Afvoerlucht verhoogt rendement warmtepompsysteem

Warmteterugwinning via ventilatiesystemen

warmteterugwinning

Nog niet lang geleden werd de afgevoerde lucht van ventilatiesystemen gewoon naar buiten afgevoerd. Met de komst van het systeem D werd deze warmte al voor een deel weer gebruikt. Vandaag kan die energierijke afgevoerde ventilatielucht worden aangewend voor de productie van sanitair warm water en voor de ruimteverwarming. Dat gebeurt door de extractielucht af te leiden naar een warmtepompsysteem dat de warmte uit de afvoerlucht gebruikt voor de warmteopwekking en zo een hoger rendement haalt.

WARMTE UIT AFVOERSTROMEN TERUGWINNEN

Alle warmte die via reststromen het gebouw verlaat, komt in aanmerking voor de warmteterugwinning. Zo kan de warmte uit douchewater bv. worden gerecupereerd voor de voorverwarming van tapwater, maar ook afgevoerde ventilatielucht heeft nog een pak energie.

HOE WARMTE UIT VENTILATIELUCHT RECUPEREREN?

Systeem D

Bij een ventilatiesysteem D, waarbij zowel de aanvoer van verse lucht als de afvoer van vervuilde lucht mechanisch gebeurt, wordt de energie die nog in de afgevoerde ventilatielucht zit, al langer teruggewonnen. Dat gebeurt via een warmtewisselaar. De afgezogen binnenlucht geeft haar warmte via de wisselaar af aan de verse aangezogen buitenlucht. Daarbij zijn warmteterugwinrendementen van 70 tot 90% realiseerbaar. Bij een systeem D met warmteterugwinning bevat de afvoerlucht, zelfs nadat die haar energie heeft overgedragen aan de aangezogen luchtstroom, nog een bepaalde restwarmte. Deze restwarmte wordt in sommige systemen afgeleid naar een warmtepomp. Wat het rendement van de warmtepomp ten goede komt.

Systeem C

Bij een ventilatiesysteem C, met natuurlijke aanvoer en mechanische afvoer, is een dergelijke warmteterugwinning niet mogelijk. De aanvoer van verse lucht gebeurt hier immers rechtstreeks via roosters in ramen, en dat maakt de uitwisseling van warmte onmogelijk. De energie uit de extractielucht kan bij C-systemen worden teruggewonnen door de afgevoerde lucht over een warmtepompsysteem te sturen. De temperatuur tussen de lucht voordat die de warmtepomp ingaat en als die de warmtepomp verlaat, ligt gemiddeld 10 tot 15 °C lager.

De combinatie met een warmtepomp

Een combinatie met een warmtepomp is dus zowel bij ventilatiesysteem C als D mogelijk. Let wel, deze combinatie maken heeft wel wat voeten in de aarde. Een warmtepomp heeft immers een constant debiet nodig. Het afgezogen debiet van het ventilatiesysteem stemt niet altijd overeen met het continue debiet dat de warmtepomp nodig heeft om te functioneren. Het actuele totale afvoerdebiet van de ventilatie wordt dan gemeten en in functie daarvan wordt geen, meer of minder buitenlucht aangezogen. Een aangepaste sturing en systeemopbouw zijn daarvoor noodzakelijk. Fabrikanten hebben hiervoor kant-en-klare oplossingen op de markt. Deze alles-in-één toestellen bevatten een ventilatiesysteem, een warmtepomp en eventueel ook een boilervat, allen op elkaar afgestemd voor een ideale wisselwerking.

SYSTEEM C MET WARMTEPOMP

Met welke warmtepomp is een combinatie mogelijk?

