7.3.3 Warmtepomp

Een warmtepomp is een toestel waarmee warmte van een lage temperatuur (bijvoorbeeld grondwater van 10 °C) wordt omgezet naar een hogere temperatuur om te gebruiken voor ruimteverwarming en warmtapwater. Hiervoor wordt een relatief kleine hoeveelheid elektriciteit toegevoerd aan de compressor van de warmtepomp. Het rendement van de warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP (Coëfficiënt Off Performance). Dit opwekkingsrendement ligt in de ordegrootte van 3 tot 5 (afbeelding 7.20), gebaseerd op tabel 9.27 van NTA 8800 voor de elektrische warmtepomp.

Afb. 7.20 De COP = 4. Dit betekent dat de warmtepomp 4 keer meer warmte (kWh thermisch) levert dan het apparaat als elektrische energie (kWh elektrisch) gebruikt. Naast 25% elektrische energie wordt 75% duurzame omgevingswarmte gebruikt bij verwarming van de woningen

Rekening houdend met het opwekkingsrendement van elektriciteit (69%) volgens NTA 8800 [30] levert de warmtepomp een rendement van 200 tot 340% op primaire energie. Er zijn ook warmtepompen op gas: deze hebben een rendement van 130 tot 180%. (Elektrische) warmtepompen leveren een aanzienlijke bijdrage aan de verlaging van het primaire energiegebruik (tweede BENG indicator) en hebben daarnaast (in veel gevallen) ook een positieve invloed op de derde BENG indicator: het aandeel hernieuwbare energie.

Afb. 7.21 Het principe van de warmtepomp

Een systeem met warmtepompen bestaat uit:

• Bron;
• Omzetting (warmtepomp);
• Afgifte.

Met deze basisopbouw kunnen verschillende systeemconcepten worden uitgewerkt. Meer informatie: zie ook www.dhpa-online.nl (Dutch Heat Pump Association).

Bronnen waar energie aan kan worden onttrokken:

• Ventilatielucht. De warmtepomp gebruikt de warmte uit de afgezogen ventilatielucht om een huis te verwarmen. De capaciteit van warmte uit ventilatielucht is vaak beperkt. Voor ruimteverwarming wordt de combinatie veelal gemaakt met een elektrisch element of een traditionele HR-ketel in de bestaande woningbouw. Een andere mogelijkheid is dat de warmtepomp, bij een tekort aan warmte uit ventilatielucht, buitenlucht bijpakt. De warmtepomp kan ook voorzien zijn van een ingebouwde boiler om te voorzien in de tapwaterbehoefte van de woning (paragraaf 9.3.6);
• Bodem door een verticale of horizontale bodemwarmtewisselaar ('gesloten bron'). Bodemwarmtewisselaars bestaan uit een of meerdere U-lussen. Horizontale systemen liggen op ca. 1 tot 3 meter diepte, waarbij een aanzienlijk oppervlak grond vereist is. Dat is in Nederland meestal niet beschikbaar. Verticale bodemwisselaars (afbeelding 7.22) worden tot een diepte van maximaal zo'n 100 meter in de bodem aangebracht door sondering of boring. Heipalen kunnen eveneens als bodemwarmtewisselaar fungeren. In de heipalen worden kunststof buizen aangebracht, waardoor vloeistof stroomt. Voor meer informatie over het ontwerp en de uitvoering van verticale bodemwisselaars zie [161] en [162].

Afb. 7.22 Rechts op de voorgrond, tussen de funderingsbalken, is de aansluiting (zie de twee zwarte leidingen) met de verticale bodemwisselaar te zien. De foto is genomen in RijswijkBuiten in Rijswijk (ZH)

