Thermische zonne-energie, warmteterugwinning en warmtepomp als verwarmings- en/of koelconcept in residentiële woningen

Transcriptie

1 IWT-HOBU Project ( tot ) Thermische zonne-energie, warmteterugwinning en warmtepomp als verwarmings- en/of koelconcept in residentiële woningen Opdrachtgever: IWT: Instituut voor de Aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen Onderzoeksgroep: Milieu en energie, hogeschool voor wetenschap en kunst, campus De Nayer Projectleider: Willy Van Passel Uitvoerders: Maarten Sourbron, Kurt Steendam, Jan Lhoëst Eindredactie en voortzetting onderzoek: Sebastiaan Marien, Frits Hannes Samenwerkende bedrijven: ABF; AEC-SMT Groep NV Beerten; AEG- ELECTROLUX; ALFA Laval; Baltimore Aircoil; ELCO- MAT NV; ELECTRABEL NV; Grundfos Bellux NV; IZEN; ODE Vlaanderen vzw; Putboringen Verheyden; REUS; SIEMENS; SMOLDERS; STIEBEL-ELTRON; THERMO-SERVICE BVBA; T3 CVBA; VIESSMANN BELGIË bvba Wetenschappelijke partners: KULeuven, VITO, WTCB, LABORELEC DOELSTELLINGEN: Technologieverkenning en verzameling met kennisverspreiding wat betreft ontwerp, installatie en gebruik van een warmtepompinstallatie voor woning verwarming. Daarnaast is nagegaan onder welke voorwaarden warmtepompinstallaties (bron-warmtepompverwarmingssysteem) kunnen bijdragen tot het duurzaam gebruik van energie voor ruimteverwarming. Drie demonstratie-opstellingen werden gebouwd: water-water, horizontale bodemwarmtewisselaar-water en verticale bodemwarmtewisselaar-water. Deze opstellingen laten ons toe om de kwaliteitsprestaties gedurende een aantal jaren in reële werkomstandigheden te registreren en te evalueren. Goed draaiende warmtepompinstallaties voor woningen zijn niet van zelfsprekend. Succes hangt af van werkingsvoorwaarden die voortvloeien uit de thermodynamische karakteristieken van de machine en de mate waarin warmtevraag en warmte aanbod op elkaar zijn afgestemd. 1

2 Horizontale grondwarmtewisselaar/waterwarmtepompinstallatie Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 C - Condensortemperatuur 35 C - Condensorvermogen = 5,8 kw - Verdampervermogen= 4,45 kw - Compressorvermogen= 1,35 kw - Winstfactor COP = 4,3 - Koudemiddel = R410A - Debietverdamper = 1,5 m3/u - Debietcondensor = 0,6 m3/u Warmteafgifte systeem: Warmtemuren 3 types 3 maal 10m²: a. Baksteen met gleuven+ bepleistering 2

3 b. Fermacell-plaat met gleuven achteraan c. Montage op de wand met dubbele pleisterlaag De secundaire circulatiepomp: min elektrisch vermogen 40W maximum 250W 20 m 0,5 m 1 m 1,5 m 0,5 m 1 m 1 m 1 m 1 m Horizontale grondwarmtewisselaar: totale lengte 240 m, grondoppervlak 200 m², diameter leidingen HDPE diamater 25 mm. 3

4 Figuur 1: Het leggen van een lus voor de horizontale grondwarmtewisselaar 4

5 Figuur 2: Installatieschema van de warmtepomp met een horizontale grondwarmtewisselaar 16 april tot tot tot tot tot 21- periode oktober Grond/water-warmtepomp mei januari 2003 Q verdamper, totaal (kwh) 343,00 250,58 633,01 583, , ,23 Q condensor, totaal (kwh) 402,00 356,73 858,50 792, , ,47 E compressor, totaal (kwh) 85,00 82,97 208,22 231,04 447,93 970,17 E systeem, totaal (kwh) 100,00 94,82 235,16 256,38 497, ,38 SPF warmtepomp 4,70 4,30 4,13 3,43 3,30 3,59 SPF systeem 4,02 3,76 3,65 3,09 2,98 3,22 Tabel 1: Prestatiegegevens van de warmtepomp met horizontale grondwarmtewisselaar 5

6 SPF van de warmtepomp en de instalatie 5 4,5 4 3,5 SPF WP/systeem 3 2,5 2 SPF warmtepomp SPF systeem 1,5 1 0, meetperiode Figuur 3: Vergelijking SPF van de warmtepomp en de SPF van het systeem over de 4 meetperiodes Temperatuursverloop temperatuur [ C] van 09/10/02 tot 21/01/03 Figuur 4: Temperatuursverloop voor de buitenlucht in de maatperiode van 9 oktober 2002 tot 21 januari

7 Verticale grondwarmtewisselaar/waterwarmtepompinstallatie: metingen : 2,5 wintermaanden: januari, februari en de helft van maart van een standaardjaar Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 C - Condensortemperatuur 35 C - Condensorvermogen = 10.8 kw - Verdampervermogen= 8.4 kw - Compressorvermogen= 2.4 kw - Winstactor COP= 4,5 - Koudemiddel = R407C - Debietverdamper = 2,7 m3/u - Debietcondensor = 0,95 m3/u Warmteafgiftesimulator Belastingspatroon van een vrijstaande woning K40 7

8 8

9 Figuur 5: Foto s van het plaatsen van de verticale grondwarmtewisselaar VGWW 4 25 m diep dubbele lus VGWW 2 64 m diep dubbelle lus VGWW 1 65 m diep enkele lus VGWW 3 65 m diep dubbele lus 7 m 9m 12m Verticale grondwarmtewisselaar: 4 verticale boringen op 7, 9 en 12 m van elkaar, totale lengte 220 m, leidingen HDPE diameter 25 mm. 9

10 Grondwater/water-warmtepompinstallatie 1 periode metingen : 20 dagen in januari van een standaardjaar Technische gegevens: - Verdampertemperatuur 0 C - Condensortemperatuur 35 C - Condensorvermogen = 18.7 kw - Verdampervermogen= 15.4 kw - Compressorvermogen =3.3 kw - Winstfactor COP = Koudemiddel = R407C - Debietverdamper = 3.5 m³/u - Debietcondensor = 1.7 m³/u Warmteafgiftesimulator Belastingspatroon van 3 rijwoningen K40 Figuur 6: Foto s van de grondwaterput: na de boring, volledig geïnstalleerd, een tekening van de grondwaterpomp en van de boormachine 10

11 C C 11

12 Grondwater injectie Grondwater onttrekken Gecombineerde grondwaterput: onttrekking en injectie van het grondwater gebeuren in een zelfde boring, totale diepte: 69 m. 12

13 Lucht/Water-warmtepomp-installatie opstelling van Laborelec Technische gegevens: - Verdampertemperatuur -7 C - Condensortemperatuur 35 C - Condensorvermogen = kw - Verdampervermogen= kw - Compressorvermogen = kw - Winstfactor COP = 2.8 en Koudemiddel = R290 (propaan) - Debietverdamper (lucht) = 3100 m³/u - Debietcondensor (water) = 1.2 m³/u - Drukval condensor = 40 hpa Figuur 7: Installatieschema voor de lucht/water-warmtepomp-opstelling 13

14 Figuur 8: Installatieschema voor de verwarming Om de warmte aan de binnenomgeving af te geven wordt hier gebruikt gemaakt van ventiloconvectoren. Het betreft 4 wandtoestellen die de verwarming verzekeren van een deel van het labo. Deze ventilo-convectoren zijn in parallel aangesloten op een warmwaterkringloop die in serie verbonden is met de condensor van de warmtepomp. Figuur 9: COP en gemiddelde buitentemperatuur tijdens het stookseizoen

15 RESULTATEN Warmtepomp met horizontale grondwarmtewisselaars Meetperiode 09/10/02-21/01/03 Warmtepomp met verticale grondwarmtewisselaars 2,5 wintermaanden van een referentiejaar (jan, feb, ma) Warmtepomp met grondwater 20 winterdagen van een referentiejaar (jan) Warmtepomp met lucht Stookseizoen Q verdamper (kwh) Q condensor (kwh) W compressor (kwh) W systeem (kwh) SPF warmtepomp 3,6 4,4 4,4 2,9 SPF systeem 3,3 3,5 3,6 2,7 Tabel 2: Resultaten van de metingen op de 4 bovenstaande systemen OPMERKINGEN: - Horizontale grondwarmtewisselaar: de SPF kan men verbeteren door de volledige grondwarmtewisselaar op een diepte van 1.5 m te leggen. - Verticale grondwarmtewisselaar: Het verschil tussen de SFP WARMTEPOMP en SPF SYSTEEM is vooral te wijten aan een te grote primaire circulatiepomp ( voor de opstelling noodzakelijk om metingen uit te voeren). - Lucht:water-warmtepomp; men kan de SPF verbeteren door vloerverwarming te gebruiken ipv ventilo-convectoren. Het ontdooien (3.91 kwh) van de verdamper beïnvloedt de SPF bijna niet. De elektrische energie voor de ventilo-convectoren vertegenwoordigt 7.8% van de warmtepomp energie. 15

16 Economische vergelijking Er is een vergelijkend onderzoek verricht naar de kostprijs van een warmtepompinstallatie met een klassieke verwarmingsinstallatie voor een ééngezinswoning. Volgende gegevens zijn er van de woning: - Woonoppervlak 129 m²; - Normwarmtevraag 7980 W; - Specifieke warmtevraag 62 W/m²; - Jaarlijkse verbruiksuren: 2196h/j; - Jaarlijks verwarmingsverbruik kwh/j. De kosten zijn berekend per jaar, zowel voor de verbruiksgebonden kosten, de werkingskosten als de kapitaalgebonden kosten. Zo werd bijvoorbeeld voor de warmtepomp zelf een afschrijftermijn van 18 jaar voorzien. 16

17 Figuur 10: Economische vergelijking tussen de kosen voor de verschill manieren van verwarmen. 7. Totale kosten Euro/j Stookolie Aardgas Grond Water Lucht CV Horizontale WW Warmtepomp 4. Verbruiksgebonden kosten 5. Werkingskosten 6. Kapitaalgebonden kosten 17

18 Vaststellingen en conclusies De verschillende testopstellingen geven aan dat een gemiddelde SPF = 3.5 moet kunnen gehaald worden voor goed uitgevoerde installaties, met uitzondering van de lucht/waterwarmtepomp met SPF = 3. De CO 2 -uitstoot wordt ten opzichte van de klassieke brandstoffen met een factor 2.5 à 3.5 gereduceerd (zie CO 2 -studie KULeuven). Overdimensionering van de warmtebron (geeft hogere verdampingstemperatuur) en warmteafgiftesysteem (geeft lagere condensatietemperatuur) heeft een gunstig effect op de SPF. Correcte dimensionering, regeling en sturing van de installatiecomponenten; warmtepomp, buffervat, primaire en secundaire pomp zijn zeer belangrijk. De beste energetische prestaties worden verkregen met installaties die gebruik maken van open grondwatersystemen; het voordeel hiervan is de constante grondwatertemperatuur van 10 à 12 C. De kostprijs van de boring en de pomp vormen een belangrijk nadeel, naast eventueel problemen met de grondwaterkwaliteit. Indien mogelijk kan hier gebruikgemaakt worden met een meer prijsgunstige recirculatie variant. De verticale gesloten bronsystemen kunnen een oplossing bieden in geval van een onzeker grondwaterkwaliteit en hoeveelheid. Energetisch presteren deze bronsystemen minder goed dan deze met een open grondwater systeem. Reden hiervoor is de daling van de grondwatertemperatuur tijdens het stookseizoen. De kostprijs van de boring is ook hier een nadeel. De gesloten systemen met een horizontale grondwarmtewisselaar zijn goedkoop, maar ze vragen wel een groot grondoppervlak. Energetisch presteren deze systemen minder goed dan de bovenstaande systemen; de grondtemperatuur daalt sterk tijdens het stookseizoen. De regeneratie wordt voornamelijk beïnvloedt door de buitencondities (zon) en de grondwaterstand. Als bijlage vindt u hieronder een vergelijking van de verschillende warmtebronnen. Voor lage temperatuurverwarming kiest men best voor vloer-, wand- en/of plafondverwarming. Vloerverwarming heeft als nadeel traag te reageren en is aangewezen voor continue verwarming. Met wand- en plafondverwarming kan men een snellere opwarming en afkoeling bekomen, zodat dit principe ook kan toegepast worden voor discontinue verwarming in bijvoorbeeld slaapkamers. Het belangrijk bijkomend voordeel naast beter wooncomfort en minder energieverbruik van de warmtepomp is het mogelijk de woning tijdens de zomermaanden op duurzame wijze te koelen, meestal voldoende om oververhitting te voorkomen. 18

19 De ervaringen en metingen hebben uitgewezen da de prestatie (SPF) van een warmtepompinstallatie niet alleen afhankelijk is van de kwaliteit van de warmtepomp maar in grote mate eveneens bepaald wordt door de kwaliteit van de uitvoering van de installatie zelf. Het beste resultaat zal steeds bekomen worden met een eenvoudige, verzorgde installatie met een efficiënte regeling. Men zal meestal geen betere resultaten bereiken met ingewikkelde of gesofisticeerde installaties. Men dienst eveneens voor te zorgen dat indien men met dezelfde warmtepomp sanitair warm water wenst te maken, dit niet ten koste is van een continue hogere condensatietemperatuur. Bij vloerverwarming heeft men met een maximale condensatie temperatuur van 40 C ruimschoots voldoende terwijl bij sanitair warmwaterbereiding deze temperatuur kan oplopen tot 65 C. Aanbevelingen voor warmtepomp gebruikers - Zorg voor één partij die de eindverantwoordelijkheid draagt voor de volledige installatie. - Vraag naar kwaliteitsattest volgens de beproevingsmethode EN 255 (Europese norm). - Indirecte systemen hebben een belangrijk voordeel in geval van herstelling of vervanging van de warmtepomp-component t.o.v. de directe systemen. De levensduur van de grondwarmtewisselaars is veel langer dan die van de onderdelen van de warmtepomp. - Regelmatige controle (en vergelijking met normaalverbruik) van het energieverbruik van compressor, pompen en/of ventilatoren, is ten zeerste aan te bevelen (vraag de nodige goedkope meetinstrumenten). Contact gegevens De detailresultaten van dit project zullen vanaf maart beschikbaar worden op de website van het De Nayer Instituut ( De metingen lopen nog door en de resultaten hiervan worden op regelmatige basis bijgewerkt. Er is dan eveneens een cd-rom beschikbaar met het eindverslag en de resultaten van het project deze is aan te vragen bij Willy Van Passel (wvp@denayer.wenk.be). De Nayer Instituut Jan De Nayerlaan 5 B Sint Katelijne Waver Tel

20 Warmtebronnen Grondwater Bodem Buitenlucht Horizontaal Verticaal Beschikbaarheid Temperatuur niveau en constantheid Vrijwel overal en altijd beschikbaar Overal (oppassen voor uitputting) Vrijwel overal en altijd beschikbaar Overal C constant 0-5 C dalend 2-8 C relatief constant -7 C tot +15 C sterk variërend Milieu Indirect systeem i.v.m. extra scheiding koelmiddel en grondwater Bodemwarmtewisselaar moet lekdicht zijn i.v.m. water/glycol als medium Bodemwarmtewisselaar moet Beperken van geluidsproductie lekdicht zijn i.v.m. water/glycol ventilatoren als medium Hulpenergie ca. 5-10% van geleverde warmte aan elektrische energie. Beperken door lage weerstand Pompenergie indirect systeem Pompenergie indirect systeem Toepassing laagtoerenventilatoren aanbevolen Onderhoud Regenereren van bron/put bij te grote weerstand Gering Gering Koelers moeten beschermd worden tegen corrosie (coating) en moeten gereinigd worden Overheidsbepalingen Vergunningsplicht, grondwater in dezelfde laag terugvoeren als waarvan het onttrokken wordt. Niet van toepassing Meldingplicht tot 50m diepte, vergunningsplicht voor meer dan 50m diepte Niet van toepassing Aandachtspunten Geohydraulische kennis van de bodem vereist, regeling bronpompen, bereikbaarheid pompen voor onderhoud, energiegebruik pompen, zuurstofdiffusie, systeem op druk houden Grote oppervlakte nodig, invloed van de buitenlucht, energiegebruik pompen,warmteoverdracht bodem, nieuwe ontwikkeling: bodemwarmtewisselaar met dir. expansie (propaan of isobutaan) Geohydraulische kennis van de bodem vereist, geringe oppervlakte nodig (40% minder pijplengte dan horizontale uitvoering), energiegebruik pompen,warmteoverdracht bodem Ontdooiingssysteem, water/glycol, energiegebruik ventilatoren, geluid 20