Het ventilatiesysteem C combineren kan enkel met een warmtepomp die haar warmte haalt uit de lucht (bv. een lucht-water- en een lucht-luchtwarmtepomp). Bij zo'n warmtepompsysteem wordt de lucht over de verdamper van de warmtepomp gestuurd. De verdamper is opgebouwd uit een buizenstelsel waarin een koelvloeistof loopt. De lucht stroomt over dat buizenstelsel en de warmte uit de lucht doet de koelvloeistof in de leidingen verdampen. De verdampte koelvloeistof gaat richting de compressor, die de damp samendrukt. De samengedrukte damp stijgt sterk in temperatuur en die warmte wordt in de condensor afgegeven aan de verwarmingsinstallatie (aan water bij een lucht-waterwarmtepomp en aan lucht bij een lucht-luchtwarmtepomp). De damp condenseert er en wordt vervolgens door het expansieventiel op een lagere druk gebracht, waarna het proces opnieuw kan beginnen.

Factoren die het rendement van de warmtepomp beïnvloeden

Hoe goed de warmtepomp presteert, wordt uitgedrukt in haar prestatiecoëfficiënt (COP). De prestatiecoëfficiënt duidt aan hoeveel kW thermische energie 1 kW elektriciteit oplevert (bv. een COP van 3 betekent dat men 3 kW thermische energie kan opwekken met 1 kW elektrische energie). Hoe hoger de COP, hoe beter de warmtepomp presteert.

Hoe dichter de verdampingstemperatuur en de condensatietemperatuur bij elkaar liggen, hoe efficiënter de warmtepomp is en hoe hoger de COP. Concreet wil dat zeggen: hoe kleiner het verschil is tussen de temperatuur van de aangevoerde lucht en de gewenste kamertemperatuur of sanitairwarmwatertemperatuur, hoe beter de warmtepomp presteert.
Bij luchttemperaturen lager dan 7 °C daalt het rendement van de warmtepomp sterk door o.a. ijsvorming en de nodige ontdooicycli.
Veel toestellen functioneren niet bij vriestemperaturen en moeten dan werken met een verwarmingsweerstand. Hierdoor daalt de efficiëntie van het systeem.
Er is voldoende luchtaanvoer nodig om een goede werking van de warmtepomp te garanderen. Hoe meer lucht er door de verdamper passeert, hoe efficiënter de verdamping verloopt (meer contactmogelijkheid tussen de lucht en de koelvloeistof). Vandaar dat het beetje restwarmte dat bij een systeem D na de warmte-uitwisseling tussen de afgevoerde en aangezogen luchtstroom nog overblijft, soms alsnog naar het warmtepompsysteem wordt afgeleid (zie kaderstuk). Er zit nog maar weinig warmte in die lucht, maar het luchtdebiet is wel hoog.

De restwarmte van systeem D recupereren met een warmtepomp

Bij een systeem D met warmteterugwinning bevat de afvoerlucht, zelfs nadat die haar energie heeft overgedragen aan de aangezogen luchtstroom (in bv. een platenwarmtewisselaar of een warmtewiel), nog een bepaalde restwarmte. Deze restwarmte (en in systemen die kunnen koelen en verwarmen – zelfs ook de restkoelte) wordt in sommige systemen afgeleid naar de warmtepomp. In de warmtepomp wordt die warmte (of koelte) opgewaardeerd en afgegeven aan de toevoerlucht die naar leefruimtes of andere bezette ruimtes wordt gestuurd. Hierdoor zijn er geen ongemakken of tochtklachten door een te koude ventilatielucht en is er het ganse jaar door een stabiele temperatuur van de toevoerlucht. Er wordt een extra thermisch rendement bekomen van 100% tegen een beperkt meerverbruik van de compressor.

Waarom is het gebruik van ventilatielucht interessant?

De ventilatielucht uit de natte ruimtes wordt, in plaats van naar buiten afgeleid, naar het warmtepompsysteem geloodst.
Geëxtraheerde ventilatielucht bevat nog een pak warmte (gemiddeld 18 °C) die anders verloren gaat.
De afgevoerde lucht heeft een hoge relatieve vochtigheid (denk maar aan de extractielucht uit de badkamer). Vochtige lucht bevat meer warmte (omdat water warmte beter vasthoudt dan lucht).
De temperatuur van de afgevoerde ventilatielucht is, in tegenstelling tot bij buitenlucht, het hele jaar door vrij constant en benadert de temperatuur vanbinnen beter dan de buitenlucht.

