WARMTEPOMPEN
Install Magazine 982 – maart 2022
Warmtepompen in bestaande gebouwen
1. In de veldtest voor warmtepompen werden diverse gebouwentypes onderzocht.
2: Daggemiddelden van vertrek en retour voor een lucht-water warmtepomp in een bestaande woning.
3: Jaarrendement (verwarming) in functie van de gemiddelde temperatuur in het verwarmingscircuit.
4: Rendement (gemiddeld jaarrendement en bandbreedte) van warmtepompinstallaties uit de veldtesten met bestaande woningen.
Warmtepompen kunnen zinvol ingezet worden in bestaande gebouwen, want ze werken efficiënter dan doorgaans wordt gedacht. Onderzoek naar de mogelijkheden van de techniek aan de Duitse kennisinstelling Fraunhofer ISE weerlegt een aantal misvattingen die ook onder professionals nog gangbaar zijn.
Om de gevolgen van de klimaatverandering tegen te gaan, is een drastische vermindering van de CO2-uitstoot absoluut noodzakelijk. De decarbonisering van gebouwenverwarming is een belangrijk middel om dit doel te bereiken. Vooral in bestaande gebouwen is er nog heel wat werk aan de winkel. Naast aanpassingen aan de bouwschil om de warmtevraag te verminderen, moet men zo snel mogelijk overschakelen naar uitstootarme of, beter nog, koolstofneutrale manieren van verwarmen. Daarvoor komen in de eerste plaats warmtepompen in aanmerking: voor elke kWh aan elektrische stroom leveren ze 3 tot 4 kWh aan nuttige warmte. Het elektriciteitsverbruik wordt in toenemende mate gedekt door hernieuwbare bronnen, zodat warmtepompen sterk bijdragen tot de decarbonisering. Talrijke studies over het energiesysteem zien warmtepomp als de toekomstgerichte verwarmingstechniek bij uitstek.
Doorbraak in bestaande gebouwen blijft uit
De invoering van warmtepompen in bestaande gebouwen gaat eerder moeizaam. De overheersende mening is dat warmtepompen alleen zinvol zijn in nieuwbouw of ingrijpend gerenoveerde gebouwen. Ze zouden minder geschikt zijn voor bestaande gebouwen, omdat er hier hoge vertrektemperaturen nodig zouden zijn. Dat leidt tot een lager rendement van de warmtepompen, waardoor deze techniek niet meer in aanmerking zou komen. Om na te gaan in hoeverre deze stellingen op feiten gebaseerd waren, werd er aan de Duitse kennisinstelling Fraunhofer ISE een groot aantal gegevens verzameld over de werking van warmtepompen in bestaande woningen, zowel eengezinswoningen als kleine flatgebouwen. Op basis van deze data gingen de onderzoekers na in hoeverre de veelbesproken hoge vertrektemperaturen wel degelijk noodzakelijk waren in de praktijk. Welk rendement haalden de warmtepompen in werkelijke omstandigheden?
Verwarmingsregime lager dan verwacht
Het project WPSmart im Bestand (met steun van de Duitse overheid) verzamelde meetdata van 41 warmtepompinstallaties in bestaande gebouwen. Bij de analyse van de meetgegevens bleek duidelijk dat de gemiddelde vertrektemperaturen in de praktijk relatief laag waren. Een mooi voorbeeld hiervan is een gedeeltelijk gerenoveerd gebouw met drie wooneenheden en een specifiek verbruik voor verwarming van 90 kWh/m2 per jaar. Het gebouw was uitgerust met een lucht-water warmtepomp in combinatie met de bestaande plaatradiatoren. Figuur 2 toont de daggemiddelden van de vertrek- en retourtemperatuur gedurende een jaar. Hieraan ziet men dat de ontwerpbuitentemperatuur nooit bereikt werd, en dat het verwarmingscircuit dan ook nooit aan het ontwerpregime heeft gewerkt. Daarentegen situeren de meeste meetwaarden van de buitentemperaturen zich tussen 0 en 10°C.
Het jaarrendement wordt immers niet bepaald door de ontwerptemperaturen, maar door een gewogen gemiddelde van het verwarmingsregime. Dat is het gemiddelde van de vertrek- en retourtemperatuur, met als wegingsfactor de hoeveelheid energie die bij deze temperaturen wordt afgegeven. Voor ons voorbeeld ligt de gemiddelde temperatuur van het verwarmingscircuit op 35,8°C. Dat levert een mooi jaarrendement van 4,0 op.
