WARMTEOPSLAG om stijgende energiekost tegen te gaan

Passief koelen helpt om bron te regeneren, maar is niet voldoende

Een moderne nieuwbouwwoning heeft geen gasaansluiting meer. Het motto voor de toekomst is dan ook om volledig elektrisch te gaan. Bodem-waterwarmtepompen zijn hiervoor zeer goed geschikt en bieden nog heel wat meer voordelen: veel minder CO2-uitstoot (nodig om de klimaatopwarming tegen te gaan), ideaal geschikt om passieve koeling te gebruiken en tot slot ideaal te combineren met zonnecollectoren voor warmteopslag.

Hoe werkt het?

Bij de werking van een geothermische warmtepomp haalt de verdamper warmte uit zijn bron (lucht-water-bodem) en geeft deze af aan de condensor. De bodem-waterwarmtepomp haalt via één of meerdere boringen tot maximaal 150 m diepte warmte uit de bodem via een buizensysteem en een glycol-watermengsel. Die 150 m diepte is belangrijk, want vanaf het moment dat er dieper geboord wordt, valt men onder een Klasse 2-rubriek en is er zowel een meldings- als een vergunningsplicht. Dit soort van boringen noemt men een verticaal captatienet.

Een vaak gehoorde klacht is het elk jaar stijgende elektriciteitsverbruik

De voordelen van een verticaal captatienet

In vergelijking met een horizontaal captatienet – waar de buizen op een diepte tussen 0.8 m en 1.5 m worden gelegd – heeft dit systeem met verticaal captatienet wel enkele voordelen: er is minder grond­oppervlakte nodig en het hoogste rendement wordt behaald, want des te dichter de condensatietemperatuur (is de afgiftetemperatuur aan het cv-water bv. vloerverwarming) en de verdampingstemperatuur (temperatuur van de bron) bij elkaar liggen, des te hoger het rendement van de warmtepomp is. Hoewel we bij warmtepompen eigenlijk spreken over COP-waarden in plaats van over rendementen. Een ander heel belangrijk voordeel is dat we bij verticale captatie passieve koeling kunnen toepassen en dat is toch niet onbelangrijk in deze tijden van klimaatopwarming. Verderop in de tekst is te lezen dat het zeer wenselijk is om passieve koeling te gaan gebruiken om een hoge COP-waarde (hoog rendement) te kunnen blijven garanderen.

Mogelijkheid tot passief koelen

Op een diepte van 100 m neemt men in de berekeningen aan dat de gemiddelde temperatuur van de bodem in Vlaanderen om en bij de 10 °C ligt. Wanneer we echter, tijdens de winter, warmte onttrekken aan de grond is het logisch dat deze temperatuur daalt.

De eerstvolgende winter starten we dus met een lagere bodemtemperatuur, de winter erop nog met een lagere en zo wordt er elke winter een steeds groter temperatuurverschil gecreëerd tussen de brontemperatuur en de afgiftetemperatuur. Door dit groter temperatuurverschil stijgt ook de energie die de compressor nodig heeft om het koelmiddel van de lage druk (lage brontemperatuur) naar een hogere druk (afgiftetemperatuur) te brengen.

Een vaak gehoorde klacht bij klanten die gekozen hebben voor een geothermische warmtepomp met een verticaal captatienet is dan ook het elk jaar stijgende elektriciteitsverbruik.

Een voorbeeld ter verduidelijking

Bij een heel eenvoudige woning met een bruikbare vloeroppervlakte van 240 m², een berekend warmteverlies van 12.000 Watt en een aangenomen draaitijd van 1.500 uur wordt een jaarlijks energieverbruik van 18.000 kWh berekend (12 kW * 1.500 uur). Hierbij wordt in eerste instantie geen gebruikgemaakt van passieve koeling. De gebruikte software is Earth Energy Designer versie 3 (later afgekort tot EED – zie kaderstuk). Vermits het de bedoeling van dit artikel is om aan te tonen dat passieve koeling bijna een must is bij bodem-waterwarmtepompen, wordt hier niet dieper ingegaan op het feit of 1.500 uren draaitijd al dan niet goed is voor een bodem-warmtepomp.

Eenvoudigheidshalve wordt een SCOP-waarde van 4 aangenomen (Seasonal coefficient of performance). Dat betekent dat de compressor 4.500 kWh aan elektrische energie nodig heeft, want COP = condensenergie gedeeld door compressorenergie. Als een woning een warmteverlies heeft van 18.000 kWh zal de condensor op jaarbasis ook 18.000 kWh moeten leveren. Hierdoor weten we dat het vermogen dat uit de bodem gehaald moet worden op jaarbasis 13.500 kWh bedraagt. Verder wordt een normale verdeling van de warmtevraag genomen (zie tabel A).

Grafiek 1 laat het vermogen zien van de verwarming (donkerblauwe blokken) en van het vermogen dat we uit de grond halen (gele lijn). Het gedeelte boven de gele lijn is dus compressorenergie. Er is geen passieve koeling aanwezig.

Wat blijkt?

Na simulatie van deze woning in de EED-software, bedraagt de gemiddelde mediumtemperatuur van het glycolmengsel op het einde van januari 8,04 °C.

Op zich niet erg, want tijdens de zomermaanden herstelt zich dit enigszins; wel erger, is dat deze temperatuur na jaar 2 gedaald is tot 7,65 °C en na jaar 5 tot 7,36 °C. Deze temperatuur zakt dus elk jaar, waardoor de warmtepomp meer elektrische energie nodig heeft om de nodige warmte aan de woning te kunnen geven.

