White Paper Warmtepompsysteem
Inleiding Een warmtepompsysteem is voor veel mensen inmiddels een bekend begrip, toch ontstaat er nog steeds veel onduidelijkheid over de werking van het systeem. Dit blijkt wel uit de vele vragen hierover uit mijn directe omgeving, waaronder professionele opdrachtgevers. Voor mij is dit de aanleiding geweest om deze White Paper Warmtepompsysteem te ontwikkelen, een overzichtelijk en duidelijk document waarin op begrijpelijke wijze wordt ingegaan op de werking en de juridische kaders. Werking Warmtepompsysteem In hoofdlijnen bestaat het warmtepompsysteem uit een energiebron, de feitelijke warmtepomp en het afgiftemedium. Als energiebron zijn er vele mogelijkheden, zoals asfalt, oppervlaktewater, energiedak, lucht, bodem en grondwater. Deze laatste twee zijn de meest voorkomende bronnen, waaruit energie kan worden onttrokken en worden dan ook verder toegelicht in deze paper.
Note: Steeds vaker worden buitenluchtwarmtepompen als alternatief beschouwd voor bodem- en grondwatersystemen. Dit is met name interessant voor VRF-systemen, of een afgeleide daarvan, welke ook ingezet wordt voor vloerverwarming, tapwater etc. In een volgende White Paper zal ik hier uitgebreid op terugkomen. Bodem Om warmte uit de bodem te winnen worden veelal verticale bodemwarmtewisselaars toegepast. Dit zijn verticaal in de bodem aangebrachte flexibele kunststof lussen, gevuld met een water/antivries mengsel, die aangesloten zijn op een warmtepomp. Met behulp van bodemwarmtewisselaars wordt in de winter warmte aan de bodem onttrokken en in de zomer kan een beperkte hoeveelheid koude worden geleverd aan het gebouw. Dit concept wordt veelal toegepast in woningen en utiliteitsgebouwen met een beperkte oppervlakte, waarbij de koelbehoefte relatief beperkt is. In onderstaand figuur is het principe schematisch weergegeven.
Principe bodemwarmtewisselaars
Grondwater Bij energieopslag met een grondwatersysteem wordt warmte en koude opgeslagen in een aquifer, een watervoerende zandlaag in de bodem. In de zomer wordt koud grondwater onttrokken aan de koude bron waarmee gekoeld wordt. Het opgewarmde water wordt geïnfiltreerd in de warme bron. In de winter wordt warm grondwater uit de warme bron onttrokken waarmee verwarmd wordt. Het afgekoelde water wordt geïnfiltreerd in de koude bron. Een vereenvoudigde variant hierop is een recirculatiesysteem. Dit zijn grondwatersystemen, welke uitsluitend één richting op pompen met een constante temperatuur van circa 12°C. Deze systemen hebben veelal een maximale capaciteit van 9,9 m3/h (vergunningsvrij) en zijn een uitstekend alternatief voor bodemsystemen. Een grondwatersysteem kan worden uitgevoerd als een doublet of als een monobron. Bij een doublet zijn de warme en koude bel horizontaal ten opzichte van elkaar gepositioneerd in twee of meer boorgaten. Bij een monobron zijn de warme en koude bel verticaal ten opzichte van elkaar gepositioneerd in één boorgat.
Principe energieopslag met een doublet
Principe energieopslag met een monobron
Warmtepomp Om de laagwaardige energie die uit de bodem of grondwater (ca. 12°C) kan worden verkregen om te zetten tot hoogwaardige energie ( ca. 40°C), is een warmtepomp nodig. De werking van een warmtepomp lijkt sterk op een koelkast. Bij een koelkast wordt warmte onttrokken aan de te koelen producten en wordt deze afgegeven via het register aan de achterzijde van de koelkast. Een warmtepomp doet feitelijk hetzelfde. Het product is nu grondwater of bodem in plaats van een pak melk. De warmte wordt nu niet aan de directe omgeving afgegeven, maar aan bijvoorbeeld een vloerverwarming systeem. De technische werking is als volgt: De warmte van circa 12ºC uit de bodem of grondwater gaat door de warmtewisselaar die verdamper (zoals in onderstaand figuur staat weergeven) wordt genoemd.
Principewerking warmtepomp In dezelfde warmtewisselaar loopt tegenstroom, een koudemiddel wat de eigenschap heeft om warmte te onttrekken van het water van circa 12ºC. Doordat het koudemiddel de warmte opneemt zal deze verdampen. Het koudemiddel heeft namelijk de eigenschap om bij een lage temperatuur te verdampen. Dit komt door de natuurkundige eigenschap dat het koudemiddel een laag kookpunt heeft. Doordat het koudemiddel verdampt is, kan het gecomprimeerd worden door de compressor. Doordat het gas gecomprimeerd is, ontstaat een hogere druk. Nu is het volgens de natuurkundige wetten zo dat wanneer de druk stijgt, automatisch de temperatuur stijgt. Het koudemiddel in gasvorm heeft nu ongeveer een temperatuur van 40ºC. Als men nu het koudemiddel weer door een warmtewisselaar (condensor) laat stromen kan deze de warmte afstaan aan het CV-water dat ook tegenstrooms door de condensor loopt. Nadat het koudemiddel de warmte heeft afgestaan, wordt deze middels een expansieventiel geëxpandeerd tot een lage druk waardoor het koudemiddel weer vloeibaar is en in staat is om in de verdamper weer warmte uit de bron op te nemen.
