Thermische zonnecollectoren en warmtepompen werken samen? Leen Goovaerts, Jan Verheyen, Dries Van Aken, John Veeken, Maarten Sourbron, KULeuven-Technologiecampus De Nayer, Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen, Vakgroep Thermotechniek
[email protected] Een woning heeft (vaak) verwarming nodig en sanitair warm water moet geproduceerd worden. Thermische zonnecollectoren vangen zonnestralen op en geven die energie af in de vorm van warmte. Warmtepompen onttrekken warmte uit een omgevingsbron op lage temperatuur (bodem, buitenlucht, grondwater) en geven die op een hogere temperatuur af in de woning. Als het aanbod van warmte, via de zonnecollectoren en warmtepomp, de vraag aan warmte voor verwarming en sanitair warm water dekt, is de klus van de installateur warmtetechnieken geklaard. Maar hoe ziet een dergelijke gecombineerde installatie eruit? Welke dimensioneringsregels moeten gevolgd worden voor de verschillende componenten, hoe worden ze gekoppeld met elkaar en hoe wordt de regelaar ingesteld die een goede werking in alle omstandigheden moet garanderen? In het IWTTETRA-project ZonWarm1 worden enkele installaties onder de loep genomen en wordt aan de hand van dynamisch-thermische simulaties het effect van installatieconcepten en parametervariaties onderzocht.
Figuur 1: De ‘warmte-aanbieders’ thermische zonnecollectoren en warmtepomp leveren warmte op twee temperatuurniveaus aan de ‘warmte-vragers’ Sanitair Warm Water en RuimteVerwarming.
1
IWT-TETRA: http://www.iwt.be/subsidies/tetra en projectwebsite http://zon-warm.lessius.eu/
1
Verschillende warmtebronnen werken samen Om de installatie te ontwerpen moeten eerst de eigenschappen van de warmtevraag en van de warmteproductie gekend zijn. De gevraagde hoeveelheid warmte moet (1) in de juiste hoeveelheid, (2) op de juiste temperatuur en (3) op het juiste moment geleverd worden door de installatie. Voor Sanitair Warm Water (SWW) is door het gepiekte verbruik een hoog vermogen nodig en een relatief hoge temperatuur van 45-60°C. Verwarming kent doorheen de dag een constantere warmtevraag op een lagere temperatuur van 2545°C. Door de betere woningisolatie daalt bovendien de jaarlijkse benodigde hoeveelheid warmte, terwijl de vraag naar SWW constant blijft (Figuur 2).
Figuur 2: Netto energiebehoefte voor RV en SWW voor drie referentiewoningen uit het ZonWarm-project
De thermische zonnecollectoren (TZC) of de warmtepomp (WP) produceren de benodigde warmte. Zij gebruiken als energiebron respectievelijk de zon en een warmtebron op lage temperatuur zoals typisch de bodem of de buitenlucht. In tegenstelling tot een ketel met fossiele brandstoffen (...weliswaar gekeken vanuit het standpunt van de installatie...) is (1) de bruikbare hoeveelheid energie beperkt, (2) hebben deze energiebronnen geen onbeperkt vermogen, en (3) is deze energie, in het geval van de zon, niet op elk moment beschikbaar. Dit bemoeilijkt het ontwerp en de regeling van de installatie sterk.
De prestatiefactor Bij voorkeur moet de installatie de thermische zonnecollectoren gebruiken en als hun energie onvoldoende is in hoeveelheid of temperatuur, kan de warmtepomp bijspringen. De prestatiefactor2, die de verhouding geeft tussen de geleverde warmte en de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de installatie te laten draaien, bepaalt deze volgorde. De TZC hebben een prestatiefactor die kan oplopen tot 250 of meer. Dit wil zeggen dat voor 1 kWh elektrisch 2
Een prestatiefactor gemeten over een lange termijn van bv. 1 jaar wordt de SeizoensPrestatieFactor of SPF genoemd
2
pompverbruik, 250 kWh warmte wordt geleverd. De metingen van een reële installatie in het project bevestigen dat dit mogelijk is, alhoewel ook prestatiefactoren van 50 of zelfs maar 7 zijn opgemeten. Een correct installatieontwerp, -uitvoering en -regeling zijn dus cruciaal om het pompverbruik te beperken. De WP anderzijds heeft prestatiefactoren (vaak wordt de engelse term ‘Coefficient of Performance’ of COP genoemd in deze context) die typisch liggen tussen 3 en 5, afhankelijk van het type warmtepomp. Ook hier hebben ontwerp, uitvoering en regeling een grote invloed op de uiteindelijke prestatie van de WP.
Energie bufferen? De typische gepiekte warmtevraag aan hoog vermogen van het SWW maakt, in combinatie met TZC en een WP, een thermische buffer noodzakelijk. Wanneer de TZC de temperatuur onvoldoende kunnen opvoeren voor SWW, door een te zwakke zoninstraling, kunnen ze mogelijk nog wel warmte leveren voor de ruimteverwarming. Omdat ook hier zelden vraag en aanbod gelijktijdig zijn, zal ook een thermische buffer voor RV nodig zijn. Soms zal die al aanwezig zijn om een goede werking van de warmtepomp te garanderen. De buffers voor SWW en RV kunnen eventueel gecombineerd worden in een gezamelijk combi-buffervat (zie Figuur 3). De metingen tonen aan dat reële installaties SPF-waarden van 5 en zelfs meer dan 6 halen bij dergelijke systemen, waarbij de TZC 30% tot 40% van de energie voor SWW en RVW leveren. Maar een thermische buffer verliest ook warmte. Zeker wanneer de energievraag kleiner wordt (zie Woning 1 uit Figuur 2 of wanneer de warmtevraag in tussenseizoenen klein is), kan het aandeel van het bufferverlies groot worden. Metingen op reële installaties van het ZonWarmproject hebben energieverliezen van 7% tot meer dan 40% opgeleverd. Dit laatste treedt op wanneer de installatie op deellast werkt en de thermische buffer op temperatuur gehouden wordt voor slechts een kleine energievraag. Overdimensionering van de buffer moet dus absoluut vermeden worden en de installateur moet aandacht schenken aan een correcte isolatie van de aansluitingen tussen buffervat en leidingen. Ook de positie van de hydraulische aansluitingen en de temperatuurvoelers die de regelaar aansturen, hebben een grote impact op de systeemprestatie. Foute positionering zorgt voor menging van de verschillende temperatuurniveaus waardoor bijvoorbeeld de TZC hogere temperaturen zien in het buffervat en dus minder energie kunnen leveren en waardoor de warmtepomp aan hogere afgiftetemperaturen moet werken met een lagere performantie tot gevolg. Een simulatieanalyse van dergelijke niet optimale aansluitingen3 toont aan dat dit de SPF met 1,0 kan doen dalen. Wanneer het temperatuurniveau van de TZC nog te laag is voor RV of de thermische buffers opgeladen zijn, kan bij een bodem-water WP overwogen worden om de bodemlussen te regenereren. Hierdoor stijgt de temperatuur van de bodem, wat de prestatiefactor van de warmtepomp ten goede komt. Wegens de te lage meetfrequentie bij de reële installaties was het moeilijk om hierover vanuit het ZonWarmproject concrete uitspraken te doen: van één installatie werd bij een 7 uur durende regeneratieperiode een prestatiefactor van 70 gemeten. De impact van 3
John Veeken, Jan Verheyen, Leen Goovaerts, Dries Van Aken, Maarten Sourbron, The impact of storage tank control and hydraulic configuration on solar heat pump system performance, submitted for System Simulation in Buildings 2014, December 2014, Liège, Belgium
3
deze energieinjectie van 70kWh en bijhorende bodemtemperatuurstijging van ongeveer 1°C op de prestatie van de warmtepomp is moeilijker te becijferen. Simulatiestudies4 wijzen uit dat regeneratie de prestatiefactor met 0,2 kan doen stijgen. Een negatieve impact is echter ook mogelijk bij een slechte inregeling van de debieten. In dat geval zal de circulatiepomp die nodig is voor de regeneratie meer verbruiken dan dat het warmtepompverbruik zal dalen door de hogere prestatiefactor.
Simulatieresultaten 3 installatietypes zijn gesimuleerd (Polysun software) voor 3 verschillende woningen (16, 50 en 150 kWh/m²), waarbij verschillende parameters gevarieerd werden om het effect op het energiegebruik te onderzoeken. Enkele belangrijke conclusies zijn dat het warmteverlies van de buffervaten en het parasitair energieverbruik van extra circulatiepompen een potentieel voordelige installatieaanpassing kunnen doen omslaan en resulteren in een hoger eindenergieverbruik. Net zoals blijkt uit de literatuurstudie en de eigen metingen op de installaties is er voor regeneratie van de bodem geen duidelijke conclusie te trekken. Wel moet hierbij vermeld worden dat het gebruikte model voor de bodem misschien ontoereikend was om gedetailleerd het effect van regeneratie te onderzoeken. Dit viel echter buiten het bereik van dit project. Over het algemeen profiteert de energiezuinige woning het meest van een geïnstalleerde zonwarmtepomp en hebben meerinvesteringen in extra zonnecollectoren er het grootste effect. Over het algemeen bleek de gevolgde dimensionering een correcte installatie op te leveren:
De warmtepomp wordt gedimensioneerd volgens de Code van Goede Praktijk voor Warmtepompen5 De zonnecollectoren gedimensioneerd worden volgens de basisrichtlijnen van WTCB (TV 212)6
De uitgangspunten op de volgende pagina worden gehanteerd bij het ontwerp van een zonwarmtepomp:
4
Erik Bertram*, Peter Pärisch and Rainer Tepe, Impact of solar heat pump system concepts on seasonal performance-Simulation studies, EuroSun 2006, 26-29 June 2006, Glasgow, UK 5
ANRE; 2005; Code van goede praktijk voor de toepassing van warmtepompsystemen in de woningbouw; Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, afdeling natuurlijke rijkdommen en energie (ANRE); 2005; 6
WTCB; 1999; TV 212 leidraad voor de installatie van zonneboilers; Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf; 2e uitgave; Brussel; juni 1999;
4
WIE EERST? Zonnecollectoren genieten voorkeur bij de productie van warmte boven de warmtepomp. De SPF van zonnecollectoren (richtwaarde 50, maar waarden van 160 zijn ook opgemeten) is immers hoger dan die van de warmtepomp (richtwaarde 3 tot 5)
BASISPRINCIPE DIMENSIONERING De warmtepomp wordt gedimensioneerd zonder rekening te houden met de zonnecollectoren. Bij afwezigheid van zonwarmte moet de installatie blijven draaien. De zonnecollectoren worden gedimensioneerd zonder rekening te houden met ruimteverwarming: de redenering is dat de lage temperatuurwarmte in de winter, die niet bruikbaar is voor SWW, wel kan gebruikt worden voor RV.
WARMTEPOMP De warmtepomp wordt gedimensioneerd volgens de Code van Goede PraktijkFout! Bladwijzer niet gedefinieerd. : Warmteverlies volgens EN12831 Opslag SWW = 1.2 x (max. dagvolume +40l) opwarmen op een gekozen tijd (bv. 4u) 𝑄̇𝑊𝑎𝑟𝑚𝑡𝑒𝑝𝑜𝑚𝑝 = maẋ (𝑄𝑅𝑉 , 𝑄̇𝑆𝑊𝑊 )
ZONNECOLLECTOREN De zonnecollectoren + opslagvolume wordt gedimensioneerd volgens de TV212 van WTCBFout! Bladwijzer niet gedefinieerd. Dagelijks warm waterverbruik bepalen (Bijlage 2 van TV212, IEA Task44, Code van Goede Praktijk voor warmtepompen: (Code) 50l/persoon.dag@40°C; (VDI2067) hoge eisen : 70-140 l/persoon.dag@40°C, gemiddelde eisen : 35-70 l/persoon.dag@40°C, lage eisen : 20-35 l/persoon.dag@40°C. De Code rekent nog een marge voor piekverbruik en voor het niet volledig benutten van het buffervolume. 50 liter SWW-buffervolume per m² zonnecollector
AANDACHTSPUNTEN Een keuze tussen systeemconcepten wordt niet gemaakt. Wel moet er met de volgende aandachtspunten rekening gehouden worden: Opslag van warmte leidt tot extra warmteverlies (opgemeten warmteverlieswaarden van 7% tot 40% van de totale warmteproductie) Een extra circulatiepomp leidt tot direct extra elektriciteitsverbruik met negatieve impact op het eindenergieverbruik Regeneratie van de bodem kan een positief effect hebben op de prestatie van de warmtepomp, maar kan ook een negatief effect hebben door het extra circulatiepompverbruik. Voorzichtig ontwerp, installatie en inregeling is noodzakelijk De hydraulische aansluiting en regeling van het buffervat is cruciaal voor een hoge SPF. Temperatuurslagen mogen niet vermengd worden
5
Besluit Het inzetten van thermische zonneënergie voor zowel sanitair warm water productie als voor ondersteuning van de ruimteverwarming blijkt een positieve impact op de prestatie van de totale warmtepompinstallatie te hebben. Regeneratie van de bodem met zonnewarmte heeft echter een minder duidelijk effect. Net zoals vaak het geval is, zijn ook deze installaties gevoelig aan fouten bij ontwerp, plaatsing en inregeling, met een aanzienlijke impact op de systeemprestatie als gevolg. Eenvoudige en robuuste systeemconcepten zijn duidelijk te verkiezen boven ingewikkelde installaties met complexe regelingen, waarbij secundaire effecten gemakkelijk over het hoofd gezien worden. De steeds verdere daling van de energievraag (voor ruimteverwarming), maakt de aandacht voor warmteverlies van bijvoorbeeld buffervaten of ongeïsoleerde leidingdelen absoluut noodzakelijk.
Figuur 3: Principeschema van een ZonWarm-installatie met SWW- en RV-ondersteuning en met regeneratie door de thermische zonnecollectoren (Q: thermische energiestromen, E: elektrische energiestromen)
6
Over IWT-TETRA ZonWarm Het ZonWarm project (http://zon-warm.lessius.eu/) loopt in samenwerking met de volgende bedrijven en partners: ACV Belgium, Baxi, Buderus, Daikin, Eco Heating, Ecompany, Elco, Energieconcepten, IZEN Energy Systems, Lambrechts, Thermoduct, MiNi Energietechniek, Nathan, Nibe, Ra-collectoren, Sanutal, Stiebel Eltron, Thercon, Van Rompaey en Viessmann; de Sectorassociatie voor Thermische Zonne-energie en Zonneboilers (Belsolar), European Heat Pump Association (EHPA), Overlegplatform voor Energiedeskundigen (OVED), Vlaams Elektro Innovatiecentrum (Tecnolec), Vlaams Energieagentschap (VEA), Vlaamse Confederatie Bouw (VCB), Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO), Warmtepomp Platform (WPP) en het Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf (WTCB)
7
