,5 kWh/m² per jaar. Dat werd gedeeltelijk gecompenseerd door een uitgespaard stroomverbruik van 37,6 kWh/m² per jaar die door de PV-installatie aan het net geleverd werd. Dat is 12% lager dan de schattingen van de firma die de installatie geplaatst had, maar komt goed overeen met de verwachte opbrengst volgens DIN V 18599. Het wooncomplex haalt dus een laag verbruik, maar is niet helemaal CO₂-neutraal door technische problemen en een te optimistische berekening van de PV-opbrengst.

De opbrengst van de thermische zonnecollectoren lag met 495 kWh/m² per jaar duidelijk boven de berekende waarde van 338 kWh/m² per jaar. De SWW-behoefte wordt daardoor in de zomer grotendeels gedekt. Na de renovatie ligt het verbruik voor verwarming lager dan dat voor SWW-productie. Ongeveer de helft van het energieverbruik van de SWW-installatie wordt veroorzaakt door de circulatie.

Warmtepompen voor flatgebouwen

Hoewel warmtepompen goed ingeburgerd zijn voor eengezinswoningen, blijven ze nog vrij uitzonderlijk voor appartementen. Daar ligt echter een enorm potentieel. Om ze toe te passen in gerenoveerde gebouwen, moet er aan een aantal voorwaarden voldaan worden op het vlak van de afgifte-installatie, de SWW-productie en de mogelijkheid om omgevingswarmte te gebruiken.

Het onderzoeksproject LowEx – concepten voor de verwarming van bestaande flatgebouwen (LowEx Bestand) peilt naar de energiebesparing door warmtepomptechniek. Het doel is om het economisch rendement te verhogen en een kwaliteitsvolle werking te garanderen. Aan het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) en het Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE werden diverse warmtepompen en afgiftesystemen onderzocht in de context van appartementsgebouwen om tot een optimale oplossing te komen. Het onderzoek omvat een analyse van het appartementenbestand en het renovatieproces, een typologie van LowEx systeemconcepten en de modellisering en simulatie van totale systemen. In voorbeeldprojecten voor renovatie zouden dan passende systemen en componenten onder wetenschappelijk begeleiding worden toegepast in combinatie met bepaalde warmtebronnen, buffervaten en afgiftesystemen. Via een monitoring worden deze demonstratieprojecten wetenschappelijk geanalyseerd, waarbij de resultaten worden vergeleken met simulaties. Dat moet leiden tot optimalisatiemogelijkheden en een gefundeerde evaluatie van verschillende systeemconcepten. De kennisinstellingen werken daarbij samen met fabrikanten in verwarmingstechniek en HVAC, en met huisvestingsmaatschappijen.

Het project ging in 2016 van start en loopt tot 2020. Het valt onder Annex 50 ”Heat Pumps in Multi-Family Buildings for space heating and DHW” van het IEA, waaraan onderzoekers van 7 andere landen aan meewerken.

LowEx: Thermodynamisch optimaal verwarmen

Exergie staat voor het aandeel van een bepaalde hoeveelheid energie die volledig in nuttige arbeid om te zetten is. Mechanische en elektrische energie zijn energievormen met een hoog exergiegehalte. Thermische energie is slechts gedeeltelijk in arbeid of een andere energievorm om te zetten. Hoe dichter de temperatuur van de thermische energie de omgevingstemperatuur benadert, hoe geringer de exergie wordt.

Het gebruik van laag-exergiesystemen (LowEx) moet het mogelijk maken om energievormen met lage exergie (restwarmte, omgevingswarmte) toch te gebruiken voor verwarmen of koelen, om zo een goed rendement ten opzichte van primaire energie te halen. Een voorwaarde voor deze systemen is een goed geïsoleerde gebouwschil.

Als er geen omgevingstemperatuur beschikbaar is aan een bruikbaar energieniveau, kan een warmtepomp uitkomst brengen. Die heeft weliswaar extra energie nodig (bijvoorbeeld elektriciteit) maar zorgt ervoor dat de hoeveelheid bruikbare energie groter is dan de hoeveelheid verbruikte primaire energie.

Energie-efficiënte bescherming tegen legionella

Om legionella uit te roeien met traditionele thermische desinfectie moet het water tot minstens 60°C verwarmd worden. Een andere mogelijkheid is chemische desinfectie, waarbij chemicaliën aan het water worden toegevoegd. Het procedé van elektrochemische desinfectie of anodische oxidatie maakt gebruik van elektriciteit om direct ontsmettingsmiddelen te produceren op basis van de mineralen die al in het water aanwezig zijn (in situ productie). De geregelde toevoer van gelijkstroom kan stoffen in het water ogenblikkelijk transformeren, zodat vrije chloorequivalente oxidanten ontstaan, die desinfecterend werken. Het te behandelen water dient dan als het ware als elektrolyt, zonder dat er stoffen moeten worden toegevoegd. De desinfectie gebeurt enerzijds in de installatie zelf in de anodegrenslaag door kortlevende oxidanten op zuurstofbasis, en anderzijds verder in de leidingen in het behandelde water door langlevende oxidanten (afzettingseffect). Na een zekere tijd vervallen de oxidanten weer tot de oorspronkelijke stoffen.

Door Dorothee Gintars

www.bine.info