Warm tapwater met warmtepompen: een "hot item"

Transcriptie

1 Elektrische naverwarming een koude douche Warm tapwater met warmtepompen: een "hot item" Tijdens de opening van het extreem energiezuinige bedrijfsgebouw van Techneco BV in Delft werd het nog maar eens naar voren gebracht: over twintig jaar staat Nederland vol met warmtepompen. Weliswaar blijkt de geprognotiseerde één miljoen stuks een wel erg rooskleurige ambitie, zeshonderdduizend zouden het er toch redelijkerwijs kunnen worden. Dit momenteel moeilijk te bevatten aantal betreft warmtepompen voor ruimteverwarming, warmtepompen voor warmtapwaterbereiding, of gecombineerde systemen. Over de eerste categorie is al behoorlijk wat geschreven. In dit artikel worden de mogelijkheden en onmogelijkheden van de tweede en derde categorie besproken, voornamelijk voor wat betreft de woningbouw. Welke concepten zijn gangbaar en wat zijn de typische kenmerken ervan? Hoe zijn de diverse producten te combineren met andere duurzame energiesystemen binnen een installatie? In welke mate kan worden voldaan aan wettelijke eisen en gevraagde garanties? Tot slot wordt door middel van dynamische simulaties bepaald wat de invloed is van de gewenste tapwatertemperatuur op het systeemrendement. Hierbij is ook het vaak onderschatte effect van zichtbaar gemaakt. - door ir. Allard van Krevel DE IDEALE TEMPERATUUR Vooral bij warmtelevering door warmtepompen is er vaak een spanningsveld tussen het gewenste temperatuurniveau en de nagestreefde energiebesparing. Hoe lager de warmwatertemperatuur, des te hoger het rendement c.q. de COP van de warmtepomp. Daarnaast vragen garanties, veiligheid en wettelijke eisen vaak om een hogere temperatuur dan noodzakelijk voor het gewenste comfort. Dit conflict is onderwerp van veel discussie, waarover hieronder enige opmerkingen. Eén ding kan men echter met overtuiging stellen: lever met warmtepompen geen hogere watertemperaturen dan verplicht op basis van garanties of wettelijke eisen, zonder daarbij het comfort uit het oog te verliezen. LEGIONELLA Techneco BV, Delft COP: Coefficient Of Performance. Dit is gedefinieerd als de geleverde energie gedeeld door de benodigde directe aandrijfenergie van het systeem. Bij een elektrische warmtepomp is het omzettingsrendement van een elektriciteitscentrale hier niet in verwerkt. Er is geen regeling van overheidswege ten behoeve van Legionella-preventie in woninginstallaties. De in oktober officieel van kracht geworden wettelijke regeling "Legionella-preventie in leidingwater", met als leidraad ISSOpublicatie., is alleen van toepassing op collectieve watervoorzieningen. Dit wil niet zeggen dat een leverancier of installateur zich geen zorgen hoeft te maken over de veiligheidsaspecten bij de warmwatervoorziening in een woning; hij wordt aangesproken op zijn kennis en maatschappelijke verantwoordelijkheid. Een wettelijke richtlijn zou echter voor alle partijen meer duidelijkheid scheppen en de bijbehorende criteria zouden meegenomen kunnen worden bij de rendementstesten voor warmtapwaterbereiding. Hierdoor worden de verschillende warmtapwatersystemen onderling beter vergelijkbaar en weet zowel de klant als de leverancier waar hij aan toe is. Aangezien warmtepompen voor warmtapwaterbereiding in de regel een laag vermogen hebben, worden zij bijna altijd gecombineerd met een voorraadvat. Hiervoor kan gesteld worden dat boven de C watertemperatuur langzame afsterving van de Legionellabacterie plaatsvindt. Richtlijn voor de minimale watertemperatuur bij wekelijkse thermische desinfectie is 6 C voor een tijdsduur van minstens twintig minuten. Dit is echter slechts een zeer beperkte voorstelling van de aanbevelingen en wordt hier genoemd om de minimale vereiste temperaturen - van belang voor het rendement van de warmtepomp - aan te geven. GIW-EISEN EN CW-KLASSEN Het Garantie Instituut Woningbouw (GIW), dat om de hoek komt kijken in geval van koopwoningen, stelt in zijn Garantie- en waarborgregeling Eengezinshuizen verschillende eisen aan de warmwaterinstallatie. De belangrijkste in dit verband is dat er aan de tappunten binnen seconden water met een temperatuur van minimaal 8 C geleverd moet kunnen