rtikel xxxxxxx Door Ing. Roland de Roon Carrier Nederland BV, divisie Airconditioning, Hazerswoude-Rijndijk Heat pumps: heating only is the next stage Warmtepompen: alleen verwarmen is volgende stap Voor sommigen is de warmtepomp nog altijd een merkwaardig apparaat. Je stopt er een hoeveelheid energie in, meestal in de vorm van elektriciteit (en in sommige gevallen gas) en dan komt er een veelvoud van die energie uit in de vorm van warmte. Bij een oppervlakkige beschouwing lijkt dit in strijd met de natuurwetten. Maar het tegendeel is het geval. Afbeelding 1: principeschema omkeerbare lucht/waterwarmtepomp De werking van de warmtepomp is juist gebaseerd op een uitgekiende toepassing van de natuurwetten. De toegevoegde energie wordt gebruikt om omgevingswarmte op een hogere dan de beschikbare temperatuur te brengen, zodat die warmte op een slimme manier voor verwarming kan worden gebruikt. De geleverde warmte wordt dus grotendeels aan de omgeving onttrokken. De reductie van het energiegebruik (en daarmee de vermindering van de CO 2 -uitstoot) maakt warmtepompen steeds populairder, vandaar dat in dit artikel alle aandacht uitgaat naar deze milieuvriendelijke technologie. Energiebesparing is hoofdzaak Nederland is van oudsher een gasland en heeft dus een andere traditie van verwarmen dan landen met waterkrachtcentrales, waar elektriciteit al snel voor verwarming gebruikt wordt. Bij toepassing van elektrische weerstandsverwarming (elektrische kachels) wordt de afgenomen elektriciteit voor vrijwel 100% in warmte omgezet en aan de te verwarmen ruimte toegevoerd. Al vrij snel werd ontdekt dat de opbrengst meer dan verdubbeld kon worden als diezelfde hoeveelheid elektriciteit zou worden gebruikt om een warmtepomp aan te drijven. De eerste warmtepompen hadden een COP van ongeveer twee. Voor Nederland was die prestatie onvoldoende. Nederland beschikt namelijk niet over waterkracht elektriciteit, maar moet elektriciteit opwekken door het verbranden van fossiele brandstof. Als er in de centrale aardgas wordt verbrand om die elektriciteit op te wekken, komt ongeveer de helft van de energie uit het aardgas vrij in de vorm van 46 102e Jaargang september 2009
Ontwikkelingen warmtepomptechnologie Er is momenteel veel belangstelling voor een nieuwe serie warmtepompen. Deze serie is speciaal ontworpen voor koel- en verwarmingsdoeleinden in nieuwbouw en utiliteit, en in woningen met een laag energiegebruik. De nieuwe warmtepompen werken volgens de zogenaamde lage temperatuur verwarming (LTV) en bieden de mogelijkheid tot levering van warm tapwater. Er worden door de marktpartijen al diverse systemen aangeboden. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar nieuwe warmtepompen die in de bestaande bouw kunnen worden toegepast voor de productie van warm tapwater (+65ºC) en voor ruimteverwarming, en die dan zullen worden gebruikt in combinatie met afgiftesystemen op hogere temperatuurniveaus (tussen 55ºC en 100ºC). Naast de hoge temperatuur verwarming is ook het inpassen van een geschikte warmtebron een uitdaging in de bestaande bouw. Het duurt waarschijnlijk niet lang meer voordat er nieuwe warmtepomptechnologieën op de markt komen ter vervanging van de huidige generatie compressiewarmtepompen. Voorbeelden zijn sorptiesystemen (bijvoorbeeld zongedreven koeling), thermo-chemische of thermo-akoestische warmtepompen, en magnetische koeling. Er wordt onderzoek gedaan naar de toepassing van alternatieve en uiteraard ook natuurlijke koudemiddelen (CO 2 ) en naar de minimalisering van de koudemiddelinhoud van het systeem. Al dit onderzoek heeft als doel om de uitstoot van broeikasgassen tegen te gaan. Voor de nieuwbouw, de bestaande bouw en de utiliteit worden ook de mogelijkheden onderzocht voor specifieke toepassingen