Systemen

Bij de warmtepomp zijn er verschillende systemen; de keuze van het systeem hangt af van de situatie; er is ook een groot verschil in rendement tussen de verschillende warmtepompen. Enkele systemen zijn:

Lucht-luchtwarmtepomp

Bij lucht-luchtwarmtepompen wordt de warmte, net als bij een lucht-waterwarmtepomp, gehaald uit de buitenlucht, waardoor het rendement afhankelijk is van de buitentemperatuur. In feite is een lucht-luchtwarmtepomp een airconditioning waar door middel van het omschakelen van een klepje de verdamper en de condensor omgeschakeld kunnen worden. Veel airco’s worden dan ook verkocht met specificaties voor verwarming. De investeringskostprijs van dit type ligt relatief laag in vergelijking met andere soorten warmtepompen vooral als er sowieso een airco geplaatst moet worden. Daarbij komt dat de benodigde “opvoer” warmte vanwege het gebruik van een luchtblazer lager kan zijn dan bij het gebruik van (lage temperatuur)radiatoren zoals bij een lucht-waterwarmtepomp. Dat komt het rendement (COP-waarde) ten goede. Nadeel is dat de overheid geen subsidie geeft voor lucht-luchtwarmtepompen. Ook heeft de bij dit systeem noodzakelijke luchtblazer bij zijn functie als airco bij temperaturen als 25 graden dan wel een aangenaam (afkoelend) effect. Maar mogelijk minder in zijn verwarmingsfunctie bij bijvoorbeeld slechts 18 graden. In de verwarmingsfunctie ontstaat er, i.t.t de airco functie, geen condenswater waardoor de kans op ziekteverwekkers zoals legionella een heel stuk kleiner is. De industrie is in de jaren 2010 wereldwijd fors aan het investeren in het betrouwbaar en efficiënter krijgen van een hele nieuwe generatie luchtwarmtepompen.

Er zijn twee systemen. Een single block waarbij koeler en verwarmer in één apparaat zitten en dus in een gat in de muur geïnstalleerd moeten worden of een split block waarbij het luchtblazer gedeelte in de te verwarmen/koelen ruimte geplaatst moet worden en verdamper (in de verwarmingsfunctie) buiten. Deze moeten o.a. door (geïsoleerde) koperen buisjes tussen de verdamper en condensor met elkaar worden verbonden. De compressor zit in het binnen gedeelte waardoor er in de verwarmingsfunctie weinig warmteverliezen optreden.

Bij een lucht-luchtwarmtepomp wordt er géén lucht van buiten (met bijvoorbeeld de rook van de houtkachels van de buren) aangezogen. De warmte wordt namelijk getransporteerd door koperen buisjes tussen de verdamper (buiten) en condensor (binnen) (in de verwarmingsmodus). Er wordt alleen lucht van buiten aangezogen met een ventilatiewarmtepomp (meestal een lucht-waterwarmtepomp).

Lucht-waterwarmtepomp

Bij lucht-waterwarmtepompen wordt de energie uit de lucht gehaald en opgepompt tot een hogere temperatuur. Hierbij wordt de warmte afgegeven aan water. Dit is een ideaal systeem voor de verwarming van een woning. Het water dient meestal slechts tot 38 °C opgewarmd te worden, waardoor een hogere COP-waarde bereikt kan worden door de lage condensortemperatuur. Ook bij dit type is het rendement minder gunstig zodra het buiten vriest, maar nog steeds voldoende om de woning warm te krijgen. Daarnaast is het ook nog mogelijk om met sommige lucht-waterwarmtepompen te koelen. Dit verhoogt het comfort in de woning.

Water-waterwarmtepomp

Bij water-waterwarmtepompen wordt de zogenaamde ‘gratis’ warmte uit water gehaald, via een warmtepomppaneel op het dak of het wordt met behulp van water uit de bodem gehaald. Voor al deze types geldt: Hoe groter men de warmtewisselaar dimensioneert, hoe beter het rendement van de installatie. Er zijn verschillende mogelijkheden.

