WARMTEPOMPEN
Install Magazine 947 – februari 2018

Zuinige installatietechniek in renovatie

Berlijns project haalt hoge rendementen door slim concept en aandacht voor optimalisatie

Het probleem is bekend: er is een aanzienlijk potentieel aan energiebesparing door de renovatie van oude appartementsgebouwen, maar dat is gemakkelijke gezegd dan gedaan. Veelal is het niet mogelijk om ingrijpende maatregelen aan de bouwschil uit te voeren. Bovendien speelt het budget een rol, zeker als het gaat om sociale huisvesting. Slimme installatietechniek biedt dat een oplossing, zoals het project van de huisvestingsmaatschappij Märkische Scholle in Berlijn aantoonde. Het ingenieursbureau eZeit werkte een concept uit dat een aanzienlijke besparing op het energieverbruik realiseerde, zonder zware investeringen aan de bouwschil. Dit project werd meerdere malen bekroond, laatst bijvoorbeeld in Brussel met de trofee Heat Pump City of the Year, categorie renovatie.

Technisch concept

Het project van de Märkische Scholle omvat 841 woningen uit de jaren 1930 tot 1960 in de tuinwijk Lichterfelde Süd in Berlijn. Voor enkele gebouwen was het niet realistisch om ze te renoveren; ze werden gesloopt en vervangen door moderne barrièrevrije woningen. De investering werd begroot op ongeveer 70 miljoen euro. De huisvestingsmaatschappij Märkische Scholle had al ervaring met hernieuwbare energie, in de eerste plaats zonnethermie. Energie-efficiëntie en ecologie stonden bovenaan de prioriteitenlijst. Het Berlijnse ingenieursbureau eZeit werkte een passend energieconcept uit. We gaan meer in detail in op de eerste fase, die vier gebouwen betrof.

Bijkomende gevelisolatie van de gebouwen uit de jaren 1930 was daarbij slechts een onderdeel van de maatregelen. Het zwaartepunt van het concept was de energievoorziening. Die is gebaseerd uit zonnepanelen, warmtepompen en warmteterugwinning uit de afvoerlucht (meer bepaald alles was in het gebouw voorhanden is aan warmte uit badkamers, toestellen, bewoners, verlichting en passieve zonne-instraling). De eZeit-ingenieurs ontwikkelden een zogenaamde eTank: warmte-opslag in de bodem die als geothermische bron fungeert voor de warmtepomp. Tevens is er een Dynamische Energiemanager (DEM) die de energiestromen stuurt.

Als er een overaanbod aan energie is, wordt dat automatisch in de eTank opgeslagen, en bij warmtevraag weer in de woningen benut. Bij de eerste vier gebouwen met 86 appartementen werd de behoefte aan primaire energie daarbij verminderd van 169 kWh/m² per jaar naar 29 kWh/m² (berekeningsmethode van EnEV). Daarbij wordt de inbreng van de PV-installatie nog niet in rekening gebracht.

Op de zuidwestgerichte daken van de woonblokken worden er telkens niet alleen 40 of 50 m² zonnecollectoren geplaatst, maar ook PV-panelen. Gebouwen 1 en 4 zijn voorzien van telkens 198 m², goed voor ongeveer 29.400 kWh elektriciteit per jaar. Dat komt neer op een besparing van meer dan 200 ton CO₂ voor de vier gebouwen samen.

Meer rendement door eTank

De eTank werkt op basis van de ooPS-techniek (open oscillerende warmte-oplag). De wisselende productie van hernieuwbare energie wordt in de bodem opgeslagen, waarbij ze op elk ogenblik benut kan worden door een warmtepomp om zo het verwarmingssysteem te bevoorraden. De zonnecollectoroppervlakte moet daarbij niet groter gedimensioneerd worden dan een conventionele installatie voor verwarmingsondersteuning. Zoals gezegd gaat het in de eerste vier gebouwen om 40 of 50 m² per gebouw. Dat komt overeen met ongeveer 2,2 m² per wooneenheid.

