Ga naar inhoud

Duurzaam verwarmen en koelen

Warmtepomp voor gezinswoningen

Om duidelijk toe te lichten hoe een grondgekoppelde warmtepomp voor een niet-particuliere toepassing exact werkt, we starten we bij een klassieke huishoudelijke warmtepomp met verticale lussen.

De warmtepompinstallatie voor een particuliere woning bestaat uit 3 grote delen:

  • bron
  • opwekking
  • afgifte

 Afgifte wordt gevormd door alle componenten die zorgen dat de geproduceerde warmte afgegeven wordt aan het gebouw. Denk hier bijvoorbeeld aan radiatoren, vloerverwarming, verwarmingsbatterij in de luchtgroep... De opwekker is toestel dat instaat voor de productie van warmte. Welk toestel heeft een uitgang waar je warmte kan afnemen. Dat kan zijn de CV-ketel, de warmtepomp, de pelletketel of de WKK. De component bron komt enkel voor bij warmtepompsystemen.

De warmtepomp haalt uit de bron laagwaardige warmte (QL). Deze warmte is laagwaardig omdat ze niet rechtstreeks kan gebruikt worden om te verwarmen; het bronlichaam is te koud. Vb de buitenlucht. Wanneer we ons huis willen verwarmen tot op een temperatuur van 20°C is de buitentemperatuur kouder dan deze 20°C, dus voldoet niet om rechtstreeks het gebouw te verwarmen. De warmtepomp zal uit dat bronlichaam warmte onttrekken en opwaarderen naar een hogere temperatuur. Dit proces gebeurt niet automatisch, de warmtepomp verbruikt daarvoor elektriciteit (W). De hogere temperatuur warmte (QH) die door de warmtepomp geleverd wordt, is geschikt om het gebouw te verwarmen (vb 45°C).

principe warmtepomp werking

Het rendement van een warmtepomp kan je berekenen door de nuttige energie (QH) te delen door de verbruikte hoeveelheid energie (W) onder de vorm van elektriciteit. De verkregen quotiënt wordt COP of Coefficient Of Performance genoemd. Dit rendement is afhankelijk van een aantal parameters, maar de belangrijkste invloedsfactoren zijn de brontemperatuur (TL) en de afgiftetemperatuur (TH).

Wanneer men het verschil tussen bron- en afgiftetemperatuur kan verkleinen, zal het rendement toenemen. Dat kan door gebruik te maken van specifieke bron- en afgiftesystemen. Zo zal het rendement van een warmtepomp hoger zijn bij vloerverwarming dan bij radiatoren, omdat de afgiftetemperatuur van vloerverwarming (35°C)  lager is dan deze van radiatoren(>45°C). Een vergelijkbare redering geldt voor het gebruik van buitenlucht of de bodem als bron. De bodem is jaarrond constant in temperatuur (12°C), terwijl de buitenlucht in de winter een stuk kouder is (-10°C). Net het moment dat je warmtepomp veel energie dient te leveren. Dit maakt dat het rendement van een grondgekoppelde warmtepomp altijd hoger is dan een lucht-water warmtepomp.

In feite zou je de warmtepomp dus kunnen vergelijken met een klassiek waterpomp. Water stroom op een natuurlijk manier van hoge druk naar lage druk.  Als je de omgekeerde beweging wil maken, heb je daarvoor een pomp nodig. Een waterpomp verpompt water van een lage druk naar een hogere druk. Om dit proces gaande te houden, verbruikt de pomp elektriciteit. Een warmtepomp werkt eigenlijk gelijkaardig. Warmte stroomt natuurlijk gezien van een voorwerp op hoge temperatuur naar een voorwerp op lage temperatuur. Om dit om te keren, heb je een warmtepomp nodig: ze verpompt warmte van een lage temperatuur naar een hoge temperatuur en verbruikt daarvoor ook elektriciteit.

