OPROEP VOOR MEER, MAAR VOORAL OOK BETERE WARMTEPOMPINSTALLATIES

DIMENSIONERING EN ANDERE UITDAGINGEN VOOR INSTALLATEUR, FABRIKANT EN OVERHEID 

De warmtepomp is meer en meer ingeburgerd. In 2018 werden er in België zo'n 73.000 exemplaren verkocht, met de lucht-luchtwarmtepomp voorop. De politiek lijkt groene warmte ondertussen stilaan in het vizier te hebben, en ook de EPB-rekenmethodiek is de warmtepomp gaandeweg meer gaan omarmen. Allemaal opstekers voor sector en technologie, dus, al kwamen op 25 september jongstleden tijdens het 12e Warmtepomp Symposium (een organisatie van het Warmtepomp-platform van ODE Vlaanderen) ook enkele typische uitdagingen aan bod. Voor de installateur is dat nog steeds de concrete uitwerking van warmtepompinstallaties.

(OVER)DIMENSIONERING

Veelbesproken, maar nog lang niet weggewerkt: dat is de kwestie van dimensionering -en in het bijzonder overdimensionering - van warmtepompen. Dat, terwijl men zich daarvoor toch 'gewoon' op de warmteverliesberekening volgens (tot nader order) NBN EN 12831:2003 en de bijhorende Belgische annex hoeft te baseren?

Volgens ing. Paul Van den Bossche (WTCB) bestaat dé berekening volgens die norm niet en ligt het verschil tussen een correcte en een overdimensionering van de warmtepomp in zekere mate bij de keuzes die de ontwerper tijdens de warmteverliesberekening maakt. De norm houdt immers een aantal vrijheidsgraden in, die in het installatieontwerp gebruikt kunnen worden om tot een correctere dimensionering van het effectief benodigde warmtepompvermogen te komen.

"Een warmteverliesberekening volgens de norm hoeft niet tot overdimensionering te leiden" 

- Paul Van den Bossche (WTCB)

Gedetailleerde berekening

Enkele zaken die volgens Van den Bossche alvast meer aandacht mogen genieten, zijn:

• transmissieverliezen: “De meeste materialen hebben aanzienlijk betere lambdawaarden dan de ontstenteniswaarden uit de norm. Probeer dus zo veel mogelijk kennis te nemen van de daadwerkelijk toegepaste (isolatie)materialen";
• luchtdichtheid: “Ook wat betreft luchtdichtheid, speelt de norm erg op veilig. Opnieuw is het beter om de resultaten van de daadwerkelijke luchtdichtheidsmeting te gebruiken. Gaat het om een nieuwbouwproject en zijn die metingen dus niet voorhanden, dan is het bijvoorbeeld mogelijk om met de ambitiewaarde van het project te rekenen. Toegegeven, dat geeft enige rechtsonzekerheid voor de ontwerper, maar kan mits een duidelijk engagement van de aannemer wel";
• ventilatiedebieten: “Vergewis je ervan dat je effectief met de ontwerpdebieten rekent, en niet met bijvoorbeeld de roostercapaciteit. Bij D-systemen kan de warmterecuperatie in principe perfect in rekening worden gebracht, al moet je wel rekening houden met de vorstbeveiligingsstrategie van het apparaat. Gaat het om een luchtbatterij die op cv staat, dan zal de warmtepomp dat vermogen dus wel degelijk moeten kunnen leveren";
• opwarmvermogen: “In situaties met vloerverwarming en op gebouwniveau heeft het weinig zin om met het opwarmvermogen rekening te houden. Het vereist echter wel dat de regeling van het systeem daarop aangepast is."

Optelsom

Daarnaast trekt Van den Bossche de berekening van het totale benodigde vermogen op gebouwniveau in twijfel. “Het vermogen van de warmtegenerator - in dit geval de warmtepomp - staat volgens de norm gelijk aan de optelsom van alle vermogens per ruimte. Dat lijkt logisch, maar is het niet. Tussen het ruimte- en het gebouwniveau zijn er immers best wat verschillen in benadering."

