Vakreeks. Warmtepompen. Vitocal - Met warmte uit de natuur verwarmen voor een zekere toekomst

Vakreeks

Warmtepompen

Vitocal - Met warmte uit de natuur verwarmen voor een zekere toekomst

Warmtepompen benutten hernieuwbare soorten energie uit het milieu. De opgeslagen zonnewarmte In de aardbodem, in het grondwater en in de lucht wordt met behulp van elektrische energie in comfortabele verwarmingswarmte omgezet. Vitocal warmtepompen zijn zo efficiënt dat ze het hele jaar door als enige warmteleverancier kunnen worden toegepast.

2

Inhoudsopgave

1 1.1 1.2 1.3

Inleiding Marktontwikkeling Warmtepompen zijn milieuvriendelijk Toepassingsgebieden van warmtepompen

Pagina 4

2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3

Principes Basisprincipe Bouwwijzen Compressie-warmtepomp Sorptie-warmtepomp Vuilleumier-warmtepomp Kengetallen

Pagina 6

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5

Warmtepomptechniek Componenten van elektro-compressie-warmtepompen Verdichter Warmtewisselaar Zuiggas-warmtewisselaar Regeling Warmtebronnen Warmtebron aardbodem Warmtebron water Warmtebron lucht Koelen met compressie-warmtepompen Omkeerbare werking „Natural cooling“ Koeling van de ruimtes: dragermedium lucht of water? Bedrijfsmodi van warmtepompen Monovalente bedrijfsmodus Mono-energetische bedrijfsmodus Bivalente bedrijfsmodus Buffervat Drinkwaterbereiding

Pagina 14

4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.7

Toepassing van warmtepompen Warmtepompen voor de modernisering EVI-cyclus Vitocal 350 - Ruimer toepassingsgebied Warmtepompen in lage-energieen passiefhuizen Lage-energiehuizen Vitocal 343 Passiefhuizen Vitotres 343 Warmtepompen voor grotere gebouwen Warmtepompen met twee verdichters Vitocal 300 voor grote prestaties Aandacht voor warmtepompen in de EnEV Warmtebron-invloed op het installatieverbruiksgetal Decentraal elektrische drinkwaterverwarming Rendabiliteit van warmtepompen Installering en werking Configuratie Toeslag voor drinkwaterverwarming Subsidie

Pagina 30

5

Samenvatting

Pagina 43

3

1 Inleiding

1 Inleiding 20

De onderhavige vakserie geeft de wezenlijke grondslagen van de warmtepomptechnologie weer, stelt verschillende technische varianten voor en licht belangrijke aspecten van toepassing nader toe.

1.1 Marktontwikkeling

18 16

14 Verwarmings-warmtepompen [in duizend/a]

Op grond van het stijgende milieubewustzijn wint de benutting van regeneratieve soorten energie toenemend aan betekenis. In het kader van deze ontwikkeling beleeft de warmtepomp een renaissance. De technische onvolkomendeden die de eerste hausse in het begin van de jaren 80 snel weer lieten wegebben, zijn verholpen. Tegenwoordig vormt de warmtepomp een betrouwbaar, kostenbesparend en toekomstveilig verwarmingssysteem dat bovendien bijzonder milieu-ontziend werkt.

12 10 8 6 4 2 0

96

97

98

99

Aardbodem

Water

02

Lucht

Afbeelding 1: In Duitsland jaarlijks nieuw geïnstalleerde warmtepompen (Bron: Initiativkreis WärmePumpe (IWP) e.V.)

Het zwaartepunt van de nieuwe installaties ligt op Sole/water-warmtepompen (afbeelding 2) die de warmte uit de aardbodem winnen omdat zo ook in het koude jaargetijde een monovalente werking zonder extra warmte-opwekker mogelijk is.

4

01 Jaar

In Zwitserland wordt reeds vandaag de dag iedere derde nieuwbouw met een elektro-warmtepomp uitgerust, in Zweden bezitten zelfs 7 van 10 nieuwe gebouwen een warmtepomp. Ook de groeipercentages voor de Duitse markt zijn, zoals Afbeelding 1 toont, aanzienlijk.

Er is echter ook een trend naar lucht/ water-warmtepompen (afbeelding 3) vast te stellen omdat deze met minder moeite en voordelig kunnen worden geïnstalleerd. In Zwitserland bedraagt het aandeel van dit type reeds 60 % van de nieuw geïnstalleerde installaties.

00

Afbeelding 2: Sole/water- en water/waterwarmtepomp Vitocal 300

03

04

05

Inleiding

1.2 Warmtepompen zijn milieuvriendelijk De reikwijdte van de fossiele brandstoffen gas en olie is qua tijd aan grenzen gebonden. Dit feit dringt steeds meer tot het bewustzijn van de mensen door - en daarmee groeit het streven om regeneratieve soorten energie voor het beschikbaar stellen van warmte toe te passen. Ook vanuit de politiek worden velerlei inspanningen ondernomen om op een wijze die ressources spaart, met de fossiele energiedragers om te gaan. Naast de eindigheid van de voorraden speelt daarbij ook de klimaatbescherming een belangrijke rol. Want de emissie-vermindering van CO2 en andere klimaatgassen moet dringend worden doorgezet als het driegende gevaar van klimaatveranderingen moet worden uitgebannen.

Verwarmen

Koelen

Bovendien ventileren

Passiefhuis

■

■

■

Lage-energiehuis

■

■

■

Meergezinswoning

■

Bestaande bouw

■ 1)

Industriegebouw

■

Proceswarmtebenutting

■

Nabije warmtenetten

■

■

■

1) hogere voorlooptemperaturen

Tabel 1: Keuzetabel

Dit alles zijn argumenten die voor de toepassing van regeneratieve soorten energie spreken. De warmtepomp is een bijzonder energieefficiënte oplossing om warmte voor verwarming en drinkwaterverwarming beschikbaar te stellen.

1.3 Toepassingsgebieden van warmtepompen Warmtepompen zijn geschikt voor de warmtevoorziening van alle soorten gebouwen: Eensgezins- en meergezinswoningen, hotels, ziekenhuizen, scholen, kantoorgebouwen en industriegebouwen, zowel als nieuwbouw als ook bij de modernisering in bestaande gebouwen. Om aan de eisen te voldoen die aan passiefhuizen worden gesteld, voert voor dit huistype haast geen weg aan de warmtepomp voorbij. Zoals bij de traditionele warmte-opwekkers ook, zijn er warmtepompen voor bijna alle toepassingsgevallen (tabel 1).

Afbeelding 3: Lucht/water-warmtepomp Vitocal 300

5

2 Grondslagen

2.1 Basisprincipe Onafhankelijk van zijn betreffende bouwwijze kan een warmtepomp als een apparaat worden beschouwd dat de temperatuur van het arbeidsmedium van een laag niveau met behulp van extra energie naar een hoger temperatuurniveau tilt en zo de warmte-inhoud van het medium ten nutte maakt (afbeelding 4). De wijze waarop dit gebeurt, is al naargelang uitvoering van de warmtepomp verschillend. Bij de tegenwoordig in de verwarmingstechniek tot toepassing komende warmtepompen wordt echter altijd een geschikt arbeidsmedium verdicht en weer ontspannen, zodat de gewenste wisseling van warmte-opname en afgifte optreedt (afbeelding 5).

Milieuwarmte (aardbodem, water, lucht)

Verwarmen (stroom)

Verwarmingswarmte

Afbeelding 4: Principe van de warmtepomp

Verdampte Verwarmingswarmte

2.2 Bouwwijzen Volgens hun bouwwijze resp. hun arbeidsprincipe kunnen warmtepompen onderverdeeld worden in: – compressie-warmtepompen – sorptie-warmtepompen (onderverdeeld in absorptieen adsorptiewarmtepompen) – Vuilleumier-warmtepompen

Expansieventiel

Bovendien bestaan er nog andere technische oplossingen, zoals bijv. de thermo-elektrische warmtepomp. Naar verwachting zullen deze echter binnen afzienbare tijd voor de verwarming van gebouwen resp. voor de drinkwaterverwarming geen betekenis hebben.

Milieuwarmte

Condensor

Afbeelding 5: Warmtepompkringloop

6

Scroll-verdichter

Grondslagen

2.2.1 Compressie-warmtepomp

Warmtetoevoer (milieu)

Compressie-warmtepompen gelden als stand van de techniek en zijn daarom het wijdst verbreid. Hun werkwijze komt overeen met die van normale koelkasten - alleen met veranderde instelling (verwarmen in plaats van koelen).

Secundaire zijde Condensor (3)

Elektro-compressie-warmtepomp Bij de warmte-opname uit het milieu bevindt het vloeibare arbeidsmedium (koelmiddel) zich bij geringe druk aan de primaire zijde (koude zijde) in de verdamper (1). Het buiten bij de verdamper aanwezige temperatuurniveau van de milieuwarmte is hoger dan de met de druk overeenkomende kooktemperatuur van het arbeidsmedium, zodat het arbeidsmedium verdampt en aan de omgeving daarbij warmte onttrekt. Het temperatuurniveau kan daarbij zeker beneden 0°C liggen. De verdichter (2) zuigt het verdampte arbeidsmedium uit de verdamper af en verdicht het, daarbij stijgen druk en temperatuur van de damp (analoog aan een fietspomp bij de drukopbouw). Van de verdichter komt het dampvormige arbeidsmedium aan de secundaire zijde (warme zijde (verwarmingssysteem)) in de condensor (3) die door het verwarmingswater omspoeld is. De temperatuur van het verwarmingswater is lager dan de condensatietemperatuur van het arbeidsmedium, zodat de damp afgekoeld en daarbij weer vloeibaar gemaakt wordt. De in de verdamper opgenomen warmte evenals de extra door het verdichten toegevoerde energie worden daarbij aan het verwarmingswater afgegeven. Daarna wordt het arbeidsmedium via een

Expansieventiel (4)

Verdichter (2)

Verdamper (1)

Primaire zijde Warmte-afgifte (aan het verwarmingssysteem) Afbeelding 6: Werkingsschema van een warmtepomp (Geanimeerde werking van het proces onder www.viessmann.de/waermepumpen)

expansieventiel (4) naar de verdamper teruggevoerd. Daarbij wordt het van de hoge druk van de condensor naar de lage druk van de verdamper ontspannen en koelt af. De kringloop is gesloten.

7

Grondslagen

Bepaalde koelmiddelen bijv. R 407C zijn drie-stoffen-mengsels. Iedere stof heeft daarbij zijn eigen verdampingstemperatuur. Door de toepassing van een zuiggas-warmtewisselaar wordt een 100 % verdamping van iedere deelstof gegarandeerd. Daarmee wordt vermeden dat vloeistof in de verdichter komt en het rendementsgetal van de koelkringloop wordt verbeterd. Het principe berust daarop dat een deel van de in het arbeidsmedium achter de condensor nog aanwezige warmte via een extra warmtewisselaar op de dampzijde (voor de verdichter) wordt overgedragen. Daardoor worden ook de resterende vloeistofdruppels verdampt. Deze warmte-overdracht leidt aan de koude zijde tot een drukverhoging en aan de warme zijde tot een drukvermindering. De verlaging van het drukverschil tussen beide zijden heeft tot gevolg dat een geringere verdichterarbeid behoeft te worden opgebracht. Het stroomverbruik daalt en het rendementsgetal van de warmtepomp kan max. 5 % stijgen (afbeelding 7).

Warmteafgifte (aan het verwarmingssysteem) Condensor

Verdichter

Zuiggas Oververhitting warmtewisselaar

Expansieventiel

Verdamper


Afbeelding 7: Warmtepomp met zuiggas-warmtewisselaar voor oververhitting van het koelmiddel (Geanimeerde werking van het proces onder www.viessmann.de/waermepumpen)

Afbeelding 8: Sole/water-warmtepomp Vitocal 300

8

Grondslagen

Moderne op stroom werkende warmtepompen betrekken ongeveer drie vierde van voor het verwarmen vereiste warmte uit het milieu, het resterende kwart wordt als stroom voor de aandrijving van de verdichter betrokken. Omdat deze elektrische energie tenslotte ook in warmte wordt omgezet, kan deze voor verwarmingsdoeleinden worden benut. Uit de verhouding van afgegeven verwarmingswarmte (inclusief de uit de stroomtoevoer ontstane warmte van de verdichter) tot de toegepaste energie (stroombetrekking) resulteert het rendementsgetal ofwel de COP (in dit geval (3 + 1) / 1 = 4) dat de effectiviteit van de warmtepomp beschrijft (afbeelding 9). Bij gebruik van regeneratief opgewekte stroom die energieleveranciers gedeeltelijk speciaal voor warmtepompen aanbieden, kan de verwarmingswarmte volledig regeneratief worden opgewekt. In dit geval vormt de warmtepomp naast de zonne-energie-techniek het enige verwarmingssysteem dat een CO2-vrije opwekking van warmte mogelijk maakt.

Afgegeven verwarmingsvermogen: 1 kW

Warmtevermogen uit het milieu: 3 kW

Vermogensgetal

Vermogensgetal Jaar-arbeidsgetal

afgegeven verwarmin vermogen 4 kW

afgegeven verwarmingsvermogen 4 kW = –––––––––––––––––––––––––––––––––– = ––––– gebruikt elektrisch vermogen 1 kW

=

4

= Opgave door producent, laboratoriumwaarde volgens EN 255 = Verhouding van de gewonnen warmte gedurende een jaar tot de gebruikte energie

Afbeelding 9: Afleiding van het rendementsgetal

9

Grondslagen

40°C

30 20

60°C

70°C

Condensatie

4

– 10°C

2

– 30°C

1

Verdamping

damp oververhitte

1 50

100

150

200

250

300

350

400

450

Enthalpie h [kJ/kg] Afbeelding 10: Het kringproces van een traditionele lucht/water-warmtepomp in het „lg p-h-diagram“ (vereenvoudigde weergave voor -15°C buitenluchttemperatuur (luchtintreding) en 45°C voorlooptemperatuur)

THV = 35°C THV = 45°C

15

THV = 55°C THV = 35°C THV = 45°C 10,8

THV = 55°C

10

Verwarmings8,4 vermogen

Koelvermogen 5 THV = 55°C

Elektrische vermogensopname

THV = 45°C THV = 35°C

2,4

0 –5

0

5

Afbeelding 11: Vermogensdiagram Vitocal 300, Type BW 110

10

2

Damp

– 40°C

80°C

– 20°C

120°C

0°C

140°C

10°C

100°C

Vloeibaar

Ve rd ich tin g

Expansie

5 4 3

20°C

Vermogensdiagram De vermogensdiagrammen geven de samenhang tussen verwarmings,koelen elektrisch vermogen enerzijds en de temperatuuromstandigheden (inlaattemperatuur van het „Bronmedium“ en verwarmingsvoorlooptemperatuur anderzijds) weer. In het voorbeeld in Afbeelding 11 heeft een warmtepomp bij de temperaturen B 0/W 35 (B 0 = Soleinlaattemperatuur van 0°C, W 35 = verwarmingswater-uittreetemperatuur van 35°C) een koelvermogen van QK = 8,4 kW. Het elektrische opgenomen vermogen ligt bij 2,4 kW, zodat als verwarmingsvermogen het totaal van 10,8 kW resulteert. Uit deze diagrammen kan zodoende voor verschillende voorlooptemperaturen het door de warmtepomp ter beschikking gestelde verwarmingsvermogen en het bij de warmtebron vereiste koelvermogen worden berekend.