PVT-warmtepomppaneel op het dak

Het PVT-warmtepomppaneel combineert een zonnepaneel (PV) met een warmtewisselaar (T). Een goed gedimensioneerd warmtepomppaneel levert voldoende bronenergie op voor een all-electric-warmtepomp-verwarmingssysteem.

Oppompen van water uit een rivier of meer (aquathermie)

Indien de te verwarmen ruimte naast een waterloop of meer ligt kan daaruit water opgepompt worden, door het warmtepompsysteem gevoerd worden en dan terug geloosd worden. Hierbij moet wel gezorgd worden voor een goed filter. Voor woonboten is het vaak mogelijk om een paar honderd meter PE-slang onder de ark te hangen, waardoor geen filters nodig zijn (gesloten systeem). Het rendement ligt relatief hoog aangezien een rivier of meer meestal niet helemaal dichtvriest en de temperatuur normaal dus niet onder de 4 °C komt te liggen. Ook is er weinig elektra nodig voor het rondpompen van het water en zal er geen uitputting van het medium ontstaan doordat het continu vervangen wordt.

Verticale grondwarmtewisselaar (gesloten systeem)

In dit geval wordt een put geboord. De diepte hangt af van de grootte van de te verwarmen oppervlakte. In die put laat men water door U-vormige pijpen vloeien. Het water neemt de warmte van de diepe grondlagen op en wordt weer naar boven gepompt. In het warmtepompsysteem wordt de temperatuur dan weer verhoogd tot een bruikbare temperatuur. De dimensionering van deze warmtewisselaar, en de grondsoort waarin hij geplaatst wordt, bepaalt in hoge mate het rendement van de installatie. Overdimensionering verdient zichzelf op de lange duur altijd terug. Ondergedimensioneerde bodemlussen zijn de meest voorkomende oorzaak van het slecht of niet functioneren van warmtepompen.

Feitelijk dumpt de warmtepomp de koude uit het huis via de bodemlussen in de ondergrond. Daardoor koelt die grond af. Is dit naar het einde van het stookseizoen toe meer dan enkele graden, dan raakt de grond ‘uitgeput’. Hierdoor zal het rendement achteruit hollen. Als de grond om de lussen heen bestaat uit grof zand en grind met beweeglijk grondwater, dan zal de bron in de zomer vanzelf bijtrekken. Echter, als er meerdere warmtewisselaars dicht bij elkaar geplaatst worden, of als de ondergrond relatief goed isoleert en het grondwater weinig beweeglijk is, dan zal de grond elk jaar een beetje kouder worden, waardoor het rendement jaar in jaar uit verder daalt. Het kan dan nodig zijn om in de zomer buitenwarmte of zonnewarmte te oogsten en daarmee de grond rond de warmtewisselaar te ‘regenereren’ (verwarmen). Of er moet dieper geboord worden, tot men met de nieuwe lussen in een grovere bodem zit.

Om te voorkomen dat de grond uitput zal men dat goed moeten dimensioneren. Om de juiste lengte te bepalen moet men ISSO 73 gebruiken; hierin staan de voorwaarden voor de berekening.

Deze ISSO-norm heeft een belangrijke tabel waar aan de hand van de draaiuren een waarde kan worden afgelezen wat men aan de grond kan onttrekken. Daar komen nog correcties bij van de specifieke grondsoorten en het percentage regeneratie. Bij geen draaiuurinformatie moet men 2000 uur aanhouden en 500 uur voor warmtapwaterbereiding, in totaal dus 2500 uur. In de praktijk komt dit uit tussen de 20 W/m en 25 W/m bijna nooit hoger. Bedenk wel dat een goed werkend grondsysteem merendeels het rendement van de warmtepomp bepaalt.