Bij een bredere analyse van de totale set meetwaarden bleek dat de -doorgaans als absoluut noodzakelijke geachte- hoge vertrektemperaturen inderdaad optraden. Dat gebeurde echter alleen op de koudste dagen en dan nog alleen maar bij sommige installaties. Die traden echter zo zelden op, dat ze nauwelijks een invloed hadden op het totale rendement van de installaties. Zelfs in niet-gerenoveerde woningen met oude verwarmingslichamen konden de warmtepompen volstaan met een vertrektemperatuur van ongeveer 55°C om een aangename binnentemperatuur te garanderen. Samengevat: niet de extreme, maar de gemiddelde temperaturen in het circuit bepalen het werkelijke rendement. Bovendien blijken de gemeten vertrektemperaturen lager dan verwacht.
Rendement van warmtepompen in bestaande gebouwen.
De relatie tussen de gemiddelde temperatuur in het circuit en het rendement van de warmtepomp wordt gegeven in figuur 3. De grafiek toont het gemeten jaarrendement van 15 geothermische warmtepompen en 35 lucht-water warmtepompen in bestaande gebouwen. Dit toont duidelijk de invloed van de gemiddelde temperatuur in het circuit op het rendement. Per graad dat de gemiddelde temperatuur daalt, stijgt het jaarrendement met ongeveer 0,1. Deze invloed werd ook bevestigd door computersimulaties (niet weergegeven in de grafiek).
Ook bestaande gebouwen kunnen goed verwarmd worden met warmtepompen, zonder dat de verwarmingslichamen vernieuwd moeten worden. Doorgaans is het afgiftesysteem immers overgedimensioneerd. In die gevallen kan men na de modernisering van de stookplaats de vertrektemperaturen laten dalen voor een efficiëntere werking van de warmtepomp. Er zijn dan alleen maar beperkte -en relatief goedkope- ingrepen nodig om het rendement extra te verhogen, zoals bijvoorbeeld de vervanging van enkele specifieke verwarmingslichamen.
Figuur 4 geeft een algemeen overzicht van de gemeten jaarrendementen van twee studies op het terrein. Deze jaarrendementen slaan op verwarming en SWW-productie. Ook het stroomverbruik van eventuele elektrische weerstanden werd in de berekening meegenomen. De onderzoeken werden over een periode van ongeveer tien jaar uitgevoerd. De verbetering van het gemiddelde jaarrendement van 3,3 naar 4,1 bij geothermische warmtepompen is dus gedeeltelijk te verklaren door verbeteringen in de techniek van de toestellen. Een andere reden voor het verschil in resultaten ligt in de energieprestatie van de gebouwen. Het eerste onderzoek sloeg overwegend op niet-gerenoveerde gebouwen met radiatoren. In het tweede onderzoek (WPSmart im Bestand) varieerde de leeftijd van de woningen wel tussen 15 en 150 jaar, maar hiervan waren er al enkele gedeeltelijk of geheel gerenoveerd.
In de periode tussen juni 2018 en juni 2019 werden 29 lucht-water warmtepompen bemeten. Ze haalden een jaarrendement van 2,5 tot 3,8 met een gemiddelde van 3,1. Hierbij werden twee uitschieters met bijzonder goede rendementen buiten beschouwing gelaten. Voor de 12 geothermische warmtepompen lagen de jaarrendementen tussen 3,3 en 4,7 met een gemiddelde van 4,1. Hierbij werd een negatieve uitschieter met een rendement van slechts 1,8 buiten beschouwing gelaten. Ook met de huidige energiemix voor elektriciteit betekent dit al een aanzienlijke verbetering in vergelijking met een gasketel met zonneboiler (33% voor een jaarrendement van 2,5 en 63% voor een jaarrendement van 4,5). De conclusie is dan ook: warmtepompen kunnen ook in bestaande gebouwen voldoende thermisch comfort leveren.
Door: Dr.-Ing Constanze Bongs (Fraunhofer ISE), Dr. Marek Miara (Fraunhofer ISE), Danny Günther (Fraunhofer ISE)
Illustraties: Fraunhofer ISE