Per gebouw omvat de eTank ongeveer 400 m³ bodemvolume. De capaciteit is echter niet beperkt door het volume, zoals bij gangbare warmte-opslag. De tank is aan de onderkant in contact met de bodem en alleen aan de zijkanten en bovenkanten geïsoleerd om warmteverliezen te voorkomen. Als de eTank een zekere temperatuur bereikt, zal ook de bodem onder het eigenlijke opslagvolume verwarmd worden. De totale opslagcapaciteit omvat dus ook onderliggende bodem en varieert zo tussen 750 tot 1.250 m³. Daalt de temperatuur in de tank, wordt er warmte aan de bodem onttrokken. Daarbij schommelt de temperatuur op jaarbasis tussen 1 à 5°C op de koudste dagen en 23°C op de warmste. Als het systeem juist gedimensioneerd is, zijn er geen hogere temperaturen nodig.

De temperatuur van de bodem onder de tank gaat van 5°C tot 12°C, en zorgt voor een stabiel temperatuurniveau. Een beveiliging voorkomt daarbij dat de temperatuur onder de 1°C daalt. Het open systeem zorgt ervoor dat de tank niet kan oververhitten of totaal afkoelen. Parallel met de eTank is er ook een snel reagerend buffervat dat dient voor de SWW-productie.

Jaarlijks kunnen de woningen ongeveer 80% van de zonnethermische opbrengst benutten, of 700 kWh/m². Deze hoge opbrengst is te verklaren omdat er ook bij diffuus licht (bij regen of bewolking) nog zonne-energie gewonnen wordt. Doordat de warmte altijd wordt afgevoerd, zullen de zonnecollectoren niet oververhitten, wat gunstig is voor de levensduur van de panelen. Door de hoge opbrengst hebben de zonnepanelen zichzelf al na enkele jaren terugverdiend.

Ook de warmtepomp draagt bij tot het rendement van de installatie. Doorgaans halen warmtepompen een jaarrendement tussen 3 en 4. Op langere termijn kan het rendement echter dalen als er tijdens het stookseizoen te veel warmte onttrokken wordt aan de bodem, en de temperatuur na de zomer niet meer tot het oorspronkelijke niveau stijgt. Men kan dat echter compenseren door extra zonnewarmte in de bodem te brengen, wat het jaarrendement tot 4 of 5 kan laten stijgen. Door het overschot van de warmteproductie in de bodem op te slaan, is het uitgesloten dat het rendement op termijn zou dalen. In combinatie met zo een systeem kan de warmtepomp een jaarrendement tussen 6 en 8 halen.

Automatische sturing door de Dynamische Energiemanager (DEM)

De Dynamische Energiemanager is een patent van de ingenieurs van eZeit en regelt de energiestromen. Het systeem stuurt het opladen en onttrekken van de warmte in de bodem, in functie van de productie van hernieuwbare energie, gebruikspatronen, weersomstandigheden, dag- en nachtcycli enzovoort. Het gaat om een voorgeïnstalleerd hydraulisch leidingsysteem met een sturing en buffering (bijvoorbeeld stratificatieboilers), waar verschillende warmtebronnen op kunnen worden aangesloten. De DEM is modulair opgebouwd en gemakkelijk installeerbaar.

De DEM stemt de toevoer van warmte op het verbruik af, waarbij voorrang wordt gegeven aan afvoerlucht en zonne-energie als warmtebron. Daartoe zijn er talrijke meetpunten zodat de warmtestromen in realtime op elkaar kunnen worden afgestemd. De verschillende componenten, zoals de zonnethermie-installatie, worden dan direct door de DEM aangestuurd. Bovendien worden alle meetdata verzameld en doorgestuurd naar een beheerstation voor analyse. Eventuele problemen kunnen zo herkend worden en in vele gevallen verholpen nog voor het tot storingen komt. Op die manier wordt het onderhoud van zo een complexe installatie een stuk eenvoudiger.

