Warmtepompen en warmtebronnen (augustus 2006)
Warmtepompen Wat is een warmtepomp? Warmtepompen zijn duurzame energiesystemen die energie uit de omgeving, zoals buitenlucht, bodem of grondwater, omzetten in bruikbare warmte. In een warmtepomp wordt de relatief lage temperatuur van deze bronnen naar een hoger temperatuurniveau (max. 60°C) gebracht. De werking van een warmtepomp is vergelijkbaar met die van een koelkast. Het principe is gebaseerd op het natuurkundig principe dat een koudemiddel bij verdamping energie nodig heeft en bij condensatie energie afstaat. In de winter wordt met een warmtepomp via een verdamper warmte ontrokken uit bijvoorbeeld ventilatielucht, directe zonnestraling, grondwater of bodem. De warmte kan dan worden gebruikt voor het verwarmen van een gebouw en eventueel voor warm tapwater. In de zomer kan het omgekeerde proces plaatsvinden en kan een gebouw worden gekoeld. Met een warmtepomp is het mogelijk om tegelijk warmte en koude af te nemen. Een combinatie met seizoensopslag is ook goed mogelijk. Werking warmtepomp Er zijn veel verschillende soorten warmtepompen. In het kort is de werking als volgt; 1. Een vloeistof met een kookpunt lager dan de bron (in de figuur met buitenlucht als bron) dient als transportmiddel van de warmte. In het verdampingsdeel wordt de vloeistof opgewarmd tot het temperatuursniveau van de buitenlucht. De vloeistof zal verdampen waardoor warmte aan de buitenlucht wordt onttrokken; 2. De verdampte vloeistof wordt vervolgens samengedrukt door een compressor. Hierdoor stijgt de druk en de temperatuur van de damp; 3. Vervolgens wordt de warmte aan de damp onttrokken en, via een warmtewisselaar, afgegeven aan bijvoorbeeld het water in een cv-installatie. De temperatuur van het cv-water stijgt en kan voor verwarming worden gebruikt. De temperatuur van de damp daalt en de damp condenseert in het condensorvat tot vloeistof. De vloeistof stroomt naar de verdamper waar het proces weer van voor af aan begint.
Coëfficiënt of Performance Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coëfficiënt of Performance (COP); de verhouding tussen de afgegeven energie en de opgenomen energie. Omgevings- en afvalwarmte zijn gratis en in zeer grote hoeveelheden beschikbaar en worden daarom ook niet meegenomen bij het bepalen van de COP. De COP is dus altijd groter dan 1; het rendement is altijd meer dan 100%.
De COP van de huidige generatie warmtepompen ligt tussen de 1 en 5. Het varieert per type en temperatuurniveau van de warmtevraag. Richtlijnen voor de COP van warmtepompen in woningen en gebouwen zijn: • elektrische warmtepomp: 2.5 à 5.0 • gasmotor warmtepomp: 1.2 à 2.0 • absorptiewarmtepomp: 1.0 à 1.5 Hoe kleiner het temperatuurverschil tussen warmtebron en afgiftesysteem, hoe hoger de COP en daarmee het rendement. De Seasonal Performance Factor (SPF) geeft dezelfde verhouding over een heel jaar. De Primary Energy Ratio (PER) geeft de verhouding tussen de geleverde warmte en alle primaire energie die nodig is om de betreffende warmte op te wekken. Daarin is dus ook de energie voor pompen en ventilatoren verwerkt. Om de kosten te beperken wordt de capaciteit van een warmtepomp meestal aan de kleine kant gekozen. Er is dan òf een buffer nodig om pieken op te vangen (ca. 100 liter water per kW vermogen) òf een traditionele bijverwarming (bijstook). Afgiftesysteem De energiebesparing die bereikt kan worden met een warmtepomp wordt voor een groot deel bepaald door het temperatuurverschil tussen warmtebron en afgiftesysteem. En hoe kleiner dit temperatuurverschil, hoe hoger het rendement, zoals hiervoor al aangegeven. Vanwege de relatief lage temperatuur van de warmtepomp wordt deze bij voorkeur gecombineerd met lage temperatuurverwarmingssystemen (LTV). Voorbeelden hiervan zijn vloer-, wandverwarming, vergrote radiatoren of convectoren. In alle gevallen is het van groot belang om al tijdens de ontwerpfase de afzonderlijke systeemcomponenten goed op elkaar af te stemmen. Type warmtepompen Als de transportvloeistof wordt samengeperst met behulp van een elektrische compressor, is er sprake van een elektrische warmtepomp. Bij gasgestookte warmtepompen