Warmte putten uit grondwater (open systeem]

Hierbij boort men meestal twee putten. Uit de ene pompt men grondwater op waaruit de warmte wordt gehaald. In de andere wordt het koude water geloosd. Het lozen van het koude water op het riool of oppervlaktewater is niet toegestaan. Dit systeem heeft vaak een groter rendement dan het vorige maar de kostprijs van de installatie ligt natuurlijk veel hoger doordat ook een tweede put geboord moet worden. Het rendement hangt ook sterk af van het type grond waar de installatie geplaatst wordt.

Dit systeem heeft grote voordelen wanneer de woning of het gebouw ook gekoeld moet worden. In de winter pompt men namelijk warm grondwater op; doordat hier warmte uit onttrokken wordt, koelt het af. Dit afgekoelde grondwater wordt weer opgeslagen in de andere put, zodat het in de zomer daaruit gehaald kan worden om het gebouw te koelen. Hierdoor warmt het grondwater weer op, deze warmte kan weer in de eerste put opgeslagen worden en in de winter worden gebruikt. In Nederland is ook voor dit type een vergunning nodig, wanneer er maximaal meer dan 10 m³/h opgepompt kan worden. Moderne, goed geïsoleerde kantoorpanden hebben vaak meer last van zonnehitte dan van koude. Hierdoor lozen ze in de zomer vaak veel meer warmte in de put, dan dat ze in de winter nodig hebben voor verwarming. Hierdoor ontstaat vaak een onbalans die slecht is voor het rendement en de stookkosten. De Nederlandse overheid gaat verplicht stellen dat zulke installaties weer in balans gebracht worden. Oplossing: In de winter gratis koude uit de buitenlucht oogsten en deze in de koude-put opslaan.

Meestal moeten zulke warmtebronnen regelmatig (twee keer per jaar) gespoeld worden met een zeer krachtige pomp.

Een klein deel van deze systemen functioneert slecht, meestal omdat de bron veel minder water levert dan gehoopt. Dan vergt het systeem heel veel pompenergie en de put slaat minder warmte op dan gepland. Soms kan vakkundig uitspoelen helpen. Soms moet er opnieuw geboord worden. Bij kleine projecten (minder dan tien huizen) verzieken de relatief hoge stroomrekeningen van de grondwaterpomp soms ook het rendement.

Horizontale grondwarmtewisselaar (gesloten systeem)

Hierbij wordt er een groot buizennetwerk onder de tuin aangelegd. Er is een groot oppervlak nodig: ongeveer drie maal de grootte van het te verwarmen oppervlak. De COP is ook sterk seizoensafhankelijk omdat de leidingen meestal maar 70 cm tot 1,5 m onder de grond liggen. Als de winter lang en koud is, dan hebben zulke systemen vaak een heel slecht rendement. Als de tuin al aangelegd is, dan is er nog altijd de mogelijkheid om horizontale boringen uit te voeren. Dat zal natuurlijk de kostprijs verhogen. Een andere factor waar rekening mee moet worden gehouden is dat er geen diepwortelende planten boven de collector geplaatst mogen worden.

Benodigde grondoppervlakte

Afhankelijk van het vermogen van de warmtepomp en de soort grond kan men een schatting maken van welke oppervlakte de collector zou moeten hebben. De uit de diepere lagen opstromende warmte is als warmtebron verwaarloosbaar voor de bovenste lagen. De benutbare warmtehoeveelheid en dus de grootte van het vereiste oppervlak hangen sterk af van de thermosfysische eigenschappen van de grond en van de stralingsenergie.

De thermische eigenschappen, zoals volumetrische warmtecapaciteit en warmtegeleidend vermogen, zijn sterk afhankelijk van de samenstelling en de toestand van de grond. Eenvoudig gezegd zijn de opslageigenschappen en het warmtegeleidende vermogen groter naarmate de bodem meer water bevat, het aantal minerale bestanddelen groter is en de poriën kleiner zijn. Water heeft een relatief grote warmtecapaciteit, hierdoor is bij plaatsing van een warmtepomp met een collector minder oppervlakte vereist in natte bodems.

Een manier om een nattere bodem te verkrijgen is dieper graven. Dit zal de plaatsingskosten natuurlijk verhogen. Verder moet men rekening houden met uitputting van de bodem. Na een hele winter stoken zal de grond afkoelen, hierdoor kan men minder warmte onttrekken.