warmteterugwinning — Vergelijking warmte- en vochtrecuperatie met een enthalpiewarmtewisselaar in vergelijking met andere warmtewisselaars. Door de warmterecuperatie van de enthalpiewarmtewisselaar wordt in de winter de energie van de afgevoerde lucht gerecupereerd, zodat er slechts beperkt moet worden bijverwarmd via de warmtepomp. Hiermee kan een besparing van 8,2 kW behaald worden

COMBINATIEMOGELIJKHEDEN MET SYSTEEM C

Voor sanitair warm water en verwarming

Een ventilatiesysteem C en een warmtepompsysteem inzetten voor de verwarming alleen gebeurt niet in België. Ofwel wordt de combinatie ingezet voor de productie van sanitair warm water (met een warmtepompboiler), ofwel voor de voorziening van sanitair warm water én verwarming (met een warmtepomp). De reden hiervoor is dat er niet het hele jaar door een verwarmingsvraag is. De vraag naar sanitair warm water is er wel het ganse jaar (dus de ventilatielucht kan dan het hele jaar worden aangewend). Daarbij loopt het werkingsprofiel van de warmtepomp bij de tapwaterproductie en de ventilatie grotendeels parallel. Als er in natte ruimtes een verhoogde ventilatievraag is doordat er een bad of een douche wordt genomen, dan is er tegelijk ook een verhoogde warmtevraag van de warmtepomp om de tapwatervoorraad opnieuw op temperatuur te brengen.

In combinatie met een warmtepompboiler

Deze combinatie is vooral interessant bij renovaties, bijvoorbeeld als de plaatsing van nieuwe ramen en de verbeterde isolatie/luchtdichtheid een ventilatiesysteem noodzakelijk maken. In plaats van zijn lucht van buiten te halen of uit de ruimte waar hij staat, gebruikt de warmtepompboiler, indien gecombineerd met ventilatiesysteem C, de geëxtraheerde ventilatielucht voor de productie van sanitair warm water. De afgevoerde lucht wordt door de verdamper gestuurd, koelt hierdoor af en wordt vervolgens vanuit de warmtepompboiler via een ander luchtkanaal naar buiten gestuurd. Het werkingsprincipe is hetzelfde als in een gewone warmtepomp. De koelvloeistof verdampt in de verdamper, wordt samengedrukt in de compressor en de daar opgewekte warmte wordt in de condensor afgegeven. De condensor geeft de warmte af aan het water in het boilervat (bijvoorbeeld via een spiraalwarmtewisselaar). Als bijverwarming en/of legionellabestrijding zijn deze toestellen uitgerust met een elektrische weerstand. De warmtepompboiler kan worden gecombineerd met thermische zonnecollectoren (indien er twee warmtewisselaars aanwezig zijn). In de zomer kan men overschakelen op de thermische collectoren, waarbij de warmtepomp dan voor bijverwarming kan zorgen (of eventueel volledig wordt uitgeschakeld). Ook de combinatie met pv-panelen is mogelijk voor de opwekking van de door de warmtepomp benodigde elektriciteit.

In combinatie met een warmtepomp met boilervat

Ook een warmtepomp kan aangesloten worden op het extractiekanaal van de ventilatie. Het werkingsprincipe is opnieuw hetzelfde. Een ventilator zuigt de lucht uit de natte ruimtes van het gebouw aan en stuurt die over de verdamper. De verdamper recupereert de warmte uit de lucht en de door de verdamper afgekoelde lucht wordt naar buiten gestuurd via een apart luchtkanaal. De warmtepomp staat in voor de ruimteverwarming (op lage temperatuur) en de voorziening van sanitair warm water. Er zijn twee aparte condensorcircuits, een voor sanitair en een voor verwarming. Een hybride systeem (bv. een warmtepomp in combinatie met een externe ketel of een elektrische weerstand) kan worden ingezet als bijverwarming/legionellabeveiliging op de momenten dat de gevraagde warmtehoeveelheid groter is dan de geproduceerde warmte. De warmtepomp kan worden gecombineerd met thermische zonnecollectoren en pv-panelen.