3

30°C

10

Vermogen [kW]

Bovendien kan het rendementsgetal Â worden bepaald: dit geeft de verhouding van op dat moment afgegeven warmtevermogen tot het opgenomen elektrische vermogen aan. Het overwegende deel van de warmte-overdracht op het verwarmingssysteem vindt in het rood afgebakende dampgebied van het arbeidsmedium plaats. Daarmee ligt in het getoonde voorbeeld het maximale temperatuurniveau bij ongeveer 45°C, geldend voor - 15°C luchtinlaattemperatuur. Theoretisch hogere temperaturen zouden dan bereikbaar zijn wanneer het koelmiddel hoger verdicht wordt (verlenging van de processtap 2 - 3 verder dan punt 3) (zie 3.1.3).

50 40

Druk p absoluut [bar]

Temperatuur- en drukwaarden van een kringproces worden normaal in een „lg p-h-diagram“ weergegeven. Voor het „Basis-warmtepomp-proces“ laten de diverse arbeidsgangen - verdamping (1 - 2), Verdichting (2 - 3), Condensatie (3 - 4) en Expansie (4 - 1) - zich als trajecten aflezen (afbeelding 10).

50°C

lg p-h-Diagram voor warmtepompen

10 15 Soletemperatuur [°C]

Grondslagen

Gasmotorische-compressiewarmtepomp In principe kunnen compressiewarmtepompen ook op aardgas, dieselbrandstof of biomassa (raapolie, biogas) werken. Voor de aandrijving van de verdichter wordt dan een verbrandingsmotor gebruikt. Buiten de extra moeite die voor de geluidsdemping van een verbrandingsmotor evenals voor de afvoergas-geleiding moet worden gedaan, is in dit geval ook een toevoer van brandstof noodzakelijk. Bij gas-compressie-warmtepompen is de volle benutting van de primaire energie gunstiger dan bij elektrowarmtepompen omdat de afvalwarmte van het verbrandingsproces als verwarmingswarmte kan worden benut, terwijl deze in de stroom opwekkende energiecentrale in de regel onbenut aan de omgeving wordt afgegeven.

Warmteafgifte (aan het verwarmingssysteem)

Thermische verdichter Uitdrijver 4

Absorber 5 Warmtetoevoer Expansieventiell 6

Expansionsventil 7

3 Oplosmiddelpomp

Condensor 1

Absorber 2


Warmteafgifte (aan het verwarmingssysteem)

Afbeelding 12: Schema van een absorptie-warmtepomp

2.2.2 Sorptie-warmtepomp Absorptie-warmtepomp Onder sorptie verstaat men fysischchemische processen waarbij ofwel een vloeistof of een gas door een andere vloeistof opgenomen (absorptie) of echter aan het oppervlak van een vaste stof wordt vastgehouden (adsorptie). Deze processen komen onder bepaalde omstandigheden door fysische inwerkingen (druk, temperatuur) tot stand en kunnen ongedaan worden gemaakt. Uit het dagelijks leven bekende processen van deze aard zijn bijv.: – In mineraalwater geabsorbeerd (opgelost) koolzuur dat bij het openen van de fles (vermindering van de druk) weer vrijkomt. – De filtering van geuren en schadelijke stoffen uit de ademlucht door actieve kool (adsorptie).

Absorptie-warmtepompen werken normaal gesproken op aardgas, waarbij in plaats van een mechanische een thermische verdichter wordt toegepast. Ze benutten in principe dezelfde fysische grondslagen als compressie-warmtepompen. In tegenstelling tot de compressiewarmtepomp wordt in plaats van de mechanische verdichter een thermische verdichter benut. Daarbij wordt een reeds bij lage temperaturen kokend koelmiddel zoals bijv. ammoniak gebruikt en zoals in afbeelding 12 onder (1) weergegeven op laag temperatuur- en drukniveau onder opname van milieuenergie verdampt. De koelmiddeldamp stroomt in de absorber (2), waar hij door een oplosmiddel, bijv. water, onder afgifte van de oploswarmte geabsorbeerd resp. opgelost wordt. De ontstane warmte wordt via een warmtewisselaar in het verwarmingsnet ingekoppeld.

Via de oplosmiddelpomp (3) wordt de oplossing van het stofpaar naar de thermische verdichter (4) getransporteerd. Het stofpaar onderscheidt zich hierbij door verschillende kooktemperaturen, d.w.z. door warmtetoevoer bijv. via een gasbrander wordt het opgeloste koelmiddel dat over de geringere kooktemperatuur van de beide stoffen beschikt, weer uitgedreven resp. verdampt. De op hoog druk- en temperatuurniveau staande koelmiddeldamp stroomt in de condensor (5) en wordt onder afgifte van de condensatiewarmte gecondenseerd. De condensatiewarmte wordt daarbij op het verwarmingsnet overgedragen. Het vloeibare koelmiddel wordt via het expansieventiel (6) ontspannen en op het oorsprongkelijke druk- en temperatuurniveau gebracht. In de „verdichterkring“ wordt analoog daaraan met het oplosmiddel omgegaan (7).

11

Grondslagen

De gebruikte energie (stroom) voor de oplosmiddelpomp is zeer gering. De energie voor de thermische verdichter wordt in de vorm van warmte (gasverbranding) toegevoerd. Naast aardgasbranders kunnen ook andere warmte-opwekkers worden toegepast. Het voordeel van de absorptiewarmtepomp ligt in een goede primaire energie-benutting evenals in het feit dat behalve de oplosmiddelpomp geen bewegende delen noodzakelijk zijn. Absorptie-aggregaten met groot vermogen (groter dan 50 kW) zijn als koelmachines stand van de techniek. Kleinere vermogens tot ongeveer 2 kW vindt men bijvoorbeeld in op propaangas werkende campingkoelkasten. Als arbeidsmedium is een zogenaamd arbeidsstofpaar nodig. Gebruikelijk zijn water als oplosmiddel en ammoniak als koelmiddel. Voor de toepassing als verwarmingswarmte-opwekker in het middelgroot vermogensbereik bestaan nog geen deugdelijke seriematige oplossingen.

Adsorptie-warmtepomp De adsorptie-warmtepomp werkt met vaste stoffen, zoals bijv. actieve kool, silicagel (glasachtige silicaten) of zeoliet. Het mineraal zeoliet - vrij vertaald als „kokende steen“ aangeduid - heeft de eigenschap om waterdamp aan te zuigen, aan zich te binden (te adsorberen) en daarbij warmte in het temperatuurgebied tot ca. 300°C af te geven. Men spreekt van een exotherme reactie. Zoals bij de tot nu toe beschreven warmtepompen is het proces van warmte-opname en warmte-afgifte ook in de adsorptie-warmtepomp een kringproces, de werkwijze is echter periodiek. Een mogelijke uitvoering van deze bouwwijze toont afbeelding 13. Voorwaarde voor adsorptie-warmtepompen van deze bouwwijze is een vacuümsysteem.

12

1e Fase (desorptie)

2e Fase (adsorptie)

Warmtetoevoer

Warmte-afgifte

2 Gasbrander 1

2 Gasbrander 1

Warmtewisselaar met zeoliet

Warmtewisselaar met zeoliet

Warmte-afgifte (aan het verwarmingssysteem) Damp

3

Damp

3

Warmtewisselaar (als verdamper)

Warmte-afgifte (aan het verwarmingssysteem)

Warmtewisselaar (als condensor)


Afbeelding 13: Werkwijze van een adsorptie-warmtepomp

In de eerste fase (de zogenaamde desorptiefase) wordt aan de met silicagel of zeoliet gecoate warmtewisselaar (1) bijv. met een gasbrander (2) warmte toegevoerd. Daarbij komt het in deze vaste stof gebonden water als damp vrij, die naar de tweede warmtewisselaar (3) stroomt. Deze warmtewisselaar heeft een dubbele functie: in de eerste fase geeft hij de warmte die nu bij de condensatie van de damp vrijkomt, aan het verwarmingssysteem af. Deze eerste fase is beëindigd als in het zeoliet geen water meer aanwezig, een gewenste drogingsgraad bereikt, en het water bij de tweede warmtewisselaar is gecondenseerd. De brander wordt nu uitgeschakeld.

dampt. De waterdamp stroomt naar de warmtewisselaar (1) terug en wordt daar weer door het silicagel of zeoliet opgenomen (geadsorbeerd). De daarbij door het silicagel of zeoliet afgegeven warmte komt via de warmtewisselaar (1) in het verwarmingssysteem. Wanneer de waterdamp volledig is geadsorbeerd, is een complete periode van dit warmtepompproces afgesloten.

De tweede fase begint daarmee, dat de warmtewisselaar (3) nu als verdamper werkt, doordat hij aan het water milieuwarmte toevoert. Omdat in deze fase drukwaarden van ca. 6 bar absoluut in het systeem heersen, wordt het koelmiddel water onder opname van milieuwarmte ver-

Zoals de eerder beschreven absorptie-warmtepomp komt echter ook deze bouwwijze al sinds langere tijd als koelmachine met groot vermogen tot toepassing.

De adsorptie-warmtepomp voor de verwarming van een- en meergezinswoningen bevindt zich momenteel in ontwikkeling. Qua apparatuur is er relatief veel voor nodig omdat vacuümtechniek moet worden toegepast.

Grondslagen

2.2.3 Vuilleumier-warmtepomp Eveneens op aardgas werkt de zogenaamde Vuilleumier-warmtepomp (afbeelding 14). Deze warmtepomp werkt volgens het principe van een thermisch aangedreven regeneratief gas-kringproces wat lijkt op het Stirling-proces. Als arbeidsmedium wordt het milieuneutrale inert gas Helium toegepast. Het Vuilleumier-proces berust op een patent dat in 1918 in Amerika aan Rudolph Vuilleumier werd verleend. De bijzonderheid van het proces berust daarop dat twee warmtebronnen met verschillend temperatuurniveau kunnen worden benut. De “aandrijving” van het kringproces geschiedt via een gasbrander, als tweede warmtebron wordt via een warmtewisselaar bijvoorbeeld de warmte van de buitenlucht ontsloten. Zelfs bij buitentemperaturen van min 20°C zijn voorlooptemperaturen van 75°C bereikbaar. Zodoende kan de Vuilleumier-warmtepomp in bestaande gebouwen worden toegepast. Al naargelang systeemvoorwaarden zijn bij proefinstallaties norm-vermogenswaarden (vergelijkbaar met de normrendementsfactor bij verwarmingsketels) tot 162 % gemeten. Systemen die momenteel in ontwikkeling zijn, tonen dat ten opzichte van de gas-verbrandingswaardetechniek primaire energie-besparingen tot 44 % te realiseren zijn. In principe kunnen Vuilleumier-warmtepompen voor een vermogensgebied van 15 tot ongeveer 45 kW thermisch vermogen worden ontwikkeld, prototypen voor laboratoriumtests werden reeds tot een vermogen van 33 kW gebouwd. Indien de economische randvoorwaarden in orde zijn, zou de verdere ontwikkeling tot aan de serieproductie binnen niet veel jare kunnen worden afgesloten. Energetisch vormt de Vuilleumier-warmtepomp in vergelijking tot de absorptieen compressie-warmtepomp het gunstigste alternatief.

warmtetoevoer (gasbrander) Warm arbeidsgasvolume Vh, Th Warme regenerator

Verdringer

Vw, Tw Koude regenerator Vk, Tk

1

Heet arbeidsgasvolume

Warmte-afgifte aan het verwarmingssysteem Verdringer 2 Koud arbeidsgasvolume


Bild 14: Prinzip einer Vuilleumier-Wärmepumpe

2.3 Kengetallen Om een warmtepomp resp. een complete warmtepomp-installatie te kunnen beoordelen, werden kengetallen ingevoerd die voor compressiewarmtepompen in DIN EN 255 precies zijn gedefinieerd. De belangrijkste kengetallen voor elektrisch werkende compressiewarmtepompen zijn het rendementsgetal (COP = coefficient of performance) en het jaar-arbeidsgetal. Het rendementsgetal Â beschrijft de verhouding van de verwarmingsprestatie in relatie tot de gebruikte aandrijfprestatie (zie ook afbeelding 9). Een rendementsgetal van 4 betekent dus dat het viervoudige van de gebruikte elektrische energie als warmte wordt afgegeven. Het rendementsgetal is een waarde die in een stationaire bedrijfstoestand bij vastgelegde gebruiksomstandigheden (instelpunt) wordt gemeten. Bij Sole/water-warmtepompen bijvoorbeeld betekent instelpunt B0/W35: Sole-inlaattemperatuur 0°C, verwarmingswater-uittreetemperatuur 35°C.

Voor alle warmtepompen geldt: hoe geringer het temperatuurverschil tussen verwarmingswater en warmtebron is, des te beter is het rendementsgetal en daarmee de efficiëntie. Daarom zijn warmtepompen bijzonder geschikt voor verwarmingssystemen met lage systeemtemperaturen, zoals bijvoorbeeld vloerverwarmingen. Moderne elektro-warmtepompen bereiken naargelang gekozen warmtebron en verwarmingssysteem-temperatuur rendementsgetallen van 3,5 tot 5,5. Dat betekent dat per kWh gebruikte stroom 3,5 tot 5,5 kWh verwarmingswarmte opgewekt wordt. Daarmee wordt het ecologische nadeel dat door het gebruik van stroom ontstaat (energiecentrale-rendementsfactor in Duitsland momenteel ca. 34 %), meer dan gecompenseerd. Het jaar-arbeidsgetal‚ is een meetwaarde die bij een complete warmtepomp-installatie over een periode van een jaar wordt berekend. Het drukt de verhouding van afgegeven nuttige warmte tot gebruikte aandrijfenergie, inclusief het stroomaandeel voor circulatiepompen, elektronische regeling etc., uit. 13

3 Warmtepomptechniek

3.1 Componenten van elektrocompressie-warmtepompen Moderne elektro-warmtepompen vormen tegenwoordig compacte units en zijn technisch en optisch niet meer met de warmtepomp-generaties van de jaren 80 te vergelijken.