van luchtbehandeling, zoals de inzet van warmtepompen (bijvoorbeeld kleine, gevelgeïntegreerde systemen) en combinaties met compacte warmteopslag. een warmtepomp met een COP van twee, betekent in die situatie dus dat er veel moeite moet worden gedaan om uiteindelijk voor het milieu alleen maar quitte te spelen. Verwarming volledig verduurzaamd Inmiddels is het voorgaande achterhaald door de huidige stand van de techniek. Warmtepompen hebben tegenwoordig een COP van ruim boven de vier, zelfs bij buitenlucht als bron. Ook bij gebruik van elektriciteit die wordt opgewekt door gasverbranding, wordt toepassing in Nederland zeer aantrekkelijk. Met een warmtepomp is er (bij gelijke warmtevraag) namelijk maar half zo veel primaire energie nodig als bij rechtstreekse verbranding van dit aardgas in een verwarmingsketel. Uit het oogpunt van de milieu- en energiepolitiek is de warmtepomp dus nu al superieur. Als in de toekomst de energievoorziening gebaseerd wordt op duurzame elektriciteit, kan de warmtepomp met een COP van vier de opbrengst van die elektriciteit voor verwarmingsdoeleinden zelfs verviervoudigen. Geschiedenis Warmtepomptechnologie is eigenlijk niet nieuw. In de 60-er en 70-er jaren van de vorige eeuw werden al omkeerbare lucht/lucht-warmtepompen toegepast. Omkeerbaar wil zeggen dat de koudemiddelstroom d.m.v. een vierweg klep wordt omgedraaid, en dat de verdamper condensor wordt en vice versa. Uitgangspunt was toen een airconditioninginstallatie waarmee ook kon worden verwarmd. Het rendement in verwarmingsbedrijf was minder van belang, het gedeelte lucht dat met de warmtepomp kon worden verwarmd was meegenomen. Een voorbeeld hiervan waren de rooftop-units die veelal bij tankstations en porto-cabins werden toegepast als lucht/lucht-warmtepomp. Een natuurkundig gegeven blijft dat de (buiten) lucht bij een lagere temperatuur een lagere warmteinhoud heeft, en dat hier dan dus ook minder warmte aan kan worden onttrokken. Voor warmtepompen die de buitenlucht als bron gebruiken, geldt dus: hoe lager de buitenluchttemperatuur, hoe lager de verwarmingscapaciteit van de warmtepomp. Dit is op zich nadelig, want de verwarmingsbehoefte is het grootst bij lagere buitenluchttemperaturen. Bij de ontwikkeling van de huidige generatie warmtepompen is men dan ook op zoek gegaan naar middelen ter compensatie van deze dalende capaciteit. Deze zoektocht leidde uiteindelijk tot een algemene rendementsverbetering. Vooral de komst van de inverter-technologie, waarbij het toerental van de compressor kon worden verhoogd, bracht uitkomst. Hierdoor werd het rendement van bijvoorbeeld lucht/lucht-warmtepompen ook bij lagere buitenluchttemperaturen aanzienlijk verbeterd, omdat de afname van de verwarmingscapaciteit bij lage buitenluchttemperaturen als gevolg van een lagere vullingsgraad van de compressor, kon worden gecompenseerd door het toerental van de compressor te verhogen. Dimensionering Omkeerbare warmtepompen worden meestal gedimensioneerd op de benodigde koelcapaciteit, en dat is ook logisch. Met name voor lucht/lucht-warmtepompen geldt, dat wanneer er wordt geselecteerd op verwarmingscapaciteit bij een buitenluchttemperatuur van bijvoorbeeld -10 C, de installatie in koelbedrijf te groot is. Dit resulteert niet alleen in een hoge investering, maar ook in te veel luchtwisselingen in de ruimte, met tochtklachten als gevolg. Een te grote machine kan bovendien, ook wanneer er sprake is van een inverter-regeling, een pendelende regeling gaan vertonen. Een inverter-unit die te groot is gedimensioneerd, gaat zich in deellastbedrijf gedragen als een aan/uit-unit. Omdat de warmtepomp op de benodigde koelcapa- 47 102e Jaargang september 2009 102e Jaargang september 2009 47