Warmtepomp voor niet-huishoudelijke toepassingen

In woontoepassingen kent de warmtepomp veelal een eenzijdig gebruik: verwarmen in de winter en jaarrond de aanmaak van sanitair warm water. Af en toe zal er ook gekoeld worden in de zomer, maar dit is van ondergeschikt belang en moet gezien worden als een leuk extra’tje. Deze overwegende warmtevraag zal een thermisch onevenwicht in de bodem veroorzaken; een netto afkoeling van de grond. Deze afkoeling van de bodem is echter van die grootte dat de bodem gedurende de zomer op natuurlijke wijze zal regenereren. Concreet heeft dit geen gevolgen voor het gebouw, de energievoorziening of de omgeving; de natuur lost dit probleem zelf op. 

Voor grotere warmtepompsystemen ligt die nadruk net iets anders. Daar krijgt de bron van de warmtepomp een dubbele functie: ? in de winter wordt er warmte onttrokken aan de bodem. Dit zal tot gevolg hebben dat de grond rond de bodemlussen gedurende het stookseizoen stelselmatig afkoelt, om een minimum te bereiken bij de start van het koelseizoen. Wanneer het gebouw in de ? zomer dan koude begint te vragen, wordt die opgeslagen koude in de bodem gebruikt om de vraag naar koude te beantwoorden.

Deze bidirectionele werking is noodzakelijk, omdat de thermische belasting van groot project op de bodem van die aard is dat deze gedurende de zomer niet meer volledig teniet gedaan wordt. Dit zal een structurele afkoeling van de ondergrond tot gevolg hebben, wat de werking van de warmtepomp in het gedrang brengt. Deze werking in 2 richtingen heeft natuurlijk wel tot gevolg dat de warmtepompinstallatie zowel in de winter als in de zomer optimaal ingezet wordt. Daarenboven is de besparing die gerealiseerd wordt door de vrije koude in de bodem te valoriseren, erg groot in vergelijking met een traditionele manier van koelen. Dit komt de besparing en dus ook rendabiliteit van het volledige warmtepompsysteem ten goede. De terugverdientijd van een grondgekoppelde warmtepomp voor een grotere toepassing waarbij zowel warmte en koude nuttig gebruikt kunnen worden, is een stuk korter dan bij een eenzijdige toepassing voor vb een gezinswoning. Indien nodig deze thermische balans kan ook op een kunstmatige manier gerealiseerd worden. Contacteer ons voor meer info.

Waar de bidirectionele werking een optimalisatie van de investering betekent, kan de gelijktijdige werking nog een extra besparing vertegenwoordigen. We verklaren ons nader: een grondgekoppelde warmtepomp (enkel grondgekoppeld) kan, mits slimme hydraulische inpassing, zowel warmte en koude aan het gebouw/proces leveren op hetzelfde moment. Een simultane energielevering van zowel warmte als koude is perfect mogelijk. Maar waar heb je dat nu voor nodig? Enkele voorbeelden:

  • Ontvochtiging van lucht gebeurt door de verse lucht eerst af te koelen (ontvochtiging) om deze daarna terug op te warmen (naverwarming).
  • Sommige zones vragen warmte (Noord) terwijl andere zones koude vragen (Zuid
  • Een vraag naar sanitair warm water, terwijl het gebouw koude vraagt.
  • Verwarmen van het kantoorgedeelte, terwijl het productieproces koude vraagt.
  • ...

Deze gelijktijdigheid kan door de grondgekoppelde warmtepomp opgevangen worden: de warmtepomp onttrekt warmte aan het proces dat een koudevraag heeft en levert warmte af aan het proces dat een warmtevraag heeft.  Concreet betekent dit dat voor dezelfde elektrische input (W) zowel de koudelevering (QL) als de warmtelevering (QH) als nuttig aanzien moeten worden. Dit zal het rendement en dus ook de besparing doen pieken.

Bron

De bron van de warmtepomp speelt een cruciale rol in de werking, de toepassing en rendement van het warmtepompsysteem. Hieronder gaan we wat dieper in op de meest-voorkomende bronnen.