“Op ruimteniveau worden warmteverliezen van vloerverwarming naar beneden toe bijvoorbeeld niet in rekening gebracht, terwijl ze op gebouwniveau wel een (negatieve) impact hebben. Anderzijds valt het dan weer wel te verantwoorden om op gebouwniveau reducties toe te passen voor de ventilatieverliezen. Het effectieve totale debiet van de ventilator ligt vaak namelijk lager dan de optelsom van alle aparte debieten."

Gelijktijdigheid

Ten slotte gaat de norm steeds uit van de slechtst mogelijke situatie. “De berekening volgens de norm gebeurt niet alleen bij een temperatuur van -8 °C (afhankelijk van de regio), maar gaat er bovendien van uit dat het op dat moment ook nog eens stevig waait, dat er geen zon is en dat er overal volop verwarmd én geventileerd wordt. De kans dat die situatie zich in de realiteit voordoet, is quasi nihil, al hebben we daar op dit moment nog geen concrete metingen van. Door een aantal cases te monitoren, hopen we de norm in de toekomst echter ook op dat vlak te kunnen bijstellen."

Technische installaties Herman Teirlinckgebouw

Toneel van het twaalfde Warmtepomp Symposium was het Herman Teirlinckgebouw in Brussel. Het complex, dat onder meer diverse afdelingen van de Vlaamse overheid huisvest, staat te boek als het grootste passiefkantoor van België. Ing. Kurt Corvers, COO van studiebureau Boydens Engineering, gaf tekst en uitleg bij de technische installaties.

Alles begint bij KWO en BKA

“In basis wordt het gebouw verwarmd en passief gekoeld door middel van drie warmtepompen, elk met een vermogen van 175 kW en aangesloten op een open geothermisch systeem (KWO). De toestellen staan opgesteld in een ruim lokaal op -2, van waaruit alles naar de betonkernactivering door het gebouw heen verdeeld wordt.”

“Opmerkelijk is dat de retourtemperatuur van de BKA in functie van een setpunttemperatuur geregeld wordt. Per zone of lokaal kunnen we zo, indien nodig, een zekere afwijking van de centrale stooklijn voorzien. Een zone met een enkel kantoor zal immers meer verwarming en minder koeling behoeven dan eenzelfde oppervlakte met acht werkplaatsen.”

 Sanitair warm water

Het Herman Teirlinckgebouw ontsnapt echter niet aan de uitdaging van SWW en piekverwarming. “De enorme SWW-vraag van het gebouw kon onmogelijk door de warmtepompen en geothermie ingevuld worden, waardoor we genoodzaakt waren om ook drie gascondensatieketels te plaatsen, met een vermogen van 300 kW per stuk. Omdat het hier een hoogbouw betreft, mocht de stookplaats echter niet in de kelder liggen. De ketels staan dus op de 14e verdieping, van waaruit het water naar een warmtewisselaar in het warmtepomplokaal gestuwd wordt. Dat leidt helaas nog tot aardig wat distributieverliezen, maar op het moment van aanbesteden was dat de best mogelijke oplossing.”

Adiabatische koeling

Ten slotte was er ook nog de grote koelvraag van het gebouw. “Zouden we enkel op de warmtepompen werken, dan zouden we de bodem wellicht snel gaan opwarmen. Daarom werd er, naast de passieve koeling via de BKA, nog adiabatische koeling voorzien. Die maakt gebruik van gerecupereerd regenwater om de retourlucht van de kantoren te bevochtigen en zorgt nadien voor een verdampingsproces waarvoor warmte aan de verse toevoerlucht onttrokken wordt. Op die manier kan er zelfs op erg hete dagen nog met verse lucht van 19 à 21 °C geventileerd worden, zonder dat de bodem daarvoor belast wordt.”

“In totaal werd hier ongeveer 1,4 MW opgesteld”, besluit Corvers. “In vergelijking met de 3 tot 8 MW die je voor de verwarming en koeling van een gebouw van dit kaliber kan verwachten, is dat een erg mooie prestatie.