wordt de compressor door een gasmotor aangedreven. Elektrische (compressie)warmtepomp Vanwege het lage rendement van de elektriciteitsopwekking is een COP van minimaal 3 vereist om nog primaire energie te besparen. Lage temperatuur verwarming met een maximum temperatuur van 40°C is een noodzaak om voldoende rendement te krijgen. Er is een bron met een grote capaciteit nodig. Elektrische warmtepompen zijn in alle capaciteiten te koop: als bijverwarming in een woning of voor collectieve systemen. Een compressiewarmtepomp is een mechanisch apparaat. Aandacht voor de geluidsproductie en geluidsisolatie is daarom van belang. Goede apparaten zijn echter zondermeer in een woning toe te passen. Gasgestookte (absorptie)warmtepomp Bij gasgestookte warmtepompen kan de compressor direct door een gasmotor worden aangedreven of door middel van een zogenaamd absorptieproces met een brander/generator combinatie. Ook combinaties met warmtekrachtkoppeling (WKK) komen voor. Absorptie warmtepompen zijn uitermate stil. Het principe is bekend uit de campingkoelkasten die op gas werken. Op dit moment zijn alleen systemen vanaf 45 kW te koop, geschikt voor minimaal 10 woningen. Kleinere systemen voor een woning zijn in de fase van veldexperiment. De gasabsorptiewarmtepomp heeft maar één bron met een kleinere capaciteit dan de compressiewarmtepomp nodig. Als de bron bij vorst slecht werkt of de temperatuur daalt sterk, daalt het totale
rendement wel, maar nooit onder dat van de beste hr-ketel. Dit geldt ook voor de afgifte temperatuur. Hoger dan 70°C moet die echter niet komen. Een speciale uitvoering van de gasgestookte warmtepomp is de gasmotor warmtepomp: een combinatie van gasmotor- en compressiewarmtepomp. Gezien als black box heeft die dezelfde eigenschappen als wat hiervoor is gesteld, met uitzondering van het geluidsniveau: een separate opstellingsruimte met een goede geluidsisolatie is noodzakelijk.
Warmtebronnen Bronnen waar met een warmtepomp warmte uit kan worden onttrokken zijn: • natuurlijke bronnen zoals buitenlucht, directe zonnestraling, oppervlaktewater, grondwater en bodem; • afvalwarmte uit ventilatielucht, afvalwater etc. De keuze van de bron is afhankelijk van omgevingsfactoren, zoals bijvoorbeeld de beschikbaarheid van de bron, de mogelijkheid tot grondboringen en de aanwezigheid van afvalwarmtestromen. Per project dient een goede afweging gemaakt te worden met betrekking tot de warmtebron. Grondwater als bron Grondwater is vanwege de relatief hoge constante temperatuur een goede warmtebron. De watertemperatuur ligt het hele jaar rond de 12°C. In het algemeen is eerst een proefboring nodig om de waterkwaliteit en waterhoeveelheid van de bron te testen.
Bron: Redenko B.V.
Via het grondwater wordt in de winter warmte uit de bron onttrokken en gebruikt voor de verwarming van het gebouw. Het grondwater wordt vervolgens terug de grond in gevoerd en kan vanwege de relatief lage constante temperatuur in de zomer ook gebruikt worden voor koeling. Grond als bron Om de warmte uit de grond te halen wordt gebruik gemaakt van een gesloten bronsysteem, bestaande uit kunststof leidingen (de collector), gevuld met een antivriesmengsel. De gesloten bronsystemen worden veelal toegepast in de woningbouw. De laatste jaren zijn er veel ontwikkelingen geweest op het gebied van dimensionering, materiaal, productie en kwaliteitsboring van de grondcollectortechniek. In veel gevallen is een warmtepomp met grondwarmte als bron de beste keuze. De temperatuur is op een diepte van ca. 1,5 m nog hoog genoeg om ook bij langere vorstperioden een warmtepompsysteem met een hoge jaarlijks gemiddelde COP te garanderen.
Bron: Redenko B.V.
Er kunnen zowel horizontale als verticale grondcollectoren worden gebruikt om warmte uit de grond te halen. De dimensionering van de grondcollectoren gebeurt aan de hand van de bodemgesteldheid en de verwarmingsbehoefte. Horizontale grondcollectoren Voor horizontale grondcollectoren is een diepte van 1,2 tot 1,5 m gebruikelijk. Op deze diepte kunnen grondcollectoren het hele jaar door voldoende warmte uit de grond onttrekken. De mogelijke warmteonttrekking ligt tussen de 20 en 40 W/m².
