EPA labelstappen met lucht-naar-water warmtepompen

Transcriptie

1 Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek / Netherlands Organisation for Applied Scientific Research Laan van Westenenk 501 Postbus AH Apeldoorn TNO-rapport 034-APD EPA labelstappen met lucht-naar-water warmtepompen T F wegwijzer@tno.nl Datum 1 september 2010 Auteur(s) T.W.M.. Thijssen Opdrachtgever Smart Hybrid Foundation Projectnummer Aantal pagina's 14 (incl. bijlagen) Aantal bijlagen - Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan TNO

2 TNO-rapport 034-APD / 14 Inhoudsopgave 1 Inleiding Uitwerking berekening labelstappen Methodiek Energielabel Afgiftesysteem Warmtepompen Resultaten Gemiddelde energie-index verlaging en labelverbetering Resultaten per warmtepomp Conclusie Bibliografie Verantwoording... 14

3 TNO-rapport 034-APD / 14 1 Inleiding Conventionele verwarmingssystemen genereren warmte. Daarmee is het theoretisch maximale rendement beperkt tot 100% op bovenwaarde. Warmtepompen verplaatsen warmte van een laag naar een hoog temperatuurniveau. Het maximale rendement voor deze systemen wordt bepaald door het Carnot rendement. Voor het temperatuurregime van verwarmingssystemen in de gebouwde omgeving ligt dit maximale rendement veel hoger dan 100%, in de orde van 400% tot meer dan 1000%. Dit wil zeggen dat wanneer er bijvoorbeeld 10 kw aan warmte geleverd wordt, er maar 1 kw elektrische energie wordt gebruikt, de resterende 9 kw worden onttrokken aan een duurzame bron, zoals grondwater of buitenlucht. In de praktijk wordt overigens maar ongeveer 50-60% van het Carnot rendement gehaald. Daarmee bieden warmtepompen nog steeds een interessant potentieel voor energiebesparing in de gebouwde omgeving. In nieuwbouwwoningen worden al veel warmtepompen toegepast. Hier kan de inpassing gemakkelijk worden meegenomen tijdens de bouw. Ook bodembronnen, met een constante temperatuur van ongeveer 10 C kunnen direct bij de bouw aangelegd worden. De afzetmarkt voor nieuwbouw woningen is echter relatief beperkt. Een veel grotere energiebesparing is mogelijk in de bestaande bouw, alleen al vanwege de veel grotere aantallen. Warmtepompen met de bodem of water als bron zijn hier vaak niet toe te passen. Dit kan zijn vanwege ontoegankelijkheid of omdat de aanleg van het bronsysteem te veel overlast veroorzaakt. Lucht als bron is echter wel gemakkelijk toegankelijk. Via een verdamper kan warmte aan buitenlucht of ventilatielucht worden onttrokken. Deze kan via de warmtepomp benut worden voor ruimteverwarming en tapwaterverwarming. De zogenaamde luchtnaar-water warmtepomp vormt dus een interessante toepassing voor energiebesparing in de gebouwde omgeving. Veel installateurs en woningcorporaties zijn geïnteresseerd in de mogelijkheden van deze systemen. Een van de vragen die vaak speelt is echter: Wat levert het op. Voor de betrokken partijen is energiebesparing natuurlijk een belangrijke zaak. Maar het is ook belangrijk dat deze besparing gewaardeerd wordt in de vorm van een energielabel. Hiermee kunnen bijvoorbeeld groenleningen of subsidies worden verkregen. Het instrument voor waardering van het energiegebruik van een woning is het EPA, het energie prestatie advies. Deze methodiek rekent de woning door en bepaalt de energieindex, een maat voor het energiegebruik van de woning. Deze index kan vervolgens weer vertaald worden naar een energielabel. Een labelling, lopende van G, voor woningen die veel energie gebruiken, tot A++, voor woningen die zeer energiezuinig zijn. In deze studie is onderzocht in hoeverre toepassing van lucht-naar-water warmtepompen een effect heeft op het energiegebruik en het daaruit resulterende energielabel van bestaande woningen.

4 TNO-rapport 034-APD / 14 2 Uitwerking berekening labelstappen 2.1 Methodiek Cogen Projects heeft een studie gedaan naar de mogelijkheid een beter (zuiniger) energielabel te verkrijgen door het toepassen van een HRe ketel. In het voorliggende onderzoek is de berekeningsmethode die aan deze studie ten grondslag ligt als uitgangspunt genomen. De methode hanteert een viertal Agentschap NL voorbeeldwoningen als referentie [1]. Het betreft tussenwoningen uit de perioden: Voor deze woningen is met behulp van een EPA-rekenprogramma het energiegebruik bepaald. Dit is opgesplitst in type energie (elektriciteitsgebruik, gasverbruik) en functie (verwarming, tapwater, etc.). Er wordt voor de referentiewoningen al onderscheid gemaakt in verschillende opties voor het verwarmingsysteem. Het betreft hier een VR-ketel, HR 100-ketel, HR 107- ketel en lucht-naar-water warmtepomp beoordeeld op basis van de in NEN 5128 gegeven forfaitaire waarden. Het doel van de studie is om de afwijking van het referentie-energiegebruik te bepalen wanneer een lucht-naar-water warmtepomp wordt gebruikt voor warmtelevering. Om dit te bepalen wordt een verrekening toegepast op het totale gas- en elektriciteitgebruik. Om deze verrekening te kwantificeren wordt allereerst het energiegebruik van de warmtepomp bepaald. Dit gebeurt aan de hand van gebouwgegevens en het totaalrendement en de dekkingsgraad van het preferente toestel. De dekkingsgraad is een belangrijke parameter omdat veel lucht-naar-water warmtepompen bivalent worden toegepast, dat wil zeggen, in een systeem met twee warmteopwekkers. In de studie is als bijstook een HR 107-ketel genomen, het in de praktijk meest voorkomende bijstooktoestel. Het totaalrendement en de dekkingsgraad zijn bepaald met de methodiek voor lucht-naar-water warmtepompen in bijlage E van NEN 7120 (in ontwikkeling). Deze norm zal de EPA rekenmethodiek in de toekomst vervangen. De gehanteerde beoordelingsmethodiek voor lucht-water warmtepompen sluit dus al aan bij de energieprestatiebeoordeling van bestaande woningen. Als invoer voor deze methodiek zijn warmtepompgegevens, bepaald volgens EN 14511, van 7 fabrikanten gebruikt. In de studie is alleen gekeken naar de energiebesparing voor ruimteverwarming. Dit is in bestaande woningen over het algemeen de grootste post in het energiegebruik. Om het primaire energiegebruik van een warmtepomp te bepalen wordt de warmtebehoefte met behulp van het jaargemiddelde opwekkingsrendement en inzet vertaald naar een primaire energiebehoefte. Het verschil tussen primaire energiebehoefte voor ruimteverwarming in de referentiesituatie en in de situatie met warmtepomp wordt vervolgens in mindering gebracht op het totale primaire energiegebruik van de woning.

5 TNO-rapport 034-APD / 14 Dit levert dan het totale primaire energiegebruik per jaar op voor een woning met warmtepomp. Dit kan vervolgens vertaald worden naar een energie-index en energielabel. Behalve energiebesparing voor ruimteverwarming kunnen warmtepompen mogelijk ook nog energiebesparing opleveren op de volgende punten: - Warm tapwater bereiding; - Hulpenergiegebruik; - Slimme regeling; - Modulerende warmtepomp. Deze opties zijn in deze studie niet meegenomen. 2.2 Energielabel De energie-index is een maat voor de energiezuinigheid van een bestaande woning. Hoe lager de energie-index, des te lager het jaarlijks energiegebruik. Voor een overzichtelijk vergelijking van de energie-index van woningen is het labelsysteem in het leven geroepen. Hiermee wordt aan een bepaalde range van energie-indexen een label toegekend. Hierbij is het label A++ voor de meest energiezuinige woningen, en label G voor de minst energiezuinige woning. Een labelstap is hierbij gedefinieerd als een verandering van label, waarbij we het in dit geval over een verbetering van het energielabel hebben, dus richting een meer energie zuinige woning. Figuur 1: Energielabels als functie van de energie-index. 2.3 Afgiftesysteem In het onderzoek is de energiebesparing bepaald voor twee verschillende afgiftesystemen. Het afgiftesysteem, specifiek het temperatuurniveau hiervan, heeft namelijk een grote invloed op het rendement van de warmtepomp. Hoe hoger de afgiftetemperatuur, des te lager het rendement van de warmtepomp. Bovendien kunnen veel warmtepompen geen warmte leveren boven de C, hoewel er uitzonderingen zijn die tot ruim boven de 60 C warmte kunnen leveren. Over het algemeen zal de maximale aanvoertemperatuur echter de inzet van warmtepompen in hoge temperatuur systemen beperken.

6 TNO-rapport 034-APD / 14 Bestaande woningen hebben over het algemeen een hoge temperatuur afgifte systeem. Deze systemen hebben een nominale aanvoer- en retourtemperatuur van rond de respectievelijk 80 C en 60 C. Deze temperaturen worden alleen gehaald bij erg lage buitentemperaturen. Gemiddeld genomen liggen de aanvoer- en retourtemperatuur lager. Voor een warmtepomp blijven dit echter nog relatief hoge temperaturen. Een warmtepomp zal beter functioneren in combinatie met een lage temperatuur verwarmingsysteem. Een vloerverwarmingsysteem met een aanvoer- en retourtemperatuur van 45 C respectievelijk 35 C zal bijvoorbeeld een hoger rendement van de warmtepomp tot gevolg hebben. Een dergelijk systeem vereist echter wel de nodige aanpassingen in bestaande woningen. Het belangrijkste is dat er een aangepast afgiftesysteem in de vorm van vloerverwarming of convectoren moeten worden aangelegd. In het geval van vloerverwarming moet bovendien de warmtevraag van de woning worden teruggebracht, bijvoorbeeld door middel van naisolatie. Dit afgiftesysteem heeft namelijk een beperktere afgiftecapaciteit dan een hoge temperatuur afgifte systeem. Bij toepassing van convectoren is deze aanpassing niet noodzakelijk. Omdat de keuze voor het afgiftesysteem een belangrijke overweging is bij toepassing van een warmtepomp, is in het onderzoek de besparing bepaald voor een hoog- en een laagtemperatuur afgiftesysteem. Hiermee wordt expliciet gemaakt wat het verschil is in energiebesparing voor de twee systemen. Om de vergelijking zuiver te houden is bij het lage temperatuur verwarmingsysteem geen rekening gehouden met naisolatie of andere besparende maatregelen, hoewel dit in sommige gevallen wel een noodzakelijke aanpassing zal zijn. Afgiftesystemen: - Hoogtemperatuur (HT) afgifte, nominale temperaturen: 80 C (aanvoer) / 60 C (retour). - Laagtemperatuur (LT) afgifte, nominale temperaturen: 45 C (aanvoer) / 35 C (retour). 2.4 Warmtepompen Er zijn momenteel tal van lucht-naar-water warmtepompen op de markt. Deze zijn verkrijgbaar in allerlei varianten. Zo zijn er warmtepompen met alleen ventilatielucht als bron, met buitenlucht als bron en met een combinatie van beide. Sommige warmtepompen schakelen af bij buitentemperaturen onder 4 C om aanvriezen van de verdamper te voorkomen, terwijl andere warmtepompen tot -15 C in bedrijf kunnen blijven. Deze verschillende eigenschappen zorgen ervoor dat het opwekkingsrendement en dekkingsgraad van de verschillende warmtepompen uiteen loopt. Deze studie is niet bedoeld is om de verschillende typen warmtepompen te waarderen. De resultaten geven een beeld van de besparingsmogelijkheden van lucht-water warmtepompen in het algemeen. Om een representatief beeld van de huidig commercieel verkrijgbare warmtepompen te krijgen zijn berekeningen gedaan met een 7-tal warmtepompen. De resultaten zijn geanonimiseerd weergegeven, zodat alleen duidelijk wordt wat de spreiding is in energiebesparing, maar niet expliciet welke warmtepomp het beter doet. Op deze manier wordt in ieder geval geaccentueerd dat niet elke warmtepomp hetzelfde is, en dat een goede afweging van de verschillende

7 TNO-rapport 034-APD / 14 verkrijgbare warmtepompen van belang is. Hierbij is ook de specifieke beoogde toepassing van belang. De spreiding van specificaties van de warmtepompen is hieronder weergegeven: Eigenschappen Systeemvarianten opgenomen in methodiek Energiebron warmtepomp Elektriciteit Afgiftemedium Water Bron verdamper Buitenlucht / ventilatielucht / buitenlucht + ventilatielucht Bijstook energie HR 107 Verwarmingsdoeleind(en) Centrale verwarming Afschakelcriteria Buitentemperatuur / aanvoertemperatuur Type warmtepomp Aan - uit schakelend De COP en dekkingsgraad variëren per warmtepomp. Om een eerste beeld te geven van de spreiding van deze variabelen, zijn hieronder de minimale en maximale waarden gegeven. Over het algemeen geldt dat warmtepompen met een lagere dekkingsgraad een hogere COP halen. De warmtepomp werkt dan vaak niet bij lage buitentemperaturen, waarbij de COP lager ligt. De uiteindelijke opwekkingsrendementen van het totaalsysteem liggen echter dichter bij elkaar, omdat de bijstook, met een relatief laag opwekkingsrendement, een grotere invloed heeft bij systemen met een lage dekkingsgraad. Tabel 1: Minimale en maximale COP en dekkingsgraad van de 7 warmtepompen. COP F pref HT-afgifte LT-afgifte min 2,70 3,67 max 4,65 6,07 min 46% 48% max 100% 100% In tabel 1 is F pref de dekkingsgraad, ofwel het deel van de totale warmtevraag dat wordt geleverd door de warmtepomp. Behalve gegevens van de 7 bovenstaande warmtepompen is als referentie ook een lucht-naar-water warmtepomp meegenomen in de vergelijking waarvan de waardering is gebaseerd op de forfaitaire waarden gegeven in de EPA rekenmethodiek. Hierbij is uitgegaan van een 10 kw th warmtepomp met elektrische bijstook.

8 TNO-rapport 034-APD / 14 3 Resultaten 3.1 Gemiddelde energie-index verlaging en labelverbetering Om de impact van lucht-naar-water warmtepompen op de energie-index te bepalen, is de energie-index van woningen bepaald afhankelijke van het verwarmingsysteem. Hierbij zijn de volgende opwekkers vergeleken: - VR-ketel (huidig); - HR 100 ketel; - HR 107-ketel; - Lucht-water warmtepomp forfaitair (warmtepomp waarvan het rendement en inzet bepaald is volgens de forfaitaire waarden gegeven in de EPA rekenmethodiek); - Lucht-water warmtepomp met HT afgifte systeem; - Lucht-water warmtepomp met LT afgifte systeem. Hierbij is voor bepaling van de energie-index van warmtepompen met LT- of HT-afgifte het gemiddelde genomen van de energie-index verkregen met de 7 verschillende warmtepompen. In figuur 2 zijn de resultaten weergegeven. Hierin is te zien dat toepassing van een HR 100- of HR 107-ketel al een significante verbetering oplevert ten opzichte van een VR-ketel. Een forfaitair gewaardeerde lucht-naar-water warmtepomp levert ongeveer eenzelfde besparing op. Dat de forfaitaire waardering lager uitvalt dan de waardering volgens bijlage E, NEN 7120 (in ontwikkeling) heeft vooral te maken met het feit dat voor het forfaitaire systeem uitgegaan wordt van elektrische bijstook en dat er een andere methode wordt gebruikt om de inzet te bepalen. Figuur 2: Energie-index en energielabel als functie van verwarmingsysteem en bouwjaar woning.

9 TNO-rapport 034-APD / Resultaten per warmtepomp In figuur 3 is de vergelijking tussen HR 107 en warmtepompen met HT en LT afgifte wat gedetailleerder weergegeven. Ook zijn de verschillen tussen de verschillende warmtepompen weergegeven. Hieruit blijkt een spreiding van ongeveer 0,3 in de energie-index. De spreiding valt toevallig wel veelal in de bandbreedte van de energielabels, waardoor de labelstappen met de verschillende warmtepompen hetzelfde zijn. Figuur 3: Energie-index en energielabel voor een HR 107-ketel en verschillende warmtepompen. In de figuren 4 t/m 7 zijn de met lucht-water warmtepompen te behalen labelstappen weergegeven voor verschillende situaties. Enerzijds is er een onderscheid gemaakt tussen HT- en LT-afgifte. Omdat het rendement van een warmtepomp toeneemt bij lagere afgiftetemperatuur zijn grotere labelstappen te behalen met warmtepompen in een LT-afgiftesysteem. Dit vereist echter wel extra investeringen. Verder is een onderscheid gemaakt tussen HR 107- en een VR-ketel als referentiesituatie. Over het algemeen geldt dat vanaf een VR-ketel één labelstap meer behaald wordt dan wanneer een HR 107-ketel wordt vervangen. De vervanging van een VR-ketel door een HR 107-ketel op zich levert namelijk al ongeveer één labelstap op.