3.1.1 Verdichter Het hart van een warmtepomp is de verdichter die voor de stijging van het temperatuurniveau van de koude zijde (warmtebron) naar de warme zijde (verwarmingskring) zorgt (afbeelding 15). Moderne volledig hermetische Scroll-verdichters voor elektro-warmtepompen onderscheiden zich van slagzuigerverdichters die vroeger werden toegepast, door lange levensduur en zeer rustig lopen. Ze gelden tegenwoordig als industriestandaard in Europa, Japan en de VS en zijn reeds meer dan 12 milj. maal succesvol in gebruik. Door de hermetische afdichting van de verdichter wordt een onderhoudsvrije werking gedurende vele jaren gewaarborgd (afbeelding 16). De verdichting van het arbeidsmedium geschiedt via een spiraalverdichter (Scroll), waarbij twee archimedische spiralen worden gebruikt. Door de excentrische aandrijving van de ene spiraal worden telkens twee tegenover elkaar liggende halve-maanvormige volumes ingesloten en van buiten naar binnen bewogen, waarbij het ingesloten volume zich verkleint. De bewogen massa's zijn tot weinig delen gereduceerd, deze voeren een rotaterende beweging uit. Door de opstelling en het vermijden van oscillerende massa's worden vibraties geminimaliseerd. Van afdichtingselementen aan de spiraaltoppen kan op grond van de zeer precieze vervaardiging worden afgezien, de gasdichtheid van de diverse ingesloten volume-elementen ten opzichte van elkaar wordt door een oliefilm gewaarborgd.

14

Afbeelding 15: Scroll-verdichter

In vergelijking tot conventionele slagzuigerverdichters wordt een geluidsreducering met ongeveer 6 dB(A) bereikt, wat overeenkomt met een reducering van het geluid dat men gewaar wordt, met een vierde. De geluidsontwikkeling komt daarmee ongeveer overeen met die van een koelkast van gelijke capaciteit. Als koelmiddel binnen het warmtepompcircuit worden tegenwoordig in de regel R 407 C, R 410 A, R 404 A en R 134 A toegepast, die FCKW- en H-FCKW-vrij, niet giftig, biologisch afbreekbaar en niet brandbaar zijn.

Afbeelding 16: Scroll-spiralenpaar

Warmtepomptechniek

In tegenstelling tot buizenbundelwarmtewisselaars vertonen edelstaal-platenwarmtewisselaars geen laminair, maar een turbulent stromingsbeeld. Dit leidt tot een beter warmte-overdrachtgedrag. Bovendien is de opbouw zeer compact en daarmee ruimtebesparend.

10

30

60°C

50 40

50°C

Bij warmtepompen worden voor verdamper (uitzondering: lucht/waterwarmtepomp) en condensor voornamelijk edelstaal-platenwarmtewisselaars toegepast.

40°C

3.1.2 Warmtewisselaar

70°C

5

20

Vloeibaar

4

ng tu ich

3

Verdampfung 2

damp oververhitte

Damp

–40°C

140°C

1

100°C

–30°C

120°C

2

–10°C

–20°C

80°C

Flüssig

10°C 0°C

Ve rd

5 4 3

Expansion

druk p absoluut [bar]

30°C 20°C

1 50

3.1.3 Zuiggas-warmtewisselaar

100

150

200

250

300

350

400

450

Enthalpie h [kJ/kg]

In de praktijk vindt al naargelang arbeidsmedium een oververhitting van het arbeidsmedium plaats voordat het in de verdichter gaat (zie ook 2.2.1.1). Het koelmiddel heeft, als het uit de condensor komt, een hogere temperatuur dan na de verdamper. In de zuiggas-warmtewisselaar wordt een deel van deze warmte voor de oververhitting van het uit de verdamper komende koelmiddel benut. Daardoor worden ook de resterende vloeistofdruppels verdampt. Warmtepompen Vitocal 300 beschikken over een zuiggas-warmtewisselaar (afbeelding 18).

Verdampingswarmte uit het milieu (72%)

Eentraps warmtepomp, Typ AW: A –15°C / W 45°C 1–2 2–3 3–4 4–5 5–1

Verdamping Oververhitting Verdichting Condensatie Expansie

Afbeelding 17: lg p-h-Diagram voor tussen-warmtewisselaar

Uit een „lg p-h-diagram“ laten de diverse arbeidsgangen - verdamping (1 - 2), oververhitting (2 - 3), verdichting (3 - 4), condensatie (4 - 5) en expansie (5 - 1) - zich als trajecten aflezen (afbeelding 17). Voor het voorbeeld resulteert een aandeel aan milieuenergie van 72 % tegenover een stroomopname van 28 %. Bovendien kan, zoals beschreven, het rendementsgetal Â worden berekend: dit geeft de verhouding van op dat moment afgegeven warmtevermogen tot het opgenomen elektrisch vermogen aan.

Elektrische energie voor verdichteraandrijving (28%)

Magnetventil???? Filtertrockner???

Zuiggas-warmtewisselaar

Schauglas???

Afbeelding 18: Zuiggas-warmtewisselaar in de warmtepomp Vitocal 300

15

Warmtepomptechniek

3.1.4 Regeling Nadat wat regeling betreft bij warmtepompen lange tijd een technische inhaalbehoefte in vergelijking tot comfortabele regelunits van conventionele verwarmingssystemen bestond, is deze leemte nu opgevuld. Naast de uit de verwarmingstechniek bekende functies als weersafhankelijke sturing, verwarmingscurveselectie, timerfuncties voor verlagings- en vakantiewerking etc. worden tegenwoordig warmtepompspecifieke bedrijfs- en foutmeldingen in duidelijke tekst aangeboden. Grote grafiek-adequate displays, onderliggende hulpmenu's, menugestuurde bediener-begeleidingen en BUSaankoppelingen onderscheiden bedieningsvriendelijke regelingen. De nieuwste regelingen bezitten ook de functies ter integratie van zonnecollectoren en voor het „natural cooling“ (afbeelding 19).

Afbeelding 19: Weersafhankelijke, digitale warmtepomp-regeling CD 70

3.2 Warmtebronnen Voor de benutting van de omgevingswarmte staan de warmtebronnen aardbodem, grond- en oppervlaktewater, omgevingslucht of afvalwarmte ter beschikking (afbeelding 20). De in het individuele geval meest geschikte warmtebron hangt af van de plaatselijke omstandigheden, de ligging van het gebouw en de warmtebehoefte. Allgemeen geldt: hoe geringer het temperatuurverschil (ook temperatuursprong genoemd) tussen warmtebron en verwarmingssysteem is, des te minder aandrijvingsenergie is voor de verdichter benodigd, en des te beter is het rendementsgetal.

Warmtebron lucht: Uitstekende beschikbaarheid, geringste investeringskosten, in de regel bivalent mono-energetisch werkend (elektro-radiator voor lage buitentemperaturen)

Beschikbaarheid

Afvalwarmte

Warmtebron aardbodem: Grootste aandeel bij nieuw geïnstalleerde installaties, kan monovalent werken, hoge efficiëntie

Warmtebron water: Belangrijk: op waterkwaliteit letten, bijzonder hoge efficiëntie, kan monovalent werken

Warmtebron afvalwarmte: Afhankelijk van beschikbaarheid, hoeveelheid en temperatuurniveau van de afvalwarmte, geringste marktaandeel.

16

Efficiëntie

Grondwater

Aardwarmte

Lucht

Afbeelding 20: Warmtebronnen voor warmtepompen

Warmtepomptechniek

3.2.1 Warmtebron aardbodem

Diepte [m]

Aardoppervlak De aardbodem is een goede warmteopslag omdat de temperaturen daarin gedurende het hele jaar met 7 tot 13°C (op 2 m diepte) relatief gelijkmatig zijn (afbeelding 21). Via horizontaal gelegde aardcollectoren (afbeelding 22) of via verticaal in de aarde ingebrachte aardsondes wordt de opgeslagen warmte met een mengsel uit water en anti-vriesmiddel (Sole) naar de verdamper van de zogenaamde Sole/ water-warmtepomp (Sole in de primaire kringloop, water in de secundaire - (verwarmings-) kringloop) getransporteerd.

0

Temperatuur [°C] 0 5

10

15

20

1. Aug.

1. Feb.

1. Nov.

1. Mai 5

10 De warmte-onttrekking uit de aardbodem geschiedt via over een groot oppervlak gelegde kunststof buissystemen in de aardbodem. Onder de warmtebron „aardbodem“ verstaat men de bovenste aardlaag tot een diepte van ca. 5 m. De winning van de warmte gebeurt via een warmtewisselaar die in een onbebouwd stuk grond in de buurt van het te verwarmen gebouw wordt gelegd. De uit diepere lagen naar boven stromende warmte bedraagt slechts 0,063 tot 0,1 W/m2 en kan als warmtebron voor de bovenste lagen worden verwaarloosd. De aardbodemcollector wordt door zonne-instraling, regen, dauwwater etc. geregenereerd resp. benut de energie uit deze milieuinvloeden. De kunststof buizen (PE) worden in de aardbodem op een diepte van 1,2 tot 1,5 m gelegd. De afzonderlijke buisbundels dienen een lengte van 100 m niet te overschrijden omdat de drukverliezen en daarmee de op te brengen pompcapaciteiten anders te hoog zouden worden. De buisbundels dienen telkens even lang te zijn om zo identieke drukverliezen en daardoor gelijke doorstromingsomstandigheden te bereiken. Daarmee onttrekt het collectorveld aan de aardbodem gelijkmatig de warmte. De buizen zijn bij hun uiteinden in iets hoger gelegen voor- en terugloopverzamelaars (ventilatie) samengepakt. Iedere bundel dient apart afsluitbaar te zijn. De Sole wordt met een circulatiepomp door de kunststof buizen gepompt; het neemt daarbij de in de aardbodem opgeslagen warmte op.

15 10°C 18 Afbeelding 21: Jaartemperatuurverloop in de aardbodem

Woonkamer

Bad/WC

Kelder

Vitocal 300

Boilerwaterverwarmer

Afbeelding 22: Vitocal 300 onttrekt aan de aardbodem warmte met behulp van aardcollectoren

17

Warmtepomptechniek

Verzamelschacht met Sole-verdeler

Lage-temperatuurverwarming

Sole-verdeler (voorloop)

Aardcollector

Sole-verdeler (terugloop)

Warmtepomp Vitocal 300 / 350

Afbeelding 23: Warmtewinning met aardcollectoren

Een tijdelijk geringe bevriezing van de aardbodem in het directe gebied om de buizen heeft op het functioneren van de installatie en op de plantengroei geen nadelige invloed. Er dienen echter geen diep wortelende planten in het gebied van de Sole buizen te worden geplant. De regeneratie van de ontwarmde aardbodem geschiedt in het voorjaar en de zomer door toenemende zonne-instraling en neerslagen, zodat gewaarborgd is dat voor de komende verwarmingsperiode de warmte-buffer aardbodem weer voor verwarmingsdoeleinden ter beschikking staat. Percelen boven aardcollectoren dienen niet bebouwd of verzegeld te worden (afbeelding 23).

energie, d.w.z. van de klimatologische omstandigheden af. Als aardbodem-eigenschappen zijn vooral het wateraandeel, de aandelen aan minerale bestanddelen, zoals kwarts of veldspaat, evenals het aandeel en de grootte van de luchtgevulde poriën maatgevend. Vereenvoudigd uitgedrukt kan men zeggen dat de buffereigenschappen en het vermogen om warmte te geleiden des te groter zijn, hoe meer de bodem met water verrijkt is, hoe hoger het aandeel van de minerale bestanddelen is en hoe geringer de poriënaandelen zijn.

De noodzakelijke grondverzettingenlaten zich bij nieuwbouw meestal zonder grote meerkosten uitvoeren, daarentegen zijn de kosten hiervoor bij een bestaand gebouw meestal zo hoog dat een voorziening naderhand alleen om deze reden vaak afvalt.

Droge zanderige bodem qE = 10 tot 15 W/m2

De benutbare warmtehoeveelheid en daarmee de grootte van het noodzakelijke perceel hangt sterk van de thermo-fysische eigenschappen van de aardbodem en van de instralings-

Vochtige leemachtige bodem qE = 25 tot 30 W/m2

18

De onttrekkingscapaciteiten voor de aardbodem liggen daarbij tussen ca. 10 tot 35 W/m2.

Afbeelding 24: Aardcollector

Vochtige zanderige bodem qE = 15 tot 20 W/m2 Droge leemachtige bodem qE = 20 tot 25 W/m2

Grondwatervoerende bodem qE = 30 tot 35 W/m2

Afbeelding 25: Sole-verdeler

Warmtepomptechniek

Terwijl voor het leggen van de aardcollectoren op meer dan 1 m diepte grotere grondverzettingen nodig zijn (afbeelding 24), is het inbrengen van een aardsonde met moderne boorapparaten binnen weinige uren gebeurd (afbeelding 27).


Verzamelschacht

Bij installaties met aardsondes (afbeelding 26) is de bepaling van de ordening en boordiepte bijzonder belangrijk. Daarvoor zijn geologen en gespecialiseerde boorfirma's met overeenkomstige vakkennis evenals software voor de configuratie en optimalisatie. Bovendien kan met deze speciale ondernemingen contractueel een wincapaciteits-garantie (bijv. voor 10 jaar) worden overeengekomen. Voor dergelijke installaties moet in Duitsland een waterrechtelijke permissie worden aangevraagd. Het Duitse Economisch Bureau voor Waterzaken (Wasser-Wirtschaftsamt) is voor boringen tot 100 m diepte bevoegd. Diepergaande boringen moeten door het bevoegde Duitse Bureau voor Mijnzaken (Bergbauamt) extra worden goedgekeurd. In de boring wordt een voorgeconfectioneerde sonde ingevoerd en aansluitend de holle ruimte tussen sondebuis en boring met vulmiddel geïnjecteerd. Er worden meestal vier buizen parallel toegepast (dubbel-U-buis-sonde). De kosten voor het maken van een boring inclusief de sonde bedragen al naargelang bodemgesteldheid 30 tot 50 €/m. Voor een typische eengezinswoning in lage-energiehuisbouwwijze is een warmtepomp-verwarmingscapaciteit van ongeveer 6 kW voor de comfortabele verwarming noodzakelijk, waarvoor een boringsdiepte van ongeveer 95 m vereist is. Daardoor ontstaan boringskosten van ca. 3000 tot 5000 €. Voorwaarde voor de planning en het inbrengen van aardwarmtesondes is de precieze kennis van de bodemgesteldheid, van de laagvolgorde, van de bodemweerstand evenals het aanwezig zijn van grond- of aardlagenwater met waterstandsbepaling en van de stroomrichting hiervan. Bij een aardwarmtesonde-installatie kan bij normale hydro-geologische omstandigheden van een gemiddelde sondecapaciteit van 50 W/m sondelengte (volgens VDI 4640) worden uitgegaan.