warmteterugwinning — Er moet worden nagegaan of er voldoende luchtdebiet gegarandeerd is voor een goede werking van de warmtepomp. Meer ventileren dan nodig is geen oplossing. Beter is om bijkomend buitenlucht binnen te zuigen

Systeem D met warmtepomp

Zoals eerder aangehaald, kan men ook een ventilatiesysteem D aansluiten op een warmtepomp (lucht-water-/lucht-lucht-/lucht-water-luchtwarmtepomp, laatstgenoemde met splitunits). Dit brengt enkele voordelen met zich mee. Aangezien een systeem D instaat voor de toevoer in de droge ruimten, kan men op een simpele manier ook koelen en verwarmen via deze toevoerkanalen. Uiteraard is deze koelcapaciteit beperkt, aangezien de ventilatiedebieten berekend worden met behulp van de normering NBN D 50.001. Er kan geopteerd worden voor een aanpassing aan de toevoerkanalen, zodat men een groter debiet kan voorzien en men zodoende meer kan koelen en/of verwarmen. Dit is niet altijd de beste manier van werken.

In dergelijke gevallen kan men ook altijd opteren voor luchtverwarmingssystemen. Doel is om toch vooral een verhoogd comfort te kunnen bieden binnen de woning.

Dat betekent dat er met behulp van de warmtepomp in extra verwarming voorzien kan worden en, indien nodig, ook koeling. In dit verhaal slaat comfortverhoging voornamelijk op het koelgegeven. Extra verwarming via de toevoerlucht is aangenaam, maar niet altijd noodzakelijk, denk bijvoorbeeld aan slaapkamers. Een extra toevoer van warme lucht is in dergelijke ruimten niet altijd (even) aangenaam. Een koele slaapkamer in de warme perioden van het jaar daarentegen wordt dan weer wel als aangenaam ervaren. Bij een systeem D heeft u de keuze uit verschillende warmtewisselaars:

platenwisselaar;
warmtewiel;
twincoilsysteem;
enthalpiewisselaar.

Wil men een systeem D koppelen aan een warmtepomp, dan is de laatste optie waarschijnlijk een van de betere oplossingen op de markt.

Enthalpiewarmtewisselaar

Deze warmtewisselaar heeft eenzelfde opbouw als een platenwisselaar met als groot verschil dat de platen niet uit kunststof of metaal zijn opgebouwd, zoals het geval is bij veel warmtewisselaars, maar uit cellulose(papier). Het voordeel hiervan is dat zowel de voelbare als latente warmte wordt uitgewisseld aan de verse lucht. Aangezien men ook het vocht voor een deel teruggeeft aan de verse lucht die in de droge ruimten wordt geblazen, zal men ook niet de nood hebben om bijkomende bevochtiging te voorzien tijdens lage luchtvochtigheidsperioden (winter). Een ander voordeel is dat de machine zelf compleet anders kan worden opgebouwd, men heeft immers geen condensafvoer meer nodig. Een dergelijk type D-systeem kan dus onder hoeken van 45°, 90° en 180° worden geplaatst, wat bouwtechnisch behoorlijk wat voordelen oplevert.

Bypass op systeem D

Alle op de Belgische markt verkrijgbare ventilatiesystemen D worden aangeboden met een zomerbypass. Met deze functionaliteit is het ventilatiesysteem bij machte om koele lucht in het gebouw te blazen, zonder dat deze lucht over de warmtewisselaar moet. Dit principe staat beter bekend als freecooling.

Uiteraard zal men deze functie bij de koppeling met een warmtepomp aanwenden, zodat men diezelfde warmtepomp niet steeds nodig heeft om koele lucht in de woning te blazen. De koelbelasting ligt daarmee dus ook een stuk lager.

Tijdens het ‘freecoolen’ wordt de warme lucht uit het gebouw verwijderd door de extractiemotor die ingebouwd zit in het D-systeem. Het gaat in het merendeel van de gevallen om een automatische functie die ervoor zorgt dat men steeds een optimale ventilatie verkrijgt in functie van de toestand van de specifieke ruimten.