1. KWO

KWO staat voor Koude-Warmte Opslag. Dit is eigenlijk een volwassen variant van een klassieke water-water warmtepomp zoals die ook wel eens in woningen toegepast wordt. Het geothermische systeem bestaat uit 2 geboorde grondwaterputten, een warme en een koude bron; in elke bron hang een grondwaterpomp. Wanneer het gebouw warmte nodig heeft, zal de warmtepomp starten. Simultaan zal de grondwaterpomp van de warme bron beginnen te pompen en grondwater aanbieden aan de warmtepomp. De warmtepomp zal warmte afleveren aan het gebouw en warmte onttrekken aan de laagwaardige bron, het grondwater. Dit onttrekken van warmte heeft tot gevolg dat het grondwater achter de warmtepomp afgekoeld is. Dit afgekoelde grondwater slaan we op in de koude bron door het daar te injecteren. Over de volledige winterperiode zal er dus, als het gebouw warmte vraagt, koude in de koude bron geïnjecteerd worden. Deze koude in de koude bron gebruiken we nuttig in de zomer om het gebouw af te koelen. Dankzij de juiste temperaturen in de koude bron kan dit rechtstreeks, zonder tussenkomst van de warmtepomp of een andere koelmachine. Deze rechtstreekse manier van koelen noemen we ook ‘vrije’, ‘natuurlijke’, ‘passieve’ of ‘geothermischekoeling. Het rendement van deze koeling is erg hoog, omdat er veel energie nuttig geleverd wordt, maar er slechts beperkt elektriciteit verbruikt wordt. De COP is erg hoog, typisch tussen 20 en 30. Vergeleken met een klassieke koelmachine (COP 3,0) is dit een factor 7 à 10 beter!!! 

principe KWO werking koude warmte opslag

Deze rendabele manier van koeling aanleveren heeft wel tot gevolg dat het grondwater dat uit de koude bron onttrokken wordt, opgewarmd wordt en zo ook in de warme bron geïnjecteerd wordt. Over de volledige zomer zal dit tot gevolg hebben dat de temperatuur in de warme bron stelselmatig toeneemt, tot een maximum op het eind van de zomer. Dit komt de winterwerking ten goede, waarbij uit de warme bron terug grondwater onttrokken wordt als bron van de warmtebron. Gezien dit grondwater opgewarmd is, zal dit een rendementsverhoging (COP) van de warmtepomp tot gevolg hebben.

De toepassing van KWO staat of valt met de aanwezigheid van de geschikte geologische formatie in de bodem. In de ondergrond ter plaatse dient er het mogelijk te zijn grondwater op te pompen, op een rendabele diepte, met een voldoende groot debiet voor uw toepassing. Daarenboven zal de terugverdientijd van een KWO-systeem verbeteren voor toepassingen met een grotere energievraag. Dit maakt ook dat voor de echte kleine toepassingen, zoals gezinswoningen, een systeem met verticale bodemlussen (BEO) beter geschikt is.

Variant 1a: KOR

KOR of Koude Opslag Recirculatie moet je zien als een voorloper van een KWO-systeem. Het fundamenteel verschil met zijn bidirectionele broer is de unidirectionele werking. Het grondwater wordt uit de onttrekkingsbron opgepompt en in de injectiebron geïnjecteerd. Dit maakt dat het aangeboden grondwater aan het gebouw/proces jaarrond een temperatuur heeft gelijk aan de natuurlijke bodemtemperatuur. Afhankelijk van de locatie in België zal deze temperatuur schommelen tussen 11 en 14°C.

principe KOR werking

De injectietemperatuur zal, onder invloed van het type energievraag, hoger (koudevraag) of lager (warmtevraag) zijn dan de natuurlijke bodemtemperatuur. Belangrijk is dat de gewogen gemiddelde injectietemperatuur op jaarbasis gelijk is aan de onttrekkingstemperatuur. Concreet wil dit zeggen dat er naar een thermisch evenwicht gestreeft wordt over een jaar. Bij onbalans zal na een aantal jaren een negatieve invloed ontstaan op de onttrekkingstemperatuur. 

Een KOR kent zijn toepassing in moeilijke geologische omstandigheden, of toepassingen waar de koude- of warmtevraag jaarrond aanwezig is.

variant 1b: monobron

Eigenlijk helpt het woord ‘monobron’ je al zeker voor een stuk op weg. Een monobron bestaat uit slechts één boorgat. Toch worden er 2 bronnen ontwikkeld in dit boorgat, boven elkaar. Stel bijvoorbeeld dat je een KWO wil uitbouwen in een geschikte geologische formatie van ongeveer 50 m dik. Het is dan perfect mogelijk om in de bovenste 25 m de warme bron te ontwikkelen en in de onderste 25 m de koude bron.

monobron


Belangrijk voordeel is een besparing op de investeringskost omwille van de halvering van de boorkosten. Nadeel is dat je een voldoende dikke geologische formatie nodig hebt en dat daarenboven de energievraag niet te groot mag zijn. Het ligt voor de hand dat een klassieke KWO met 2 bronnen van 50 m diep een grotere capaciteit heeft dan een monobron van 25 m.
Een monobron kan zowel als KWO als KOR uitgevoerd worden.

variant 1c: oppervlaktewater

Een laatste variant op deze open bron warmtepompsystemen met water als energietransportmedium is het gebruik van oppervlaktewater. Waarom de investering doen om grondwater op te pompen via geboorde putten als je ook gebruik kan maken van oppervlaktewater dat in de buurt aanwezig is, vb. kanaal, rivier, meer, dok...

warmtepomp oppervlaktewater kanaal rivier meer

In eerste instantie lijken deze systemen optimaal geschikt en zeer goedkoop qua aanleg. Maar dat is niet altijd zo. De grote beperking van deze systemen is de erg beperkte capaciteit; je kan slechts een beperkte hoeveelheid energie uitwisselen met het oppervlaktewater. Dit maakt dat oppervlakte vooral zijn toepassing kent in kleine projecten, uiteraard in de nabijheid van oppervlaktewater.

2. BEO

Wanneer een KWO niet geschikt is voor uw project, is er gelukkig genoeg een alternatieve techniek om toch geothermische warmte en koude te oogsten. Deze technologie maakt geen gebruik van grondwater als energietransportmedium en is geen open systeem, maar een gesloten systeem met een water-glycol circulatiemedium. Dat zijn meteen de 2 grote verschillen tussen een BEO en een KWO.

BEO is de afkorting voor Boorgat Energie Opslag. Een BEO bestaat uit verschillende boringen waarin verticale U-lussen aangebracht zijn. Deze U-lussen worden allen met elkaar verbonden tot een gesloten hydraulisch circuit. Door nu een circulatiemedium door dit gesloten circuit te laten stromen, dat qua temperatuur fundamenteel verschilt van de bodemtemperatuur, zal er een energieuitwisseling plaatsvinden tussen de ondergrond en het circulatiemedium. Startend van een natuurlijke bodemtemperatuur van 12°C, kan je in de winter warmte onttrekken uit de bodem door een circulatiemedium rond te pompen dat kouder is dan 12°C. Daar zorgt op dat moment de warmtepomp voor. Door deze onttrekking van warmte, zal de ondergrondse temperatuur stelselmatig afnemen tot een minimum aan het einde van het stookseizoen (vb 6°C). Deze koude gaan we valoriseren in de zomer door deze via een warmtewisselaar aan te bieden aan de koudevragers. Deze koude-uitwisseling gebeurt rechtstreeks, zonder tussenkomst van de warmtepomp of een andere koelmachine. Dat maakt de efficiëntie bijzonder hoog (COP 15-25). Deze manier van koude leveren noemen we ook wel ‘vrije’, ‘natuurlijke’, ‘passieve’ of ‘geothermischekoeling. Deze koudelevering heeft wel tot gevolg dat de ondergrondse temperatuur terug zal toenemen tot een maximum aan het eind van het koelseizoen (14°C).

BEO warmtepomp principe boorgatenergieopslag

Deze techniek om energie uit te wisselen en op te slaan heeft een groot potentieel omdat er geen enkele geologische beperking is. BEO kan in elk sediment toegepast worden; het is enkel de capaciteit die beperkt wijzigt afhankelijk van de geologie. Dat maakt BEO het ideale alternatief op die locaties waar KWO, om welke reden dan ook, onmogelijk is. De dimensionering van een BEO-veld is het samengaan van vele parameters zoals energievraag, bodemgesteldheid, vrije plaats, gevraagde temperaturen, vulmateriaal, budget, vergunningsvoorwaarden, regeneratie, type warmtepomp, mechanische koeling... Ook hier is het thermische balans van belang. Een dominerende belasting zorgt voor een te warm of te koud BEO-veld, waardoor de energielevering vanuit de bodem in het gedrang komt. Dit is te vermijden.

variant 2a: energiepalen

Een praktische variant op BEO verkrijg je door de U-lussen aan te brengen in de, voor stabiliteit noodzakelijke, funderingspalen. Groot voordeel is de optimalisatie van de investering. Je moet geen boorgaten laten boren voor de geothermie, de funderingspalen zijn toch al voorzien. De meerkost bestaat enkel uit het aanbrengen van U-lussen in de palen. De opbrengst van de energiepalen wordt wel beperkt door de diepte van de fundamenten. Een tweede beperking bestaat uit de temperatuur. Het thermisch activeren van de fundering mag uiteraard geen negatieve eigenschap hebben op de stabiliteitseigenschappen van de paal of de ondergrond. Dit maakt de toepassing aangewezen voor de projecten met een eerder kleine energievraag en een grote verhouding footpring/geconditioneerd volume

energiepalen warmtepomp

variant 2b: horizontale captatie

Voor gezinswoningen bestaat er ook een horizontale variant van het gesloten lus-systeem. Het hydraulisch gesloten circuit ligt ingegraven in de tuin, op ongeveer één m onder maaiveld, en de warmtepomp onttrekt warmte aan de superficiële ondergrond. Maar kan je dit ook gebruiken voor grotere projecten met een grotere energievraag?

horizontale captatie collector

Ja, doch slechts beperkt. In het algemeen is de verhouding vrije oppervlakte tuin/verwarmde oppervlakte voor een gezinswoning eerder groot. Voor niet-particuliere bouwprojecten zal die verhouding meestal veel kleiner zijn. Gezien je horizontaal capatienet binnen de grenzen van je perceel dient te blijven, zal dat de energiecapaciteit van je warmtepompsysteem (sterk) beperken. Daarenboven zal de invloed van de buitentemperatuur op een diepte van 1 m onder maaiveld nog sterk voelbaar zijn. Daar waar een KWO en BEO met verticale lussen kunnen ‘genieten’ van een constante, natuurlijke bodemtemperatuur, zal de temperatuur op 1 m onder maaiveld nog een variatie kennen van meer dan 10°C, afhankelijk van het seizoen. In de winter is de temperatuur lager en in de zomer hoger. Dit beperkt de werking van de warmtepomp en de vrije koeling.

variant 2c: HTO

Bovenstaande toepassingen tonen hoe je thermische energie (warmte en koude) kan opslaan in de bodem om deze een tijd later nuttig aan te wenden. We noemen dit ook wel seizoenale of seizoensoverschrijdende opslag van energie. In de winter laden we koude in de ondergrond om deze een seizoen later te nuttig aan te wenden om te koelen. Deze opslag van energie gaat uiteraard gepaard met enig verlies, maar is toch beperkt voor deze technieken. De bodem blijkt een ideaal medium te zijn om energie in op te slaan. De bodem als thermos...