Verticale grondcollectoren Vanwege het relatief grote oppervlak dat nodig is voor horizontale grondcollectoren wordt steeds vaker gebruik gemaakt van verticale grondcollectoren, die op een diepte van 30 tot 50 m worden aangelegd. In watervoerende bodem of in zeer grondwaterrijke bodem kan de onttrekking wel 40 tot 100 W/m² bedragen. In een niet-watervoerende bodem wordt van een lagere opbrengst uitgegaan.
horizontale grondcollector
verticale grondcollector
Bron: Redenko B.V.
Aquifer als bron Een aquifer is een watervoerende zandlaag. Een warmtepomp met een aquifer is enigszins vergelijkbaar met een warmtepomp met grondwater als bron. Dit systeem wordt vaak toegepast in de utiliteitsbouw. Bij een warmtepomp met een aquifer als bron wordt de warmte via het grondwater uit de warme bron onttrokken en gebruikt voor de verwarming van het gebouw. Het afgekoelde grondwater wordt vervolgens terug in de grond, in de koude bron gevoerd. In de zomer kan de koude via het grondwater uit de koude bron worden onttrokken voor de koeling van het gebouw. Bij een warmtepomp met grondwater als bron is sprake van één bron met een constante temperatuur.
Bron: Redenko B.V.
Lucht als bron Het voordeel van lucht als bron is dat zij overal beschikbaar is en de kosten voor het aansluiten van de warmtebron relatief laag zijn. Nadeel is dat het rendement van een warmtepomp met lucht als bron een lager ligt. Wel kan ook met lucht als bron een flinke energiebesparing worden verkregen. Wordt ventilatielucht als warmtebron gebruikt, dan moet bedacht worden dat de capaciteit van deze bronnen beperkt is. Het is onmogelijk om een huis volledig te verwarmen met de energie uit de ventilatielucht. Aandachtspunten De volgende aandachtspunten zijn van belang bij de keuze van een warmtepomp: • De aanwezigheid/beschikbaarheid van bronnen.
• Toepassing van een warmtepompsysteem vereist vroegtijdige inpassing in het bouwproces. De individuele warmtepomp voor een woning neemt meer ruimte in beslag dan een de cv-ketel. Reserveer minimaal 0,6 x 0,6 m² en neem tijdig contact op met een leverancier. • De prijs-prestatie verhouding van vooral de kleinere elektrische (individuele) warmtepompen is laag. Dit is een gevolg van de hoge investering, hoge prijs van elektriciteit en het lage rendement (in primaire energie) van de opwekking van elektriciteit. Om de investeringskosten in de hand te houden wordt vaak gekozen voor collectieve systemen. Dit is technisch goed mogelijk. Efficiënte bronnen, zoals grondwater of bodem, zijn weliswaar ook kostbaar (in verband met de benodigde installaties), maar het collectief gebruik maken van deze bronnen voor één of meerdere warmtepompen is vaak voordeliger. Bij een collectieve bron en individuele warmtepompen moet een distributienet worden aangelegd om de individuele gebouwen te kunnen voorzien van warmte (en/of koude). Het leidingsysteem dat hiervoor nodig is hoeft niet geïsoleerd te worden gezien de relatief lage temperaturen uit de bron. Bij collectieve warmtepompen verdient de isolatie van het distributienet en de individuele afrekening wel veel aandacht. • De warmtevraag moet zo nauwkeurig mogelijk worden geschat. Een overschatte warmtevraag verlaagt het rendement van een warmtepomp sterk doordat de warmtepomp niet optimaal kan worden ingezet. • Let op geluid en trillingshinder. Warmtepompsystemen die hun warmte uit de buitenlucht halen, kunnen geluidsoverlast veroorzaken door de grote hoeveelheid lucht die ze verplaatsen. • Het energiegebruik voor pompen en ventilatoren van de bron- en afgiftesystemen van warmtepompen varieert tussen de 5 en 20% van de gebruikte energie en is dus niet te verwaarlozen. Houd hiermee rekening bij de rendementsberekeningen. Er zijn milieuvriendelijke koudemiddelen voor compressiewarmtepompen (mengsels van koolwaterstoffen zoals propaan). Deze presteren beter dan de traditionele, milieuonvriendelijke (H)CFK's. • Warmtepompen kunnen ook voor verwarming van tapwater en koeling worden gebruikt. • Systemen met warmtepompen voor ruimteverwarming in de woningbouw worden nog niet zo lang toegepast. De systemen zijn nog volop in ontwikkeling.
Verantwoording Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samengesteld, kan SenterNovem geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten. Bij publicaties van SenterNovem die informeren over subsidieregelingen geldt dat de beoordeling van subsidieaanvragen uitsluitend plaatsvindt aan de hand van de officiële publicatie van het besluit in de Staatscourant. SenterNovem is een agentschap van het Ministerie van Economische Zaken.
