Slim aansturen van de residentiële warmtepomp in functie van pv: wat brengt het op?

In het TETRA-onderzoeksproject Thermi-Var (www.thermi-var.be) onderzocht Expertisecentrum Energie van Thomas More in samenwerking met Buildwise en Volta de voordelen voor de eindgebruiker wanneer die zijn warmtepomp slim aanstuurt. Daarbij lag de focus op oplossingen die op dit moment eenvoudig implementeerbaar zijn.

Instellen warmtepomp — Een warmtepomp slim sturen kan voordelen opleveren, al is het wel belangrijk om aandacht te hebben voor sturingen die het rendement verlagen

Zonne-paradox?

Voor ruimteverwarming botsen we typisch op de zonne-paradox: wanneer de warmtevraag het hoogst is, is er weinig zon. In de winter is de zelfvoorzieningsgraad van de warmtepomp sowieso laag. Als er echter, zoals in de label C woning in Fig1, ook een belangrijke warmtevraag is in het tussenseizoen, valt er op dat moment wel iets te rapen. In deze woning kan de zelfvoorzieningsgraad van de warmtepomp op jaarbasis zo nog oplopen tot 30%.

Figuur 1 — Fig. 1 Aandeel hernieuwbare energie in energieverbruik warmtepomp voor ruimteverwarming bij ideale sturing op dagbasis

Voor de productie van sanitair warm water is meer mogelijk: in de zomer kan het grootste deel van de warmtevraag met zonne-energie gedekt worden en is op jaarbasis een zelfvoorzieningsgraad tot 80% mogelijk voor een gezin van drie personen met 4 kW_p aan pv (Fig. 2).

Figuur 2 — Fig. 2 Aandeel hernieuwbare energie in energieverbruik warmtepomp voor productie sanitair warm water bij ideale sturing op dagbasis

Eenvoudig sturen in de praktijk

In de praktijk is het alsnog niet mogelijk om vraag en aanbod perfect op elkaar af te stemmen. Wat wel redelijk eenvoudig kan, is de warmtepomp boosten als er zonne-overschot is. Dat betekent dat de warmtepomp wordt getriggerd om in werking te treden door het verhogen van de gevraagde ruimtetemperatuur, de stooklijn of de ingestelde temperatuur in een opslagvat.

Een éénvoudige regeling is een regeling met kloksturing, waarbij de warmtepomp systematisch op vaste tijdstippen wordt geboost. Met pv-panelen op het zuiden bijvoorbeeld is de verwachte opbrengst het grootst rond de middag en is dat een ideale periode om de warmtepomp te boosten. Een andere optie is het sturen van de warmtepomp in functie van de pv-injectie. Daarvoor moet de P1 poort van de digitale meter worden uitgelezen. Als de injectie hoger is dan een ingestelde drempelwaarde, wordt de warmtepomp geboost.

In beide scenario’s is het de bedoeling om meer zonne-energie en daardoor minder elektriciteit van het net te gebruiken. Om een idee te hebben van de mogelijke netbesparing, werd deze berekend met behulp van dynamische simulaties. Dit laat bovendien toe om de impact van de verschillende sturingen en bijhorende instellingen één op één te vergelijken.

Voor een standaard vrijstaande woning met een gezin van 3 à 4 personen, werden varianten doorgerekend met verschillen in isolatiegraad, aantal pv-panelen, afgiftesysteem, opslagvolume. Uit de resultaten van deze berekeningen konden een aantal praktische aanbevelingen worden gedestilleerd.

zuinig met thermostaat — Een kloksturing die de warmtepomp boost door een verhoging van de ruimtetemperatuur is een éénvoudige en robuuste oplossing

Aanbevelingen ruimteverwarming

De zonne-paradox speelt niet enkel op jaarbasis, maar ook op dagbasis is de kans groter dat de warmtepomp niet werkt als de zon schijnt. Nog voor gedacht wordt aan een slimme sturing, is het daarom sowieso interessant om de kans op overlap tussen vraag en aanbod te verhogen door beide zoveel mogelijk te spreiden over de dag. Dit kan aan aanbodzijde door de pv-panelen op 2 verschillende oriëntaties te leggen, en aan vraagzijde door de stooklijn zo laag mogelijk in te stellen en er zo voor te zorgen dat de warmtepomp meer uren draait aan een lager vermogen. Een lage stooklijn is trouwens een no brainer die op zich ook al voor een behoorlijke besparing kan zorgen.