Sole-verdeler (voorloop) Sole-verdeler (terugloop)

min. 5 m

Warmtepomp Vitocal 300 / 350 Aardsonde (Duplex-sonde)

Afbeeldin 26: Warmtewinning met aardsonde

Ondergrond

Specifiek onttrekkingsvermogen

Algemene richtwaarden Slechte ondergrond (droog sediment) [λ < 1,5 W/(m · K)] Normale vast gesteente-ondergrond en waterverzadigd sediment [λ < 1,5 – 3,0 W/(m · K)] Vast gesteente met hoog warmtegeleidingsvermogen [λ > 3,0 W/(m · K)] Diverse gesteenten Grind, zand, droog Grind, zand, watervoerend Klei, leem, vochtig Kalksteen (massief) Zandsteen Zure magmatische gesteenten (bijv. graniet) Basische magmatische gesteenten (bijv. basalt) Gneis

20 W/m 50 W/m 70 W/m < 20 W/m 55 – 65 W/m 30 – 40 W/m 45 – 60 W/m 55 – 65 W/m 55 – 70 W/m 35 – 55 W/m 60 – 70 W/m

Tabel 2: Mogelijk specifiek onttrekkingsvermogen voor aardwarmtesondes (dubbel-U-buissondes) volgens VDI 4640 Blad 2

Bevindt de sonde zich in een overvloedige grondwatervoering, dan kunnen ook nog hogere onttrekkingsvermogens worden gerealiseerd (tabel 2). De Sole stroomt in twee buizen van de verdeler uit naar beneden en wordt door twee andere buizen weer naar boven naar de verzamelaar teruggevoerd (afbeelding 25). Als arbeidsmedium in de aardcollector of in de aardsonde wordt Sole (mengsel uit water en anti-vriesmiddel) toegepast, zodat geen gevaar van bevriezing bestaat.

Afbeelding 27: Plaatsen van een aardsonde

19

Warmtepomptechniek

3.2.2 Warmtebron water Water is eveneens een goede buffer voor zonnewarmte. Zelfs op koude winterdagen houdt grondwater een constante temperatuur van 7 tot 12°C. Via een aanzuigbron wordt grondwater gewonnen en naar de verdamper van de water/water-warmtepomp getransporteerd. Aansluitend wordt het afgekoelde water in een retourbron afgevoerd (afbeelding 28). De waterkwaliteit van het grond- of oppervlaktewater moet aan de grenswaarden van de warmtepompfabrikant voldoen. Worden deze grenswaarden overschreden, dan dient een geschikte warmtewisselaar als tussenkring-warmtewisselaar - wegens schommelende waterkwaliteiten in het algemeen aan te raden - te worden toegepast, want de hoog-efficiënte platenwarmtewisselaars binnen in de warmtepomp zijn gevoelig ten opzichte van schommelende waterkwaliteiten. Als tussenkring-warmtewisselaar hebben geschroefde edelstaal-warmtewisselaars goed voldaan. Door de tussenkring wordt de warmtepomp beschermd en gelijktijdig het proces gelijkmatig gemaakt. Want het warmte-overdrachtproces in de tussenkring van grondwater op Sole verloopt gelijkmatiger dan het proces van grondwater direct op het verdampende koelmiddel in de warmtepomp (afbeelding 29). Bij inachtneming van de vereiste pompstroom vermindert bij toepassing van een tussenkring de COP met ca. 6 tot 9 %. Door de veranderde temperatuuruitspreiding neemt het verwarmingsvermogen met 2 tot 4 % ten opzichte van een warmtepomp zonder tussenkring-warmtewisselaar af. Ook de benutting van grond-/ oppervlaktewater moet door de bevoegde overheid, in het algemeen het Duitse waterschap (Wasser-Wirtschaftsamt) worden goedgekeurd. In het algemeen dient de waterkwaliteit aan bepaalde grenswaarden te voldoen, onderscheiden naar de in de warmtewisselaar gebruikte materialen edelstaal (1.4401) en koper. Worden de grenswaarden nageleefd, dan kan op een probleemloze bronwerking worden gerekend. 20


C E D A

B

A B C D E warmtetoevoer

Aanzuigbron met zuigpomp Retourbron Tussenkring-warmtewisselaar Tussenkring-circulatiepomp Water/water-warmtepomp Vitocal 300 of Vitocal 350

Afbeelding 28: Schema van de tussenkring

Lage-temperatuurverwarming Retourbron

Aanzuigbron met zuigpomp

min. 5 m

TussenkringWarmtepomp warmtewisselaar Vitocal 300 / 350

Grondwaterstroomrichting Afbeelding 29: Warmtewinning uit grondwater

Warmtepomptechniek

3.2.3 Warmtebron lucht Buitenlucht De geringste moeite tot ontsluiting van een warmtebron vereist de buitenlucht. Deze wordt via een kanaal aangezogen, in de verdamper van de warmtepomp afgekoeld en aansluitend weer aan de omgeving afgegeven (afbeelding 30 en 31). Tot aan een buitenlucht-temperatuur van min 20°C kan een moderne lucht/water-warmtepomp nog verwarmingswarmte opwekken. Hij kan echter bij een geoptimaliseerde configuratie bij deze lage buitenluchttemperatuur in de warmtebehoefte voor de woonruimteverwarming niet meer volledig voorzien. Een elektro-verwarmingstoepassing in het verwarmingswater-boiler verwarmt op zeer koude dagen het door de warmtepomp voorverwarmde verwarmingswater op de ingestelde voorlooptemperatuur. Omdat lucht/water-warmtewisselaars een relatief groot luchtvolume laten circuleren (3000 tot 4000 m3/h), dient bij de rangschikking van de luchtopeningen in het gebouw en bij de buitenopstelling de mogelijke geluidsontwikkeling in acht te worden genomen. Afvoerlucht Warmtepompen die afvoerlucht als warmtebron benutten, zullen in huizen met zeer geringe warmtebehoefte (passiefhuizen) in de toekomst in sterkere mate tot toepassing komen. In zogenaamde compacte apparaten wordt de warmtepomp ook in verbinding met een installatie voor de gecontroleerde woningventilatie toegepast. In deze apparaten benut de geïntegreerde afvoerlucht/water-warmtepomp het warmte-aandeel van de afvoerlucht uit de woonruimten dat


Afvoerluchtkanaal

Verordening Toevoerluchtkanaal

Warmtepomp Vitocal 350

Verwarmingswaterbuffervat

Afbeelding 30: Warmtewinning uit omgevingslucht (buitenlucht)

door de warmteterugwinning van de ventilatie niet kan worden gebruikt, en gebruikt dit voor de naverwarming van de toevoerlucht of voor de drinkwaterverwarming. In Zweden worden jaarlijks ca. 8000 afvoerlucht-warmtepompen van deze bouwwijze geïnstalleerd. Al naargelang grootte van de afvoerluchtwarmtepomp wordt de voor het voorzien in de warmtebehoefte extra noodzakelijke verwarmingsenergie door een elektrische bijverwarming gewaarborgd.

Afbeelding 31: Lucht/water-warmtepomp Verwarmingscapaciteit: 5,4 tot 14,6 kW

21

Warmtepomptechniek

3.3 Koelen met compressiewarmtepompen


Enige warmtepompen bieden een extra nut doordat ze ook ter koeling van een gebouw toegepast kunnen worden. Daarbij kan tussen twee verschillende methodes van koeling door middel van warmtepomp worden onderscheiden: – Omkeerbare werking: De werkwijze van de warmtepomp wordt omgekeerd, zodat hij als een koelkast werkt. Vaak wordt deze koeling ook als „reversibele“ werking van de warmtepomp aangeduid. – Directe koeling: De Sole-vloeistof resp. het grondwater nemen via een warmtewisselaar de warmte uit de verwarmingskring op en voeren ze naar buiten af. Bij deze ook als „natural cooling“ aangeduide functie is de warmtepomp met uitzondering van regeling en circulatiepompen uitgeschakeld.

3.3.1 Omkeerbare werking Normaal wordt in Duitsland met de veruit meeste warmtepomp-installaties het gebouw slechts verwarmd en het drinkwater verwarmd. Voor de koeling van het gebouw wordt dan eventueel een koelaggregaat geïnstalleerd. De mogelijkheid om beide functies - verwarmen en koelen - afwisselend in één apparaat uit te voeren, is in Duitsland nog weinig bekend. In de VS daarentegen hebben warmtepompen die zowel als warmte-opwekker als ook als koelaggregaat kunnen werken, op de markt een vaste plaats verworven en een overeenkomstig wijde verbreiding gevonden.

22

Condensor

Expansieventielen

Verdichter

Verdamper


Afbeelding 32: Vereenvoudigd werkingsschema voor een warmtepomp met reversibele (omkeerbare) bedrijfsmodus in verwarmingsmodus

Zoals reeds toegelicht, functioneren de normale koelkast en een compressie-warmtepomp in principe hetzelfde. De belangrijkste componenten (verdamper, verdichter, condensor en expansieventiel) zijn daarom ook bij beide soorten apparaten fundamenteel gelijk. Ze onderscheiden zich hoofdzakelijk in de optimalisatie van de respectieve taak die in het ene geval de stijging en in het andere de daling van temperaturen beoogt. Om een compressie-warmtepomp ook om te koelen te kunnen benutten, zou het in wezen voldoende zijn om de transportrichting van de verdichter evenals het expansieventiel om te draaien en zo de stroomrichting van het koelmiddel evenals van de warmte om te keren. Technisch goed te realiseren is echter de

inbouw van een 4-weg-ventiel en van een tweede expansieventiel in de koelmiddelkringloop. De omschakeling van de stroomrichting kan automatisch voor de gehele installatie via dit 4-weg-ventiel plaatsvinden. Door de inbouw van een 4-weg-ventiel kan de verdichter, onafhankelijk van de betreffende functie (verwarmen of koelen), zijn oorspronkelijke transportrichting altijd behouden. In de verwarmmodus transporteert de verdichter het gasvormige koelmiddel naar de warmtewisselaar voor het verwarmingssysteem. Hier condenseert het koelmiddel en geeft daarbij de warmte aan het verwarmingssysteem (warmwaterverwarming of luchtverwarming) af (afbeelding 32).

Warmtepomptechniek

Voor de koelmodus wordt de stroomrichting met behulp van het 4-wegventiel omgekeerd. De oorspronkelijke condensor is nu de verdamper die de warmte van het verwarmingssysteem - dat wederom de warmte uit de ruimtes heeft opgenomen - op het koelmiddel overdraagt. Het gasvormige koelmiddel gaat weer via het 4-weg-ventiel naar de verdichter en van daar naar de warmtewisselaar die de warmte aan de omgeving afgeeft (afbeelding 33). Warmtepompen die op de beschreven wijze werken, worden onder andere als compacte systeemoplossing voor passiefhuizen aangeboden. Bij het passiefhuis-compacte-apparaat Vitotres 343 (afbeelding 34) gaat het bijvoorbeeld om een lucht/waterwarmtepomp die met een mechanische woningventilatie werd gecombineerd. In de verwarmingsmodus (nominaal warmtevermogen 1,5 kW) benut de warmtepomp het warmteaandeel van de uitlaatlucht die door de warmte-terugwinning van de ventilatie niet kan worden gebruikt, en gebruikt dit voor de naverwarming van de toevoerlucht of voor de drinkwaterverwarming. Op warme zomerdagen wordt in de Vitotres 343 eerst de warmtewisselaar van de mechanische woningventilatie die voor de warmte-terugwinning dient, door een bypass-schakeling overbrugd. Zo wordt bijvoorbeeld de in vergelijking tot de warme binnenruimtelucht koelere buitenlucht in de nacht direct in de ruimtes geleid. Wordt door de gebruiker nog koelere lucht in de ruimtes gewenst, dan schakelt de afvoerlucht/waterwarmtepomp automatisch naar de reversibele werking om. In de verdamper van de warmtepomp wordt aan de toevoerlucht nu actief warmte onttrokken en de zo afgekoelde lucht voor de ruimtekoeling gebruikt. Het compacte apparaat bereikt daarbij een koelvermogen van maximaal 1 kW. De warme lucht in de ruimtes wordt via de uitlaatlucht afgevoerd.

Warmtetoevoer (door het verwarmingssysteem resp. uit de ruim Verdamper

Expansieventielen

Verdichter

Condensor

Warmte-afgifte (aan het milieu)

Afbeelding 33: Vereenvoudigd werkingsschema voor een reversibel werkende warmtepomp in koelmodus

De verwarmingscapaciteit van reversibel werkende compressie-warmtepompen is altijd iets groter dan de koelcapaciteit. In de verwarmingsmodus wordt de energie-opname voor de aandrijving in de verdichter in warmte omgezet en voor het verwarmen benut. In de koelmodus ontstaat deze warmte eveneens omdat altijd ook bij deze bedrijfsmodus de verdichter moet werken. Deze noodzakelijkerwijs optredende warmte vermindert echter uiteindelijk de theoretisch mogelijke koelcapaciteit. De bereikbare COP´s in de koelmodus zijn bij reversibel werkende warmtepompen daarom iets geringer dan in de verwarmingsmodus.

Afbeelding 34: Vitotres 343 - Compact apparaat voor passiefhuizen gecombineerd met mechanische woningventilatie en boiler-waterverwarmer

23

Warmtepomptechniek

3.3.2 „Natural cooling“ F

In de zomer zijn de temperaturen binnen in de gebouwen in de regel hoger dan in de aardbodem of in het grondwater. Dan kunnen de lagere temperaturen van de in de winter als warmtebron dienende aardbodem resp. grondwater voor de directe natuurlijke koeling binnen in het gebouw worden benut. Bepaalde warmtepompen beschikken hiertoe over een ook als „natural cooling“ aangeduide functie in hun regeling. Op grond van de hoge buitenluchttemperaturen in de zomer is deze functie bij lucht/water-warmtepompen niet mogelijk. De „natural cooling“-functie kan met weinig extra componenten (warmtewisselaar, 3-weg-ventielen en circulatiepomp) geactiveerd worden en maakt zo een aangename extra benutting van de Vitocal warmtepompen mogelijk. In principe is deze koelfunctie in haar capaciteit echter niet met airco's of koudwatersets te vergelijken. Het koelvermogen is afhankelijk van de warmtebrongrootte en de warmtebrontemperatuur die aan schommelingen van het seizoen onderworpen kan zijn. Zo heeft de aardbodem zoals de ervaring leert, tegen het einde van een zomer meer warmte opgeslagen, het koelvermogen zal dan iets geringer zijn. Bij de „natural cooling“-functie schakelt de regeling enkel de primaire pomp (B) in (de verdichter van de warmtepomp blijft uitgeschakeld), opent de 3-weg-omschakelventielen (C en G) telkens naar de warmtewisselaar (D) en stelt de secundaire kring-circulatiepomp (E) in werking (afbeelding 35). Zo kan het relatief warme water uit de vloerverwarming (F) in de warmtewisselaar (D) de warmte aan de Sole van de primaire kring afgeven. Aan de aangesloten ruimtes wordt zo warmte onttrokken.

E G

D

A

bijv. aardsonde

B

primaire pomp

C

3-weg-omschakelventiel verwarming/koeling (primaire kring)

D

warmtewisselaar koeling

E

circulatiepomp koeling

F

vloerverwarming

G

3-weg-omschakelventiel verwarming/koeling (secundaire kring)

H

secundaire pomp

K

warmtepomp Vitocal 300 of Vitocal 350

H

C

B A

K

Afbeelding 35: Vereenvoudigd installatiesschema voor „natural cooling“ met vloerverwarming (Geanimeerde werking van het proces onder www.viessmann.de/waermepumpen)

Voor de directe koeling van de ruimtes kunnen de volgende systemen worden aangesloten: – ventilatorconvectoren – koelplafonds – vloerverwarmingen – component-activering (betonkerntemperering).