De onttrekkingsvermogens (qe) van de bodem liggen tussen de 10 en 35 W/m². Hier zijn enkele onttrekkingsvermogens voor de verschillende bodems.

Voorbeeld

Veronderstel een situatie van een woning met als grondsoort vochtige leemachtige bodem; we gebruiken dus een onttrekkingsvermogen van 25 W/m². We nemen geen 30 W/m² omdat naarmate het stookseizoen vordert er minder energie in de bodem aanwezig zal zijn door uitputting van de grond.

Samen met de warmtebehoefte van het huis wordt hiermee de vereiste grondoppervlakte bepaald. Het vereiste grondoppervlak wordt berekend op basis van het koelvermogen (Qk) van de warmtepomp. Het koelvermogen is het verschil tussen het verwarmingsvermogen van de warmtepomp en het opgenomen vermogen uit het net (Pwp).

We beschouwen een warmtepomp met een verwarmingsvermogen (Q_wp) van 10,8 kW. Deze warmtepomp heeft als eigenschap dat ze daarvan 2,4 kW uit het net haalt. Dit is met andere woorden een warmtepomp met een COP van 4,5.

Q_k = Q_wp − P_wp = 10,8 − 2,4 = 8,4 kW

Het koelvermogen is dus 8,4 kW

Benodigde grondoppervlakte wordt berekend door het koelvermogen van de warmtepomp te delen door het onttrekkingsvermogen van de bodem.

Hier wordt dit 8.400 / 25 = 336 m²

We besluiten dat er in dit voorbeeld een collector nodig is die 336 m² groot is.

Bepalen nodige circuits van de collector

Nu weten we reeds de nodige oppervlakte, maar het is ook belangrijk om de lengte van de nodige circuits in dat oppervlak te bepalen. De leidingen worden geplaatst in buiscircuits van maximum 100 m lengte. Deze lengte wordt genomen omdat er anders een te groot drukverlies door de leidingen ontstaat. Het aantal circuits hangt voornamelijk af van de soort gebruikte leiding.

Voorbeeld

Stel dat we leidingen van het type PE 25 × 2,3 gebruiken. Dit zijn leidingen met een diameter van 25 mm en een wanddikte van 2,3 mm. In tabellen kan men vinden dat deze leidingen de eigenschap hebben dat men 2x de lengte leidingen nodig heeft van de benodigde oppervlakte grond. Deze waarden worden experimenteel vastgesteld.

We gebruiken het nodige grondoppervlak van in vorig voorbeeld, namelijk 336 m².

336 × 2 = 672 m

We merken dat we ongeveer 672 m leidingen nodig hebben.

Het aantal circuits vinden we nu makkelijk door het aantal meter te delen door 100 (de lengte van elk circuit). We zullen dus 6,72 circuits nodig hebben. We zullen in realiteit dus 7 circuits gebruiken.

Voor- en nadelen

Voordelen

• Geen olie- of gaskosten
• Lagere CO₂-uitstoot (Als tenminste de benodigde elektriciteit niet vooral uit kolen wordt opgewekt.)
• Geen schoorsteen nodig
• Geen opslag van stookolie nodig
• Kan ook dienen als koeling bij te hoge binnentemperature.
• Kan bij industriële processen toegepast worden om restwarmte te hergebruiken
• Regeneratie van de bodem in de zomer bij bodem/water warmtepompen (passieve koeling)
• Lage onderhoudskosten
• Premies
• Verhoogt het zelfverbruik
• Verlaging van het EPBD van de woning

Nadelen

• Geluidsoverlast door de buitenunit (compressor)
• Grote investering
• Grotere dimensie van radiatoren of vloerverwarming vereist
• Opwarming gebeurt op lagere temperaturen en verloopt dus trager, of er moeten radiatoren met ingebouwde ventilator gebruikt worden
• Bij het type met de horizontale collector is een grote oppervlakte vereist, bij andere systemen is een specifieke ligging nodig
• Vergunningen zijn vereist
• Uitbreiding van een woning vereist extra capaciteit van de warmtepomp die het niet kan leveren omdat deze precies is berekend op de huidige warmtevraag.
• Systemen met een elektrisch back-upsysteem voor als de warmtebron (grond, water of lucht) onvoldoende warmte levert of er een storing in het warmtepompsysteem is, zorgen door het lage rendement voor hoge elektriciteitskosten.