Daarom komt passief koelen in beeld

Het grote voordeel en misschien zelfs een noodzaak van een bodem-waterwarmtepomp is het passief koelen. Passief koelen wordt ook wel een duurzame of natuurlijke koeling genoemd omdat we gebruikmaken van de koelte die in de bodem is opgeslagen. De compressor van de warmtepomp wordt op dat ogenblik uitgeschakeld en enkel het draaien van een circulatiepompje is voldoende om de woning passief te koelen. Aangezien het energieverbruik van een compressor vele malen hoger is dan het energieverbruik van een circulatiepomp heeft passieve koeling een zeer energiezuinige werking.

Met passieve koeling kan de temperatuur in de woning 2 à 4 °C dalen. Bedenk wel dat passieve koeling geen airco is. Er wordt beperkt gekoeld, maar voldoende om een comfortabel binnenklimaat te hebben.

passief koelen met plafondkoeling

Passief koelen bij een bodem-waterwarmtepomp kan door water van ongeveer 18 °C doorheen de vloerverwarming te laten lopen.

Zeker geen lagere temperatuur nemen om oppervlaktecondensatie te voorkomen op de vloer. Er zouden ook convectoren gebruikt kunnen worden, maar dan gaan de grote voordelen van vloerverwarming verloren, nl. dat verwarmingselementen onzichtbaar zijn en dat de gehele vloeroppervlakte benut kan worden.

Anderzijds biedt plafondkoeling ook een zeer goede oplossing, vermits koude lucht automatisch de neiging heeft om te dalen en het effect dan ook iets groter zal zijn bij plafondkoeling dan bij vloerkoeling. Bedenk wel dat het koelvermogen beperkt is en dat vaak niet meer dan 4 tot 7 °C onder de buitentemperatuur gekoeld kan worden. Bij een zeer warme 30 °C betekent dit een temperatuur van 23 à 26 °C binnen, wat toch wel een zeer aangenaam comfort is.

Passief koelen is niet genoeg om de bron te genereren

Naast het passief koelen biedt een bodem-waterwarmtepomp nog een extra voordeel: doordat er in de zomer gekoeld wordt, wordt de warmte die opgeslagen is in de woning naar de grond gebracht. Het grote voordeel hiervan is dat op het einde van de zomer de bodemtemperatuur terug warmer geworden is. Men noemt dit het regenereren van de bron. Met een warmere bodembron de winter ingaan betekent een hoger rendement voor verwarmen. Vuistregels leren ons dat een verhoging van de verdampingstemperatuur met 1 °C een energiewinst oplevert van 3 à 4%.

Zonnecollectoren hebben voor de bereiding van warm water een veel beter rendement

Passieve koeling in residentiële woningen is vaak onvoldoende om de bodem volledig terug op te warmen naar zijn begintemperatuur. Dit betekent dat de bewoners toch elk jaar nog steeds geconfronteerd worden met een licht stijgende energiekost. Een andere oplossing dringt zich dus op.

 

Stop zonnewarmte in de bodem
Zou het niet interessant zijn om de overtollige warmte van zonnecollectoren tijdens de zomer in de bodem op te slaan? Op die manier gaat deze warmte niet verloren, wat resulteert in een hogere brontemperatuur na de zomer en in een veel beter rendement.
Technisch gezien, is deze manier van werken perfect mogelijk en zo kan de zonnewarmte voor de volle 100% gebruikt worden.

Overaanbod zonnecollectoren opslaan in de bodem

Met al deze kennis nog een stapje verder gaan, betekent gaan werken met opslag van warmte. Het is algemeen geweten dat zonnecollectoren voor de bereiding van warm water een veel beter rendement hebben dan pv-panelen voor opwekking van elektriciteit en dit verschil is aanzienlijk, namelijk zo’n 80% voor zonnecollectoren tegenover 20% voor pv-panelen.

Tijdens de zomermaanden is de zon volop en overvloedig aanwezig, vaak zelfs in die mate dat er een overaanbod is. Stel dat er een drietal zonnecollectoren op het dak liggen van 2.4 m²/stuk en dat er een opslagvat van 150 liter is.

Op een zonnige zomerdag zal dit snel op temperatuur zijn en gebeurt er dus verder niets met de overtollige warmte. Zou het niet interessant zijn om dan deze overtollige warmte in de bodem op te slaan? Op die manier gaat deze warmte niet verloren, wat resulteert in een hogere brontemperatuur na de zomer en in een veel beter rendement. Technisch gezien is deze manier van werken perfect mogelijk en zo kan de zonnewarmte voor de volle 100% gebruikt worden. Er moet evenwel gelet worden op één belangrijke zaak.

In Vlarem staat vermeld dat de maximale injectietemperatuur van warm water in de grond beperkt moet worden tot 25 °C. Uiteraard is het water afkomstig van de zonnecollectoren veel hoger en er zal dus een mengventiel moeten worden geplaatst, zodanig dat water van 25 °C naar de bodem geleid wordt en de overige warmte naar het voorraadvat of eventueel naar een buffervat.

Let wel: economisch gezien heeft het geen enkel nut om een dak vol te leggen met zonnecollectoren. De kostprijs van deze zonnecollectoren weegt echt niet op tegenover de energiebesparing, maar een paneel extra geeft u de kans om de zonnewarmte veel meer te benutten.