IWT-HOBU Project (01-09-2000 tot 01-09-2002)
Thermische zonne-energie, warmteterugwinning en warmtepomp als verwarmings- en/of koelconcept in residentiële woningen Opdrachtgever: IWT: Onderzoeksgroep: Projectleider: Uitvoerders: Eindredactie en voortzetting onderzoek: Samenwerkende bedrijven:
Wetenschappelijke partners:
Instituut voor de Aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen Milieu en energie, hogeschool voor wetenschap en kunst, campus De Nayer Willy Van Passel Maarten Sourbron, Kurt Steendam, Jan Lhoëst Sebastiaan Marien, Frits Hannes ABF; AEC-SMT Groep NV Beerten; AEGELECTROLUX; ALFA Laval; Baltimore Aircoil; ELCOMAT NV; ELECTRABEL NV; Grundfos Bellux NV; IZEN; ODE Vlaanderen vzw; Putboringen Verheyden; REUS; SIEMENS; SMOLDERS; STIEBEL-ELTRON; THERMO-SERVICE BVBA; T3 CVBA; VIESSMANN BELGIË bvba KULeuven, VITO, WTCB, LABORELEC
DOELSTELLINGEN: Technologieverkenning en –verzameling met kennisverspreiding wat betreft ontwerp, installatie en gebruik van een warmtepompinstallatie voor woning verwarming. Daarnaast is nagegaan onder welke voorwaarden warmtepompinstallaties (bron-warmtepompverwarmingssysteem) kunnen bijdragen tot het duurzaam gebruik van energie voor ruimteverwarming. Drie demonstratie-opstellingen werden gebouwd: water-water, horizontale bodemwarmtewisselaar-water en verticale bodemwarmtewisselaar-water. Deze opstellingen laten ons toe om de kwaliteitsprestaties gedurende een aantal jaren in reële werkomstandigheden te registreren en te evalueren. Goed draaiende warmtepompinstallaties voor woningen zijn niet van zelfsprekend. Succes hangt af van werkingsvoorwaarden die voortvloeien uit de thermodynamische karakteristieken van de machine en de mate waarin warmtevraag en warmte aanbod op elkaar zijn afgestemd.
1
Horizontale grondwarmtewisselaar/waterwarmtepompinstallatie Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 °C - Condensortemperatuur 35 °C - Condensorvermogen = 5,8 kW - Verdampervermogen= 4,45 kW - Compressorvermogen= 1,35 kW - Winstfactor COP = 4,3 - Koudemiddel = R410A - Debietverdamper = 1,5 m3/u - Debietcondensor = 0,6 m3/u
–
Warmteafgifte systeem:
Warmtemuren 3 types 3 maal 10m²:
a. Baksteen met gleuven+ bepleistering
2
b. Fermacell-plaat met gleuven achteraan
c. Montage op de wand met dubbele pleisterlaag
De secundaire circulatiepomp: min elektrisch vermogen 40W maximum 250W
20 m
0,5 m
0,5 m 1m
1m
1,5 m
1m
1m
1m
Horizontale grondwarmtewisselaar: totale lengte 240 m, grondoppervlak 200 m², diameter leidingen HDPE diamater 25 mm. 3
Figuur 1: Het leggen van een lus voor de horizontale grondwarmtewisselaar
4
Figuur 2: Installatieschema van de warmtepomp met een horizontale grondwarmtewisselaar
Grond/water-warmtepomp Qverdamper, totaal (kWh)
16 april tot 17 9-10-2002 tot 28- 29-11-2002 tot 30-11-2002 tot 24-12-2002 tot 21- periode oktober 2002 mei 2002 10-2002 29-11-2002 23-12-2002 01-2003 januari 2003 343,00 250,58 633,01 583,25 1057,40 2524,23
Qcondensor, totaal (kWh)
402,00
356,73
858,50
792,26
1479,99
3487,47
Ecompressor, totaal (kWh)
85,00
82,97
208,22
231,04
447,93
970,17
Esysteem, totaal (kWh) SPF warmtepomp SPF systeem
100,00 4,70 4,02
94,82
235,16
256,38
497,02
1083,38
4,30 3,76
4,13 3,65
3,43 3,09
3,30 2,98
3,59 3,22
Tabel 1: Prestatiegegevens van de warmtepomp met horizontale grondwarmtewisselaar
5
SPF van de warmtepomp en de instalatie 5 4,5 4
SPF WP/systeem
3,5 3 SPF warmtepomp SPF systeem
2,5 2 1,5 1 0,5 0 1
2
3
4
meetperiode
Figuur 3: Vergelijking SPF van de warmtepomp en de SPF van het systeem over de 4 meetperiodes
Temperatuursverloop 25
temperatuur [°C]
20 15 10 5 0 -5
1
-10 van 09/10/02 tot 21/01/03
Figuur 4: Temperatuursverloop voor de buitenlucht in de maatperiode van 9 oktober 2002 tot 21 januari 2003
