Collectief verwarmen en koelen in appartementsgebouwen met change-over systemen: wat werkt het best?

De hete zomer van 2025 maakt nogmaals duidelijk dat verkoeling in gebouwen steeds noodzakelijker wordt. Een belangrijke categorie voor appartementsgebouwen zijn change-over systemen: collectieve installaties die kunnen schakelen tussen verwarming en koeling via een gedeeld leidingnetwerk. Ze zijn technisch veelbelovend, maar worden vandaag nog weinig toegepast. De reden? Gebrek aan duidelijke richtlijnen over keuze van ontwerp en temperatuurregeling. In het afgelopen doctoraatsonderzoek van Stef Jacobs (Universiteit Antwerpen) werd hierop diepgaand onderzoek gedaan.

Zeker in appartementsgebouwen bieden collectieve installaties schaalvoordelen, stabielere warmtevraag en kansen tot hernieuwbare integratie, zoals warmtepompen en bodemenergiesystemen

Warmtepompen en collectieve installaties

Zeker in appartementsgebouwen bieden collectieve installaties schaalvoordelen, stabielere warmtevraag en kansen tot hernieuwbare integratie, zoals warmtepompen en bodemenergiesystemen.

Collectieve installaties koppelen verschillende wooneenheden met een gezamenlijke thermische bron door middel van grote distributieleidingen. Bekende voorbeelden zijn warmtenetten in steden en woonwijken (zie figuur 1), gevoed door bijvoorbeeld restwarmte uit de industrie. Ook op kleinere schaal kan een mini-warmtenet in appartementsgebouwen leiden tot betere systeemprestaties, waar de warmtebron een aankoppeling kan zijn met een groter warmtenet (zoals onderstation B.1 in figuur 1) of een centrale warmtepomp.

Hoewel collectieve installaties meestal ontworpen zijn voor verwarming, stijgt ook de koelvraag. Zonder collectieve koeling grijpen bewoners vaak naar individuele airco’s, wat het energieverbruik en het urban heat island effect in steden versterkt. Verder worden de kansen omtrent regeneratie van een BEO-veld dan niet benut. Het is daarom belangrijk om de stijgende koelvraag ook van in het begin mee te nemen tijdens het ontwerp en de selectie van de regeling van collectieve installaties. Change-over systemen, die wisselen tussen verwarming en koeling, bieden hiervoor een oplossing.

Figuur 1 — Fig. 1: Ook op kleinere schaal kan een mini-warmtenet in appartementsgebouwen leiden tot betere systeemprestaties, waar de warmtebron een aankoppeling kan zijn met een groter warmtenet (zoals onderstation B.1)

Wat zijn change-over systemen?

Change-over systemen zijn collectieve verwarmings- en koelsystemen die tussen verschillende temperatuurniveaus schakelen, doorgaans tussen verwarming en koeling. Deze omschakeling kan zowel centraal als decentraal gebeuren. De meest gekende varianten zijn de decentrale change-over systemen: er zijn verschillende distributiecircuits met elks een eigen temperatuurregime, en iedere woning kan zelf kiezen of er verwarming of koeling onttrokken wordt.

Er bestaan zo heel wat varianten, maar belangrijk om te weten is dat er steeds een afweging is tussen kosten en thermisch comfort. Zo vertegenwoordigen de distributieleidingen doorgaans een groot deel van de investeringskosten, en is het continu distribueren van hoge temperaturen nadelig voor de COP van de centrale warmtepomp. Dit artikel focust zich op de systemen afgebeeld in figuur 2, waarbij het aantal distributieleidingen beperkt wordt en er centraal geschakeld wordt tussen temperatuurniveaus. Deze systemen vergen dus een goede aanvoertemperatuurregeling om te voldoen aan alle comfortnoden van de bewoners. De centrale productie is steeds gebaseerd op warmtepomp(en).

Concept A is een 4-pijpsysteem met gescheiden circuits voor ruimteklimaat (verwarming en koeling) en sanitair warm water (SWW). In theorie zal dit systeem het beste comfort leveren voor SWW, aangezien dit steeds beschikbaar is door de circulatieleiding, maar aan de hoogste kosten (OPEX en CAPEX).

Gezien de hoge investeringskosten voor die centrale distributieleidingen, zijn er ook twee varianten van een combilus onderzocht. Concept B is een combilus (2-pijpssysteem) met boosterwarmtepompen in elke woning. Door gebruik van decentrale boosterwarmtepompen, kan de distributietemperatuur makkelijk aangepast worden aan de ruimteverwarmings- en koelingsnoden van de bewoners, en dus ontkoppeld worden van de nood aan SWW. Het SWW wordt lokaal aangemaakt en opgeslagen in een klein buffervat (150 tot 300 liter), waarbij de boosterwarmtepomp zijn bronwarmte onttrekt uit de combilus.

Tot slot stelt concept C een nieuw onderzochte variant van de combilus voor, waarbij elk appartement een eigen opslagvat voor SWW heeft (90 tot 200 liter). Gezien er maar één aanvoerleiding is, wordt er centraal gewisseld tussen drie temperatuurregimes, namelijk hoge temperaturen (voor het opladen van deze SWW-vaten), lage temperaturen (voor de ruimteverwarming) en koeling (in de zomer).