Afbeelding 2: werkingsgebied tussen omgevings- en wateruittredetemperatuur citeit wordt uitgelegd, is het onvermijdelijk dat er bij lagere buitenluchttemperaturen een tekort aan of andere wijze aanvullende verwarming worden toegepast. Dit geldt vooral voor bestaande bouw. In de nieuwbouw zal in de toekomst wellicht helemaal geen verwarming meer nodig zijn, door de mate van isolatie. Bij de (in ons land veel toegepaste) lucht/waterwarmtepompen liggen de uitdagingen, naast die van een juiste dimensionering van het systeem, vaak nog iets gecompliceerder. Omdat ze feitelijk zijn afgeleid van luchtgekoelde koelmachines, zijn veel lucht/ water-warmtepompen eveneens omkeerbaar uitgevoerd (zie afbeelding 1). Wanneer een koelmachine is ontworpen om een optimaal rendement te leveren in koelbedrijf, dan levert deze niet automatisch ook een goed rendement in verwarmingsbedrijf. Neem als voorbeeld een koelmachine met het koudemiddel R407C en een platenwisselaar als verdamper. Het koudemiddel R407C heeft als zeotroop mengsel een glide, ofwel kooktraject. Dit is het in volgorde verdampen of condenseren van de drie stoffen waaruit R407C is samengesteld. In koelbedrijf werkt de verdamper in tegenstroom, en wordt er dus optimaal gebruikgemaakt van de genoemde glide. Wanneer de koudemiddelcyclus wordt omgekeerd, gaat de warmtewisselaar in meestroom werken. Dit geeft een rendementsvermindering in verwarmingsbedrijf. Hiernaast is er tijdens verwarmingsbedrijf een teveel aan koudemiddel in het systeem, omdat de inhoud van de platenwisselaar (condensor) dan zeer klein is. Door Carrier is hiervoor destijds een gepatenteerde receiver-warmtewisselaar geplaatst. Deze techniek voorkomt in verwarmingsbedrijf het opvullen van de warmtewisselaar met onderkoeld koudemiddel, en dus verhoging van de condensordruk. Ook een te grote oververhitting in de koeler en een verlaging van de verdamperdruk tijdens koelbedrijf worden hiermee voorkomen. De koudemiddelhuishouding en de afnemende capaciteit bij lagere buitenluchttemperaturen is overigens, ongeacht het toegepaste koudemiddel, bij alle omkeerbare warmtepompen een punt van aandacht. Ook bij (multi)inverter-splitsystemen en VRF-systemen zijn de nodige technologische ontwikkelingen doorgevoerd (bijvoorbeeld receivers) om dit te ondervangen. Inmiddels mag worden gesteld dat de technieken volledig onder controle zijn. Bedrijfsbereik en koudemiddel Bij het ontwikkelen van een warmtepomp wordt vooraf het gewenste bedrijfsbereik vastgesteld. Dit kan worden weergegeven in een zogenaamde operating envelope. Hierin wordt grafisch vastgelegd welke watertemperaturen moeten worden gerealiseerd en bij welke buitenluchttemperatuur dit moet gebeuren. Aan de hand hiervan kan onder meer een keuze worden gemaakt voor de toe te passen techniek en het meest geschikte koudemiddel (zie afbeelding 2). Voor lucht/lucht-warmtepompen waarbij in verwarmingsbedrijf wordt uitgegaan van een minimale bedrijfstemperatuur van -15 C, is R410A een goed koudemiddel gebleken. Immers, om lucht te verwarmen naar ca. 35-45 C is een condensatietem- Warmtepompen Onderzoekers en leveranciers van warmtepompen doen erg hun best om de warmtepomp steeds breder onder de aandacht te brengen. Innovaties in de warmtepomptechnologie zorgen ervoor dat warmtepompen steeds vaker worden toegepast in bestaande en nieuwe bedrijfsgebouwen en in kantoren en woningen. Mede dankzij de energietransitie-technologie wordt warmtepomptechniek steeds belangrijker. Dit leidt tot een efficiënter gebruik van de schaarser wordende fossiele brandstoffen, want er kunnen verschillende bronnen voor duurzame warmteopwekking worden benut. Bij dit laatste kan gedacht worden aan buitenlucht, bodem en zon. Op de lange termijn, bij verdere verduurzaming van de elektriciteitsopwekking, vormen de warmtepompen door hun hoge rendement een multiplier voor het effect van deze duurzaam opgewekte elektriciteit. Warmtepompen zijn daardoor van groot belang in de beoogde energieneutrale gebouwde omgeving. 48 102e Jaargang september 2009