Noodzaak aan isolatie

Aangezien men de toevoerlucht conditioneert volgens de wensen van de gebruiker, moeten alle toevoerleidingen geïsoleerd worden. Dit leidt tot een zekere meerkost en heeft invloed op de positionering van de kanalen. Het is belangrijk dat men die grotere diameter ook meeneemt in de inplanning van de kanalen. Deze stap is cruciaal, want het risico op condensatie is groot.

Een systeem C dat gecombineerd wordt met een warmtepomp, heeft deze extra isolatie niet nodig. De toevoer komt namelijk via een raamrooster.

Renovatie?

Tenzij men te maken heeft met een doorgedreven renovatie, is het combineren van een systeem D met een warmtepomp een hele opgave. De keuze voor een C-systeem is in een dergelijk geval het beste alternatief.
In de stapelbouw, waar er vaak een centrale schacht is voorzien met daarop de extractie van de natte cellen, kan eveneens een systeem met warmtepomp voor de appartementen worden geïmplementeerd. De bestaande ventilatieschacht wordt dan gebruikt om de afvoer van de warme bezoedelde lucht richting de warmtepomp te sturen. Die staat op haar beurt in voor de warmwaterproductie. Er zijn dus ook voor dergelijke oudere appartementsblokken oplossingen die ervoor zorgen dat de energieconsumptie kan worden ingeperkt, en dat zonder al te grote aanpassingen.

warmteterugwinning — Een enthalpiewarmtewisselaar heeft eenzelfde opbouw als een platenwisselaar met als groot verschil dat de platen niet uit kunststof of metaal zijn opgebouwd, zoals het geval is bij veel warmtewisselaars, maar uit cellulose

AANDACHTSPUNTEN

Ventileer niet meer dan nodig

Combineer het warmtepompsysteem met een vraaggestuurd ventilatiesysteem C (het merendeel van de systemen C werkt vandaag vraaggestuurd). Het afvoerdebiet wordt dan per locatie slim geregeld (via metingen van sensoren op CO2, vocht, VOC's enz.). Op die manier kan het ventilatiedebiet (en kunnen de ventilatieverliezen) beperkt worden wanneer er geen aanwezigheid is of als de luchtkwaliteit onder controle is.

Enkel ventilatielucht of ook buitenlucht?

Er moet geval per geval worden nagegaan of er voldoende luchtdebiet gegarandeerd is voor een goede werking van de warmtepomp (bv. 300 m³/h). Meer ventileren dan nodig om voldoende debiet te halen, doet de energiezuinige werking teniet. Beter is om bijkomend buitenlucht binnen te zuigen (de binnen- en buitenlucht wordt gemengd) om voldoende luchtaanvoer voor de warmtepomp te garanderen. Dit heeft dan rechtstreeks een invloed op het rendement van de warmtepomp. Aangezien het systeem op vraagsturing werkt en er niet steeds een verontreiniging zal worden vastgesteld, heeft men meer buitenlucht nodig voor de goede werking van de warmtepomp.

Voldoende grote stookplaats

Als er verschillende technieken gecombineerd worden, loopt de benodigde technische ruimte al snel op. Hou hier rekening mee.

Lagetemperatuurverwarming

Warmtepompen, dus ook indien gecombineerd met ventilatiesystemen, worden steeds gecombineerd met een lagetemperatuurverwarming.

Condensafvoer

Door de afkoeling van de lucht in de verdamper wordt er condenswater afgescheiden. Een afvoer van condens moet worden voorzien.

Installatie

Voor hybride opstellingen (bv. een warmtepomp, gecombineerd met een ketel) hebben de fabrikanten meestal een plug-and-play opstelling ter beschikking. Zowel de warmtepomp als de ketel moet individueel worden afgesteld, de onderlinge regeling is fabrieksmatig voorgeprogrammeerd. Vroeger zagen we wel eens een warmtepomp met daaromheen een kast gebouwd waar dan de afgevoerde ventilatielucht in toekwam. Nu zijn er genoeg warmtepompsystemen op de markt waarbij het extractiekanaal rechtstreeks op de warmtepomp kan worden aangesloten.

Onderhoud

Een warmtepomp en ventilatiesysteem krijgen, net als een ketel, het best om de twee jaar een onderhoudsbeurt.