WARMTEPOMPEN
Install Magazine 985 – september 2022

Efficiëntie door planning

Dimensionering van warmtepompinstallaties

Naar verwachting zullen we meer en meer warmtepompen zien in renovatie. Mits de juiste kennis voor het ontwerp van verwarmingsinstallaties kunnen professionals hierop inspelen. Voor een efficiënte werking van een warmtepomp is er echter een juist ontwerp en dimensionering nodig. Het volgende artikel toont de nodige stappen aan de hand van een concreet voorbeeld, namelijk een lucht-water warmtepomp.

Het energieverbruik berekenen, het bivalentiepunt bepalen, de hydraulische installatie afstemmen op het SWW-systeem.... bij het ontwerpen van een warmtepompinstallatie komt er heel wat kijken. Een vakman die zich regelmatig met deze kwestie bezighoudt, krijgt de procedure echter al snel onder de knie.

Voor een vakman is het een toekomstgerichte investering om zich bij te scholen in het ontwerp van warmtepompinstallaties. Dit artikel gaat in op de belangrijkste stappen in het proces, aan de hand van een installatie met een Buderus Logatherm WLW 196i lucht-water warmtepomp.

Stap voor stap naar het doel

Naargelang de situatie kan de procedure licht verschillen. De basisstappen zijn echter als volgt:

1. Rekening houden met de minimale warmte-inhoud van de installatie

2. Energieverbruik berekenen voor verwarming (vuistregel: m² x W per m²) of gedetailleerde berekening volgens EN 12831

3. Instelling en dimensionering van de warmtepomp

Werkingsprincipe bepalen (mono-energetisch of bivalent)

Toestel selecteren

Stap 1: Minimale opslagcapaciteit voor een gelijkmatige werking

Voor een goede werking moet men het aantal start/stop cycli beperken en een onvolledige ontdooiing vermijden. Daardoor zal het toestel minder in storing gaan. Dat kan alleen bereikt worden als de installatie een voldoende grote hoeveelheid energie kan opslaan. De opslag gebeurt enerzijds in de waterinhoud van de installatie en anderzijds in het afgiftesysteem: de verwarmingslichamen of de bouwmassa (bij vloerverwarming).

Dat wil zeggen dat elke installatie een bepaald minimaal debiet heeft. Gezien de eigenschappen van de diverse installaties sterk kunnen uiteenlopen, heeft het geen zin om dit debiet als een forfaitaire waarde in liters per uur uit te drukken. Om voldoende te zijn, moet de warmtecapaciteit aan bepaalde voorwaarden voldoen.

Deze voorwaarden worden bepaald door de fabrikant van de warmtepomp, in functie van het systeem en het vermogen van het toestel. Zo geeft Buderus voor een vloerverwarmingscircuit zonder buffervat een minimale oppervlakte van 22 m² aan voor de lucht-water warmtepomp Logatherm WLW 196i AR voor vermogens van 4 tot 8 kW. Om maximaal energie te besparen en het gebruik van de bijverwarming te beperken, is 30 m² eerder aan te bevelen. Voor de uitvoeringen van 11 tot 15 kW zijn er eveneens 22 m² vloeroppervlak nodig, maar raadt men eerder 100 m² aan als optimale waarde.

Voor installaties met verwarmingslichamen zonder mengventiel en buffervat gelden gelijkaardige voorwaarden. In die gevallen werkt men natuurlijk met een minimaal aantal verwarmingslichamen in plaats van vierkante meter. Typisch gaat men daarbij uit van 4 radiatoren van 500 W elk. Daarbij is het belangrijk dat de kringen dienen als energieopslag, continu doorstroomd blijven en dus niet mogen afgesloten worden door de regeling, bijvoorbeeld door middel van een zoneventiel of thermostaatkranen. Als de temperatuur in een kamer te hoog oploopt, dan mag het debiet niet verlaagd worden, maar moet de afgifte worden verminderd door de stooklijn aan te passen. Het is in elk geval van belang dat de warmtepomp voldoende warmte kan putten uit de installatie om een ontdooicyclus uit te voeren. Als het debiet volledig wordt afgesloten, bijvoorbeeld door een signaal van een kamerthermostaat, dan kan de warmtepomp in storing gaan tijdens een ontdooingscyclus.

Werkt men met een buffervat, dan moet dat groot genoeg zijn om het opstartvermogen van de warmtepomp op te vangen. De Buderus regeling is zo ingesteld, dat een warmtepomp standaard start op 55% van het vermogen, en pas op een hogere vermogenstap overschakelt als dat onvoldoende blijkt om aan de warmtevraag te voldoen. Dat betekent dat men voor een warmtepomp tot 6 kW kan volstaan met een buffervat van 50 l. Voor grotere versies kiest men best 120 l.