„Natural cooling“ is een bijzonder energiebesparende en voordelige methode van gebouwenkoeling omdat slechts een gering stroomverbruik voor de circulatiepompen ter ontsluiting van de „koelbron“ aardbodem resp. grondwater wordt benodigd. De warmtepomp wordt tijdens de koelwerking slechts voor de drinkwaterverwarming ingeschakeld. De aansturing van alle noodzakelijke circulatiepompen en omschakelventielen evenals de registratie van de noodzakelijke temperaturen en de dauwpunt-temperatuurcontrole geschieden door de warmtepompregeling. Bij deze manier van koeling worden koel-COP´s tussen 15 tot 20 bereikt.

24

Warmtepomptechniek

3.3.3 Koeling van de ruimtes: dragermedium lucht of water? Bij normale airco's wordt gekoelde lucht via een of meerdere kanalen aan de kamer ter koeling toe- en warme lucht afgevoerd. Volgens hetzelfde principe werken ook passiefhuis-compacte-apparaten. In beide gevallen gaat het om kamerluchttechnische installaties die door luchtstromen voor de vereiste warmte-uitwisseling zorgen. Reversibel werkende warmtepompen en warmtepompen met „natural cooling“-functie zijn daarentegen normaal aan een warmwater-verwarmingssysteem aangesloten. Dit draagt op koude dagen de warmte van het verwarmingswater over aan de te verwarmen kamer via verwarmingspanelen (bijv. vloerverwarming). Met name radiatoren zijn voor de koeling van de ruimte niet goed geschikt. Wegens het relatief geringe temperatuurverschil tussen het verwarmingswater en de kamertemperatuur in de zomer evenals het relatief kleine oppervlak van de radiatoren vindt slechts een beperkte warmte-overdracht door convectie en warmtestraling plaats. Ook de opstelling van de verwarmingspanelen dicht bij de vloer is voor de koelwerking weinig geschikt omdat de warme lucht zich zoals bekend onder het plafond verzamelt. Bovendien zijn radiatoren wegens hun opbouw bijzonder gevoelig ten opzichte van de vorming van „dauwpuntwater“. Op grond van het grote oppervlak zijn vloerverwarmingen beter geschikt. De gekoelde lucht verzamelt zich echter in het vloergebied en stijgt niet op. De warmte-opname geschiedt daarom bij de vloerverwarming bijna uitsluitend via straling. Daarvoor staat echter ook de gehele vloer als koelvlak ter beschikking, zodat de kamertemperatuur zich goed laat beïnvloeden. De efficiëntie van de koeling via vloerverwarming kan door de installatie van een woningventilatie worden verhoogd omdat een doorspoeling van de kamerlucht geschiedt.

Afbeelding 36: Koelplafondsysteem (afbeelding: Firma EMCO)

Nog beter kan de warmte via koelplafonds worden afgevoerd. Onder het kamerplafond verzamelt zich de warme lucht en koelt aan het oppervlak af. Daardoor zakt deze naar de vloer en opstijgende warme lucht stroomt na. Wegens de kringloop die daarbij ontstaat, worden in vergelijking tot de „vloerkoeling“ grotere luchthoeveelheden aan het koelvlak voorbij gevoerd. Koelplafonds (afbeelding 36) vervangen normaal gesproken echter geen verwarmingssysteem, daarom worden ze in de regel extra bij radiatoren of een vloerverwarming ingebouwd en via een extra warmtewisselaar voor de systeemscheiding hydraulisch geïntegreerd. Bijzonder effectief zijn ventilatorconvectoren (afbeelding 37) omdat ze met een ventilator werken, die bovendien een regelbare volumestroom mogelijk maakt. Zodoende kunnen ook grotere luchthoeveelheden aan de warmtewisselaarvlakken worden voorbij gevoerd, wat een effectieve koeling van de kamer in korte tijd mogelijk maakt. De extra mogelijkheid om ook de volumestroom via de ventilator te variëren, laat een fijngevoelige kamerkoeling toe. Ventilatorconvectoren zijn bovendien ongevoelig voor optredend dauwwater, wanneer het condensaat wordt afgevoerd.

Onafhankelijk van de methode van koeling - reversibele werking of „natural cooling“ - is in ieder geval een dauwpunt-temperatuur-controle door de warmtepompregeling vereist. Zo mag de oppervlaktetemperatuur van de vloerverwarming in de koelmodus niet minder dan 20°C bedragen. De dauwpunt-temperatuur-controle houdt de voorlooptemperatuur in het verwarmingssysteem om te koelen zo hoog dat de toegestane dauwpunt-temperatuur niet te laag wordt en daarmee geen gevaar bestaat dat vocht uit de lucht op de vloer neerslaat.

Afbeelding 37: Ventilatorconvectoren (afbeelding: Firma EMCO)

25

Warmtepomptechniek

3.4 Bedrijfsmodi van warmtepompen Bij de toepassing van warmtepompen wordt tussen drie bedrijfsmodi onderscheiden: monovalent, monoenergetisch en bivalent.

7

3.4.1 Monovalente bedrijfsmodus Monovalente bedrijfsmodus betekent dat de warmtepomp als enige warmte-opwekker voor de totale verwarmingslast zorgt. Deze bedrijfsmodus is om energetische redenen te prefereren, er wordt een hoog arbeidsgetal bereikt. Voorwaarde is dat het nageschakelde warmte-verdeelsysteem op een voorlooptemperatuur beneden de maximale voorlooptemperatuur van de warmtepomp is berekend en de berekende behoefte de maximum capaciteit van de warmtepomp niet te boven gaat (afbeelding 38). Typische toepassinggebieden voor monovalente systemen zijn een- en meergezinswoningen evenals bedrijfsgebouwen met niet meer dan twee verschillende gebruikersgedragingen. Verschillende configuraties van twee verwarmingskringen zijn mogelijk (bijv. vloerverwarming en radiatorenverwarmingskring). De minimale doorstroomhoeveelheid van de warmtepomp via het verwarmingswater-buffervat moet door de secundaire pomp (4) worden gewaarborgd. De toepassing van differentiedrukgeregelde verwarmingskringpompen (7) en (8) is mogelijk. Is de bij de bovenste opslagtemperatuursensor (2) van het verwarmingswater-buffervat (3) gemeten werkelijke temperatuurwaarde lager dan de in de regeling ingestelde gewenste temperatuurwaarde, dan gaan de warmtepomp (1), de primaire pompen en de secundaire pomp (4) in werking. De warmtepomp (1) voorziet de verwarmingskring van warmte. Door de in de warmtepomp (1) ingebouwde regeling wordt de verwarmingswatervoorlooptemperatuur en daarmee de verwarmingskring geregeld. De secundaire pomp (4) transporteert het verwarmingswater via het 3-wegomschakelventiel (5) ofwel naar de 26

5

8

M

4

3

2

9 6

1

Afbeelding 38: Installatieschema voor monovalente bedrijfsmodus

boiler- waterverwarmer (6) of naar het verwarmingswater-buffervat (3). Door de verwarmingskringpompen (7) en (8) worden de vereiste waterhoeveelheden naar de verwarmingskringen getransporteerd. De doorstroomhoeveelheid in de verwarmingskring wordt door Openen en Sluiten van de radiator-thermostaatventielen of van de ventielen bij de vloerverdeler en/of door een externe verwarmingskringregeling geregeld. Eveneens kan de doorstroomhoeveelheid bij de configuratie van de verwarmingskringpompen (7) en (8) van de doorstroomhoeveelheid van de warmtepompkring (secundaire pomp (4)) afwijken. Om het verschil van deze waterhoeveelheden op te heffen, is parallel met de verwarmingskring een verwarmingswater-buffervat (3) aanwezig. De niet door de verwarmingskringen opgenomen warmte wordt parallel in het verwarmingswater-boiler (3) opgeslagen. Bovendien wordt daarmee een evenwichtige warmtepompwerking (lange looptijden) bereikt. Indien bij de onderste opslagtemperatuursensor (9) van het verwarmingswater-buffervat (3) de in de regeling

ingestelde gewenste temperatuur is bereikt, wordt de warmtepomp (1) uitgeschakeld. Dan worden de verwarmingskringen door het verwarmingswater-boiler (3) van warmte voorzien. Pas nadat de gewenste temperatuur bij de bovenste opslagtemperatuursensor (2) van het verwarmingswater-buffervat (3) te laag is, wordt de warmtepomp (1) weer ingeschakeld. De drinkwaterverwarming door de warmtepomp (1) heeft in de regel voorrang ten opzichte van de verwarmingskring en geschiedt bij voorkeur in de nachturen. Het vragen om verwarming geschiedt via de opslagtemperatuursensor en de regeling die het 3-weg-omschakelventiel (5) aanstuurt. De voorlooptemperatuur wordt door de regeling op de voor de drinkwaterverwarming vereiste waarde omhoog gebracht. De naverwarming van het drinkwater kan door een elektro-bijverwarming geschieden. Overschrijdt de werkelijke waarde bij de opslagtemperatuursensor de in de regeling ingestelde gewenste waarde, dan schakelt de regeling door het 3-weg-omschakelventiel (5) de verwarmingswatervoorloop op de verwarmingskring.

3.4.2 Mono-energetische bedrijfsmodus Bij de mono-energetische bedrijfsmodus is een tweede warmteopwekker met dezelfde soort energie In werking. Bijvoorbeeld is naast de elektrisch werkende compressiewarmtepomp een elektrische verwarmingswater-doorloopverhitter in de verwarmingsvoorloop of een elektro-verwarmingsapplicatie in het verwarmingswater-buffervat geïnstalleerd (overwegend bij lucht/water-warmtepompen). Deze oplossing vormt een goed compromis tussen de energetische efficiëntie en de investeringskosten.

5

RL

VL

3

VL

2

6 RL

VL

RL

Mono-energetische installaties worden vooral in een- of kleine tweegezinswoningen met uniform gebruikersgedrag en met vloerverwarming toegepast (afbeelding 39). De minimale doorstroomhoeveelheid van de warmtepomp is door de secundaire pomp (2) en het overstroomventiel gewaarborgd. Verwarmingsbundels en overstroomventiel moeten afgeregeld zijn. Is de bij de teruglooptemperatuursensor in de warmtepomp (1) gemeten werkelijke temperatuur-waarde lager dan de in de regeling ingestelde gewenste temperatuur-waarde, dan gaan de warmtepomp (1), de primaire pompen en de secundaire pomp (2) in werking. De warmtepomp (1) voorziet de verwarmingskring van warmte. Door de in de warmtepomp (1) ingebouwde regeling wordt de verwarmingswater-voorlooptemperatuur en daarmee de verwarmingskring geregeld. De secundaire pomp (2) transporteert het verwarmingswater via het 3-wegomschakelventiel (3) ofwel naar de boiler-waterverwarmer (4) of in de verwarmingskring. De verwarmingswater-doorloopverhitter (5) dient voor het opvangen van de pieken van de verwarmingslast bij lage buitentemperaturen (bijv. < –10°C). De doorstroomhoeveelheid in de verwarmingskring wordt door Openen en Sluiten van de radiator-thermostaatventielen of van de ventielen bij de vloerverdeler geregeld.

4

1

7

Afbeelding 39: Installatieschema voor mono-energetische bedrijfsmodus

In de Divicon verwarmingskringverdeling (6) is een overstroomventiel opgenomen dat de vereiste constante doorstroom in de warmtepompkring waarborgt. De in de terugloop geïntegreerde boiler-waterverwarmer (7) stelt het voor de warmtepomp (1) noodzakelijke omloopvolume ter beschikking zodat de noodzakelijke minimale looptijd van de warmtepomp (1) kan worden gewaarborgd. Heeft de werkelijke teruglooptemperatuurwaarde bij de teruglooptemperatuursensor de in de regeling ingestelde gewenste waarde overschreden, dan worden de warmtepomp (1), de primaire pomp en de tussenkringpomp uitgeschakeld. De drinkwaterverwarming geschiedtanaloog aan de monovalente werking.

27

Warmtepomptechniek

3.4.3 Bivalente bedrijfsmodus In een bivalent werkende verwarmingsinstallatie is de warmtepomp met minstens nog een andere warmte-opwekker voor vaste, vloeibare of gasvormige brandstoffen gecombineerd (parallel- of alternatieve werking mogelijk). Als extra warmte-opwekker voor de verwarmingswarmte komen zowel biomassa- als ook olieof gas-verwarmingsketels in aanmerking (afbeelding 40). Ofwel worden beide warmte-opwekkers gelijktijdig gebruikt (parallelwerking) of al naargelang configuratie van de warmteopwekkers alternatief. Bij alternatieve werking zorgt de warmtepomp alléén voor de warmtevoorziening boven een vast te leggen buitentemperatuur. Is de buitentemperatuur geringer, dan zou het vermogen van de warmtepomp volgens de configuratie niet voldoende zijn. Dan schakelt de installatie om op de werking van de tweede warmte-opwekker die de complete toevoer op zich neemt. De warmtepomp schakelt uit.

VL

VL VL

VL

RL

VL

WW

VL

KW RL

Boilerwaterverwarmer

Warmtepomp Vitocal

RL


Vaste brandstofketel Vitolig

3.4.4 Buffervat Afbeelding 40: Bivalent-alternatieve-werking met vaste brandstofketel Vitolig 100

De toepassing van verwarmingswater-buffervaten is aan te raden, om een geoptimaliseerse looptijd en daarmee verbonden een stijging van het jaar-arbeidsgetal te bereiken. Ze dienen voor de hydraulische ontkoppeling van de volumestromen in de warmtepompen verwarmingskring. Omdat de verwarmingscapaciteit van de warmtepomp niet altijd identiek is aan de warmtebehoefte op dat moment, wordt door toepassing van een verwarmingswater-buffervat een gelijkmatige werking bereikt, d.w.z. een taktwerking van de warmtepomp wordt vermeden. Wordt bijv. de volumestroom in de verwarmingskring via thermostaatventielen gereduceerd, dan blijft de volumestroom in de warmtepompkring constant. Bovendien worden steeds vaker thermische zonne-installaties toegepast, om drinkwaterverwarming en verwarming te ondersteunen. De door de zon gewonnen warmte moet in het totale systeem kunnen worden ingepast.

28

Voor de toepassing van het verwarmingswater-buffervat spreekt bovendien: – overbrugging van de EVU-spertijden, – constante watervolumestroom door de warmtepomp, – geen vervangen van de circulatiepomp bij modernisering van de verwarmingsinstallatie – geen stromingsgeluiden in het warmteverdeelsysteem. Het volume van het buffervat dient zo groot te worden gekozen dat de door de EVU geschakelde spertijden probleemloos kunnen worden overbrugd om het geheel afkoelen van het gebouw te verhinderen. Hierop dient met name bij warmteverdeelsystemen zonder extra opslagmassa (bijv. radiatoren) te worden gelet. Bij een vloerverwarmingssysteem neemt daarentegen de dekvloer een deel van de warmte-opslag voor zijn rekening.