peratuur van 45 à 50 C voldoende. Dit levert een kleinere machine op met een acceptabele condensatiedruk van ca. 27 bar (zie afbeelding 3). Wanneer water verhit moet worden tot 60 C, dan ligt de condensatietemperatuur van het koudemiddel daar enkele graden boven. Bij toepassing van R410A zou dit leiden tot werkdrukken van boven de 40 bar. Dit is een van de redenen om bij een dergelijke toepassing niet voor dit koudemiddel te kiezen. Uit onderzoeken is gebleken dat CO 2 goede eigenschappen heeft om te worden gebruikt in een niet-omkeerbare warmtepomp (die dus alleen wordt gebruikt voor verwarming en de opwekking van warm tapwater). Het is dan zelfs mogelijk om water van 10 C naar 65 C te verwarmen. Wanneer CO 2 wordt toegepast, is er echter sprake van een zogenaamd superkritisch proces. Dit is een vrij nieuwe techniek. Indien we deze techniek toepassen in verwarmingsbedrijf, waarbij we de CO 2 niet afkoelen naar circa 15 C (watertraject 50-60 C), is het rendement verrassend genoeg niet zo hoog. Naast de nieuwe techniek vormt ook de druk een beperking. Deze loopt namelijk op tot 140 bar. Dit vergt nogal wat van het ontwerp van een dergelijke machine. Compact bouwen en alleen richting tapwater lijkt hier een kans te zijn. Bij de keuze van het koudemiddel moet ook worden gekeken naar het rendement bij lage buitenluchttemperaturen, in dit geval een temperatuur van tussen de -15 en -20 C. Uit onderzoek blijkt dat bij -15 C R134a het beste rendement heeft, echter voor warmtepompen met een capaciteit tot ca. 150 kw is toepassing van dit koudemiddel economisch niet rendabel. Dit komt door het grote benodigde slagvolume van de compressoren en de benodigde bouwgrootte van de componenten. R407C blijkt dan een goede tweede, zo niet eerste keuze. Wanneer we uitgaan van een minimale buitenluchttemperatuur van -20 C en een te realiseren watertemperatuur van 60 C, dan is met het oog op het voorgaande de keuze voor het koudemiddel R407C zeer goed te verklaren. Hiermee kan bij een niet-omkeerbare koudemiddelcyclus (ook wanneer dus alleen maar wordt verwarmd) weer optimaal gebruik worden gemaakt van de glide van dit koudemiddel. Combinatie met niet-omkeerbaar Ook Carrier gebruikt dus haar jarenlange ervaring op het gebied van warmtepomptechnologie om innovaties door te voeren, zodat warmtepompen en koelmachines met een zo hoog mogelijke energie-efficiency worden ontworpen en gefabriceerd. Recentelijk zijn producten ten behoeve van woonhuisverwarming geïntroduceerd. Dit zijn warmtepompen met een energie A-label die volledig zijn ontworpen vanuit de verwarmingsbehoefte (zie afbeelding 4). Afbeelding 3: relatie tussen druk en condensatietemperatuur Energie besparen met warmtepomp Warmtepompen worden aangedreven door elektrische energie of door gas. De hoeveelheid benodigde energie is echter veel lager dan die van een gasgestookte hr-ketel. Het rendement van de installatie zelf staat op warmtepompen genoteerd, achter de aanduiding COP (Coëfficiënt Of Performance). De huidige elektrisch aangedreven warmtepompen hebben een COP tussen drie en vijf. Bij een COP van drie is het rendement 300%. Een elektrisch aangedreven warmtepomp met een COP van 2,5 of hoger is energiezuiniger dan een gasgestookte hr-ketel (rendement 100%). Een gasgestookte warmtepomp heeft een rendement dat 11 tot 31% hoger ligt dan dat van de beste hr-ketels (107%). HOOGSTE RENDEMENT DOOR LTV Hoe lager de temperatuur die de warmtepomp moet afgeven, hoe hoger het rendement. Daarom werkt een warmtepomp het beste in combinatie met lage temperatuur verwarming (LTV), zoals vloer- of wandverwarming. DALING CO 2 -UITSTOOT Een warmtepompsysteem met een COP van drie tot vijf stoot 10 tot 50% minder CO 2 uit dan een hr-ketel. Dit betreft dan vanzelfsprekend de CO 2 -uitstoot bij de elektriciteitscentrale. De inzet van warmtepompen vermindert dus in belangrijke mate het broeikaseffect. CONSTANTE WARMTE Warmtepompen zijn uitermate geschikt om over een lange periode heel constant te verwarmen. Het systeem zorgt dag en nacht voor een gelijkmatige warmte in de hele woning. Warmtepompen zijn minder geschikt om snel de temperatuur in een woning of kantoor te verhogen. Bij sommige toepassingen wordt dit opgevangen door een extra verwarmingsinstallatie op gas of elektriciteit. KLIMAATBEHEERSING IN DE WONING Een warmtepomp in combinatie met LTV kan in de zomer ook zorgen voor koeling van de woning. Daarbij wordt het relatief koude grondwater door de vloer- of wandverwarming gepompt. Alleen voor het rondpompen van dat water is een geringe hoeveelheid elektrische energie nodig (alleen voor de pomp). Een dergelijk warmtepompsysteem is daarmee veruit de zuinigste vorm van koeling. 50 102e Jaargang september 2009
Special Thermische Warmtepompen isolatie Carrier introduceert dit najaar de producttraining verwarming voor de nieuwe lijn verwarmingsproducten. In navolging van de Klimaatvak in Gorinchem houdt Carrier ook op de komende beurs in Hardenberg een gratis doorlopende snuffeltraining warmtepompen. Ontwikkelingen warmtepomptechnologie Er is momenteel veel belangstelling voor een nieuwe serie warmtepompen. Deze serie is speciaal ontworpen voor koel- en verwarmingsdoeleinden in nieuwbouw en utiliteit, en in woningen met een laag energiegebruik. De nieuwe warmtepompen werken volgens de zogenaamde lage temperatuur verwarming (LTV) en bieden de mogelijkheid tot levering van warm tapwater. Er worden door de marktpartijen al diverse systemen aangeboden. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar nieuwe warmtepompen die in de bestaande bouw kunnen worden toegepast voor de productie van warm tapwater (+65ºC) en voor ruimteverwarming, en die dan zullen worden gebruikt in combinatie met afgiftesystemen op hogere temperatuurniveaus (tussen 55ºC en 100ºC). Naast de hoge temperatuur verwarming is ook het inpassen van een geschikte warmtebron een uitdaging in de bestaande bouw. Het duurt waarschijnlijk niet lang meer voordat er nieuwe warmtepomptechnologieën op de markt komen ter vervanging van de huidige generatie compressiewarmtepompen. Voorbeelden zijn sorptiesystemen (bijvoorbeeld zongedreven koeling), thermo-chemische of thermo-akoestische warmtepompen, en magnetische koeling. Er wordt onderzoek gedaan naar de toepassing van alternatieve en uiteraard ook natuurlijke koudemiddelen (CO 2 ) en naar de minimalisering van de koudemiddelinhoud van het systeem. Al dit onderzoek heeft als doel om de uitstoot van broeikasgassen tegen te gaan. Voor de nieuwbouw, de bestaande bouw en de utiliteit worden ook de mogelijkheden onderzocht voor specifieke toepassingen van luchtbehandeling, zoals de inzet van warmtepompen (bijvoorbeeld kleine, gevelgeïntegreerde systemen) en combinaties met compacte warmteopslag. Voor projecten in de utiliteit is naast toepassing van niet-omkeerbare water/water-warmtepompen, die veelal zijn gekoppeld aan een WKO-systeem, een trend waarneembaar om voor de wat lagere verwarmingsvermogens (uit kostenoverwegingen) een lucht/water-warmtepomp toe te passen. Ook de vraag naar de productie van warm tapwater door middel van een warmtepomp neemt toe, omdat men er steeds vaker naar streeft de gasaansluiting overbodig te maken. Zoals uit de eerdere toelichting blijkt, is het lastig om de verwarmings- en koelbehoefte volledig in vermogen van een