Figuur 2 — Fig. 2: Drie varianten van change-over systemen

Bij elk concept is er een spanningsveld tussen comfort, energie-efficiëntie en kostprijs. Een optimale aanvoertemperatuurregeling is dan ook cruciaal voor goede prestaties van de centrale warmtepomp én voldoende comfort bij de eindgebruiker.

Slimme temperatuurregeling is cruciaal

Warmtepompen functioneren het best bij zo laag mogelijke aanvoertemperaturen. Voor comfort is net het omgekeerde waar: SWW vereist minstens 40°C, en idealiter 55°C om legionellagroei te vermijden. Ruimteverwarming vereist minstens 30°C, en koeling vraagt temperaturen lager dan 20°C. Slimme sturing is dus noodzakelijk.

In dit doctoraatsonderzoek werden daarom alternatieve aanvoertemperatuurregelingen ontwikkeld, waarbij de verschillende thermische vragen van de bewoners gegroepeerd worden op basis van temperatuurniveau. Dit maakt het mogelijk om een tijdschema op te stellen, waarin er tijden zijn van hoge temperatuur en tijden van lage temperatuur.

Voor de transitie tussen ruimteverwarming- en koeling toonden de resultaten aan dat de daggemiddelde buitentemperatuur doorslaggevend was: bij 15°C moet er omgeschakeld worden naar koeling. Bij een warmtevraag of temperatuurdaling, kan weer omgeschakeld worden naar verwarming. In concept B kan ook de omschakeling tussen koeling en verwarming gerealiseerd worden, zolang de temperaturen binnen het werkingsgebied van de decentrale boosterwarmtepompen blijven.

Over het algemeen geldt bij boosterwarmtepompen dat de meest optimale distributietemperatuur bepaald wordt door de centrale productietoestellen, gezien het vermogen van de decentrale boosterwarmtepompen veel kleiner is. Zelfs inspelen op een variabele elektriciteitsprijs (in het onderzoek ging het om de day-ahead marketprijs, met uurlijkse variaties), bleek niet echt rendabel te zijn.

Concept C met decentrale opslagvaten voor SWW vereist een meer geavanceerde temperatuurregeling om aan alle drie de comfortnoden te kunnen voldoen. Figuur 3 toont twee regelprincipes uit het doctoraatsonderzoek. De regeling van figuur 3a maakt op voorhand een dagindeling van temperatuurregimes. Dit kan een vast tijdschema zijn, gelinkt aan de karakteristieke warmtevraag in het gebouw, of op basis van de variabele elektriciteitsprijs, zoals een day-ahead marketprijs, waarbij tijdens de goedkoopste uren de opslagvaten worden geladen met een centrale distributietemperatuur van 65°C.

Figuur 3b toont de 2-sensorregeling, waarbij een lage temperatuur (voor ruimteverwarming of -koeling) wordt ingesteld wanneer alle temperatuursensoren in de SWW opslagvaten hun setpunt behaald hebben. Wanneer één sensor bovenaan in één vat te koud is, wordt een hoge distributietemperatuur geïnitieerd, om zo alle opslagvaten op te laden volgens hun onderste temperatuursensor. Op deze manier wordt het opladen van de vaten gegroepeerd, en is er tijd voor lagere temperaturen doorheen de dag, terwijl SWW comfort gewaarborgd kan worden.

Figuur 3 — Fig. 3: De twee regelstrategieën om gegroepeerd laden te maximaliseren, met a) het klokschema en b) de 2-sensorregeling

De implementatie van deze technieken in combilus-opstellingen leidt tot aanzienlijke energiebesparingen tot wel 36%, afhankelijk van de toegepaste hoge-temperatuurbron. Bovendien zijn grotere warmtebronnen niet noodzakelijk, omdat de laaddebieten dankzij het vooraf opladen aanzienlijk verlaagd kunnen worden.

De kostenbesparingen door de 2-sensorregeling te combineren met het inspelen op de variabele elektriciteitsmarkt kunnen oplopen tot wel 46% in vergelijking met een comfort-gedreven 2-sensorregeling (die de lage prijsperiodes niet actief benut). Figuur 4 toont een voorbeeld van een 2-sensorregeling die gecombineerd wordt met het optimaal benutten van lage prijzen, en het vermijden van hoge prijzen. Verder onderzoek naar de voorspelbaarheid van SWW-gebruik kan nog grotere kostenbesparingen realiseren, met gewaarborgd SWW comfort.

Hieromtrent werden in het doctoraatsonderzoek ook de eerste stappen richting de toepassing van artificiële intelligentie gezet, om tot een globale, objectieve temperatuuroptimalisatie te komen, die alle eisen en randvoorwaarden in acht neemt. Er werd een nieuwe leerstrategie ontwikkeld, die eerst focust op de korte termijn dynamiek van een change-over systeem, en daarna de lange termijn optimaliseert. Deze leermethode verbeterde de leerprestaties met 3% tot 15% vergeleken met conventionele leermethodes.

Figuur 4 — Fig. 4 Voorbeeld van 2-sensorregeling gecombineerd met het anticiperen op een variabele elektriciteitsprijs. Tijdens de 20% goedkoopste momenten (P20), wordt een hoge temperatuur gedistribueerd en worden alle opslagvaten opgewarmd (groene tijdzones). Tijdens de 20% duurste momenten van de dag (P80) zullen de vaten nooit opgewarmd worden en wordt er steeds een lage temperatuur gedistribueerd (rode tijdzones)

Wat is het beste systeem voor welk gebouw?

Naast de optimalisatiemogelijkheden inzake regeling, is het kiezen van het juiste systeem voor een specifiek gebouw bijzonder belangrijk voor optimale systeemprestaties. De optimale keuze hangt onder andere sterk af van bewonersprofiel, gebouwgrootte, comfortwensen en kostenprioriteit, wat deze keuze zeer complex maakt. Om ontwerpers hierbij te helpen, ontwikkelde de onderzoeksgroep EMIB van de Universiteit Antwerpen een nieuwe selectiemethode: de holistische KPI-score. Deze score combineert technische prestaties, bewonersvoorkeuren en simulaties, en weegt factoren zoals thermisch comfort en kost (CAPEX & OPEX).

Figuur 5 toont de hoofdresultaten voor de optimale keuze voor verschillende gebouwgroottes (gaande van 8 tot 50 appartementen) en vier verschillende bewonersprofielen. Profiel I stelt een appartementsgebouw met voornamelijk bejaarde bewoners, II met 2-persoonsgezinnen, III met 4-persoonsgezinnen, en IV stelt een luxe appartementsblok voor met verhoogd SWW gebruik. Uit de resultaten is bewezen dat wanneer enkel thermisch comfort telt, het 4-pijpssysteem (concept A), voor alle bewonersprofielen en gebouwgroottes de beste keuze is. Dit systeem biedt het hoogste comfortniveau, met minimaal SWW-discomfort dankzij de circulatieleiding en goede prestaties voor verwarming en koeling.

Figuur 5 — Fig. 5 Hoofdresultaten van de optimale conceptkeuzes. De y-as geeft verschillende gebouwgroottes weer (8 tot 50 woningen) en de x-as het gezinstype (I = bejaardenwoning, II = 2-persoonsgezin, III = 4-persoonsgezin, IV = luxueus SWW gebruik)

Als kostenreductie primeert, is concept B, de combilus met boosterwarmtepompen, de voordeligste optie. Hoewel het SWW-comfort typisch iets lager is dan bij de andere concepten, blijft dat binnen acceptabele grenzen. Een groter vermogen van de boosterwarmtepomp zou dit kunnen verhelpen.

De overgang van comfortgericht naar kostenbesparende concepten verloopt geleidelijk. In het tussengebied hangt de optimale keuze af van gebouwgrootte en bewonersprofiel. Zo komt concept C (combilus met decentrale opslagvaten en 2-sensorregeling) naar voren als een interessante middenweg, vooral bij kleinere gebouwen met gecentreerd SWW-verbruik. Dankzij de 2-sensorregeling kunnen de operationele kosten hier efficiënt worden beperkt, en de besparingen kunnen vergroot worden door rekening te houden met de day-ahead marketprijs.

De methode geeft ontwerpers een onderbouwd instrument om het juiste systeem te kiezen, en laat beleidsmakers toe om aanbevelingen op maat te formuleren, bijvoorbeeld voor sociale woningen, serviceflats of gezinnen.

Thermisch comfort — Het 4-pijpssysteem (concept A) biedt voor alle bewonersprofielen en gebouwgroottes het hoogste comfortniveau, met minimaal SWW-discomfort dankzij de circulatieleiding en goede prestaties voor verwarming en koeling

Vervolg project: TETRA-project ChangeOver

Gezien de grote interesse vanuit de sector en de nood aan praktische richtlijnen, start op 1 oktober 2025 het nieuwe TETRA-project ‘ChangeOver’ (looptijd: 2 jaar). Dit project bouwt voort op het doctoraatsonderzoek en vertaalt de inzichten in gebruiksvriendelijke tools en concrete aanbevelingen voor ontwerpers, studiebureaus, fabrikanten en installateurs.

Meer dan 30 bedrijven sloten zich al aan bij onze gebruikersgroep, maar nieuwe leden zijn zeker welkom. Geïnteresseerde bedrijven die specifieke vragen hebben die men onderzocht wil zien of producten kennen of hebben die hierin oplossingen bieden, mogen ons zeker een mailtje sturen.

Contact: Stef.Jacobs@uantwerpen.be; Ivan.Verhaert@uantwerpen.be
De projectresultaten worden gebundeld op www.warmtenet.info.

_{Meer info?}

_{PhD thesis van dit onderzoek: Jacobs Stef, Verhaert Ivan [promotor], Hellinckx Peter [promotor]. Concept and control optimization for collective heating and cooling in apartment buildings: contributions towards optimal supply temperature control and tailored selection recommendations. PhD thesis, University of Antwerp. 2025. https://doi.org/10.63028/10067/2136470151162165141}