Naar schatting kan het verwarmingswater-buffervat met gebruik van de vertraagde gebouwafkoeling als volgt worden geconfigureerd: VHP = QG · (60 tot 80 liter) VHP = Volume verwarmingswaterbuffervat [liter] QG = Capaciteitsbehoefte van het gebouw [kW] Bestaan er geen spertijden, dan is voor een zuivere looptijdoptimalisatie van de warmtepomp een opslagvolume voldoende van VHP = QG · (20 tot 25 liter)

Warmtepomptechniek

3.5 Drinkwaterbereiding De drinkwaterverwarming stelt in vergelijking tot het beschikbaar maken van verwarmingswarmte fundamenteel andere eisen omdat deze het hele jaar door met ongeveer gelijkblijvende warmtehoeveelheid en op hetzelfde temperatuurniveau werkt. Bij voorkeur dient de drinkwaterverwarming in de daluren te geschieden. Dan staat de verwarmingscapaciteit de warmtepomp overdag compleet voor verwarmingsdoeleinden ter beschikking. Warmtepompen-systemen leveren in de regel drinkwatertemperaturen tussen 45 en 50 °C, zodat de inhoudconfiguratie van het opslagvolume naar de behoefte van een dag dient te geschieden. Bij de planning moet in principe het werkblad W 551 „Drinkwaterverwarmings-en leidinginstallaties“ van de Duitse Vereniging voor het gas- en watervak e. V. (DVGW) in acht worden genomen.

Grote verwarmingsoppervlakken, hoge opwarmcapaciteit De verwarmingsoppervlakken van de bivalente Vitocell-B boiler-waterverwarmers worden in serie geschakeld om de warmtepomp-capaciteit continu te kunnen overdragen. Het verwarmingsoppervlak is bovendien diep tot in de boilerbodem getrokken. Het waarborgt een gelijkmatige opwarming van de gehele waterinhoud. Voor een eenvoudige inbedrijfstelling en een storingsvrije werking zijn de verwarmingsspiralen zo gerangschikt dat ze zich naar boven ontluchten en naar beneden leegmaken. Een effectieve warmte-isolatie van FCKW-vrij polyurethaan hard schuim of zacht schuim beschermt de boiler-waterverwarmer bijzonder goed tegen warmteverliezen.

Afbeelding 41: Boiler-waterverwarmer Vitocell-V 100

Vitocell 100 De Vitocell 100 (afbeelding 41, links) met Ceraprotect-emaillering voldoen aan de eisen voor een comfortable en economische drinkwaterverwarming en nemen een toppositie in op het gebied van geëmailleerde boilerwaterverwarmers. De Ceraprotectemaillering met beschermanode beschermt de boiler-waterverwarmer veilig en duurzaam tegen corrosie.

Vitocell 300 De boiler-waterverwarmers Vitocell 300 (afbeelding 41, rechts) van corrosiebestendig edelstaal roestvrij voldoen aan de hoogste hygiënische eisen. Niet voor niets wordt edelstaal ook in keukens, laboratoriums, ziekenhuizen en de levensmiddelenindustrie gebruikt. Want het homogene oppervlak van edelstaal is en blijft ook na vele jaren gebruik onberispelijk hygiënisch.

Afbeelding 42: Boiler-waterverwarmer Vitocell-B 100 en Vitocell-B 300

29

4 Toepassing van warmtepompe

4.1 Warmtepompen voor de modernisering Hoewel naar schatting rond drie miljoen oude verwarmingen in Duitsland op modernisering wachten, spelen warmtepompen in de moderniseringsmarkt tot nu toe nauwelijks een rol. De reden voor de slechts sporadische vervanging van oude verwarmingsketels door warmtepompen zijn de in bestaande gebouwen ten opzichte van nieuwbouw benodigde hogere voorlooptemperaturen. Traditionele eentraps compressiewarmtepompen leveren met de normale koelmiddelen (R 407 C, R 404 A usw.) voorlooptemperaturen tot maximaal 55°C. Te weinig om met radiatoren van normale grootte een voldoende warmtehoeveelheid in de ruimtes te transporteren. Probeert men om het koelmiddel overeenkomstig hoger te verdichten, om hogere voorlooptemperaturen te krijgen, dan worden snel de grenzen van de koelmiddelen (temperatuur en druk) bereikt. Verder daalt tegelijk procesgebonden het rendementsgetal. Om toch nog compressie-warmtepompen in de verwarmingsmodernisering economisch te kunnen toepassen, zijn er twee verder ontwikkelde kringprocessen. Beide bereiken met de normale koelmiddelen temperaturen boven 55°C bij gelijktijdig goede rendementsgetallen. Een mogelijkheid om met de normale koelmiddelen hogere voorlooptemperaturen te bereiken, is de zogenaamde cascadeschakeling. Twee warmtepompkringlopen worden in een aggregaat achter elkaar geschakeld doordat men ze door een warmtewisselaar thermisch met elkaar verbindt (afbeelding 42). Deze centrale warmtewisselaar (1) is de condensor van de eerste en gelijktijdig de verdamper van de tweede trap.

30

Warmte-afgifte (aan het verwarmingssysteem) Condensor

Verdichter Expansieventiel

2e Trap

Cascadekoeler

1 Expansionsventil

Verdichter

1e Trap

Verdamper

Warmtetoevoer (milieu) Afbeelding 43: Vereenvoudigd schema van de cascadeschakeling van twee verdichtertrappen

De door de eerste trap opgenomen warmte wordt aan de „hoger“ gelegen tweede trap afgegeven en tenslotte aan het verwarmingssysteem afgevoerd. De twee kringlopen bevatten normaalgesproken verschillende koelmiddelen, bijvoorbeeld R 404 A in de onderste en R 134 A in de bovenste trap. Bij deze opstelling moeten echter beide trappen voortdurend in werking zijn omdat alleen de eerste trap warmte uit het milieu kan opnemen en alleen de tweede trap voor de warmte-afgifte aan het verwarmingssysteem is uitgerust.

4.1.1 EVI-cyclus Een andere technische oplossing om hoge voorlooptemperaturen met het koelmiddel R 407 C te bereiken, biedt de gemodificeerde, eentraps koelkring met dampinspuiting. Bij dit - ook EVI-cyclus (engl. Enhanced Vapour Injection) genoemd procédé wordt naar de condensor indien nodig via een magneetventiel een geringe hoeveelheid van het koelmiddel afgetakt. Dit vloeibare maar onder hoge druk staande koelmiddel wordt in het expansieventiel op de inspuitdruk ontspannen en in een extra-warmtewisselaar verdampt. Van de extra-warmtewisselaar gaat het dampvormige koelmiddel naar de verdichter, waar het direct in het verdichtingsproces wordt ingespoten (afbeelding 43).

Toepassing van warmtepompen

Een warmtepomp met EVI-cyclus werkt eerst als een traditionele warmtepomp. Pas bij hoge warmteeisen resp. grote temperatuurpieken tot 65°C komt de dampinspuiting tot toepassing. Door de dampinspuiting wordt dan het vermogen en daarmee het rendementsgetal in vergelijking tot een traditioneel kringproces duidelijk verhoogd. De elektrische energie die de aandrijving van de verdichter vereist, is voor het proces met EVI aanzienlijk geringer dan voor een theoretisch vergelijkbare verdichter zonder dampinspuiting.

Dampinspuiting (EVI)

1 3

2

Magneet- Capillaire buis ventiel Expansieventiel Verdamper


7

30

60°C

50°C

50 40

40°C

Afbeelding 44: Werkingsschema van een compressie-warmtepomp met EVI-cyclus

70°C

Condensatie

5

20

zonder EVI: bij overeenkomstige verdichting ontstaat een ontoelaatbaar hoge temperatuur

6 4

30°C 20°C

2

–30°C

g un ht dic 2 3

1

–20°C 1

Verdamping

2 3

Oververhitte Damp

Damp

–40°C

120°C

Vloeibaar

140°C

3

0°C –10°C

Ve r

5 4

EVI

4

5

10°C

100°C

10

80°C

Bijzonder effectief werkt dit proces bij lucht/water-warmtepompen van deze bouwwijze bijv. Vitocal 350, Type AW. Omdat zelfs bij - 15°C buitenlucht een temperatuurpiek van 80 K wordt opgebracht, kan ook bij 15°C een voorlooptemperatuur van 65°C worden gewaarborgd.

Verdichter

Expansie

Door de koeling kan het koelmiddel sterker worden verdicht, zonder het toegestane temperatuurniveau in de verdichter te overschrijden. Daardoor worden bij intrede in het „dampgebied“ hogere temperaturen bereikt. Gelijktijdig wordt door het extra ingespoten koelmiddel de massadoorvoer opgeschroefd, wat tot een grotere warmte-afgifte aan het verwarmingssysteem leidt.

Condensor

Extra warmte- 4 wisselaar

druk p abs. [bar]

Afbeelding 44 toont het kringproces dat door de EVI-cyclus ontstaat, in het „lg p-h-diagram“ met het koelmiddel R 407 C (ter vergelijking is ook het traditionele warmtepompproces gearceerd weergegeven). Door de ingespoten damp wordt het koelmiddel gekoeld. De door de afkoeling van een medium in principe veroorzaakte drukvermindering wordt daarbij volledig door de hoeveelheid van het ingespoten koelmiddel goedgemaakt, reden waarom de lijn van punt (4) naar (5) horizontaal verloopt.


1 50

100

150

200

250

300

350

400

450

Enthalpie h [kJ/kg] Elektrische energie voor verdichteraandrijving

WP 1-traps zonder EVI, Typ AW: A –15°C / W 45°C WP 1-traps met EVI, Typ AWH: A –15°C / W 65°C 1–2 2–3 3–4 4–5

Verdamping Oververhitting Verdichting Koeling door EVI

5 – 6 Verdichting 6 – 7 Condensatie 7 – 1 Expansie

Afbeelding 45: Werkingsschema van een compressie-warmtepomp met EVI-cyclus (Geanimeerde werking van het proces onder www.viessmann.de/waermepumpen)

31


4.1.2 Vitocal 350 - Ruimer toepassingsgebied

Daarom zijn - bij handhaving van de oorspronkelijke verwarmingsoppervlakken - de hoge voorlooptemperaturen (bijv. 90°C) niet meer vereist en kunnen vaak tot 65°C worden verminderd, zonder aan het comfort concessies te hoeven doen (afbeelding 45). In deze gevallen kan een warmtepomp met EVI-cyclus ook bij systemen die oorspronkelijk voor 90/70°C waren ontworpen, het hele jaar door voor de benodigde warmtehoeveelheid zorgen en via de radiatoren naar de woonruimtes transporteren. Warmtepompen als de Vitocal 350 (afbeelding 46) met dampinspuiting bereiken voorlooptemperaturen tot 65°C en drinkwatertemperaturen van 58°C. Daardoor kunnen ook met het koelmiddel R 407 C verwarmingssystemen met een configuratie 65/55°C worden voorzien, zonder dat een jaar-arbeidsgetal van 3 niet wordt gehaald. Daarmee biedt de warmtepomp Vitocal 350 een bijzonder hoog drinkwatercomfort.

80 D

Voorlooptemperatuur [°C]

Op grond van de ten opzichte van traditionele warmtepompen hogere voorlooptemperatuur kunnen ook verwarmingssystemen van een voorlooptemperatuur van 65°C worden voorzien. Daarmee bestaat de mogelijkheid om warmtepompen ook in de modernisering toe te passen. en wel ook bij systemen die oorspronkelijk voor hogere voorlooptemperaturen waren ontworpen. Want vaak werden de radiatoren zeer ruim gedimensioneerd, en in het kader van moderniseringsmaatregelen aan het gebouw werden intussen isolatieramen ingebouwd en warmte-isolaties aangebracht die de behoefte aan verwarmingswarmte duidelijk hebben doen dalen.

E

90

70 65 60 55 50

C B G

40

F A

30 20 10

–14

–10

–2

0 +2

+10

+14

Buitentemperatuur tA [°C] A

B C D E F G

max. verwarmingswater-voorlooptemperatuur = 35°C max. verwarmingswater-voorlooptemperatuur = 55°C max. verwarmingswater-voorlooptemperatuur = 65°C max. verwarmingswater-voorlooptemperatuur = 75°C max. verwarmingswater-voorlooptemperatuur = 90°C max. temperatuur tot welke een warmtepomp zonder EVI de weergegeven verwarmingssystemen kan voeden max. temperatuur tot welke een warmtepomp met EVI de weergegeven verwarmingssystemen kan voeden

Afbeelding 46: Uitbreiding van het toepassingsgebied van warmtepompen met dampinspuiting (EVI-cyclus)

De warmtepomp Vitocal 350 is zo efficiënt dat hij het hele jaar door als enige warmteleverancier voor verwarming en drinkwaterbereiding kan worden toegepast (monovalente werking). Daarbij is hij dankzij de Scroll-verdichter bij hoge bedrijfszekerheid bijzonder stil. Al naargelang installatieconcept kan de geïntegreerde regelingsfunctie „natural cooling” worden benut. Dat betekent: de ook in de zomer lage temperaturen in de aardbodem of in het grondwater dienen ter koeling van het gebouw. Daarmee is Vitocal 350 ideaal geschikt om in bestaande gebouwen warmte en koelte uit de natuur te benutten.

Afbeelding 47: Vitocal 350 tot 65°C voorlooptemperatuur

32


4.2 Warmtepompen in lage-energieen passiefhuizen 4.2.1 Lage-energiehuizen Door de voortdurend stijgende eisen aan de bouwstandaard en de trend tot woonruimte-nabije installatie van de verwarmingstechniek zetten zich meer en meer compacte apparaatunits door. Typische, monovalente of mono-energetisch werkende warmtepomp-systemen zijn de speciaal voor lage-energiehuizen ontwikkelde compacte apparaten. Daarbij gaat het om complete systeemoplossingen die een warmtepomp (als elektrisch werkende compressiewarmtepomp), boiler-waterverwarmer en alle andere componenten op ongeveer de grootte van een koel-vries-combinatie concentreren (afbeelding 47).

4.2.2 Vitocal 343 Bij de compact-verwarmcentrale Vitocal 343 (afbeelding 48) bevindt zich de Sole/ water-warmtepomp, het 250 liter bevattende zonne-energiereservoir, circulatiepompen voor Sole, verwarming en een optioneel zonne-energie-circuit evenals alle hydraulische aansluitingen en de regeling op een bodemoppervlak van 600 x 670 mm. Met 6 kW vermogen bereikt deze warmtepomp voorlooptemperaturen tot 60°C. Voor hogere voorloop- resp. drinkwatertemperaturen kan een meertraps, geïntegreerde elektro-verwarmingselement het water tot 70°C opwarmen.