lucht/water-warmtepomp neemt af bij een dalende buitenluchttemperatuur, dus ook hier moet worden nagedacht over aanvullende verwarming in de winter. Wordt een gebouw zonder gasaansluiting uitgevoerd, dan wordt de voorziening van warm tapwater ook een aandachtspunt. - lucht/water-warmtepomp toe te passen, die warm tapwater met een temperatuur van ca. 65 C kan leveren en die in de winter de benodigde aanvullende verwarming kan verzorgen. Hiermee wordt de verwarming dus volledig verduurzaamd. In de nabije toekomst is het dus zeer goed denkbaar dat er voor verwarming tegelijkertijd een omkeerbare lucht/water-warmtepomp (voor warm tapwater) worden toegepast. Nu moet men alleen nog vanuit deze technische discussie tot klantgerichte oplossingen zien te komen. De veranderende marktbehoeften zetten aan tot innovatie, waarbij Afbeelding 4: relatie tussen COP en buitenluchttemperatuur van verschillende koudemiddelen 102e Jaargang september 2009 51
het comfort en het gemak waaraan we inmiddels gewend zijn, de basis vormen bij het productontwerp. Carrier voert nu producten die geschikt zijn Samenvatting Duurzaam koelen en verwarmen en warm tapwater produceren door extra inzet van tweede, niet-omkeerbare warmtepomp In de utiliteit worden niet-omkeerbare water/ water-warmtepompen met een groot verwarmingsvermogen toegepast, die veelal zijn gekoppeld aan een WKO-systeem. Voor de geringere verwarmingsvermogens worden uit kostenoverwegingen meer en meer lucht/water-warmtepompen warmtepomp niet het benodigde verwarmings- en koelvermogen kan leveren. Dit mede vanwege het feit dat het verwarmingsvermogen van een lucht/ water-warmtepomp afneemt bij een dalende buitentemperatuur, waardoor in de winter een tekort aan verwarmingsvermogen zal ontstaan. Indien het bedrijfspand niet is voorzien van een gasaansluiting, zal er ook een oplossing moeten worden gevonden voor het produceren van warm tapwater. Voor zowel het beschikbaar hebben van extra verwarmingsvermogen voor verwarming van het gebouw in de winterperiode als voor de productie van warm tapwater van +65ºC, zal dan de inzet van een extra, niet-omkeerbare warmtepomp een goede oplossing bieden. De meest duurzame oplossing is het gelijktijdig toepassen van een omkeerbare lucht/water-warmtepomp (voor aansluiting op de AC-installatie) en een niet-omkeerbare warmtepomp (voor de productie van warm tapwater en voor aanvullende verwarming in de winterperiode). Summary Sustainable cooling, heating and production of warm household water by a second, non-reversible heat pump In the utility non-reversible heat pump systems with a high heating capacity are used, which are usually connected to a HCS system (heat and cold storage). At lower heating capacities more and more air-water heat pumps are applied, due to the lower investment costs. Practice has shown that only one heat pump is often unable to deliver the required heating and cooling capacity. When the outside temperature drops, the heating capacity of the air-water heat pump is reduced, thus causing a shortage of heating capacity during the winter. If the building is not connected to the gas mains, the production of warm household water also becomes a problem. pump for additional heating capacity during the winter and for the production of warm household water with a temperature of + 65ºC, can solve all these problems. application of a reversible air-water heat pump (for supply of the AC-plant) and a non-reversible heat pump (for the production of warm household water and for additional heating capacity during the winter time). MEER INFORMATIE Carrier Nederland B.V. Divisie Airconditioning Postbus 151 2394 ZH Hazerswoude-Rijndijk T: 071 341 71 11 F: 071 341 41 92 M: info@carrier.nl I: www.carrier.nl 102e Jaargang september 2009 53