6
Verticale grondwarmtewisselaar/waterwarmtepompinstallatie: metingen : 2,5 wintermaanden: januari, februari en de helft van maart van een standaardjaar Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 °C - Condensortemperatuur 35 °C - Condensorvermogen = 10.8 kW - Verdampervermogen= 8.4 kW - Compressorvermogen= 2.4 kW - Winstactor COP= 4,5 - Koudemiddel = R407C - Debietverdamper = 2,7 m3/u - Debietcondensor = 0,95 m3/u Warmteafgiftesimulator Belastingspatroon van een vrijstaande woning K40
7
8
Figuur 5: Foto’s van het plaatsen van de verticale grondwarmtewisselaar VGWW 4 25 m diep dubbele lus
VGWW 3 65 m diep dubbele lus
VGWW 2 64 m diep dubbelle lus VGWW 1 65 m diep enkele lus
7m
9m 12m Verticale grondwarmtewisselaar: 4 verticale boringen op 7, 9 en 12 m van elkaar, totale lengte 220 m, leidingen HDPE diameter 25 mm.
9
Grondwater/water-warmtepompinstallatie 1 periode metingen : 20 dagen in januari van een standaardjaar Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 °C - Condensortemperatuur 35 °C - Condensorvermogen = 18.7 kW - Verdampervermogen= 15.4 kW - Compressorvermogen =3.3 kW - Winstfactor COP = 5.6 - Koudemiddel = R407C - Debietverdamper = 3.5 m³/u - Debietcondensor = 1.7 m³/u Warmteafgiftesimulator Belastingspatroon van 3 rijwoningen K40
Figuur 6: Foto’s van de grondwaterput: na de boring, volledig geïnstalleerd, een tekening van de grondwaterpomp en van de boormachine
10
°C
°C
11
Grondwater injectie
Grondwater onttrekken
Gecombineerde grondwaterput: onttrekking en injectie van het grondwater gebeuren in een zelfde boring, totale diepte: 69 m.
12
Lucht/Water-warmtepomp-installatie opstelling van Laborelec Technische gegevens: - Verdampertemperatuur -7 °C - Condensortemperatuur 35 °C - Condensorvermogen = 12.5+11.7 kW - Verdampervermogen= 8+8.2 kW - Compressorvermogen =4.5+3.5 kW - Winstfactor COP = 2.8 en 3.3 - Koudemiddel = R290 (propaan) - Debietverdamper (lucht) = 3100 m³/u - Debietcondensor (water) = 1.2 m³/u - Drukval condensor = 40 hPa
Figuur 7: Installatieschema voor de lucht/water-warmtepomp-opstelling
13
Figuur 8: Installatieschema voor de verwarming
Om de warmte aan de binnenomgeving af te geven wordt hier gebruikt gemaakt van ventiloconvectoren. Het betreft 4 wandtoestellen die de verwarming verzekeren van een deel van het labo. Deze ventilo-convectoren zijn in parallel aangesloten op een warmwaterkringloop die in serie verbonden is met de condensor van de warmtepomp.
Figuur 9: COP en gemiddelde buitentemperatuur tijdens het stookseizoen ’99-’00
14
RESULTATEN
Meetperiode
Warmtepomp Warmtepomp met met horizontale Warmtepomp Warmtepomp verticale grondgrondmet grondwater met lucht warmtewisselaars warmtewisselaars 2,5 wintermaanden 20 winterdagen van een van een Stookseizoen 09/10/02-21/01/03 referentiejaar (jan, referentiejaar 1999-2000 feb, ma) (jan)
Qverdamper (kWh)
2524
2863
288
14196
Qcondensor (kWh)
3488
3713
365
21639
Wcompressor (kWh)
970
850
83
7443
Wsysteem (kWh)
1083
1070
101
8030
SPFwarmtepomp
3,6
4,4
4,4
2,9
SPFsysteem
3,3
3,5
3,6
2,7
Tabel 2: Resultaten van de metingen op de 4 bovenstaande systemen
OPMERKINGEN: -
-
Horizontale grondwarmtewisselaar: de SPF kan men verbeteren door de volledige grondwarmtewisselaar op een diepte van 1.5 m te leggen. Verticale grondwarmtewisselaar: Het verschil tussen de SFPWARMTEPOMP en SPFSYSTEEM is vooral te wijten aan een te grote primaire circulatiepomp ( voor de opstelling noodzakelijk om metingen uit te voeren). Lucht:water-warmtepomp; men kan de SPF verbeteren door vloerverwarming te gebruiken ipv ventilo-convectoren. Het ontdooien (3.91 kWh) van de verdamper beïnvloedt de SPF bijna niet. De elektrische energie voor de ventilo-convectoren vertegenwoordigt 7.8% van de warmtepomp energie.
15
Economische vergelijking Er is een vergelijkend onderzoek verricht naar de kostprijs van een warmtepompinstallatie met een klassieke verwarmingsinstallatie voor een ééngezinswoning. Volgende gegevens zijn er van de woning: - Woonoppervlak 129 m²; - Normwarmtevraag 7980 W; - Specifieke warmtevraag 62 W/m²; - Jaarlijkse verbruiksuren: 2196h/j; - Jaarlijks verwarmingsverbruik 17.520 kWh/j. De kosten zijn berekend per jaar, zowel voor de verbruiksgebonden kosten, de werkingskosten als de kapitaalgebonden kosten. Zo werd bijvoorbeeld voor de warmtepomp zelf een afschrijftermijn van 18 jaar voorzien.
16
Figuur 10: Economische vergelijking tussen de kosen voor de verschill manieren van verwarmen.
7. Totale kosten
3000
2500
2000
1669
1375
1729
1823
1887
1556
Euro/j 1500
1000
500
314
401
186
781
650
701
174 200
200
629
592
794
0 Stookolie
Aardgas CV
Grond
Horizontale WW 4. Verbruiksgebonden kosten
5. Werkingskosten
Water
Lucht
Warmtepomp 6. Kapitaalgebonden kosten
17
Vaststellingen en conclusies De verschillende testopstellingen geven aan dat een gemiddelde SPF = 3.5 moet kunnen gehaald worden voor goed uitgevoerde installaties, met uitzondering van de lucht/waterwarmtepomp met SPF = 3. De CO2-uitstoot wordt ten opzichte van de klassieke brandstoffen met een factor 2.5 à 3.5 gereduceerd (zie CO2-studie KULeuven). Overdimensionering van de warmtebron (geeft hogere verdampingstemperatuur) en warmteafgiftesysteem (geeft lagere condensatietemperatuur) heeft een gunstig effect op de SPF. Correcte dimensionering, regeling en sturing van de installatiecomponenten; warmtepomp, buffervat, primaire en secundaire pomp zijn zeer belangrijk. De beste energetische prestaties worden verkregen met installaties die gebruik maken van open grondwatersystemen; het voordeel hiervan is de constante grondwatertemperatuur van 10 à 12 °C. De kostprijs van de boring en de pomp vormen een belangrijk nadeel, naast eventueel problemen met de grondwaterkwaliteit. Indien mogelijk kan hier gebruikgemaakt worden met een meer prijsgunstige recirculatie variant. De verticale gesloten bronsystemen kunnen een oplossing bieden in geval van een onzeker grondwaterkwaliteit en –hoeveelheid. Energetisch presteren deze bronsystemen minder goed dan deze met een open grondwater systeem. Reden hiervoor is de daling van de grondwatertemperatuur tijdens het stookseizoen. De kostprijs van de boring is ook hier een nadeel. De gesloten systemen met een horizontale grondwarmtewisselaar zijn goedkoop, maar ze vragen wel een groot grondoppervlak. Energetisch presteren deze systemen minder goed dan de bovenstaande systemen; de grondtemperatuur daalt sterk tijdens het stookseizoen. De regeneratie wordt voornamelijk beïnvloedt door de buitencondities (zon) en de grondwaterstand. Als bijlage vindt u hieronder een vergelijking van de verschillende warmtebronnen. Voor lage temperatuurverwarming kiest men best voor vloer- , wand- en/of plafondverwarming. Vloerverwarming heeft als nadeel traag te reageren en is aangewezen voor continue verwarming. Met wand- en plafondverwarming kan men een snellere opwarming en afkoeling bekomen, zodat dit principe ook kan toegepast worden voor discontinue verwarming in bijvoorbeeld slaapkamers. Het belangrijk bijkomend voordeel naast beter wooncomfort en minder energieverbruik van de warmtepomp is het mogelijk de woning tijdens de zomermaanden op duurzame wijze te koelen, meestal voldoende om oververhitting te voorkomen.
18
De ervaringen en metingen hebben uitgewezen da de prestatie (SPF) van een warmtepompinstallatie niet alleen afhankelijk is van de kwaliteit van de warmtepomp maar in grote mate eveneens bepaald wordt door de kwaliteit van de uitvoering van de installatie zelf. Het beste resultaat zal steeds bekomen worden met een eenvoudige, verzorgde installatie met een efficiënte regeling. Men zal meestal geen betere resultaten bereiken met ingewikkelde of gesofisticeerde installaties. Men dienst eveneens voor te zorgen dat indien men met dezelfde warmtepomp sanitair warm water wenst te maken, dit niet ten koste is van een continue hogere condensatietemperatuur. Bij vloerverwarming heeft men met een maximale condensatie temperatuur van 40°C ruimschoots voldoende terwijl bij sanitair warmwaterbereiding deze temperatuur kan oplopen tot 65°C.
Aanbevelingen voor warmtepomp gebruikers -
Zorg voor één partij die de eindverantwoordelijkheid draagt voor de volledige installatie. Vraag naar kwaliteitsattest volgens de beproevingsmethode EN 255 (Europese norm). Indirecte systemen hebben een belangrijk voordeel in geval van herstelling of vervanging van de warmtepomp-component t.o.v. de directe systemen. De levensduur van de grondwarmtewisselaars is veel langer dan die van de onderdelen van de warmtepomp. Regelmatige controle (en vergelijking met normaalverbruik) van het energieverbruik van compressor, pompen en/of ventilatoren, is ten zeerste aan te bevelen (vraag de nodige goedkope meetinstrumenten).
Contact gegevens De detailresultaten van dit project zullen vanaf maart beschikbaar worden op de website van het De Nayer Instituut (www.denayer.be). De metingen lopen nog door en de resultaten hiervan worden op regelmatige basis bijgewerkt. Er is dan eveneens een cd-rom beschikbaar met het eindverslag en de resultaten van het project deze is aan te vragen bij Willy Van Passel (
[email protected]). De Nayer Instituut Jan De Nayerlaan 5 B- 2860 Sint Katelijne Waver Tel 015 31 69 44
19
Warmtebronnen
Grondwater
Bodem
Buitenlucht
Horizontaal
Verticaal
Beschikbaarheid
Vrijwel overal en altijd beschikbaar
Overal (oppassen voor uitputting)
Vrijwel overal en altijd beschikbaar
Overal
Temperatuur niveau en constantheid
10-12°C constant
0-5°C dalend
2-8°C relatief constant
-7°C tot +15°C sterk variërend
Milieu
Indirect systeem i.v.m. Bodemwarmtewisselaar moet Bodemwarmtewisselaar moet Beperken van geluidsproductie extra scheiding koelmiddel lekdicht zijn i.v.m. water/glycol lekdicht zijn i.v.m. water/glycol ventilatoren en grondwater als medium als medium
Hulpenergie
ca. 5-10% van geleverde warmte aan elektrische Pompenergie indirect systeem Pompenergie indirect systeem energie. Beperken door lage weerstand
Onderhoud
Regenereren van bron/put bij te grote weerstand
Gering
Gering
Koelers moeten beschermd worden tegen corrosie (coating) en moeten gereinigd worden
Overheidsbepalingen
Vergunningsplicht, grondwater in dezelfde laag terugvoeren als waarvan het onttrokken wordt.
Niet van toepassing
Meldingplicht tot 50m diepte, vergunningsplicht voor meer dan 50m diepte
Niet van toepassing
Aandachtspunten
Geohydraulische kennis van de bodem vereist, regeling bronpompen, bereikbaarheid pompen voor onderhoud, energiegebruik pompen, zuurstofdiffusie, systeem op druk houden
Grote oppervlakte nodig, invloed van de buitenlucht, energiegebruik pompen,warmteoverdracht bodem, nieuwe ontwikkeling: bodemwarmtewisselaar met dir. expansie (propaan of isobutaan)
Geohydraulische kennis van de bodem vereist, geringe oppervlakte nodig (40% minder pijplengte dan horizontale uitvoering), energiegebruik pompen,warmteoverdracht bodem
Ontdooiingssysteem, water/glycol, energiegebruik ventilatoren, geluid
Toepassing laagtoerenventilatoren aanbevolen
20