De SWW-productie gebeurt decentraal met woningstations. Dat draagt in aanzienlijke mate bij tot het rendement van de warmtepomp. Door het beheersysteem op afstand kan men direct in het systeem ingrijpen en de werking optimaliseren in functie van het gebruikspatroon.

Deze renovatie toont aan dat er eigenlijk geen energieprobleem is, maar een opslagprobleem. Het concept in Lichterfelde Süd toont hoe men plaatselijk hernieuwbare energie kan opwekken. Meer nog, men kan aan de comforteisen voldoen met een duidelijk lagere isolatiegraad dan wettelijk voorgeschreven. Dat betekent meteen ook een besparing van de grijze energie die voor de productie van isolatiemateriaal nodig is.

Energiekosten en installatiekosten

De eerste 100 woningen werden in de loop van 2014 weer in gebruik genomen, waardoor we over ervaringsgegevens beschikken bij het ontwerp van de volgende fases. Bij de resultaten is het belangrijk dat men kijkt naar het primaire energieverbruik. Bij alle gerenoveerde gebouwen werd dat met meer dan 80% verminderd. Optimalisering en monitoring zijn daarbij sleutelwoorden. Sinds 2015 worden alle energiedata van de gerenoveerde woningen geregistreerd en geanalyseerd. Op basis daarvan worden de processen geoptimaliseerd en krijgt men ook een beter idee van het werkelijke besparingspotentieel. De meetgegevens worden vergeleken met de berekende waarden bij het ontwerp, zodat men het effect van de volgende maatregelen nauwkeuriger kan inschatten. Tegelijk wordt nagegaan hoe men de investeringskosten kan verminderen, zonder te raken aan de klimaatdoelstellingen.

Mythes ontkrachten

Hierdoor kan men ook een aantal vooroordelen over de zin van energiebesparende maatregelen relativeren. Dat zijn onder meer

De theoretische energiebesparing wordt in de praktijk nooit bereikt
De transmissieverliezen van de bouwschil moeten tot ver onder het wettelijk voorgeschreven peil verminderd worden
Groene energie kan niet aan een sociaal haalbare kost geproduceerd worden.

Deze mythes bevatten echter een kern van waarheid. De praktijkresultaten van renovaties of nieuwbouw vallen soms zwaar tegen omwille van een gebrek aan monitoring en optimalisering van de installatietechniek.

Monitoring en optimalisering

Zonder het dieselschandaal in de autosector te willen relativeren, moet men vaststellen dat er nog een grotere kloof tussen theorie en praktijk gaapt in gebouwentechniek. Uit onderzoek in Kiel in 2010 bleek bijvoorbeeld dat het werkelijke verbruik voor verwarming na renovatie gemiddeld 40% hoger was dan berekend. In appartementen kan het bewonersgedrag hooguit 10 tot 15% van de afwijking verklaren. De rest is te wijten aan een gebrek aan optimalisatie, waarbij men er voor het gemak van uitgaat dat het ontwerp correct gerealiseerd is.

Optimalisatie komt immers zelden voor. We ontwerpen een gebouw, berekenen talloze koudebruggen en installatiecomponenten, bouwen een complex systeem, en bij de oplevering drukken we op de startknop, en verwachten dat alles verder feilloos blijft werken. Als we naar condensatieketels kijken, constateren we dat vele ketels helemaal geen condenserende werking hebben. Zelfs als dit het geval is, blijft het jaarrendement ook daar sterk onder het maximaal haalbare. Als de hydraulische inregeling dan ook nog ontbreekt, daalt het algemene rendement nog meer. Hier zijn verbeteringen van 30 tot 40% mogelijk, wat een aanzienlijk effect op de CO₂-uitstoot zal hebben.