Laten we even afstappen van een geothermisch systeem dat thermisch in evenwicht is. We weten dat we de bodem kunnen aanwenden om aan hoge rendementen energie op te slaan over een relatief lange periode. We kunnen dan perfect een geothermisch systeem uitbouwen waarin restwarmte opgeslagen wordt, op een hogere temperatuur, om deze achteraf nuttig aan te kunnen wenden. Restwarmte afkomstig van een WKK, zonthermische pannelen... Zulk geothermische warmteopslag noemen we ook wel Hoge Temperatuur Opslag of HTO. Een koppeling met een warmtepomp is in deze projecten veelal niet van toepassing.

3. Quid lucht-water?

Ook voor projecten met een grotere energievraag kent een lucht-water warmtepomp zijn toepassing. Met lucht als bron zal de investeringskost lager zijn dan bij een geothermische warmtepomp. Maar gezien de grotere variatie in brontemperatuur met erg lage temperaturen op die momenten dat het gebouw de grootste warmte vraag heeft, zal ook het rendement navenant zijn. Daarenboven is er geen sprake van vrije koeling bij een lucht-water warmtepomp; enkel mechanische koeling is mogelijk op warme zomerdagen. Dit maakt de zomerwerking identiek aan deze van een klassieke luchtgekoelde koelmachine, met dito rendementen.

Opwekking

Het gebruik van geothermische energie voor het verwarmen en koelen loopt vaak samen met de implementatie van een warmtepomp. De geothermische warmte vanuit de bodem is veelal geschikt qua temperatuur. In deze (ondiepe) geothermische toepassingen kan een warmte op een temperatuur van 10-25°C bekomen worden, wat vaak geschikt is voor de toepassing. Een warmtepomp kan deze warmte opwaarderen, mits verbruik van enige energie. Een elektrisch aangedreven warmtepomp komt het meest voor, maar ook gas- of warmtegedreven warmtepompen behoren tot de mogelijkheden.

Een elektrische warmtepomp kent een ruime implementatie in de geothermische projecten. De compressor van dit type warmtepomp is elektrisch aangedreven. Dit maakt ook dat het toestel een elektrisch verbruik heeft. Dit elektrisch verbruik dien je mee in rekening te nemen in de berekening van de COP. Dus, de COP van een elektrische warmtepomp is gelijk aan de geleverde hoeveelheid warmte gedeeld door de verbruikte hoeveelheid elektriciteit. Een elektrische warmtepomp kan perfect vriestemperaturen tot -15°c aan de bronzijde aan; afgifte kan geschieden tot temperaturen van 50-55°C. Wel dien je in het achterhoofd te houden, dat bij hoge afgiftetemperatuur en lage brontemperatuur, de COP sterk zakt. Hoewel de technische grens waarschijnlijk een pak hoger ligt, zou je de afgiftetemperatuur van de elektrische warmtepomp moeten begrenzen op maximaal 45°C. Alleen zo ben je zeker dat je een voldoende hoog rendement garandeert over het volledige verwarmingsseizoen.

In tegenstelling tot een elektrische warmtepomp zal een gasgestookte warmtepomp gas verbruiken om de nodige warmte op te wekken. Dat vertaalt zich uiteraard ook naar de COP-berekening; hoeveel thermische energie levert de warmtepomp per hoeveelheid verbruikte energie gas? De werkingsgrenzen liggen zowel voor de warmte-onttrekking als de warmte-afgifte wat hoger. Een gasgedreven toestel kan werken tot -10°C brontemperatuur, maar is vooral in staat om warmte te leveren tot een temperatuur van 65°C aan behoorlijke rendementen. Uiteraard blijft de opmerking met betrekking tot de temperaturen ter verhoging van de COP van tel.

Afgifte

Belangrijk bij toepassing van geothermische warmtepompen is het geschikte afgiftesysteem om de opgewekte warmte en koude in het gebouw te dissiperen.

Meer lezen?

zie volgende interessante links:

http://nl.wikipedia.org/wiki/Warmtepomp
http://en.wikipedia.org/wiki/Carnot_cycle
http://home.howstuffworks.com/home-improvement/heating-and-cooling/heat-pump.htm
https://www.youtube.com/watch?v=1nTzHK-YoDY