Een kloksturing die de warmtepomp boost door een verhoging van de ruimtetemperatuur is een eenvoudige en robuuste oplossing (Fig. 3). Deze regeling zorgt ervoor dat de warmtepomp aan eenzelfde regime blijft werken, maar de vraag verschuift naar momenten waarop er meer kans is op zon. Hierdoor kan het netverbruik van de warmtepomp dalen met ongeveer 5% in een woning met energielabel C en radiatoren tot circa 10% in een woning met label A en vloerverwarming. Belangrijk om te vermelden is dat het absolute verbruik bij een label C woning hoger ligt, waardoor ook het aantal bespaarde kilowattuur groter is.

Figuur 3 — Fig. 3 Schematische voorstelling pv-opbrengst (oranje) en elektrisch verbruik van de warmtepomp (blauw) voor 3 dagen, impact van een verhoging van het setpunt van de ruimtetemperatuur (T_i)

Om meer zonne-energie te benutten, moet de warmtepomp op momenten met veel zon aan een hoger vermogen werken. Dit kan door de stooklijn te verhogen (Fig. 4). Een verhoging van de afgiftetemperatuur zorgt er echter voor dat de warmtepomp met een slechter rendement werkt, daarom is het belangrijk dat het boosten vooral op zonne-energie gebeurt door te sturen op injectie.

Mits een doordachte keuze van de instellingen en 9.000 Wp aan pv kan de daling van het netverbruik van de warmtepomp oplopen tot bijna 10% in een woning met energielabel C en radiatoren en tot bijna 30% in een woning met label A en vloerverwarming. Ook hier geldt de opmerking dat het aantal bespaarde kilowattuur groter is in de label C woning.

Figuur 4 — Fig. 4 Schematische weergave van de fotovoltaïsche opbrengst (oranje) en het elektriciteitsverbruik van de warmtepomp (blauw) voor 3 dagen, de invloed van een verhoging van het instelpunt van de kamertemperatuur (Ti) en de verwarmingscurve.

Een stooklijnverhoging in combinatie met een kloksturing is af te raden. Het verhogen van de afgiftetemperatuur en de bijhorende daling van het rendement gebeurt met een kloksturing ook op momenten met weinig tot geen zon, zeker in de winter. Daardoor stijgt het netverbruik op die momenten. Het risico hierop neemt toe naarmate de warmtepomp zwaarder is in verhouding tot de beschikbare pv-installatie. Zo is het in de minder goed geïsoleerde variant (labelC) met 3000 Wp aan pv zelfs mogelijk dat het netverbruik op jaarbasis toeneemt.

Warmteopslag

Het verlagen van het netverbruik door de warmtepomp te boosten op momenten met een overschot aan zonne-energie, werkt enkel omdat het overschot aan geproduceerde warmte wordt opgeslagen in het gebouw en later nuttig gebruikt. Dit principe werkt bijzonder goed met vloerverwarming, omdat de vloer zelf als warmtebuffer fungeert.

Bij een verwarmingsinstallatie met radiatoren lijkt het toevoegen van een buffervat op het eerste gezicht een goede manier om extra opslagcapaciteit te creëren (Fig. 5).