In het project van Märkische Scholle werden twaalf woningen gedetailleerd opgevolgd en waar nodig aangepast. Al in het eerste werkingsjaar werden zo de berekende waarden bereikt, wat het economisch nut van de ingrepen bevestigde. Sommige gebreken had men nooit zonder monitoring ontdekt. Zo vertoonden de warmtepompen pendelgedrag, wat tot een duidelijk hoger stroomverbruik leidde. Door een aanpassing van de schakeltijden kon het verbruik met 40% dalen. Het huidig gemeten jaarrendement ligt bij 6,1, terwijl een doorsnee installatie volgens cijfers van het Fraunhofer Institut rond 4,0 schommelt. Een ander effect van de monitoring was een verhoging van de opbrengst van de zonnecollectoren. Door een intelligente sturing kon 30% meer zonnewarmte opgeslagen en benut worden. Per vierkante meter collectoroppervlakte kwam men zo tot een nuttige opbrengst van 718 kWh. Door constante aandacht en aanpassingen scoorde het project in 2016 8% beter dan berekend, ondanks een koude winter.

Leren uit ervaringen

In de derde bouwfase in 2016 werd voor het eerst de verwarmingsinstallatie van twee gebouwen samengevoegd. Het systeem haalt dan het rendement van een klein warmtenet, terwijl de investering ongeveer 100.000 euro lager uitviel dan vergelijkbare renovaties in de eerste fase. In de loop van 2017 werd deze modulaire aanpak uitgebreid naar ongeveer 200 woningen in vijf gebouwen. Alleen al op installatietechniek bespaarde men zo een miljoen euro in vergelijking met de vorige fasen. Volgens verwachting zou de reductie aan primair energieverbruik tot 70% moeten oplopen.

Beperkt nut van isolatie

De logica dat een dikke isolatie warmte-energie bespaart, lijkt voor de hand liggend. Dat leidt echter alleen tot een besparing van CO₂-uitstoot als het gebouw met fossiele energie verwarmd wordt. Naarmate men meer gebruik maakt van hernieuwbare energie, vermindert het effect van de CO₂-besparing. In tegendeel: de CO₂ die vrijkwam bij de productie van het isolatiemateriaal begint dan zwaarder door te wegen. De vraag is niet of isolatie zinvol is, dat spreekt vanzelf. De vraag is veeleer vanaf welke isolatiedikte bijkomende centimeters nog bijdragen tot CO₂-vermindering.

In het project van Märkische Scholle lag het energieverbruik al 50% onder de Duitse doelstellingen voor primair energieverbruik voor 2050, met een isolatieniveau van de bouwschil volgens de eisen voor 2009. Met deze aanpak kan men in nieuwbouw duidelijk lagere wanddiktes hanteren, waardoor waardevolle woonruimte gewonnen wordt. Vanaf een zeker punt zal extra isolatie geen CO₂-meer besparen, het leidt alleen tot hogere bouwkosten.

Zuinig duurzaam verwarmen

In tegenstelling tot fossiele brandstof, die aangekocht en vervoerd moet worden, is hernieuwbare energie uit afvoerlucht, zon of geothermie, gratis voorhanden. Het gebruik ervan heeft geen effect op het milieu, en heeft geen verborgen kosten die later voor rekening van de belastingbetaler komen. Hernieuwbare energie kan echter maar best ingezet worden als men gebruik maakt van elektrisch aangedreven warmtepompen.

In het project van Märkische Scholle bereikte men een jaarrendement van het systeem van meer dan 6: 1 kWh elektrische energie leverde dus meer dan 6 kWh verwarmingsenergie op. Bij een stroomprijs van 25 cent per kWh komt men dus uit op ongeveer 4 cent per kWh warmte. Dat is bijzonder interessant voor de huurder. Op die manier komt men tot een transparant en voordelig systeem van verwarmingskostenberekening, waar de huurder een voordeel aan heeft.

Dit project bewijst dat de energiezuinige renovatie van oudere appartementen geen onmogelijke opdracht is. Ingrijpende veranderingen aan de bouwschil kunnen achterwege blijven, mits men kiest voor een slim ontwerp en vooral, indien men voldoende aandacht schenkt aan opvolging en optimalisatie.

Met dank aan Taco Holthuizen (eZeit Ingenieure)

Door Alex Baumans