Stap 2: Energieverbruik berekenen

Voor een correcte dimensionering van een warmtepomp is de bepaling van de verwarmingsbehoefte cruciaal. Maakt men hier een fout, dan kan de verwarming niet aan de behoefte voldoen en lijden de bewoners kou in de winter. Omgekeerd zal het rendement dalen bij een overgedimensioneerde installatie, en zullen de energiekosten stijgen.

Energieverbruik voor verwarming

In bestaande gebouwen kan men het energieverbruik inschatten aan de hand van het verbruik van de oude installatie. Voor gas gebruikt men dan vergelijking 1, voor stookolie vergelijking 2. Om de invloed van warmere of koudere jaren te beperken, gaat men best uit van de gemiddelde waarde van de afgelopen jaren.

Voor nieuwbouw kan men het verbruik inschatten aan de hand van de verwarmde oppervlakte en de specifieke warmtebehoefte. Dat laatste is afhankelijk van de isolatiegraad van het gebouw. Daarvoor wordt vergelijking 3 toegepast. De verwarmingsbehoefte van een woning met 150 m² verwarmde oppervlakte en een specifieke behoefte van 30 W/m² is dus 4,5 kW.

Voor een zuinige werking is het af te raden om de warmtepomp te dimensioneren op de piekbehoefte. Dat leidt immers tot een overgedimensioneerd toestel, wat zowel in aankoop als in verbruik duurder zal uitvallen. Dimensioneert men een toestel op 80% van de piekbehoefte, dan zal de warmtepomp kunnen instaan voor 97% van de jaarlijkse warmtevraag. De overige 3% kan dan gedekt worden door een elektrische bijverwarming. Het is uiteraard mogelijk om nog kleiner te dimensioneren. Dat is voordeliger in aankoop, maar dan zal de bijverwarming meer moeten inspringen, wat dan risico’s inhoudt voor het comfort en/of het budget.

Wat de hydraulische aansluiting betreft, begrenst het debiet van de primaire kring van de warmtepomp meteen ook het debiet en vermogen van de secundaire kringen die daarop worden aangesloten. Het volstaat niet om een voldoende groot buffervat te voorzien tussen de primaire kring en de verdeelkringen. De warmtepomp moet dat buffervat ook nog snel genoeg kunnen opladen.

Energieverbruik voor het SWW

Het wordt wel eens aangeraden om een vermogenstoeslag te voorzien voor de SWW-productie. In de meeste gevallen kan dat echter achterwege gelaten worden. Het is immers weinig waarschijnlijk dat de warmtepomp tegelijk aan de maximale warmtevraag en aan de maximale SWW-vraag moet voldoen. Alleen in dat laatste geval is een toeslag zinvol. Bij normaal gebruik zal de warmtepomp echter tussen twee verwarmingsperiodes in voldoende tijd hebben om het sanitair warm water op temperatuur te brengen

Men moet ook rekening houden met circulatieleidingen, omdat ze de warmtevraag verhogen, in functie van de leidinglengte en de isolatiegraad. Met een verwarmde oppervlakte tussen de 100 en de 150 m², en verdeelleidingen binnen het beschermd volume, bedraagt de jaarlijkse warmtevraag

met circulatieleiding: 9,8 kWh/m² per jaar

zonder circulatieleiding: 4,2 kWh/m² per jaar

Energieverbruik voor koeling

Een omkeerbare warmtepomp moet men niet alleen dimensioneren voor verwarmen, maar ook voor koelen. Koelen gaat dan ofwel via de vloerverwarming of via ventiloconvectoren. Voor de dimensionering kan men de rekenbladen van de fabrikant benutten. Koeling via een warmtepomp is indirect, met andere woorden, het koelmiddel koelt de binnenlucht niet rechtstreeks, maar draagt de koude over via watervoerende leidingen. Er wordt dus gekoeld aan hogere temperaturen, wat minder kans geeft op tocht. Wat de afgifte betreft, kan men kiezen tussen vloerverwarming en ventiloconvectoren. Voor ruimtes die slechts af en toe verwarmd of gekoeld moeten worden, we denken hier aan slaap- of kinderkamers, zijn ventiloconvectoren aan te raden. Ze kunnen immer sneller inspelen op wisselende behoeftes en bezettingen.

Buderus levert in de planningshandleiding van de Logatherm WLW196i een formulier dat de vakman eenvoudig kan invullen. De rekenmethode houdt rekening met zonnewinsten door vensters of buitendeuren, wanden, vloeren en plafonds, en interne winsten door elektrische toestellen of personen. Door alle warmtewinsten op te tellen komt men dan tot een totale koellast.

Stap 3: Instelling en dimensionering van de warmtepomp

Eenmaal de warmte- en koelbehoefte bekend is, moet de warmtepomp geselecteerd worden: over het algemeen kan men kiezen tussen monovalent, mono-energetisch of bivalent.

Monovalent

Hierbij staat de warmtepomp in voor de totale warmteproductie, zowel voor ruimteverwarming als voor sanitair warm water. Bij lucht-water warmtepompen gebeurt dit eerder zelden.

Mono-energetisch

Hierbij staat de warmtepomp in voor het grootste deel van de warmtebehoefte van het gebouw en voor het sanitair warm water. Bij piekvraag springt een directe elektrische verwarming in. Men dimensioneert de warmtepomp best zodanig dat het bivalentiepunt bij een parallelle of mono-energetische werking op -5°C ligt. Dan heeft de warmtepomp zelf immers een dekkingsgraad van ongeveer 98% in verwarming. Het bivalentiepunt is de laagste buitentemperatuur waarbij de warmtepomp de behoefte op eigen kracht kan dekken. Vanaf dat punt zal de bijverwarming bijspringen. Daarnaast kan men een tweede punt bepalen, namelijk de temperatuur waarop de warmtepompwerking niet langer zinvol is, en de piekverwarming het helemaal overneemt.

De elektrische weerstand die in de Logatherm WLW196i is ingebouwd, heeft een maximaal vermogen van 9 kW. Dit vermogen wordt enkel ingezet als bijverwarming.

Het is van evident belang dat de warmtepomp zo gekozen wordt, dat het aandeel van de directe elektrische bijverwarming tot een minimum beperkt blijft. Een ondergedimensioneerde warmtepomp betekent dat de bijverwarming veel te veel moet inspringen, met een hogere elektriciteitsrekening tot gevolg.

Bivalent

Hierbij dekt de warmtepomp het grootste gedeelte van de warmtevraag voor ruimteverwarming en SWW. Bij piekverbruik springt een externe warmtebron bij, in principe een olie- of gasketel. Buderus heeft hiervoor een regeling die ook bestaande ketels kan aansturen, uiteraard van Buderus zelf, maar ook van andere merken. Dat kan zowel een aan/uit schakeling zijn als een 0-10 V signaal.

Bij de dimensionering van een bivalente warmtepomp is de keuze van het bivalentiepunt van groot belang. Welke buitentemperaturen er kunnen optreden, hangt daarbij van de plaatselijke omstandigheden af. Hoe beter het gebouw geïsoleerd is, hoe lager het bivalentiepunt wordt.

De juiste warmtepomp kan geselecteerd worden aan de hand van vermogenscurves. Figuur 2 toont bijvoorbeeld de vermogenscurves van zeven Buderus-warmtepompen bij een vertrektemperatuur van 35°C en een modulatiebereik van 100%. Het vermogen van de warmtepomp gaat van 4 tot 14 kW. Bij de keuze van de warmtepomp combineert men die curve dan met de gebouwenkarakteristiek. Deze laatste is hier vereenvoudigd voorgesteld als een rechte lijn tussen het vereist vermogen voor de ontwerptemperatuur (in dit voorbeeld 6 kW bij -12°C) en een vermogen van 0 kW bij 20°C buitentemperatuur. Het snijpunt van de gebouwenkarakteristiek met de vermogenscurve van een warmtepomp geeft dan aan welk toestel in aanmerking komt.

In dit voorbeeld kiezen we voor de warmtepomp die overeenkomt met curve 7. De afstand tussen de vermogenscurve en de gebouwenkarakteristiek bij de ontwerptemperatuur geeft dan aan hoeveel de bijverwarming moet kunnen compenseren.

In het voorbeeld bedraagt het totale vermogen 6 kW bij de ontwerp buitentemperatuur. De geselecteerde warmtepomp heeft onder die omstandigheden een vermogen van 4 kW. Dat wil zeggen dat men 2 kW aan bijverwarming moet voorzien. Het bivalentiepunt ligt in dit voorbeeld bij -5,5°C. Tot aan die temperatuur heeft de warmtepomp dus geen ondersteuning nodig.

Verschillend bivalentiepunt per gebouwtype

Het nulpunt van de gebouwkarakteristiek komt overeen met 20°C buitentemperatuur. Dat nulpunt kan echter variëren in functie van het gebouwtype. Bij een energiezuinige woning kan dat al op 10°C liggen, maar ook voor bestaande woningen zal dat eerder 15°C zijn. Gaat men uit van deze waarden, dan wordt de helling van de gebouwkarakteristiek steiler en dan zal ook het bivalentiepunt (snijpunt tussen de gebouwenkarakteristiek en de vermogenscurve van de warmtepomp) naar links verschuiven. Men kan dus volstaan met een warmtepomp met een kleiner vermogen.

Om de taak van de vakman gemakkelijker te maken, biedt een fabrikant zoals Buderus uiteraard ondersteuning. Zo kan de installateur gebruik maken van een dimensioneringsprogramma dat hem doorheen de procedure loodst.

Bron: Buderus – aangepaste versie van het artikel ‘Planmäßig effizient’ van Hans-Jörg Risse (Buderus)

Illustraties: Buderus