SANITAIR WARM WATER

Kleine nuance: voorgaande houdt nog geen rekening met de productie van sanitair warm water. Ook dat blijkt onder installateurs nochtans regelmatig een vraagteken. Want welke technologie pas je daarvoor nu het best toe en welke impact heeft het daarvoor benodigde vermogen, indien van toepassing, op de dimensionering van de warmtepomp?

Ir. Thibaut Winters (KU Leuven) maakte een energetische, economische en ecologische vergelijking tussen diverse technologieën voor de SWW-productie. Een absoluut 'beste' optie kwam daar niet uit voort. Een gasboiler is bijvoorbeeld de goedkoopste optie, maar scoort erg slecht inzake hernieuwbare energie en CO2-uitstoot. Zonnecollectoren halen op alle vlakken gemiddelde prestaties, maar moeten wel het onderspit delven ten opzichte van zonnepanelen en warmtepompen. De combinatie van die laatste twee heeft volgens Winters dan ook het grootste potentieel.

Maar welk extra vermogen voor SWW-productie moet er bij de dimensionering van de warmtepomp dan nog in rekening gebracht worden en hoe groot moet het opslagvat zijn? Van den Bossche verwijst daarvoor naar de pv-curves, waaruit zowel het nuttige boilervolume (V) en het warmtewisselaarvermogen (P) als de baseload voor maximaal dagverbruik afgeleid kunnen worden. Om het totale vermogen van de warmtepomp (met voorkeursregeling voor SWW) te bepalen, moet die baseload vervolgens bij het benodigde cv-vermogen opgeteld worden. Toch geldt ook hier nog een belangrijk aandachtspunt. Het nuttige vermogen waarmee men in de sanitaire PV-curve rekening moet houden, is immers niet zomaar gelijk aan het verwarmings(piek)vermogen van de warmtepomp. Vanwege de hogere productietemperaturen voor SWW enerzijds en de capaciteit van de warmtewisselaar in de boiler anderzijds zal het reële vermogen doorgaans lager liggen.

"Het Herman Teirlinckgebouw had een dermate hoge koelvraag dat we onmogelijk op geothermie alleen konden koelen"

- Kurt Corvers (Boydens Engineering)

SLIMME REGELSTRATEGIE

Wil men een warmtepompinstallatie optimaliseren, dan zijn echter niet alleen ontwerp en dimensionering cruciale aandachtspunten. Minstens evenveel aandacht dient te gaan naar de regelstrategie. Uit de presentatie van ing. Frederik Maertens (Boydens Engineering) blijken daarmee immers nog aanzienlijke comfort- en zelfs energiewinsten mogelijk. Maertens bespreekt het onderzoek dat gebeurde in het kader van proeftuinproject De Schipjes in Brugge, in nauwe samenwerking met de onderzoeksgroep Thermische Systeem Simulaties van de KU Leuven.

Het historische woonerf De Schipjes, met 12 kleine woningen, onderging een grondige renovatie, waarbij op energetisch vlak na vergelijkend onderzoek gekozen werd voor een lokaal warmtenet op lage temperatuur, met centrale opwekking door middel van een bodem-waterwarmtepomp in combinatie met zonne-energie. Voor de SWW-productie wordt elke woning bijkomend uitgerust met een boosterwarmtepomp, en de warmte-afgifte gebeurt via vloerverwarming enerzijds en radiatoren anderzijds.

Hoger comfort

Als aanvulling op de klassieke regelstrategie - voorrang voor SWW, boosterwarmtepomp springt bij als temperatuur van de lokale buffer onder 45 °C zakt, centrale warmtepomp springt bij wanneer centrale buffertemperatuur niet gehaald wordt - simuleerde ir. Sigrid Feyaerts (KULeuven), onder supervisie van prof. Lieve Helsen en prof. ir. Wim Boydens, de impact van diverse aansturingen op het piekvermogen en het comfort. Maertens licht de belangrijkste bevindingen toe:

• SWW sneller bijladen: “De boosterwarmtepomp inschakelen aan 50 °C in de lokale buffer, in plaats van 45 °C, bleek niet meteen een nuttige ingreep. Er was geen wezenlijke comfortverbetering, en dat bij een hoger elektrisch verbruik";
• SWW 's nachts laden, tot 70 °C: “Om de ochtendpiek op te vangen, werd nagegaan of we 's nachts een extra laadmoment konden toevoegen, waarbij de settemperatuur van de lokale buffer tevens met 10 °C verhoogd werd. Dat bleek een enorme impact te hebben op het comfort (+ 10%), in vergelijking met een beperkte verhoging van het verbruik (+ 2,3%)";
• circulatiepomp optimaal benutten: “De standaardregeling ging uit van een absolute voorrang voor SWW, maar in de praktijk hebben de circulatiepompen voldoende vermogen om naast de boosterwarmtepomp ook nog een van beide afgiftesystemen te voeden. Wordt tijdens het laden van het SWW ook de vloerverwarming gebruikt, dan levert dat volgens de simulaties een comfortverbetering van 7%, zonder meerverbruik. In het geval van radiatoren loopt de comfortwinst zelfs op tot 14%, opnieuw zonder het energieverbruik te verhogen";
• nachtverlaging: “Door de temperatuur 's nachts maar tot 17 °C, in plaats van 15 °C, te laten zakken, steeg het comfort met 6%; het elektrische verbruik slechts met 1,2%".

Minder energieverbruik

"Zonder ook maar één zaak aan de componenten zelf te veranderen, boeken we comfort- en energiewinst"

- Frederik Maertens (Boydens Engineering)

Hoewel verschillende van bovenstaande strategieën al een aanzienlijke comfortverbetering opleveren - en dat zonder ook maar één component in de installatie aan te passen - gaan ze in de meeste gevallen toch nog met een klein elektrisch meerverbruik gepaard.

“Om energie te besparen, herbekeken we vervolgens nog de warmteproductie. Het warmtenet werd namelijk het hele jaar door op 50 °C gevoed - warmte die vooral aangewend werd voor de verwarming van de woningen in de winter. Voor de SWW-productie zijn dergelijke temperaturen niet per definitie nodig, de boosterwarmtepomp kan ook water van 25 °C opwarmen tot 60 °C."

Dus werd er ook op de stooklijn een regelstrategie toegepast, waarbij de centrale warmteopwekking in de zomer beperkt wordt tot 25 à 30 °C. “Omdat de situatie in de winter niet verandert, heeft deze ingreep geen noemenswaardige impact op het comfort. Op energetisch vlak, daarentegen, is het resultaat op zijn minst opvallend te noemen. Het elektrische verbruik gaat namelijk tot 25% naar beneden!"

Niet onbelangrijk: in het onderzoek werden de verschillende scenario's onafhankelijk van elkaar doorgerekend. Verder onderzoek naar de beste combinaties heeft dan ook maximale performantiewinst in het vizier, met enkel de marginale regelprogrammatiekost als investering.

OPROEP NAAR DE OVERHEID

Naar goede gewoonte beperkte het Warmtepomp Symposium zijn boodschappen niet tot de installateur, maar deed het ook een oproep aan overheid en beleid. De ondertussen breed gecontesteerde, maar nog steeds ongewijzigde elektriciteitsfactuur kwam daarbij meermaals aan bod, net als de urgentie om het renovatiepotentieel te activeren. Bram Claeys, algemeen directeur van ODE Vlaanderen, en Luc De Smet, covoorzitter van het Warmtepompplatform, deden in dat opzicht zelfs de markante suggestie om de lagetemperatuurafgiftesystemen binnen afzienbare tijd te verplichten.

En dan was er nog aandacht voor het bredere perspectief, zowel op schaal- als op technologieniveau. Een oproep om niet alle eieren in één schaal te leggen, maar warmte te beschouwen als het heterogene gegeven dat het is, en daarbij een plaats te bieden aan diverse (hernieuwbare) technologieën. Niet alleen op gebouwniveau, maar ook in functie van wijk en stad. Een zoektocht naar een volwaardige systeemaanpak, dus.