Rendement

De warmtepomp komt met een COP van 4,2 tot 4,6 op de tweede plaats na de warmte-krachtkoppeling (of microwarmte-krachtkoppeling) die een COP van 9 heeft.

Een typische eigenschap van warmtepompen is dat met een bepaalde hoeveelheid energie, in de vorm van arbeid, een grotere hoeveelheid warmte-energie kan worden verplaatst dan er aan arbeid is verricht. Hierdoor kunnen ze een COP (coefficient of performance, ofwel prestatiecoëfficiënt) hebben die hoger is dan 100%. Dit begrip werd in het leven geroepen om de verschillende warmtepompen te kunnen vergelijken. Men mag het in geen geval vergelijken met een thermodynamisch rendement, dat betrekking heeft op de omzetting van warmte-energie in arbeid, niet op de verplaatsing ervan. Later in dit artikel wordt op dit begrip nader ingegaan.

De arbeid van de compressor is nodig voor het verpompen van het koudemiddel tegen het drukverschil tussen condensor en verdamper in. Naarmate dit drukverschil groter is moet de compressor meer arbeid leveren voor dezelfde hoeveelheid verplaatst koudemiddel (en hiermee verplaatste warmte). Het drukverschil hangt samen met het temperatuurverschil tussen condensor en verdamper. Voor een zo hoog mogelijke opbrengst moet dit temperatuurverschil dus zo klein mogelijk zijn. Een deel van het temperatuurverschil zit tussen die van de verdamper en de omgeving, respectievelijk de condensor en de te verwarmen ruimte. Om deze verschillen zo klein mogelijk te maken hebben de condensor en verdamper een groot oppervlak en waar mogelijk een ventilator.

In het T,s-diagram hiernaast zijn de twee deelprocessen weergegeven die de thermodynamische verliezen veroorzaken, namelijk de expansie in het smoorventiel en de afkoeling van het hete gas in de condensor. In het eerste geval wordt mechanische energie direct omgezet in warmte, in het tweede geval worden twee reservoirs van verschillende temperatuur gemengd. Thermodynamisch beter (maar technisch moeilijk) zou zijn de drukverlaging te laten plaatsvinden in een turbine of een cilinder met zuiger, de verplaatsing van de zuiger benuttend als arbeid, respectievelijk de compressor te voeden met een mengsel van vloeistof en damp zodanig dat aan het eind van de compressieslag alle vloeistof net is verdampt.

Voorbeeld

Een water-waterwarmtepomp heeft een COP van 3,5. Dit wil zeggen dat de warmtepomp theoretisch in staat is om 3,5 kWh aan warmte te produceren voor elke kWh die ze uit het elektriciteitsnet haalt. Dit kan men gelijkstellen aan een rendement van 350%. Bij gewone elektrische verwarming heb je slechts een rendement van 100%. Weer willen we duidelijk maken dat dit rendement bekeken is vanuit een economisch standpunt. De warmte die uit de omgeving opgenomen wordt is immers gratis. Volledig thermodynamisch gezien zou het dan ook verkeerd zijn om te zeggen dat we een rendement van meer dan 100% behalen.

De verhouding tussen de gas- en elektriciteitsprijs bepaalt vervolgens wat de bedrijfskosten zijn.