10 TNO-rapport 034-APD / HT-afgifte Labelstappen - WP + HT afgifte Rijwoning Rijwoning Rijwoning Rijwoning WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 WP7 vanaf HR107 Figuur 4: Labelstappen van warmtepompen met HT-afgiftesysteem ten opzichte van een HR 107-ketel. Labelstappen - WP + HT afgifte Rijwoning Rijwoning Rijwoning Rijwoning WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 WP7 vanaf huidig / VR Figuur 5: Labelstappen van warmtepompen met HT-afgiftesysteem ten opzichte van een VR-ketel. Bij behoud van het hoge temperatuur afgiftesysteem kan in ongeveer 50% van de gevallen één labelstap behaald worden ten opzichte van een HR 107-ketel. Of dit wel of niet gebeurt hangt af van waar in de labelling de woning oorspronkelijk zat. Als de woning bijvoorbeeld hoog in label D zat, dicht bij de grens D/C, is maar een geringe verlaging van het energiegebruik nodig om naar een label C te gaan. Zit een woning echter laag in label D, dan is de stap naar label C een stuk groter. De labelling zorgt dus voor een grove discretisering. Ten opzichte van een VR-ketel kan een warmtepomp met HT-afgifte nog een extra stap behalen. In 50% van de gevallen kan dus 1 stap behaald worden, in de rest van de gevallen worden zelfs 2 labelstappen behaald. Bij een vervanging van een VR-ketel is overigens wel een extra investering nodig, omdat er is uitgegaan van een HR 107-ketel als bijstook van de warmtepomp.

11 TNO-rapport 034-APD / LT-afgifte In figuren 6 en 7 zijn de labelstappen bij toepassing van een LT-afgiftesysteem weergegeven. Duidelijk is dat hier meer te halen valt dan bij handhaving van het HTafgiftesysteem. Nu wordt in alle gevallen ten minste één labelstap behaald ten opzicht van een HR 107-ketel. Warmtepomp WP6 maakt zelfs twee labelstappen mogelijk. Ook hier kan nog een extra stap gemaakt worden bij opwaardering vanaf een VR-ketel. Labelstappen - WP + LT afgifte Rijwoning Rijwoning Rijwoning Rijwoning WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 WP7 vanaf HR107 Figuur 6: Labelstappen van warmtepompen met LT-afgiftesysteem ten opzichte van een HR 107-ketel. Labelstappen - WP + LT afgifte Rijwoning Rijwoning Rijwoning Rijwoning WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 WP6 WP7 vanaf huidig / VR Figuur 7: Labelstappen van warmtepompen met LT-afgiftesysteem ten opzichte van een VR-ketel.

12 TNO-rapport 034-APD / 14 4 Conclusie In deze studie is onderzocht wat het effect is van lucht-naar-water warmtepompen op het energiegebruik en labelling van bestaande woningen. De resultaten laten zien dat ook wanneer slechts gekeken wordt naar ruimteverwarming de toepassing van lucht-naar-water warmtepompen al een significante bijdrage kan leveren aan het verbeteren van het energielabel van een bestaande woning. Bij toepassing in HT-systemen kan gemiddeld genomen een halve labelstap worden gehaald. Bij toepassing in het een LT systeem kan een hele labelstap worden gemaakt. Deze labelstappen worden zelfs respectievelijk 1,5 en 2, wanneer een VR-ketel vervangen wordt door een warmtepomp. Wat betreft praktische toepassing komen een aantal aandachtspunten naar voren. Allereerst is de mogelijke energiebesparing en daaraan gekoppelde labelstap afhankelijk van de uitgangsituatie (VR- of HR 107-ketel) en het afgiftesysteem. De discrete labelstappen zorgen er bovendien voor dat het wel of niet behalen van een labelstap afhangt van de oorspronkelijke positie binnen de labelling van een woning. Hier zit dus een zekere mate van willekeur in, waarbij eenzelfde energiebesparing in een aantal gevallen een labelstap oplevert, in andere gevallen niet.

13 TNO-rapport 034-APD / 14 5 Bibliografie [1] Brochure Voorbeeldwoningen bestaande bouw 2007, SenterNovem, 2007.

14 TNO-rapport 034-APD / 14 6 Verantwoording Naam en adres van de opdrachtgever: Smart Hybrid Foundation Boerhaavelaan AP Harderwijk Projectmedewerkers: T.W.M. Thijssen Ondertekening: Goedgekeurd door: T.W.M. Thijssen Projectleider Ing. R.A. Brand Hoofd afdeling Koude, Warmte en Installatie