Afbeelding 48: Vitocal 343 - Warmte-Compact-Tower voor lage-energiehuizen

Afbeelding 49: Vitocal 343 installatie

33


De geringe afmetingen en het aansprekende design evenals de bijzonder stille werking laten de opstelling toe in het woonruimte-nabije gebied.

Zonnecollector Uitlaatlucht Bad

Slaapkamer

4.2.3 Passiefhuizen Overeenkomstig de bijzondere eisen in passiefhuizen worden soortgelijke systeemoplossingen ook voor deze gebouwen aangeboden. Omdat in passiefhuizen een gecontroleerde woningventilatie wegens de luchtdichte bouwwijze dwingend vereist is, wordt in passiefhuis-compacteapparaten een uitlaatlucht/waterwarmtepomp met een installatie voor de gecontroleerde woningventilatie gecombineerd.

Toevoerlucht Woonkamer

Afvoerlucht

Toevoerlucht

Keuken

Kinderkamer

Buitenlucht (Filter Klasse F7)

Buitenlucht Warmtepomp

Vitotres 343

Afbeelding 50: Systeemweergave van het compacte apparaat Vitotres 343 voor passiefhuizen

De geïntegreerde warmtepomp benut het warmte-aandeel van de uitlaatlucht dat door de warmteterugwinning van de ventilatie niet gebruikt kan worden, en gebruikt dit voor de naverwarming van de toevoerlucht of voor de drinkwaterverwarming. Als extra kan aan deze apparaten ook nog een zonne-energie-installatie ter ondersteuning van de drinkwaterverwarming evenals een conventionele pomp-warmwaterverwarming, bijv. voor een vloerverwarming, worden aangesloten (afbeelding 49). Een dergelijk compact apparaat staat bijvoorbeeld op de begane grond van een passiefhuis in Herzhausen (afbeelding 50) am Edersee en is sinds de zomer 2002 in werking. Het zorgt voor een verwarmd oppervlak van 180 m2 resp. een verwarmd volume van rond 450 m3. Wegens de compacte afmetingen van het apparaat is de opstelruimte met een oppervlak van 3 m2 meer dan voldoende (afbeelding 51). In deze technische ruimte komen ook alle kanalen van het ventilatiesysteem samen en zijn aan het apparaat aangesloten. De voordelen van deze apparaten liggen in hun compacte bouwwijze die het invoegen van warmtepomp en boiler-waterverwarmer in een werkfase mogelijk maakt.

34

Afbeelding 51: Passiefhuis in Herzhausen, Edersee

Bovendien zijn compacte apparaten in de fabriek compleet voorgemonteerd, wat het montagewerk en daarmee de installatiekosten aanzienlijk reduceert.

Afbeelding 52: Vitotres 343 in het passiefhuis in Herzhausen, Edersee


4.2.4 Vitotres 343 De Vitotres 343 compacte verwarmcentrale van Viessmann (afbeelding 52) is speciaal voor passiefhuizen ontworpen. Als systeemoplossing voor dit soort gebouw combineert Vitotres 343 een uitlaatlucht/waterwarmtepomp met een installatie voor de gecontroleerde woningventilatie en een boiler-waterverwarmer. Het nieuw ontwikkelde ventilatie-apparaat met warmte-terugwinning tot max. 93 % voorziet de woonruimtes via een kanaalsysteem van verse toevoerlucht en zuigt de verbruikte lucht uit keuken en badkamer af. Daarbij benut de warmtepomp (1,5 kW vermogen) het aandeel van de uitlaatluchtwarmte dat door de warmteterugwinning van de ventilatie niet kan worden gebruikt en gebruikt dit voor de naverwarming van de toevoerlucht of voor de drinkwaterverwarming (afbeelding 53). Is het ingestelde luchtvolume niet voldoende (bijv. nachtdaling), om de noodzakelijke warmtebroncapaciteit te leveren, dan wordt automatisch een gedefineerd buitenluchtaandeel aangezogen.

Afbeelding 53: Vitotres 343 - Systeem-Compact-Tower voor passiefhuizen

Als extra kan aan Vitotres 343 ook een zonne-energie-installatie ter ondersteuning van de drinkwaterverwarming en verwarming worden aangesloten. Op extreem koude dagen met hoge warmtebehoefte waarborgt een geïntegreerd, drietraps elektro-verwarmingselement de toevoer.

Afbeelding 55: Menugestuurde regeling CD 70

Afbeelding 54: Warmte-terugwinningsunit met ventilator en bypassunit

35


4.3 Warmtepompen voor grotere gebouwen De sinds aanvang van de jaren negentig positieve ontwikkeling van de warmtepompmarkt in Duitsland betreft bijna uitsluitend warmtepompen met een kleiner vermogen. Zo is het overwegende deel in een- en tweegezinswoningen geïnstalleerd. Er kan daarmee de indruk ontstaan dat warmtepompen slechts geschikt zouden zijn voor kleinere objecten met relatief geringe warmtebehoefte. In principe kunnen echter dienovereenkomstig ontworpen warmtepompen ook aan grotere capaciteitseisen voldoen. Als enige warmte-opwekker leveren deze aggregaten het hele jaar door de warmte voor de verwarming en drinkwaterbereiding van overheids- en industriegebouwen, hotels, ziekenhuizen, scholen en meergezinswoningen. Voor grotere gebouwen komen zogenaamde middelgrote warmtepompen met capaciteiten tussen ca. 20 en 200 kW tot toepassing. Dat in Duitsland al een warmtepomp met relatief bescheiden 20 kW tot de warmtepompen van gemiddelde grootte behoort, ligt ook wel aan de in vergelijking met landen als Zweden en Zwitserland geringere verbreiding van deze warmteopwekkers. Zo houdt het Zwitserse Nationaal Bureau voor energie (Bundesamt für Energie, BFE) als benedengrens 50 kW aan voor middelgrote warmtepompen. In de noordelijke landen als Zweden begint men algemeen pas van middelgrote warmtepompen te spreken vanaf een vermogen van 100 kW. Daarvoor zijn daar echter ook talrijke installaties met grote warmtepompen in bedrijf, die vermogens in het megawatt-bereik afgeven (afbeelding 57).

Afbeelding 56: Warmtepomp met middelgroot vermogen: Vitocal 300 (39,6 tot 106,8 kW)

Afbeelding 57: Installatie voor nabije warmtelevering aan woonhuizen in Zweden - zes Vitocal 300 water/water-warmtepompen samen leveren tot 640 kW verwarmingsvermogen

36


4.3.1 Warmtepompen met twee verdichters Typische middelgrote warmtepompen bestaan uit twee verdichtertrappen met elektrisch aangedreven verdichters. In de afgebeelde Vitocal 300 (afbeelding 56) werken twee verdichtermodules van gelijk vermogen parallel naast elkaar. Het heeft het voordeel dat bij geringere warmtebehoefte een module uit kan schakelen. In de eerste trap geeft deze warmtepomp de helft van zijn vermogen af. Om het volle vermogen te bereiken, schakelt de regeling automatisch de tweede trap erbij. Door de beide aparte verdichtermodules is bovendien een hoge bedrijfszekerheid gegeven. Valt een module uit, dan kan met de andere altijd nog een gedeeltelijke belasting met 50 % van het totale vermogen opgebracht worden (afbeelding 58). Bij de warmtepomp Vitocal 300 wordt door de geïntegreerde regeling een looptijdcompensatie uitgevoerd, zodat beide verdichters telkens hetzelfde aantal bedrijfsuren vertonen. Om nog grotere vermogens te bereiken, kunnen meerdere aparte warmtepompen via de verwarmingsvoor- en terugloop met elkaar worden verbonden (afbeelding 59).

VerwarmingsWarmte-afgifte (aan het verwarmings- terugloop systeem) Verwarmings-voorloop

Condensor

Condensor

Verdichter

Verdichter Expansieventiel

Expansieventiel

Verdamper

Verdamper

Warmtetoevoer (milieu) Afbeelding 58: Vereenvoudigd werkingsschema van de parallel-opstelling van twee verdichtertrappen

Verwarmingskring M

Vloerverwarmingskring M

Zoals bij de cascadeschakeling van verwarmingsketels ligt ook hier een voordeel in de duidelijk verhoogde bedrijfszekerheid van de gehele installatie.

4.3.2 Vitocal 300 voor grote capaciteiten De Vitocal warmtepomp bereikt door de tweetraps uitvoering een verwarmingscapaciteit tot 106,8 kW en is geschikt voor de warmtebronnen grondwater en aardbodem. Daarmee kan hij op ieder vereiste en iedere behoefte worden afgestemd. De modulaire opbouw op basis van twee separate verdichterkringen zorgt voor een bijzonder hoge efficiëntie in het deellast-gebied.

Warmtepomp

Warmtepomp

Warmtepomp


Afbeelding 59: Installatievoorbeeld m.b.t. secundaire zijde voor een warmtepomp-cascadeschakeling

37


4.4 Aandacht voor warmtepompen in de Duitse energie-besparingsverordening (EnEV) De Duitse energie-besparingsverordening beperkt voor nieuw op te richten gebouwen de maximaal toegestane primaire energiebehoefte. Hierbij kan ofwel het gebouwomhulsel (reducering van de verwarmingswarmtebehoefte) en/of de installatiestechniek (reducering van het installatie-verbruiksgetal) worden geoptimaliseerd.

Vloerverwarming 2K WP NT

Sole/water-warmtepomp

Lage-temperatuur-verwarmingsketel

Aardbodem

In vergelijking tot lage-temperatuurof verbrandingswaardetechniek worden bij warmtepompen aanzienlijk gunstigere installatie-verbruiksgetallen bereikt. Bijvoorbeeld wordt in de eengezinswoning de rekenkundige primaire energiebehoefte tegenover een lage-temperatuur- verwarmingsketel met meer dan 50 kWh/(m2·a) verminderd. Wegens de benutting van de milieuenergie liggen de opwekker-verbruiksgetallen duidelijk onder 1. Energetisch vertonen warmtepompen in de regel zo'n grote voordelen dat de EnEV van de berekening van de reële primaire energiebehoefte afziet. In het energiebehoefte-paspoort is een overeenkomstige notitie aanwezig. Deze regeling greift, als minstens 70 % van de warmtebehoefte door vernieuwbare soorten energie wordt gedekt, ----------wat betekent dat de stroomopname hoogstens 30 % van de nuttige warmte-afgifte mag bedragen (EnEV § 3, lid 3, zin 2). Daaruit resulteert een minimaal jaar-arbeidsgetal‚ van 3.33, dat moet worden bereikt om van het primaire energiebewijs te kunnen afzien. Alle Vitocal warmtepompen van het Vitotec programma voldoen aan dit criterium. Het is echter aan te raden om het energiebehoefte-paspoort met basisgegevens ook voor de primaire energiebehoefte van warmtepompen op te nemen om de energetische kwaliteit voor deze hoogwaardige techniek te documenteren. Het bewijs van de inachtneming van het transmissiewarmteverlies HT’ dient in ieder geval te worden geleverd (afbeelding 60).

38

ep = 1,68 qp = 138,4 kWh/(m2 · a)

ep = 1,04 qp = 85,8 kWh/(m2 · a)

Δ 52,6 kWh/(m2 · a) A/Ve = 0,9; AN = 200 m2; qh = 70 kWh/(m2 · a); qpzul. = 127,4 kWh/(m2 · a)

Afbeelding 60: Primair-energetisch voordeel van warmtepompen

Vloerverwarming

Vloerverwarming

Vloerverwarming

Lucht WP Water

ep = 0,86 qp = 71,2 kWh/(m2 · a)

WP

WP

Aardbodem

ep = 0,97 qp = 80,0 kWh/(m2 · a)

ep = 1,25 qp = 103,4 kWh/(m2 · a)

A/Ve = 0,9; AN = 200 m2; qh = 70 kWh/(m2 · a); qpzul. = 127,4 kWh/(m2 · a)

Afbeelding 61: Invloed van de warmtebron


4.4.1 Warmtebron-invloed op het installatie-verbruiksgetal Voor de benutting van de omgevingswarmte staan de warmtebronnen aardbodem, water en omgevingslucht ter beschikking. De in de aardbodem opgeslagen zonneenergie kan ofwel via over een groot vlak horizontaal gelegde aardcollectoren of via aardsondes verticaal op een diepte van 80 tot 100 m, evtl. ook dieper worden benut. Als warmtedragermedium wordt daarbij Sole (mengsel uit water en antivriesmiddel) toegepast. De invloed van de verschillende warmtebronnen op het producent- en daarmee het installatie-verbruiksgetal en de primaire energiebehoefte geeft Afbeelding 61 weer. Op grond van de relatief constante grondwatertemperatuur bezit de water/water-warmtepomp het gunstigste verbruiksgetal. De verschillende randvoorwaarden van de verschillende warmtebronnen zijn ook reden daarvoor dat de normvoorwaarden verschillend zijn: Voor grondwater als bron wordt van 10°C uitgegaan, voor aardbodem van 0°C en voor lucht van 2°C. De benutting van de omgevingslucht als warmtebron kan vaak geen monovalente werking gedurende het hele jaar waarborgen, om welke reden dergelijke apparaten in de regel de mogelijkheid bezitten om elektrisch na te verwarmen (in het voorbeeld in afbeelding 61 is het 5 % van de warmtebehoefte). Dit leidt tot een iets hoger installatie-verbruiksgetal, de investeringen zijn echter duidelijk geringer omdat noch aardsonde noch put vereist zijn.

Vloerverwarming

Vloerverwarming

Vloerverwarming

DLE Klein reservoir

WP

WW zonder circulatie Aardbodem

ep = 0,97; qp = 80,0 kWh/(m2 · a)

WP

WP

WW met circulatie Aardbodem

WW decentraal elektrisch Aardbodem

ep = 1,04; qp = 85,7 kWh/(m2 · a)

ep = 1,28; qp = 105,3 kWh/(m2 · a) qptoel. = 140,7 kWh/(m2 · a), omdat decentraal elektrisch

A/Ve = 0,9; AN = 200 m2; qh = 70 kWh/(m2 · a); qptoel. = 127,4 kWh/(m2 · a)

Afbeelding 62: Vergelijking van de varianten van drinkwaterverwarming voor warmtepompen

4.4.2 Decentraal elektrische drinkwaterverwarming In verband met de warmtepomp wordt vaak over het alternatief van de centrale of decentrale drinkwaterverwarming gediscussieerd. Omdat warmtepompen in hun vermogen meestal precies op de verwarmingswarmtebehoefte worden afgestemd, om investeringskosten te reduceren, is voor een centrale drinkwaterverwarming in vergelijking tot conventionele warmte-opwekkers een duidelijk groter opslagvolume benodigd (dagbehoefte). Alleen zo kan te allen tijde een voldoende hoeveelheid warm water beschikbaar worden gesteld en de naverwarming van de voorraad naar de nachturen worden verlegd (gunstige nachtstroom) (zie ook Hfdst. 3.5).

