De bestaande stookplaats renoveren met hernieuwbare energie: hoe begint men er aan? Technische opties en terugverdientijden

Vaktechniek

Uittreksel van De Onderneming nr. 903 - Oktober 2013

De bestaande stookplaats renoveren met hernieuwbare energie: hoe begint men er aan? Technische opties en terugverdientijden Door Ivan Piette

U beschikt over een oude ketel met een hoog verbruik. U wenst te besparen op uw sanitair warm water en verwarmingskosten, maar u twijfelt nog tussen uw oude ketel te vervangen of de ketel te behouden en te combineren met hernieuwbare energieën, meer bepaald een warmtepomp en/of thermische zonnepanelen. Met welke elementen moet u rekening houden om de juiste keuze te maken ?

De bestaande installatie Voor het gemak gaan wij uit van één van de meest voorkomende bestaande centrale verwarmingsinstallaties in België: radiatoren met een niet-condenserende olie- of gasketel gestuurd met een kamerthermostaat. Deze installaties zijn hydraulisch relatief eenvoudig qua concept. De integratie van bijkomende warmtebronnen vergt bij deze dan ook niet te veel aanpassingen aan de bestaande installatie. Wij gaan er eveneens van uit dat de radiatoren destijds met een bepaalde reserve werden berekend. Dit laat ons toe om na de ketelvervanging of de combinatie van de ketel met een warmtepomp en/of thermische zonnepanelen met lagere temperaturen te werken voor onze verwarmingslichamen. Die temperaturen kunnen zakken tot een regime 70/50 of zelfs 60/40 als de radiatoren een overdimensionering hebben van respectievelijk 35% of 97% volgens EN 442, dit voor radiatoren met een coëfficiënt n gelijk aan 1,33. Die lagere temperatuurregimes laten toe om zeker een condensatieketel toe te passen als vervanging van de niet-condenserende ketel, of zelfs een warmtepomp als hoofdverwarming te plaatsen. Bij warmtepompen waar het vermogen relatief constant blijft, zoals bij geothermische warmtepompen, kan bij een werkingsregime van 60/40 de warmtepomp zelfs volledig instaan voor de verwarming van het gebouw. Bij aerothermische warmtepompen daarentegen zal zeker een elektrische back-up weerstand nodig zijn om het dalende vermogen van de warmtepomp te compenseren in de winterperiode.

26

de onderneming 903 oktober 2013


Vaktechniek

Het renoveren van de bestaande ketel Zowel bij olie- als gasketels zijn er voldoende condenserende modellen en types om er een te vinden die de bestaande ketel kan vervangen. Er is voor elk wat wils zowel bij muur- als vloerketels, met ingebouwde sanitair-warmwaterproductie of niet. Bij olieketels zijn er nu eveneens toestellen met tweetraps of modulerende branders. Oude, niet-condenserende ketels hebben ondanks een degelijk verbrandingsrendement toch lage tot zeer lage jaarrendementen, zonder de andere verliezen op de installatie nog mee te rekenen (zoals onder andere distributie-, regel- en afgifterendement). Het jaarrendement bij dergelijke ketels komt zelden boven de 75% en kan zakken tot 50% of zelfs minder naargelang de ouderdom van de ketel en de kwaliteit van de ketelisolatie. Moderne condensatieketels halen gemakkelijk jaar- of seizoensrendementen die boven de 80% liggen. Soms kan dit zelfs oplopen tot meer dan 90%. De verbetering van het jaarrendement is vooral te wijten aan volgende factoren: • Lagere stilstandverliezen van de moderne ketel, op hun beurt beïnvloed door: – Betere ketelisolatie – Lagere keteltemperaturen door een weersafhankelijke sturing • Een ketelvermogen aangepast aan de werkelijke warmtebehoeften: als een ketel langer stil ligt dan dat hij werkt, zal de globale prestatie op jaarbasis verslechteren. Overdimensioneren moet dus altijd vermeden worden, ook bij nieuwe modulerende ketels Bij renovatie van een bestaande ketel met een jaarrendement van 70% door een condenserende ketel met een jaarrendement van 90% is er een verbetering van de energiebenutting met 29%. In bepaalde gevallen kan dit zelfs oplopen tot 50%. Dit heeft natuurlijk direct zijn weerslag op het jaarlijks verbruik van de verwarmingsinstallatie.

De bestaande ketel uitrusten met thermische zonnepanelen Thermische zonnepanelen worden hoofdzakelijk ingezet voor SWW-productie. Gedurende de zes zomermaanden is er het meest zonne-energie. Driekwart van de jaarlijkse zonneenergie bereikt ons van april tot september. In deze periode is de warmtebehoefte het laagst. Het is dan ook logisch dat de zonnepanelen bij ons vooral voor SWW worden ingezet. Het energieverbruik voor sanitair warm water bedraagt 1,75 of 2 kWh/dag per persoon naargelang men de WTCB of DIN waarden volgt. Voor een gezin van 4 personen stemt dit dus op jaarbasis overeen met een verbruik van 350 tot 600 liter stookolie of kubieke meter aardgas in functie van het systeemrendement voor de SWW productie. Dit kan variëren van 50% of minder voor de slechtste installaties tot 75% of meer voor de betere. Ongeacht het verbruik voor woningverwarming, zal de energiebehoefte voor sanitair warm water vrij constant blijven: menselijke hygiëne heeft niets te maken met de isolatiegraad van de woning. Het energie-aandeel van SWW in het totaal verbruik op jaarbasis kan daardoor sterk verschillen. Zo varieert dit voor een gezin van 4 personen van +/- 10% voor bestaande woningen met een relatief grote warmtebehoefte tot +/- 40% voor nieuwbouwwoningen met lage energiebehoefte. Men zal dus steeds dezelfde energie nodig hebben om warm water te produceren, maar het aandeel ervan in de totale verwarmingsbehoefte kan sterk uiteenlopen. Dit is positief nieuws voor onze thermische zonnepanelen. De energie die zij moeten produceren zal ieder jaar dezelfde zijn, als de gezinssamenstelling dezelfde blijft. Men kan op voorhand zeer goed inschatten wat de installatie de komende jaren zal opbrengen. De schommelingen tussen slechte en goede zonnejaren bedragen maximaal 10%, wat betekent dat thermische zonnepanelen een betrouwbare energieleverancier zijn. Bovendien zijn, op de pompgroep na, alle componenten statisch. Ze zijn dus niet onderhevig aan slijtage of andere mechanische krachten. De meeste daken hebben doorgaans 3 tot 5 m² de onderneming 903 oktober 2013

27

Vaktechniek


oppervlakte voor zonnepanelen. De verbinding tussen de collectoren enerzijds en de zonneboiler anderzijds is relatief eenvoudig aan te leggen. Een bestaande ketel al dan niet met SWW productie via een boiler kan bijna altijd gecombineerd worden met een zonne-installatie. Een goed berekende en gebalanceerde zonne-installatie zal op jaarbasis net iets meer dan 50% van de SWW productie voor haar rekening nemen. Van april tot september zullen de zonnepanelen zo goed als volledig kunnen instaan voor het sanitair-warmwatercomfort. Tijdens de winter moet de ketel bijspringen. Zonne-energie is bovendien 100% hernieuwbaar en gratis. Het elektrisch verbruik van de pompgroep bedraagt doorgaans minder dan 2% van wat de zonnepanelen op jaarbasis aan energie produceren. Met rendementen van de zonnecollectoren van meer dan 60%, is een thermische zonneinstallatie een van de meest efficiënte en goedkoopste producenten van hernieuwbare energie.

De bestaande ketel combineren met een warmtepomp Warmtepompen zitten in de lift. Dat is duidelijk te zien aan standen op beurzen en de reclame van bepaalde producenten. Warmtepompen hebben het voordeel dat ze een groot deel van de geproduceerde energie gratis uit de natuur halen. In functie van de warmtebron spreekt men van lucht-, grond- of water-warmtepompen. Om een bestaande ketel uit te rusten met een warmtepomp is de lucht-water warmtepomp de meest voor de hand liggende toepassing, en wel om volgende redenen: • De hydraulische binnenunit neemt niet meer plaats in dan een wandketel: aan plaats is er meestal geen gebrek in een bestaande oudere stookplaats • De buitenunit heeft van alle warmtepompen het minste impact op de tuin. In bestaande woningen is die meestal al een tijd eerder aangelegd. • De investeringskost voor een lucht-water warmtepomp slager dan bij andere warmtepompen Moet de bestaande ketel nog überhaupt behouden worden? Kan de warmtepomp niet alleen instaan voor de verwarming van de woning? Om deze vragen te beantwoorden, moeten we ingaan op enkele punten. Ten eerste gaan we uit van een bestaande installatie met radiatoren. Die hebben vertrektemperaturen nodig die soms te hoog zijn voor een warmtepomp. Op eigen kracht kunnen warmtepompen zelden vertrektemperaturen boven de 65°C halen. Dit betekent dat radiatoren met een regime 70/50 tot een buitentemperatuur van -6°C door de warmtepomp gevoed zouden kunnen worden (zie Figuur 1). Bij koudere temperaturen moet er bijgestookt worden, bijvoorbeeld door de bestaande ketel.

Figuur 1

28


Vaktechniek


Ten tweede varieert het vermogen van een lucht-water warmtepomp sterk in functie van de buitentemperatuur. Naarmate het buiten kouder wordt, neemt ook het vermogen van de warmtepomp af. Hoe te meer wij de warmtepomp nodig hebben, hoe minder zij ons van de nodige warmte kan voorzien. De vraag is dus tweeledig: tot welke buitentemperatuur kan mijn warmtepomp mij de gevraagde vertrektemperatuur leveren en tot welke buitentemperatuur heeft de warmtepomp voldoende vermogen om mijn warmtecomfort te verzekeren? Op dit laatste aspect van de vraag zullen lucht-water warmtepompen sneller afhaken dan op het eerste. De bestaande verwarmingsketel zal dus vroeger de warmtepomp ter hulp moeten snellen dan de eerder vermelde buitentemperatuur van -6°C. Tenslotte is er het rendement van aerothermische warmtepompen bij dergelijke buitentemperaturen. Niet enkel de dalende buitentemperatuur, maar ook de hogere vertrektemperaturen voor de radiatoren hebben een negatieve impact op de COP. De nominale COP van een lucht-water warmtepomp wordt bepaald bij A7/W35, dus bij een luchttemperatuur van 7°C en een vertrektemperatuur van 35°C. Bij -2°C hebben radiatoren bij een regime 70/50 een vertrektemperatuur van 60°C nodig. De COP van de warmtepomp zakt daardoor sterk. Figuur 2 hieronder geeft de daling van het vermogen van de warmtepomp en van de COP duidelijk weer in functie van afgiftetemperatuur (werkpunt W) en buitentemperatuur (werkpunt A).

Figuur 2

Men kan de warmtepomp stilleggen vanaf bepaalde buitentemperaturen en de installatie volgens de bivalent-alternatief modus laten werken. Op dat ogenblik neemt de bestaande ketel over van de warmtepomp.

Vergelijking van de investering van de verschillende opties De renovatie van de bestaande ketel is voor dit type van installatie technisch de eenvoudigste oplossing. Indien men niet van brandstoftype verandert, is enkel de sanering van de schoorsteen een bijkomende kost die sowieso noodzakelijk is bij condensatieketels. Zelfs als men zou opteren voor een nieuwe niet-condenserende ketel, zou een sanering van het rookgaskanaal meer dan waarschijnlijk noodzakelijk zijn gezien de lagere rookgastemperaturen en hogere CO2 waarden van moderne ketels. Kunststof afvoerkanalen zijn echter geen optie bij niet-condenserende ketels, wat de kosten opdrijft in vergelijking met een vervanging door een condensatieketel. Voor gascondensatieketels schommelt de aankoopprijs tussen 2.000 en 4.000 € naargelang type en uitrusting. Bij oliecondensatieketels variëren de bedragen tussen 4.000 en 6.000 €. Voor de sanering van een schoorsteen met een kunststof rookgasafvoer kan men doorgaans tussen de 750 en 1.500 € rekenen in functie van de lengte. Dit brengt het gemiddeld investeringsbudget voor condensatieketels op 5.000,- € bij aardgas en 7.250,- € bij olie, inclusief plaatsing. De kost van thermische zonnepanelen blijft dezelfde, ongeacht de brandstof van de verwarmingsketel. De doorsnee zonneboiler bestaat uit 3 à 5 m² zonnecollectoren en een bivalente boiler van ongeveer 300 liter inhoud. Hydraulisch dient er aan de verwarmingsinstallatie

30


Vaktechniek


weinig te worden aangepast. Enkel de koudwatertoevoer en de SWW-vertrekleiding moeten gewijzigd worden. De verbinding tussen de zonnecollectoren en de onderste warmtespiraal van de zonneboiler is soms een uitdaging. Dit is echter het enige punt dat meer aandacht vraagt om kap- en breekwerk te vermijden. Een dergelijk geheel heeft een aankoopprijs van 4.000 à 5.000 € in functie van het type zonnecollector (plaat- of vacuümcollector) en opstelling (opbouw of inbouw). Tel daarbij de plaatsingkost van gemiddeld 4 mandagen en de investering schommelt tussen de 6.000 à 7.000 €. Opteert men om de bestaande ketel te combineren met een warmtepomp, dan kiest men best voor een split lucht-water warmtepomp met modulerend vermogen. Dat laatste maakt het namelijk mogelijk om zonder buffervat te werken. Het is echter wel noodzakelijk om een minimum debiet over de warmtepomp te garanderen. Anders kan ze bij hoge druk uitvallen wegens te weinig warmteafname. Bij verwarmingsinstallaties met radiatoren kunnen thermostatische kranen soms roet in het eten gooien door het debiet volledig af te sluiten. Het is dan ook noodzakelijk dat in sommige kamers van de woning de thermostatische kranen helemaal open worden gedraaid om dit minimum debiet over de warmtepomp te verzekeren. De opstelling van de buitenunit vergt de nodige aandacht. Die is namelijk voorzien van een ventilator om het noodzakelijk luchtdebiet te garanderen over de verdamper. Deze toestellen generen dus een bepaald geluidsniveau. Dit kan zowel hinderlijk zijn voor de eigenaar van het toestel als voor de buren. De keuze van de opstellingsplaats van dit toestel moet dus met nodige zorg gebeuren. Verder is de afstand tussen binnen- en buitenunit beperkt. Men kan wel koelmiddel bijgevullen in functie van de totale leidinglengte van de koelkring, maar er geldt toch een bepening voor de afstand tussen de regelcomponenten van beide units. Het spanningsverval van de elektrische voeding en communicatiebussen van de elektronische componenten is een beperkende factor, om nog maar te zwijgen over mogelijke inductievelden tussen laag- en hoogspanningsleidingen over grote afstanden. De montage-aanwijzingen van de fabrikanten moeten gerespecteerd worden om niet voor verrassingen komen te staan. De prijs van een split lucht-water warmtepomp varieert tussen 6.000 en 8.000 € naargelang het vermogen. De installatie van de koelleidingen en elektrische verbindingskabels tussen binnen- en buitenunit, en de hydraulische aanpassingen aan de verwarmingsinstallatie zorgen ervoor dat het gemiddeld budget oploopt tot 8.000 à 11.000 €.

Financieel besparingspotentieel van de verschillende opties De daling van het verbruik bij een ketelrenovatie zal hoofdzakelijk afhangen van het jaarrendement van de bestaande ketel. Wij veronderstellen namelijk dat de rest van de installatie behouden blijft. Naarmate de ketel ouder en minder goed geïsoleerd is, zal het besparingspotentieel toenemen. Doorgaans kan men stellen dat de vervanging van een ketel van meer dan 25 jaar door een condensatieketel kan leiden tot een daling van het jaarverbruik tussen de 25 en 50%. Zo zal een oude ketel van 40.000 kcal/h of 46 kW met 800 branduren op jaarbasis +/- 4.000 liter stookolie of m³ aardgas verbruiken. Veronderstellen wij een niet al te spectaculaire stijging van het jaarrendement van 60% naar 85%, dan betekent de ketelrenovatie een besparing van +/- 30% of 1.200 liter stookolie of m³ aardgas. Aan de huidige energieprijzen (juni 2013) betekent dit dus respectievelijk +/- 950 € voor stookolie en 650 € voor aardgas. Daarentegen staat bij thermische zonnepanelen de besparing los van het type brandstof. Een goed gebalanceerde zonne-installatie neemt namelijk de helft van de SWW-productie voor haar rekening. In functie van het globaal systeemrendement voor SWW schommelt het verbruik van een gezin van 4 personen tussen 350 en 600 liter stookolie of m³ aardgas. Het besparingspotentieel van thermische zonnepanelen varieert dus tussen 175 en 300 liter

32


Vaktechniek


stookolie of m³ aardgas. Met de huidige energieprijzen komt men op een financiële besparing 200 € bij stookolie en 130 € bij aardgas. Voor warmtepompen is de berekening iets complexer. Alles hangt af van de wijze waarop de nieuwe en de oude warmtebron gebruikt gaan worden. Zo kan men opteren dat de warmtepomp altijd in gebruik blijft en de ketel het vertrekwater van de warmtepomp bijverwarmt indien nodig. Men spreekt dan van een bivalente-parallelle werking: beide warmtebronnen kunnen gelijktijdig werken. Men kan ook opteren voor een bivalente-alternatieve werking: de ketel neemt de werking van de warmtepomp 100% over; de warmtepomp wordt uitgeschakeld en in stand-by modus gezet. Naargelang deze keuze zal het aandeel van de warmtepomp in de dekking van de jaarlijkse warmtevraag sterk verschillen. Ook de verhouding tussen vermogen van de warmtepomp en het benodigde warmtevermogen – niet het vermogen van de ketel – bepaalt de dekkingsgraad van de warmtepomp. Figuur 3 hieronder maakt dit duidelijk

Figuur 3

Stel een woning met een benodigd warmtevermogen in de winter van 20 kW (wij gaan uit van oudere bestaande installaties). De bestaande ketel kan echter een vermogen van 30 kW of meer hebben. Door de overdimensionering destijds van de ketel is dat niet relevant in de keuze van het vermogen van de warmtepomp. Nemen wij een warmtepomp met een vermogen van 10 kW – 50% van de warmtebehoefte – dan zal de dekkingsgraad in de modus bivalent-parallel 93% bedragen en in bivalent-alternatief 52%. Bij een warmtepomp met een vermogen van 15 kW – 75% van de benodigde warmtebehoeften - zal dit respectievelijk 99,9% en 95% bedragen. Alle warmte die de warmtepomp levert, moet de bestaande ketel niet meer leveren. Dit is dus een directe besparing. Daar staat echter een kost tegenover. De werkelijke financiële besparing zal dus het verschil zijn tussen het minderverbruik in fossiele brandstof enerzijds en de kost van het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp anderzijds. Voor een ketel van 40 000 kcal/h met een verbruik van +/- 4.000 liter stookolie of m3 aardgas, met een lucht-water warmtepomp met een COP van 4,7 bij A7/W35 (zie waarden Figuur 2), komt dit neer op een besparing van: • Voor een warmtepomp van 10 kW in bivalente-alternatieve werking:

34


Vaktechniek


– Nuttige energie geleverd door de bestaande ketel: 4.000 liter of m³ x 60% x 10 kWh/l of m³ = 24.000 kWh – Aandeel van de warmtepomp: 50%, dus 12.000 kWh – Besparing op fossiele brandstof: 4.000 liter of m³ x 50% = 2.000 liter of m³, respectievelijk 1.640 € bij stookolie en 1.100 € bij aardgas – Elektrisch verbruik van de warmtepomp (met een gewogen gemiddelde COP) = 3.697 kWh of 550 € bij 0,15 €/kWh (gewogen gemiddelde elektriciteitsprijs dag/nacht) – Netto besparing: – Bij stookolie : 1.090,- € – Bij aardgas : 550,- € • Voor een warmtepomp van 15 kW in bivalente-parallelle werking: – Nuttige energie geleverd door de bestaande ketel: 4.000 liter of m³ x 60% x 10 kWh/l of m³ = 24.000 kWh – Aandeel van de warmtepomp: 90%, dus 21.600 kWh – Besparing op fossiele brandstof: 4.000 liter of m³ x 90% = 3.600 liter of m³, respectievelijk 2.950 € bij stookolie en 1.980 € bij aardgas – Elektrisch verbruik van de warmtepomp (met een gewogen gemiddelde COP) = 6.655 kWh of 1.000 € bij 0,15 €/kWh (gewogen gemiddelde elektriciteitsprijs dag/nacht) – Netto besparing: – Bij stookolie : 1.950,- € – Bij aardgas : 980,- € We werken met een gewogen gemiddelde COP omdat het aandeel van de COP tijdens de wintermaanden zwaarder doorweegt dan tijdens de zomermaanden. Dit heeft te maken met de verdeling van onze warmtebehoeften op jaarbasis volgens de graaddagen. Figuur 4 geeft het aandeel weer van iedere maand in ons jaarlijks verbruik. De gemiddelde buitentemperatuur voor iedere maand wordt eveneens vermeld.

Figuur 4

Rekening houdend met die gemiddelde buitentemperaturen en de overeenstemmende vertrektemperaturen van de radiatoren komen wij tot Figuur 5 hieronder voor de gemiddelde COP van de lucht-water warmtepomp per maand (zie technische eigenschappen van de warmtepomp Figuur 2). Op basis van de COP’s en het maandelijks aandeel in het jaarverbruik krijgt men een beter beeld van het aandeel van de warmtepomp in het totaal verbruik voor de verwarming.

36



Vaktechniek

Figuur 5

Terugverdientijd en conclusie Een ketelrenovatie die gemiddeld 5000 € kost bij aardgas en 7250 € bij stookolie kan een gemiddelde besparing opleveren van respectievelijk 650 € en 950 €. De terugverdientijd bedraagt 7,7 of 7,5 jaar naargelang het type brandstof. Thermische zonnepanelen vergen een investering van +/- 6500 €. Met een gemiddelde besparing tussen 130 € en 200 € betekent dit terugverdientijden van meer dan 20 jaar. Deze berekening houdt geen rekening met eventuele premies die van Gewest tot Gewest kunnen verschillen. Met de huidige premie in Vlaanderen, 550 € per m² met een maximum van 2.750 € of 50% van de factuur, zakt de terugverdientijd onder de 20 jaar. De bestaande ketel combineren met een lucht-water warmtepomp zal gemiddeld 9500 € kosten naargelang type en vermogen. De terugverdiendtijd zal variëren tussen de 5,6 jaar voor een olieketel met een warmtepomp in bivalente-parallelle werking die 90% van de warmtebehoeften voor haar rekening neemt en 14,6 jaar voor een gasketel met een warmtepomp in bivalente-alternatieve werking, die voor 50% van de warmtebehoeften instaat. Of u dus nu uw oude olie- of gasketel vervangt, dan wel behoudt en met een lucht-water warmtepomp combineert, met de huidige energieprijzen zal de investering binnen een interessante termijn terugverdiend worden. Anderzijds zal een ketelrenovatie doorgaans de kortste termijnen opleveren omdat er geen bijkomende installatietechnische aspecten zijn. Fabrikanten bieden veel kant- en klare oplossingen aan. Het zijn hybride toestellen waar verschillende componenten reeds af fabriek samengebouwd werden. Dit zorgt enerzijds voor minder montage- en integratiekosten en anderzijds voor een betere regeltechnische afstemming van de technische componenten. Dit komt zowel het budget als het besparingspotentieel ten goede. Andere argumenten kunnen de uiteindelijke keuze ook nog beïnvloeden, zoals onder andere de CO2-besparing, de kleinere afhankelijkheid tegenover fossiele brandstoffen, de bedrijfszekerheid van over twee warmtebronnen te beschikken, … of wat u nog in gedachten had om met uw budget te doen. Minder verbruiken, en dus saneren, is sowieso noodzakelijk. ■ de onderneming 903 oktober 2013

37

De bestaande stookplaats renoveren met hernieuwbare energie: hoe begint men er aan? Technische opties en terugverdientijden

Recommend Documents