worden. Indien de warmteverliezen in de leidingen in rekening worden gebracht, betekent dit dat het warmwatertoestel water van circa 6 C op voorraad dient te hebben. Dit is vrij hoog voor een warmtepomp. Over de duur van deze warmwaterlevering wordt geen uitspraak gedaan. Wat dat betreft zijn de Comfort Warmwater (CW) klassen van Gastec veel uitgebreider gedefinieerd. In de criteria wordt onderscheid gemaakt tussen de plaats van de verschillende tappunten zoals douche of keuken en de daarbij behorende gewenste watertemperatuur. Bij een bepaalde klasse, in comfort oplopend van tot 6, hoort een specifiek dagelijks tappatroon. Verder wordt gesteld dat de watertemperatuur bij het keukentappunt 6 C dient te zijn. BEPROEVINGSRICHTLIJN TAP- WATERWARMTEPOMPEN Ten behoeve van inpassing in de EPN heeft TNO testcriteria opgesteld om het rendement van tapwaterwarmtepompen te bepalen. De CW-klassen zijn daarbij leidraad geweest, al zijn er minieme concessies ten voordele van de warmtepomp gedaan. Zo dient te worden aangetoond dat de tapwaterwarmtepomp 6 C water kan leveren, maar mag met minimaal C worden getapt. Waarom echter geen minimale tapwatertemperatuur van C? Dit zou een gunstig effect hebben op de COP voor warmtapwaterbereiding, terwijl het comfort hier niet onder hoeft te lijden! Als Legionella-preventie kan dan een wekelijkse thermische desinfec-

2 tie met een temperatuur van 6 C geëist worden, wat het rendement slechts marginaal doet dalen. Een andere ongelukkige keuze is dat in de beproevingsrichtlijn wordt uitgegaan van een watervoorraad die 's avonds opgewarmd is en gedurende de nacht uitkoelt. Hierdoor dient de ingestelde temperatuur van de watervoorraad een paar graden hoger te zijn dan C, met het bekende negatieve gevolg voor de COP. Juist een elektrische warmtepompboiler gebruikt de nacht om op te warmen. Ten eerste is er dan geen warmwaterafname (en voldoende tijd in verband met het geringe vermogen) en ten tweede draait de warmtepomp dan op goedkope elektrische stroom. Indien de hierboven genoemde aspecten worden aangepakt is de TNO beproevingsrichtlijn een prima methode. Zowel de warmtepomp als het comfort komen dan goed tot hun recht. In dat geval zou de richtlijn ook in het eisenpakket van het GIW kunnen worden meegenomen. DE KWALITEITSWARMTEPOMP- BOILER In de EPN is een minimale COP gedefinieerd waarboven een warmtepompboiler wordt aangemerkt als een kwaliteitsproduct. Deze waarde ligt momenteel op,. Hetzelfde niveau wordt gehanteerd indien men bij de aanschaf van een warmtepompboiler in aanmerking wil komen voor een subsidie. Per januari is in het kader van de Energiepremieregeling een bedrag van ƒ.,-- per systeem beschikbaar, zowel in de bestaande bouw als in de nieuwbouw. Dat deze regeling in principe niet geldt voor woningbouwprojecten waarbij sprake is van verkoopwoningen, is natuurlijk een gemiste kans om de toepassing van duurzame energie in Nederland substantieel op weg te helpen. Het rendement van een elektriciteitscentrale wordt in de EPN gesteld op,9. Dit betekent dat een kwaliteitswarmtepompboiler een rendement ten opzichte van primaire energie heeft van minimaal, *,9 =,86, oftewel 86%. Dit getal kan afgezet worden tegen het rendement van andere systemen voor warmtapwaterproductie, zoals een combiketel (6-6 %) of een elektrische boiler (9%). Een COP lager dan, wordt vanuit energiebesparend oogpunt niet meer zinvol geacht. DE LUCHT/WATER WARMTE- POMPBOILER In elke nieuwbouwwoning is op de een of andere manier zorg gedragen voor ventilatie. Vaak wordt dit ingevuld met natuurlijke luchttoevoer en mechanische luchtafvoer door middel van een ventilator. Tijdens het stookseizoen wordt dus opgewarmde binnenlucht ververst met Figuur De lucht/water warmtepompboiler. koudere buitenlucht. Dit is een significant energieverlies op jaarbasis. De energie in de af te voeren ventilatielucht kan echter prima gebruikt worden om met behulp van een elektrische warmtepomp tapwater op te warmen. Het principe is aangegeven in Figuur. Deze manier van tapwaterverwarming is inmiddels bij een steeds groter publiek bekend en staat bij projectontwikkelaars bekend als een relatief goedkope EPCverlager. Afhankelijk van de COP van de warmtepompboiler kan men denken aan een EPC-daling van, tot,. Indien een continue aanvoertemperatuur van boven de 6 C geëist wordt, kan de warmtepompboiler vóór een gasketel met modulerende brander voor tapwaterbereiding geschakeld worden. Dit principe is bekend bij de combinatie van een zonneboiler met een gasketel. Voor woningen met gebalanceerde ventilatie en warmteterugwinning is de lucht/water warmtepompboiler geen optie. Beide systemen koelen de af te voeren ventilatielucht af en zitten elkaar daardoor dus in de weg.

3 een zware belasting van de compressor, zeker indien er sprake is van een lage brontemperatuur, zoals bij bodemcollectoren. In die gevallen daalt de COP van het systeem aanzienlijk en wordt de te verwachten levensduur van de compressor korter. Een mogelijkheid om hogere tapwatertemperaturen te bereiken is elektrische naverwarming. Ook dit heeft echter een zeer nadelig effect op de COP, zoals verderop wordt aangetoond. Figuur Figuur Voorbeeld van een combiwarmtepomp. De water/water warmtepompboiler op de retour van de vloerverwarming. DE COMBIWARMTEPOMP Een combiwarmtepomp zorgt voor zowel ruimte- als tapwaterverwarming, zoals aangegeven in Figuur. Dat kan hij overigens, net als bijvoorbeeld de combiketel, niet tegelijkertijd. Er zijn verschillende uitvoeringsmogelijkheden. Warmtepomp en voorraadvat kunnen geïntegreerd zijn in één behuizing en er zijn diverse vormen van warmteuitwisseling in het voorraadvat bekend. Aangezien het vermogen van de combiwarmtepomp groter is dan bij een lucht/water systeem zijn de opwarmtijden korter. Het voorraadvat is meestal wat kleiner, omdat een tekort aan warm water sneller kan worden aangevuld; waardoor minder ruimte nodig is. Combinatie met warmteterugwinning uit ventilatielucht is mogelijk. Indien de warmtapwaterfunctie aan de in de EPN gestelde kwaliteitseisen voldoet, kan ook met de combi een EPCdaling van, of meer behaald worden. Dit blijkt voor de huidige systemen echter een moeilijk te bereiken niveau. Veel warmtepompen ten behoeve van ruimteverwarming leveren een maximale aanvoertemperatuur van à C. Hiermee kan het water in het voorraadvat op hoogstens zo'n C worden gebracht. Hogere temperaturen leiden tot EEN INTERESSANT ALTERNATIEF Een nieuwbouwwoning voorzien van vloerverwarming is tegenwoordig geen uitzondering meer. Warmtelevering met een warmtepomp ligt dan voor de hand. De nadelen van de combiwarmtepomp kunnen ondervangen worden door een kleine warmtepomp op de retour van de vloerverwarming aan te sluiten. Figuur geeft dit concept weer. Deze warmtepompboiler heeft hierdoor in de winter een "brontemperatuur" van tussen de en C. In de zomer zal de brontemperatuur rond de C liggen en wordt de vloer in de woning enigszins gekoeld. Ook in dit concept kan warmteterugwinning uit ventilatielucht een rol spelen. Binnen de EPN zijn er voor deze water/water warmtepompboiler nog geen kwaliteitseisen opgesteld. Wordt dat niet eens tijd? Een reden voor het ontbreken van waardering van dit systeem in de EPN is dat ook het rendement van het vloerverwarmingssysteem een rol speelt bij de COPbepaling. In de winter dient immers het vloerverwarmingswater op temperatuur gebracht te worden. In de zomer is de energie uit de vloer "gratis". Wordt de vloer verwarmd met een kwaliteitswarmtepomp, dan zijn voor tapwaterbereiding met een extra warmtepompje vergelijkbare jaar-cop's te behalen als met een combisysteem. In Figuur is met een dynamische simulatie het typische verloop van de COP voor warmtapwaterbereiding van dit concept weergegeven. Hierbij is ervan uitgegaan dat de vloer verwarmd wordt met een kwaliteitswarmtepomp die als bron een verticale bodemwarmtewisselaar heeft. Het eindresultaat, een jaar-cop van, bij een tapwatertemperatuur van C, komt overeen met de resultaten van metingen in de praktijk. Belangrijk voordeel van dit concept is dat probleemloos een watertemperatuur van 6 C bereikt kan worden, dus zonder en zonder een zware aanslag op de compressor te plegen. Het eerste zorgt voor een hoge COP, ook bij hogere temperaturen, het laatste heeft een zeer positief effect op de levensduur van beide warmtepompen (voor cv én tapwater).

4 Gemiddelde COP tot tijdstip,,,,,,,,, Aanvang stookseizoen, Figuur P_bron DNAMISCHE SIMULATIES In bovenstaande tekst is de mogelijkheid van reeds genoemd. Het effect hiervan op het rendement van de tapwaterbereiding wordt nogal eens gebagatelliseerd. Door middel van dynamische simulaties kan het gevolg van temperatuurverhoging met een elektrisch element goed in kaart worden gebracht. Maar ook andere invloeden op de COP van tapwaterbereiding met de genoemde systemen kunnen worden onderzocht. Denk daarbij aan een hogere gewenste watertemperatuur, de plaats van het elektrisch element, de invloed van de gekozen CW-klasse en temperatuurverhoging ten behoeve van thermische desinfectie. Als referentie geldt voor elk afzonderlijk systeem een watervoorraad van liter, een continu gewenste temperatuur van C geproduceerd met de warmtepomp en een tappatroon volgens CW-klasse. Hoewel de gepresenteerde rendementen Gewenste tapwatertemperatuur is C COP COP w p w pb CO P to taa l = COP w p + COP wp b C Pe_wp COP_wp P_wp vloerverw. 7-7 C - C Pe_wpb COP_wpb Einde stookseizoen 6 C P_wpb Tijd in dagen (totaal een jaar) van deze referenties overeenkomen met in de praktijk gemeten waarden, mogen ze niet als maat voor alle tapwaterwarmtepompen worden gezien. Uitschieters naar boven en beneden zal men in de markt tegenkomen en ook de randvoorwaarden waarbij gegevens gepresenteerd worden verschillen sterk per fabrikant. Het gaat dus vooral om het effect van andere configuraties, regelstrategieën of temperatuurinstellingen ten opzichte van een gekozen referentiesituatie. Lucht/water Einde zomer Verloop van de gemiddelde COP voor een warmtepompboiler op de retour van de vloerverwarming. De meeste lucht/water warmtepompboilers kunnen een warmwatertemperatuur leveren van C met de warmtepomp. In Figuur is aangegeven wat de verandering van de COP is indien de gewenste temperatuur anders wordt ingesteld. Een elektrisch element als bijverwarming voor de hele boiler of alleen de bovenste helft verlaagt de COP beduidend. In het meest extreme geval is de daling meer dan %! Brijn/water Warmtapwaterproductie met een brijn/water combiwarmtepomp (met bodemwarmte als bron) is energetisch eigenlijk alleen verantwoord indien het gewenste temperatuurniveau zonder kan worden bereikt. Wekelijkse thermische desinfectie tot 6 C met een elektrisch element kan nog net door de beugel. Maar continue van C naar 6 is uit den boze. Dit is duidelijk te zien in Figuur 6. Zou de COP voor tapwaterverwarming met alleen de warmtepomp op, uitkomen, dan is het elektrisch element in dat geval verantwoordelijk voor een daling tot,9. Dit ligt ver onder het gewenste kwaliteitsniveau. Water/water Het probleem van de moeilijk te bereiken hoge temperatuur doet zich met de water/water warmtepompboiler op de retour van de vloerverwarming niet voor. Een zou hooguit geplaatst hoeven te worden voor een calamiteitgeval of een gewenste incidentele extra snelle opwarming. Afhankelijk van de gewenste tapwatertemperatuur en thermische desinfectie zal de jaar-cop van deze manier van warmteopwekking tussen de, en, liggen, zoals te zien in Figuur 7. Hierbij wordt wel opgemerkt dat ruimteverwarming met een kwaliteitswarmtepomp een uitgangspunt is. In geval van laag temperatuur ruimteverwarming met een HR-gasketel zal de jaar-cop voor tapwaterverwarming met de water/water warmtepompboiler tussen de, en, uitkomen., Jaar-COP,,,,,,,, Figuur referentie Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur 6 C COP's bij verschillende omstandigheden voor een lucht/water warmtepompboiler. Legenda bij Figuur : alleen met warmtepomp : alleen met warmtepomp, wekelijks één maal hele voorraad tot 6 C : met warmtepomp tot gewenste tapwatertemperatuur, wekelijks één maal hele voorraad tot 6 C met elektrisch element : met warmtepomp tot C, elektrisch element voor bovenste helft tot 6 C : met warmtepomp tot C, elektrisch element voor hele voorraad tot 6 C

5 Jaar-COP,,,,,,,,, Figuur 6 referentie Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur 6 C COP's voor tapwaterbereiding bij verschillende omstandigheden voor een brijn/water combiwarmtepomp. 6 7 elektr. naverwarming Legenda bij Figuur 6 : alleen met warmtepomp : alleen met warmtepomp, wekelijks één maal hele voorraad tot 6 C : met warmtepomp tot gewenste tapwatertemperatuur, wekelijks één maal hele voorraad tot 6 C met elektrisch element : met warmtepomp tot C, elektrisch element voor bovenste helft tot 6 C : met warmtepomp tot C, elektrisch element voor bovenste helft tot 6 C 6: met warmtepomp tot C, elektrisch element voor hele voorraad tot 6 C 7: met warmtepomp tot C, elektrisch element voor hele voorraad tot 6 C CONCLUSIES Tapwaterverwarming met warmtepompen is energetisch interessant indien de COP voor warmwaterproductie boven de, ligt. Indien een tapwatertemperatuur van 6 C geëist wordt is deze waarde voor een combiwarmtepomp moeilijk te bereiken, zeker wanneer opwarming van de laatste paar graden met een elektrisch element wordt gerealiseerd. De lucht/water warmtepomp is dan een goed alternatief, zij het dat deze niet met een WTW-ventilatiesysteem gecombineerd kan worden. Is de combinatie van warmtapwaterwarmtepomp met gebalanceerde HRventilatie gewenst, dan is de warmtepompboiler op de retour van de vloerverwarming een goede energiebesparende optie. Warmtapwaterlevering op een temperatuurniveau van 6 C zonder is probleemloos mogelijk en de levensduur van de compressor is erbij gebaat. Er zijn echter geen zwaarwegende argumenten om de gewenste tapwatertemperatuur in woonhuisinstallaties zo hoog te stellen. Een lagere temperatuureis, zowel bij de TNO-test als door het GIW zou de introductie van duurzame tapwaterbereiding aanzienlijk kunnen versnellen. Tijd voor een "gezonde" discussie. Jaar-COP,,,,,,,,, Figuur 7 referentie Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur C Tapwatertemperatuur 6 C COP's voor tapwaterbereiding bij verschillende omstandigheden voor een water/water warmtepompboiler op de retour van de vloerverwarming. Legenda bij Figuur 7 : alleen met warmtepomp : alleen met warmtepomp, wekelijks één maal hele voorraad tot 6 C

6 BIJLAGE: DE BONDGRAAF De in het hoofdartikel genoemde dynamische simulaties zijn uitgevoerd met behulp van de bondgraaftechniek. Voor hen die bekend zijn met deze techniek is de bondgraaf van de warmtapwaterbereiding met een warmtepompboiler in Figuur 8 getekend. Hierbij is uitgegaan van de volgende aannames. Er is gebruik gemaakt van onder nominale condities gemeten COPwaarden van warmtepompen. Deze worden verondersteld representatief te zijn. De verandering van de COP is lineair afhankelijk van de bron- en afgiftetemperatuur. De