Figuur 5 — Fig. 5 Schematische voorstelling installatie met radiatoren en buffervat

In de praktijk blijkt het echter niet evident om op deze manier het netverbruik te verlagen. Het buffervat zorgt ervoor dat de warmtepomp continu op een hogere temperatuur werkt, wat het rendement verlaagt. Bovendien zijn er warmteverliezen van het buffervat. Om dit extra verbruik te compenseren, moet de warmtepomp zoveel mogelijk op zonne-energie werken. Dit vereist voldoende buffercapaciteit om periodes met weinig zon te overbruggen, wat leidt tot erg grote – en vaak onrealistische – buffervaten.

Aanbevelingen sanitair warm water (SWW)

Ook voor de aanmaak van sanitair warm water blijkt dat een éénvoudige kloksturing een goede keuze is (Fig. 6). Met 4 kW_p aan pv en een vat van 180 l voor een gezin van 3 personen kan het aandeel hernieuwbare energie van de warmtepomp stijgen van 15 à 20% zonder sturing tot circa 45% met kloksturing. Het netverbruik van de warmtepomp voor de aanmaak van SWW daalt zo met meer dan 20%. De besparing neemt toe richting 40% met 7 kWp aan pv of met een opslagvat van 300 l en gaat zelfs richting 70% indien beide maatregelen worden gecombineerd.

Figuur 6 — Fig. 6 Schematische voorstelling pv-opbrengst (oranje) en elektriciteitsverbruik van de warmtepomp voor SWW (blauw), kloksturing

Een kloksturing werkt voor sanitair warm water zelfs beter dan een sturing op injectie met vaste drempelwaarde. In dat laatste geval is het namelijk moeilijk om een drempelwaarde te vinden die altijd goed werkt (Fig. 7). Een lage drempelwaarde werkt slecht op dagen met veel zon, omdat het boosten dan te snel start en het vat ‘vol’ is tegen dat de pv-opbrengst piekt. Met een hoge drempelwaarde bestaat het risico dat de warmtepomp niet wordt geboost op dagen met weinig zon.

Figuur 7 — Fig. 7 Schematische voorstelling pv-opbrengst (oranje) en elektriciteitsverbruik van de warmtepomp voor SWW (blauw), impact sturing op injectie met respectievelijk lage en hoge drempelwaarde

Een sturing op injectie kan wel beter werken indien de drempelwaarde bijvoorbeeld varieert in functie van de weersvoorspellingen. Een andere mogelijkheid is om te werken met een elektrische weerstand in het opslagvat, waarvan het vermogen wordt geregeld in functie van het beschikbare overschot. Dit laat toe om het opbrengstprofiel te volgen en de zonne-energie zo optimaal te benutten.

Een belangrijk aandachtspunt bij de aanmaak van SWW is de mogelijke tussenkomst van een elektrische weerstand. Dit kan de vermelde besparingen volledig tenietdoen, of zelfs leiden tot een hoger verbruik. We zien inderdaad dat bij veel warmtepompen de elektrische weerstand bijspringt of overneemt vanaf 60-65 °C. Afhankelijk van het vermogen van de weerstand en de hoeveelheid pv-panelen kan een sturing op injectie met variabele instelwaarde dan uitkomst bieden.

Besparen door warmtepomp slim aan te sturen?

We kunnen algemeen besluiten dat het slim aansturen van warmtepompen in functie van de zonne-opbrengst mogelijkheden biedt. Wel is het belangrijk om aandacht te hebben voor sturingen die het rendement (COP) verlagen, bijvoorbeeld door het verhogen van de watertemperatuur of het inschakelen van een elektrische weerstand.

Vooral voor sanitair warm water zijn met eenvoudige sturingsstrategieën duidelijke besparingen op het netverbruik mogelijk. Voor ruimteverwarming stuiten we echter op de zonneparadox, die weliswaar minder sterk speelt in woningen met een hoge warmtevraag in het tussenseizoen. Misschien vormt dit een extra stimulans om in bestaande woningen, typisch iets minder goed geïsoleerd, de overstap naar een warmtepomp te overwegen?

Op www.coock-recover.be , de website van ons vervolgproject Recover, vind je alvast hulpmiddelen en voorbeeldcases om deze stap te zetten.