Als voorbeeld de productie van 1 GJ warmte met een hoogrendementsketel ten opzichte van een waterwarmtepomp:

• De hoogrendementsketel heeft een gemiddeld rendement van 90% op bovenwaarde
• De water-waterwarmtepomp heeft een SPF van 3
• De energetische waarde van 1 kWh elektriciteit is 1 kJ/s × 3600s = 3600 kJ = 3,6 MJ
• De energetische waarde (bovenwaarde) van 1 m³ Gronings aardgas bedraagt 35,2 MJ
• De kosten voor 1 kWh elektriciteit bedragen € 0,20
• De kosten voor 1 m³ aardgas bedragen € 0,60
• Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de hoogrendementsketel 1000/0,90 = 1100 MJ aan aardgas nodig, ofwel 1100/35,2 = 31,5 m³ aardgas. De kosten hiervoor bedragen 31,5 × € 0,60 = € 19,00. Voor de productie van 1 GJ ofwel 1000 MJ warmte heeft de warmtepomp 1000/3 = 333 MJ aan elektra nodig, ofwel 333/3,6 = 92,5 kWh. De kosten hiervoor bedragen 92,5 × € 0,20 = € 18,50.
• Bij een gasgestookte elektriciteitscentrale met een rendement van 40% is uiteindelijk slechts 333 / 0,40 = 833 MJ ofwel 23,7 m³ aardgas nodig, tegenover 31,5 m³ bij de hoogrendementsketel.
• Het voordeel van de warmtepomp zit dus niet zozeer in de grote besparing op stookkosten als wel in de vermeden uitstoot CO₂en het extra comfort in de vorm van de geboden passieve koeling (koelen van een gebouw met natuurlijke koude uit de bodem). Overigens valt dit CO₂-voordeel weg als de elektriciteit voornamelijk uit kolengestookte centrales komt.
• De energiebesparing bij woningen kan worden verhoogd door ’s zomers warmte de grond in te pompen voor gebruik in de winter. Een grote lucht-waterwarmtewisselaar kan, bij voldoende afmeting eventueel zonder ventilator, op het dak in de wind gezet worden. Zodra de luchttemperatuur hoger is dan de grondwatertemperatuur, kan dit al bijdragen aan rendementsverhoging. Ook kan de vloerverwarming op hete dagen zonnewarmte uit de vloeren naar beneden pompen en daarmee het huis ook nog gratis koelen. Zo wordt het grondwater voorverwarmd, waardoor het rendement van de warmtepomp in de winter flink stijgt. Met deze combinatie van bodem- en zomerluchtwarmte kan de CO₂-uitstoot, en dus de broeikas-bijdrage door gebouwverwarmingen spectaculair dalen.

SPF

Het rendement (COP) aangegeven bij de aankoop van een lucht-/waterwarmtepomp is het theoretische rendement. Dit ligt meestal een stuk hoger dan het reële rendement. Wel is het duidelijk dat er grote verschillen zijn. Als men toch het reële rendement wil weten, gaat men ervan uit dat de COP met 0,4 à 0,7 verminderd moet worden; dit hangt natuurlijk af van het type warmtepomp. Zo wordt bij een bodem-/waterwarmtepomp het rendement opgegeven bij B0/W35 maar bij een goed gedimensioneerde bron zal de temperatuur nooit zakken onder de 0 °C en ligt deze bij het begin van het stookseizoen zelfs op 10 à 12 °C. Buiten een goede warmtepomp is het belangrijk dat de gevraagde vertrektemperatuur (temperatuur van de te verwarmen ruimte) zo laag mogelijk is. Hierdoor worden warmtepompen vaak gecombineerd met vloerverwarming. Het rendement op een stookseizoen bekeken noemt men de SPF (seasonal performance factor).

Aantallen Nederland

Sinds 2016 verstrekt de overheid de ISDE (InvesteringsSubsidie Duurzame Energie en Energiebesparing), om het verbruik van gas terug te dringen en Nederland te verduurzamen. De subsidie loopt tot en met 31 december 2021. Daarnaast is er in het Klimaatakkoord afgesproken dat warmtepompen ondersteund worden tot 2030. Het aantal warmtepompen in Nederland groeit sinds 2015 in een rap tempo, zo blijkt uit cijfers van het CBS: