WARMTEPOMPEN
Install Magazine 982 – maart 2022
Combilus met boosterwarmtepompen
Onderzoek naar optimaal ontwerp
Een centrale stookplaats met een warmtepomp en combilus is een aantrekkelijke oplossing voor flatgebouwen, op voorwaarde dat de SWW-productie efficiënt gebeurt. Een boosterwarmtepomp brengt dan uitkomst.
Deze combinatie leidt tot een grote besparing aan lokale uitstoot.
Het principeschema van de onderzoeksopstelling.
Stef Jacobs deed zijn onderzoek in het kader van het Tetra-project Kwalitatieve Warmtenetten.
Een centrale stookplaats is wel een efficiënte manier van verwarmen in flatgebouwen, maar het is niet evident om dit te verzoenen met de eisen van sanitair warmwatercomfort. Als de centrale stookplaats dan nog eens uitgerust is met een warmtepomp, wordt het extra moeilijk. De hoge temperaturen die nodig zijn voor SWW, zijn immers nefast voor het rendement van de warmteproductie, zonder het dan nog over de circulatieverliezen te hebben. Een mogelijke oplossing is om beide systemen in serie te schakelen. De centrale stookplaats bedient dan de verwarming op lage-temperatuur, terwijl elk appartement voorzien is van een boosterwarmtepomp die op zijn beurt de temperatuur van de verwarmingsleiding verhoogt tot op het niveau dat nodig is voor SWW. Maar hoe laat men dat nu best in de praktijk werken? Dat werd onderzocht in het kader van een Tetra project.
Efficiënte warmtenetten
In het kader van de energietransitie streeft men naar efficiëntere verwarmingsconcepten, zoals een centrale stookplaats met een combilussysteem. Voor een goed rendement moeten de temperatuurregimes echter zo laag mogelijk zijn, zowel omwille van het opwekkingsrendement als om de transmissieverliezen te beperken. Dat is echter moeilijk te rijmen met SWW comfort, waar uiteraard wel hoge temperaturen voor nodig zijn.
Om daar een oplossing voor te vinden, werd het Tetra-project Kwalitatieve Warmtenetten opgezet. Hierin worden een aantal concepten onderzocht, zowel aan de hand van proefopstellingen als van simulaties. Een van de partners is de onderzoeksgroep EMIB aan de Universiteit Antwerpen, waar onderzoek gedaan werd naar verschillende configuraties van combilussen met afleversets. Een mogelijke oplossing is om de appartementen aan te sluiten op een primair circuit met een regime dat afgestemd is op lage-temperatuurverwarming, in combinatie met individuele boosterwarmtepompen Die circulatieleiding dient dan tegelijk als warmtebron voor een kleine water-water warmtepomp, die dan de hoge temperaturen levert die nodig zijn voor SWW.
Die aanpak heeft een aantal voordelen. Om te beginnen kan de centrale warmtepomp aan een optimaal regime werken voor verwarming, wat het rendement sterk ten goede komt. Ten tweede is er geen circulatie van SWW, waardoor het risico op legionella sterk verminderd wordt. Ten derde heeft elk appartement zijn eigen SWW-productie, wat een maximale flexibiliteit biedt voor de bewoners, terwijl beheer en kostenverdeling toch eenvoudig blijven.
Tot zover het principe. Welke winst kan dit concreet opleveren, en welke regelstrategieën zijn het meest geschikt? Om daarvan een idee te krijgen, voerde Stef Jacobs in het kader van zijn masterproef aan de Universiteit Antwerpen een aantal simulaties uit.
Testopstelling
De geteste opstelling bestond uit een gebouw met 20 appartementen, telkens aangesloten op een combilus door middel van een afleverset. De centrale stookplaats was voorzien van een geothermische warmtepomp. Er was geen hydraulische scheiding tussen de binneninstallatie en de combilus. deze laatste bevoorraadde telkens de vloerverwarminginstallatie en een water-water boosterwarmtepomp. Deze laatste was gekoppeld aan een SWW voorraadvat. Als boosterwarmtepomp werd een bestaand model genomen, namelijk een Alpha Innotec WWB21 van 2 kW. Er werden verschillende volumes van voorraadvat gesimuleerd, en uiteindelijk kwam 190 l als optimale inhoud uit de bus. Dit kwam overeen met het commercieel beschikbare toestel dat het best aansloot bij de dimensionering in functie van de warmwaterbehoefte van het beoogde gezin. De regeling was telkens vraaggestuurd.
Lage primaire temperaturen lonen
Een eerste vaststelling is dat het systeem wel degelijk energie bespaart. Het onderzoek kwam uit op een besparing van primaire energie van 27% tegenover een ketel met een combilus op hoge temperatuur en een daling van de CO2-uitstoot met 57%. Dat laatste gaat uit van de huidige energiemix voor elektriciteit. Door een groter aandeel van groene stroom, bijvoorbeeld door PV-panelen, kan dat cijfer nog verbeteren. Bovendien is er geen plaatselijke luchtvervuiling, wat zijn belang heeft voor de luchtkwaliteit in steden. Stef Jacobs ging ook na wat het effect van een slechtere isolatiegraad van de appartementen was. Ook dan kon men een mooi energiebesparing realiseren. Het principe is dus breed inzetbaar en stelt geen al te hoge eisen aan de gebouwschil en kan dus toegepast worden in renovatie.
Een tweede aspect van het onderzoek betrof de temperatuurregimes. Een regime dat gunstig is voor de boosterwarmtepomp is immers ongunstig voor de centrale warmtepomp en omgekeerd. Kiest men voor een hoge temperatuur in de circulatieleiding, dan daalt het rendement van de centrale warmtepomp. Anderzijds ligt de brontemperatuur van de boosterwarmtepomp dan hoger, zodat deze laatste efficiënter kan werken. Laat men integendeel de temperatuur van de circulatieleiding dalen, dan zal het rendement van de centrale warmtepomp verbeteren, maar dan moet de boosterwarmtepomp een groter temperatuurverschil overbruggen, wat meer energie kost. De vraag is dus in hoeverre de winst aan de ene kant gecompenseerd wordt door een verlies aan de andere.
In de studie werd het effect van vijf regimes van de verwarmingskring nagegaan, gaande van 29/22°C tot 40/33°C (telkens met een Δt van 7°C tussen vertrek en retour van de binneninstallatie). Deze temperaturen werden gekozen in functie van de maximale en minimale inlaattemperaturen van de boosterwarmtepomp. De conclusie was dat men best met een zo laag mogelijk regime in de circulatieleiding werkte. Uiteindelijk levert de centrale warmtepomp immers veruit de meeste energie, zowel voor de verwarming als -indirect- voor de SWW productie. Het is dus zinvol om dat proces zo efficiënt mogelijk te laten verlopen. Bij hogere systeemtemperaturen zal het betere rendement van de boosterwarmtepomp het slechtere rendement van de centrale warmtepomp niet compenseren.
Warmteterugwinning en passieve koeling
Het gebruik van een centrale geothermische warmtepomp maakt ook passieve koeling in de zomer via de vloerverwarming mogelijk. Dit zorgt voor een beter thermisch comfort en een algemeen beter systeemrendement omdat de bron geregenereerd wordt met de warmte van het gebouw. Voor de combinatie met de boosterwarmtepomp waren de afleversets voorzien van een extra aansluiting, waardoor de koude kant van de boosterwarmtepomp kon worden verbonden met de toevoerleiding van de vloerverwarming. Zo kan de warmte die wordt afgevoerd uit de woning, hergebruikt worden voor SWW productie. In de zomermaanden werd tot 30% van de SWW-productie gedekt door overtollige warmte uit de appartementen, ook zonder een speciale regeling om de SWW-productie af te stemmen op de koelvraag. In deze studie werd boosterwarmtepomp geregeld in functie van de warmwatervraag, los van de gevraagde ruimtetemperatuur. Als er wel SWW-productie is, maar geen koelvraag, kan de koude van de boosterwarmtepomp afgevoerd worden naar de circulatieleiding. Op die manier kan de koude benut worden om eventueel andere appartementen te koelen, zij het dan met grotere systeemverliezen.
Als koelregime werd 24/19°C aangehouden. De retourtemperatuur van de vloerverwarming in koeling werd begrensd door de minimale brontemperatuur van de boosterwarmtepomp. Bij dit model van Alpha Innotec was dat 18°C. Als men gebruik zou maken van andere types van boosterwarmtepomp die met lagere temperaturen kunnen werken, zijn er meer temperatuurregimes mogelijk (tot inlaattemperaturen van 5°C). Ook hier waren de resultaten bemoedigend. De extra koeling leverde een duidelijke verbetering van het zomercomfort op, zelfs al werden de warmtepompen niet ingeschakeld in functie van de koelvraag maar in functie van het warmwaterverbruik. Hier zijn er duidelijk nog optimaliseringsmogelijkheden.
De dimensionering van het voorraadvat werd bepaald aan de hand van de PV-curve. Deze laatste werd opgemaakt door het WTCB in het kader van het Install 2020 project en vergelijkt de warmteproductie van een generator met de verwachte gebruikspieken om zo tot een optimale bufferinhoud te komen. Uit de simulatie bleek dat een tank van 150 liter in combinatie met een boosterwarmtepomp van 1,5 kW vermogen ideaal was. Enerzijds blijven zo de opwarmtijden aanvaardbaar, terwijl de boosterwarmtepomp toch voldoende lange looptijden heeft voor een efficiënte werking en een betere betrouwbaarheid. De langere looptijden komen ook de koelwerking in de zomer ten goede. De omvang van de boiler levert voldoende warmwatercomfort, zonder al te grote stilstandsverliezen. Deze dimensionering komt overeen met gangbare toestellen op de markt.
Systeem met potentieel
De conclusie van deze studie is dan ook dat de combinatie van een combilus op lage temperatuur met water-water boosterwarmtepompen een groot potentieel heeft. Deze simulatie ging uit van een relatief eenvoudig hydraulisch concept en regeling, en haalde mooie resultaten. Dat wijst erop dat het concept breed inzetbaar is, zowel in nieuwbouw als in renovatie.
Door Alex Baumans
Figuren: Universiteit Antwerpen