Rendement van een warmtepomp Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in een zogenaamde COP-waarde, wat staat voor Coëfficiënt Of Performance. De COP waarde van een warmtepomp is ca. 4. Indien het elektrisch vermogen 5 kW bedraagt en het effectief verkregen thermisch vermogen 20 kW betreft, bedraagt het rendement 400%. Ter vergelijk; het rendement van een Cv-ketel kan praktisch gezien nooit meer dan 100% bedragen. De COP wordt berekend door het thermisch vermogen te delen door het opgenomen vermogen. Afgiftesysteem Voorwaarde voor de toepassing van een warmtepomp is de koppeling aan een verwarmingssysteem dat genoeg heeft aan een relatief lage temperatuur. Te denken aan vloerverwarming, wandverwarming, klimaatplafonds. Laag-temperatuurverwarming (LTV), zoals vloerverwarming, is zeer geschikt. Het thermisch comfort dat met deze systemen gerealiseerd kan worden is groot door het grote aandeel stralingswarmte en het gelijkmatige binnenklimaat. Daarbij hebben mensen met CARA-klachten of andere luchtweg- of huidaandoeningen baat bij een systeem als LTV dat geen of weinig stofschroei geeft en mijtenconcentraties reduceert. De kans op verbranding en blessures is bij toepassing van LTV bovendien nihil. LTV heeft verder de eigenschap, dat het zelfregelend is. Dit houdt in dat het temperatuurverschil tussen de ruimtetemperatuur en de afgiftetemperatuur dermate klein is (meestal enkele graden) dat, wanneer de temperatuur in de ruimte zal stijgen, deze dezelfde temperatuur heeft als het afgiftesysteem zodat er geen uitwisseling van warmte meer kan plaats vinden. Juridisch kader
Gesloten systemen Voor bodemwarmtewisselaarsystemen geldt momenteel nog geen wettelijk toetsingskader. Voor het toepassen van bodemwarmtewisselaars is geen vergunning in het kader van de Waterwet nodig, omdat geen grondwater wordt onttrokken. Gesloten systemen mogen dan ook dieper dan 80 m-mv worden toegepast. Wel is de Zorgplicht Bodembescherming van toepassing. Dit is een morele verplichting en houdt in dat de eigenaar van een bodemwarmtewisselaarsysteem verplicht is om "milieubewust" met het systeem om te gaan. De projectlocatie is niet gelegen in een gebied waar restricties gelden met betrekking tot het inbrengen van bodemwarmtewisselaarsystemen.
Open grondwatersystemen Het onttrekken en infiltreren van grondwater met een open grondwatersysteem is vergunningplichtig in het kader van de Waterwet, indien de capaciteit van het systeem groter dan 10 m³/h bedraagt voor de provincie Noord- Brabant geldt een aanvullende eis, namelijk; dieper dan 30 m-mv. De vergunning moet worden aangevraagd bij de provincie.
De belangrijkste aandachtspunten uit het beleid van de provincie zijn hieronder weergegeven: -
Energieopslagsystemen mogen in beginsel niet toegepast worden in attentiegebieden of beschermde gebieden voor de waterhuishouding; Er wordt een energiebalans in de bodem geëist; na 5 jaar bedrijfsvoering dient de bodem energie-neutraal te zijn met een maximale afwijking van 15%; Energieopslagsystemen mogen geen negatieve invloed hebben op reeds aanwezige energieopslagsystemen of andere belanghebbenden in de omgeving; Grondwaterverontreinigingen mogen als gevolg van energieopslag niet verder in de diepte verplaatst worden. Ook in horizontale richting mogen verontreinigingen geen significante extra verplaatsing ondervinden als gevolg van energieopslag;
Algemene Maatregel van Bestuur Op dit moment is een Algemene Maatregel van Bestuur (AMvB) voor bodemenergie in ontwikkeling. Deze AMvB wordt geschreven door de ministeries van VROM en van Verkeer & Waterstaat. Binnen deze AMvB worden op nationaal niveau regels gesteld voor de open en de gesloten systemen. Het doel is om de procedures voor de open systemen te versnellen en te vergemakkelijken, en om de gesloten systemen te reguleren. Op basis van de huidige inzichten zal dit betekenen dat de gesloten systemen minimaal een meldingsplicht zullen krijgen. De meldingsplicht zal waarschijnlijk ook gaan gelden voor bestaande systemen. Naar verwachting zal deze AMvB in mei 2012 van kracht zijn.
Waalwijk, april 2012 Willem-Jan van den Berk
Adviseur
Postbus 470 5144 NV Waalwijk Sprangseweg 13D, Waalwijk Tel: 0416- 66 99 99 www.klictet.nl