Als alternatief bestaat ook de mogelijkheid om het drinkwater met behulp van elektrische kleine boilers of doorloopverhitters direct bij het tappunt decentraal te verwarmen. Afbeelding 62 toont de vergelijking van de oplossingen: Daarbij wordt ook duidelijk dat het afzien van een circulatieleiding een aanzienlijke reducering van de primaire energiebehoefte met zich meebrengt. De decentrale drinkwaterverwarming met doorloopverhitters of elektrische kleine boilers verhoogt weliswaar de primaire energiebehoefte. Maar ook deze oplossing is EnEV-deugdelijk, temeer daar voor deze aard van drinkwaterverwarming minder strenge eisen aan de toelaatbare primaire energiebehoefte gelden.

39


4.5 Zuinigheid van warmtepompen

Primaire energie Voor alle warmtepompen geldt: hoe geringer het temperatuurverschil is tussen verwarmingswater en omgevingswarmte, des te hoger is de efficiëntie. Daarom zijn warmtepompen bijzonder geschikt voor verwarmingssystemen met lage systeemtemperaturen, zoals bijvoorbeeld vloerverwarmingen met max. 38°C voorlooptemperatuur. Moderne elektro-warmtepompen bereiken al naargelang gekozen warmtebron en verwarmingssysteem-temperatuur rendementsgetallen van 3,5 tot 5,5. Dat betekent dat per kWh gebruikte stroom 3,5 tot 5,5 kWh verwarmingswarmte wordt opgewekt. Daarmee wordt het ecologische nadeel dat door de toepassing van stroom ontstaat (energiecentralerendementsfactor ca. 35 %), meer dan gecompenseerd. Om een zuinige werking van een warmtepomp-verwarmingsinstallatie mogelijk te maken, worden door de meeste energieleveranciers speciale stroomtarieven voor warmtepompen aangeboden. Rekening houdend met een stroomprijs van 10 Ct/kWh (gemiddelde van speciale warmtepomp-tarieven van de stroomleveranciers inclusief evenredig basistarief) resulteren bij een gemiddeld rendementsgetal van 4 (jaar-arbeidsgetal) bedrijfskosten van 2,5 Ct per kWh opgewekte warmte. Dit is minder dan de kosten die in conventionele verwarmingsinstallaties ontstaan (verwarmingsolie: ca. 3,5 Ct/kWh; aardgas: ca. 4 Ct/kWh). Bovendien treden ook geringere kosten voor onderhoud en controlewerkzaamheden op. De speciale stroomtarieven zijn echter meestal aan de eis gekoppeld dat het betrekken van stroom voor de warmtepompen op tijden van hoge netbelasting kan worden onderbroken. Bijvoorbeeld kan de stroomtoevoer voor monovalente warmtepompinstallaties door Duitse energieleveranciers (EVU) binnen 24 uur driemaal voor maximaal twee uur worden onderbroken. De vrijgavetijden tussen twee onderbrekingen mogen niet 40

Eind-energie

Nuttige energie

194%

Stroomverwarming

294%

Energiecentrale η = 0,34

100%

Stroomverwarming

14%

Olieverwarming

121%

Raffinaderij η = 0,89

11%

111%

Olieverwarming

119%

Gastoevoer

100%

η = 0,9

8%

Gasverwarming

100%

η = 1,0

11%

111%

Gasverwarming

100%

η = 0,9

η = 0,93

67%

Stroom-WP

101%

Energiecentrale η = 0,34

34%

StroomWP

100%

ε=3

66% Winst

Afbeelding 63: Energie-omzettingsketen (volgens ASUE)

korter zijn dan de voorafgegane onderbreking. Bij bivalent werkende warmtepompinstallaties kan de stroomtoevoer binnen de verwarmingsperiode voor maximaal 960 uur worden onderbroken.

Moet de warmtepomp zonder onderbreking werken, dan wordt geen speciale stroomprijs aangeboden. Afgerekend wordt dan samen met het stroomverbruik van het huishouden of bedrijf.

Voor de nieuwbouw heeft de monovalent onderbreekbare bedrijfsmodus goed voldaan. De warmtepomp is in staat om in de warmtebehoefte het hele jaar door te voorzien, en de onderbrekingstijden vormen geen nadelige beïnvloeding van de werking omdat bijv. een vloerverwarming met zijn opslagvermogen de spertijden zonder merkbare kamertemperatuurveranderingen overbrugt (boiler zinvol voor de looptijdoptimalisatie). Voor bestaande gebouwen biedt zich de bivalente bedrijfsmodus aan omdat in de regel een warmte-opwekker aanwezig is die verder kan worden benut om de belastingspieken op koude winterdagen met vereiste voorlooptemperaturen boven 55°C op te vangen, voor zover niet warmtepompen met voorlooptemperaturen 65°C worden toegepast.

Qua investering dient ten opzichte van conventionele verwarmingsinstallaties bij een eensgezinswoning met meerkosten van ca. 5000 tot 6000 € te worden gerekend, voor zover de besparingen bij de bouwkundige uitvoering (geen schoorsteen, geen olieopslagplaats resp. geen gasaansluiting) meegeteld worden. Van de op de markt beschikbare gedegen verwarmingssystemen is de elektro-warmtepomp momenteel het meest ecologische, zoals afbeelding 63 toont. Zelfs bij gebruik van conventioneel in de energiecentrale-mix opgewekte stroom wordt de geringste primaire energiehoeveelheid betrokken op de nuttige warmte verbruikt.


4.6 Installering en werking In tegenstelling tot andere regeneratieve soorten energie als zonne- of windenergie staat de omgevingswarmte het hele jaar door en gedurende 24 uur ter beschikking. Daarom is het met een warmtepomp in principe mogelijk om de totale warmtebehoefte van een huis (verwarming en warm water) monovalent, dat wil zeggen zonder andere warmtebronnen, compleet te waarborgen. Daarmee vormt een warmtepomp een echt alternatief voor de conventionele verwarming (afbeelding 64). Behalve de integratie van de verwarmingskring (voorloop, terugloop) en van de primaire kring (bijv. Solevoor- en -terugloop) evenals een draaistroom-aansluiting zijn geen andere installatiewerken noodzakelijk. Voor de combinatie van drinkwaterverwarming en verwarmingswerking staan systemen ter beschikking die, afgestemd op de warmtepompregeling, een optimaal omschakelen tussen beide afnemers waarborgen (afbeelding 65). De eventueel noodzakelijke werkzaamheden voor de opstelling van de primaire kring (bijv. inbrengen van de sondeboring, leggen van de aardcollector, maken van de grondwaterput) worden door speciale ondernemingen verricht die de geëiste warmtecapaciteit garanderen.

Afbeelding 64: Sole/water-warmtepomp en boiler-waterverwarmer

Warmtepompen die de omgevingslucht benutten, zijn bijzonder eenvoudig te installeren. De D-A-CH, een supra-nationale onafhankelijke organisatie in Duitsland, Oostenrijk en Zwitserland, geeft een kwaliteitszegel uit voor warmtepompen dat de naleving van het vastgelegde en gecontroleerde vereiste aan veiligheid, effectiviteit, geluidsemissie en klantvriendelijkheid garandeert.

Afbeelding 65: Divicon verwarmingskringverdeler voor warmtepompen

41


4.6.1 Configuratie Bij monovalente bedrijfsmodus moet de warmtepompinstallatie als enige warmte-opwekker in de gehele warmtebehoefte van het gebouw volgens EN 12831 (vroeger DIN 4701) voorzien. Om de vereiste verwarmingscapaciteit te berekenen, moet eventueel met toeslagen voor spertijden van de energieleveranciers rekening worden gehouden. De stroomtoevoer kan voor maximal 3 x 2 uur binnen 24 uur onderbroken worden. Op grond van de gebouwtraagheid blijven bij de dimensionering van de vermogenstoeslag 2 uur spertijd buiten beschouwing. Tussen twee onderbrekingstijden moet de vrijgavetijd echter minstens zo lang zijn als de voorafgegane spertijd. Geraamde vaststelling van de verwarmingsbelasting op basis van het verwarmde oppervlak: Het verwarmde oppervlak (in m2) wordt met de volgende specifieke verwarmingsbelasting vermenigvuldigd:

Warmwaterbehoefte bei Warmwasser temperaturen van 45 °C [liter/dag per persoon] 15 tot 30

600 tot 1200

0,08 tot 0,15

Normale behoefte*2

30 tot 60

1200 tot 2400

0,15 tot 0,30

of Bij referentietemperatuur Specifieke van 45 °C nuttige warmte [Wh/dag per persoon]

– Huis (normale warmte-isolatie) 80 W/m2 – Ouder huis (zonder bijzondere warmte-isolatie) 120 W/m2

30

ca. 1200

ca. 0,15

Flatwoning (afrekening forfaitair)

45

ca. 1800

ca. 0,225

50

ca. 2000

ca. 0,25

Eengezinshuis*2 (gemiddelde behoefte) *1 *2

Bij opwarmtijd van de boiler-waterverwarmer van 8 uur. Bedraagt de werkelijke warmwaterbehoefte meer dan de aangegeven waarden, dan moet een hogere vermogenstoeslag worden gekozen.

Tabel 3: Richtwaarden voor de warmwaterbehoefte

– Nieuwbouw met goede warmteisolatie, oppervlak 180 m2: – Berekende vermogensbehoefte 9 kW – Maximale spertijd 3 x 2 uur bij minimale buitentemperatuur volgens EN 12831 (vroeger DIN 4701). Bij 24 uur resulteert zo een dagverwarmingswarmtebehoefte van: 9 kW · 24 h = 216 kWh Om in de maximale dag-verwarmingswarmtebehoefte te voorzien, staan op grond van de spertijden van 3 x 2 uur slechts 18 h/dag ter beschikking. Wegens de gebouwtraagheid blijven 2 uur buiten beschouwing. 216 kWh/20h = 10,8 kW Zuiver rekenkundig is een warmtepomp met een verwarmingscapaciteit van 10,8 kW voldoende. De capaciteit van de warmtepomp zou bij een maximale spertijd van 3 x 2 uur per dag dus met 17 % verhoogd moeten worden.

42

Empfohlener Zuschlag voor drinkwater verwarming [kW/persoon*1]

Flatwoning (afrekening naar verbruik)

Voorbeeld:

– Nieuwbouw (goede warmteisolatie) 50 W/m2

[Wh/dag per persoon]

Aanbevolen toeslag voor drinkwater verwarming [kW/persoon*1]

bij warmwater

– Passiefhuis 10 W/m2 – Lage-energiehuis 40 W/m2

Specifieke nuttige warmte

4.6.2 Toeslag voor drinkwaterverwarming Voor de normale woonhuisbouw wordt van een maximale warmwaterbehoefte van ca. 50 liter per persoon en dag met ca. 45°C uitgegaan. Dit komt overeen met een extra verwarmingscapaciteit van ongeveer 0,25 kW per persoon bij 8 h opwarmtijd. De precieze berekening van de toeslagen evenals de configuratie van de warmtepomp geschiedt volgens DIN 4708 deel 2 (tabel 3).


4.7 Subsidiëring Zowel bij nieuwe als ook bij oude gebouwen wordt de inbouw van energiebesparende technieken als zonne-energie-installaties en warmtepompen door talrijke subsidieprogramma's ondersteund. Op de internetpagina's van Viessmann (www.viess-mann.com) worden de voor afzonderlijke regio's en/of bepaalde apparaatcombinaties geldende subsidiemaatregelen steeds geactualiseerd. Bovendien bestaan nog meer mogelijkheden van subsidiëring via leningen en subsidies met lagere rente van landelijke overheid en provincies. Ook de stroomleveranciers bieden subsidiëringen in de vorm van subsidies en gunstige stroomtarieven voor het gebruik van een warmtepomp aan.

5 Samenvatting Moderne elektro-warmtepompen (afbeelding 66) vormen tegenwoordig een bijzonder ecologische soort warmte-opwekking. Door baanbrekende regelingssystemen, efficiënte Scroll-verdichters en doorontwikkelde serieproductie wekken moderne warmtepompen uit één deel stroom tot vijf delen warmte op. Warmtepompen kunnen een gebouw monovalent, dat wil zeggen zonder extra warmtebron, volledig van verwarmingsenergie en warm water.

Afbeelding 66: Warmtepompinstallatie

De bedrijfskosten liggen duidelijk onder die van een conventionele verwarmingsinstallatie, wat in verbinding met subsidiemaatregelen de hogere investeringen gedurende de bedrijfsduur compenseert. Met betrekking tot veiligheid en betrouwbaarheid wordt in tegenstelling tot vroegere jaren aan de hoogste eisen voldaan.

43

Warmte comfortabel, zuinig en milieusparend op te wekken en deze naar behoefte beschikbaar te stellen, tot deze taak voelt de familie-onderneming Viessmann zich reeds sinds drie generaties verplicht. Met een groot aantal uitstekende productontwikkelingen en probleemoplossingen heeft Viessmann altijd weer voor mijlpalen gezorgd die de onderneming tot de technologische gangmaker en impulsgever van de gehele branche hebben gemaakt. Met het actuele complete programma biedt Viessmann zijn klanten een meertraps-programma met vermogens van 1,5 tot 20 000 kW: staande en hangende verwarmingsketels voor olie en gas in verwarmingswaardeen verbrandingswaardeechniek evenals regeneratieve energiesystemen zoals warmtepompen, zonne-energie-systemen en verwarmingsketels voor hernieuwbare grondstoffen. Componenten van regelingstechniek en datacommunicatie bevinden zich evenzeer in het programma als de gehele systeemperiferie tot en met radiatoren en vloerverwarmingen.

Het Viessmann Centrum in Allendorf met het ondernemingsmuseum „Via Temporis“

Wandapparaten voor olie en gas, in verwarmingswaardeen verbrandingswaardetechniek

Met 10 fabrieken in Duitsland, Frankrijk, Canada, Polen en China, met verkooporganisaties in Duitsland en 34 andere landen evenals wereldwijd 112 verkoopfilialen is Viessmann internationaal georiënteerd.

Op de grond staande verwarmingsketels voor olie en gas in verwarmingswaardeen verbrandingswaardetechniek

Regeneratieve energiesystemen ter benutting van milieuwarmte, zonne-energie en hernieuwbare grondstoffen

Verwarmingssysteem-componenten van de brandstofopslag tot aan radiatoren en vloer-verwarmingssystemen

Technische wijzigingen voorbehouden 9448 173 NL 10/2006

Verantwoording voor milieu en maatschappij, fairness in de omgang met zakenpartners en medewerkers evenals het streven naar perfectie en hoogste efficiency in alle bedrijfsprocessen zijn voor Viessmann centrale waarden. Dat geldt voor iedere afzonderlijke medewerker en daarmee voor de gehele onderneming die met al zijn producten en ondersteunende diensten de klant het bijzondere nut en de meerwaarde van een sterk merk biedt.

Viessmann Werke 35107 Allendorf (Eder) Telefon 06452 70-0 Telefax 06452 70-2780 www.viessmann.com

Vakreeks. Warmtepompen. Vitocal - Met warmte uit de natuur verwarmen voor een zekere toekomst

Recommend Documents