richtingscoefficiënten zijn bepaald uit resultaten van metingen aan warmtepompen. Warmtetransport in het voorraadvat is alleen mogelijk in opwaartse richting. Uitgangspunt is dat warmtetransport als gevolg van dichtheidsverschillen een veel grotere rol speelt dan geleiding. Dit is verdisconteerd in het -blok. De warmteweerstand van de isolatie van het voorraadvat is overeenkomstig met gangbare waarden in de praktijk. De retour van de vloerverwarming varieert tijdens het stookseizoen tussen de en C volgens een deel van een sinusoïde. Er wordt dus volgens een stooklijn verwarmd. De brijntemperatuur varieert door het jaar heen volgens een sinusoïde tussen de - en C. De omgevingstemperatuur van de ruimte waarin het voorraadvat staat opgesteld is C. Dit geldt ook voor de temperatuur van de toevoerlucht ten behoeve van de lucht/water warmtepompboiler. Het koude water dat het voorraadvat ingaat heeft een temperatuur van C. Het tappatroon van een CW-klasse kan vereenvoudigd worden gemodelleerd door minder tappingen van langere duur met eenzelfde gewenst debiet, dezelfde gewenste temperatuur en hetzelfde totale tapvolume. Verder is gesteld dat nooit gelijktijdig plaatsvindt met warmtepompverwarming. Een typisch resultaat van een simulatie over één dag is gepresenteerd in Figuur 9. T ru T ru T ru T ru T ru T ru T ru T ru T ru T ru Figuur 8 G cb,ru G c9,ru G c8,ru G c7,ru G c6,ru G c,ru G c,ru G c,ru G c,ru G c,ru P ee X X X X X X X X X P wp Isolatie C cb X C c9 C c8 C c7 C c6 C c C c C c C c C c X b T cb Tapwater uit (tappatroon) Tapwater in (tappatroon) T ki ( C) Bondgraaf van warmtapwaterbereiding met een warmtepomp in een voorraadvat. Legenda bij Figuur 8 P vermogen T temperatuur X X-blok, definieert warmtetransport afhankelijk van richting van massastroom -blok, warmtetransport alleen mogelijk naar boven b compartiment tot en met b (boven) c compartiment ee elektrisch element ki koud water in ru ruimte wp warmtepomp 6

7 Temperatuur in C brijn/water combi-tapwaterwarmtepomp, l voorraad, max. watertemperatuur met warmtepomp C, gewenst 6 C 7 6 warmtepomp aan/uit vereenvoudigd tappatroon, totaal 8 liter van 6 C (hoogte refereert aan energie, niet te refereren aan X-as) aanvoertemperatuur temperatuur onder in voorraadvat douche elektrische naverwarmer aan/uit Tijd in uren Figuur 9 Typische trends voor een tappatroon volgens CW-klasse. douche REFERENTIES. ISSO-publicatie., Handleiding Legionella-preventie in leidingwater, september.. Garantie- en waarborgregeling Eengezinshuizen E.999, Stichting Garantie Instituut woningbouw.. Gaskeur-criteria, criteria voor het GASKEUR/CW-label voor gasgestookte warmtapwaterbereiders. CW-: 996, Toestellen met een nominale belasting tot 7 kw (H i ).. A. Traversari en M. van Ingen, Beproevingsrichtlijn tapwater warmtepompen, TNO-MEP - R 98/6.. NEN 8, Energieprestatie van woningen en woongebouwen, Bepalingsmethode, Folder Energiepremie, EnergieNed Federatie van energiebedrijven. 7. J.E.M. Mooij, Simulatie van het dynamisch gedrag van systemen met behulp van bondgrafen, Dictaat O.-9--7, Hogeschool van Utrecht, Faculteit Natuur en Techniek, januari 99. De schrijver is Feiko Withagen erkentelijk voor de tekeningen van de warmtepompsystemen. Dit artikel is verschenen in Verwarming en Ventilatie van februari, nr.. Allard van Krevel, januari 7