• Grondwater ('open bron'). Het temperatuurniveau van grondwater in diepe zandlagen op ongeveer 50 à 150 m diepte is gedurende het gehele jaar circa 12 °C. Om dat te benutten moet een bronnensysteem aangelegd worden waarmee het grondwater uit een diepere watervoerende laag (aquifer) kan worden onttrokken. Ten behoeve van de grondwateronttrekking dienen zowel een onttrekkingsbron als een injectiebron te worden aangelegd. Tussen grondwater en warmtepomp moet een warmtewisselaar worden geplaatst om vervuiling van het grondwater en de warmtepomp uit te sluiten. Grondwater is vaak agressief. Grondwater heeft tijdens alle seizoenen een nagenoeg constante temperatuur. De COP van de warmtepomp zal daardoor ook vrij stabiel zijn;
• Oppervlaktewater. Indien in de nabijheid voldoende oppervlaktewater, bijvoorbeeld uit een rivier, meer of zee en, voor kleinere projecten, een vijver beschikbaar is kan deze als bron fungeren. Let op dat de onttrekking zo diep moet plaats vinden dat die niet bevriest en dat anderzijds het leven in de waterbodem niet verstoord wordt;
• Buitenlucht. Met behulp van een ventilator wordt de buitenlucht door een warmtewisselaar gezogen. Een nadeel is dat deze energiebron anticyclisch is: de grootste warmtevraag doet zich voor als de buitentemperatuur laag is. Dat beïnvloedt de COP negatief. Het rendement is beduidend lager dan met een bodemwisselaar of grondwater. Ook is het verbruik van de ventilator meestal aanzienlijk. Let op geluidsproductie van de buitenunit (vooral 's nachts kan geluid vlakbij slaapkamerramen erg hinderlijk zijn!). Diverse fabrikanten leveren de combinatie van lucht-waterwarmtepomp en HR-ketel, samen vaak aangeduid als hybride warmtepompsysteem. Speciale aandacht vraagt de architectonische inpassing van de buitenunit;
• Energiedak of asfaltcollectoren (in het wegdek of onder een parkeerplaats). Met behulp van deze collectoren wordt zowel zonnewarmte als warmte aan de buitenlucht onttrokken. Deze bron wordt vooral toegepast voor regeneratiedoeleinden om naast verticale bodemwisselaars of grondwater in de zomer de bodem weer op temperatuur te brengen;
• Restwarmte. Deze kan verkregen worden uit interne of externe bronnen. Interne bronnen zijn bijvoorbeeld afvoerlucht van het ventilatiesysteem of rioolwater. Externe bronnen worden gevormd door restwarmte van industriële processen, elektriciteitscentrales of koelbehoeften van gebouwen in de nabijheid.

De toepasbaarheid van een bron hangt af van:

• Het temperatuurniveau en de warmte-overdrachtseigenschappen;
• De beschikbaarheid, zowel geografisch als in de tijd;
• De grootte en complexiteit van de installatie voor het bruikbaar maken van de bron;
• De investeringskosten en de kosten voor onderhoud en exploitatie.

Efficiënte bronnen zoals grondwater of de bodem zijn voor individuele toepassingen relatief kostbaar in verband met de benodigde installaties. Het collectieve gebruik van dergelijke bronnen (voor meerdere individuele warmtepompen) of het tegelijkertijd realiseren van de bronnen in grotere projecten is daarom vaak voordelig. Het distributieleidingsysteem dat hiervoor nodig is, hoeft niet geïsoleerd te worden gezien de lage temperaturen van ca. 10-12 °C uit de bron.

Om de kosten te beperken wordt de capaciteit van een warmtepomp meestal aan de kleine kant gekozen. Er is dan of een buffer of bijverwarming nodig om pieken op te vangen. In de bestaande bouw wordt de combinatie met een bestaande HR-ketel veelal gekozen om het gebruik van fossiele energiebronnen (gas) te beperken. In de all-electric concepten zijn de warmtepompen voorzien van ingebouwde elektrische elementen die eventueel voorziet in de thermische desinfectie van de boiler en als ondersteuning van de CV-verwarming.

Het rendement is hoger naarmate het temperatuurverschil tussen de gebruikte warmte (bron) en de geproduceerde warmte (afgifte) kleiner is. Een warmtepompinstallatie voor toepassing van ruimteverwarming vereist daarom een LT-afgiftesysteem.

Het rendement van de warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coëfficiënt Of Performance (COP): de verhouding tussen de geleverde warmte en de daarvoor benodigde energie van de compressor. De Seasonal Performance Factor (SPF) geeft eveneens de verhouding aan tussen de geleverde warmte en de daarvoor benodigde toevoer van energie, echter inclusief de benodigde hulpenergie voor de bronpomp en het distributiesysteem en gemeten voor een heel stookseizoen. Zowel COP als SPF kunnen worden bepaald aan de hand van een gemiddelde van de meetwaarden over een geheel seizoen, of een gehele periode. De Primary Energy Ratio (PER) geeft, evenals de SPF, de verhouding aan tussen de nuttig geleverde energie en de daarvoor benodigde toevoer van energie, waarbij gekeken wordt naar de herkomst van de energietoevoer. Voor elektriciteit wordt rekening gehouden met het rendement waarmee deze is opgewekt. Informatie in [175].

Bij warmte-onttrekking aan de bodem zal deze op termijn in temperatuur dalen waardoor het rendement van de warmtepomp afneemt. De temperatuur van de bodem moet daarom gedurende het jaar (of gedurende enkele jaren) weer in balans gebracht worden. Het is daarom meestal noodzakelijk om weer evenveel warmte in de bodem te injecteren als er aan warmte is onttrokken (bodemregeneratie); soms is een klein koude-overschot toegestaan omdat het tekort op natuurlijke wijze via grondwaterstromen wordt aangevuld. In de zomer kan deze regeneratie plaatsvinden door bijvoorbeeld gebruik te maken van:

• Ruimtekoeling door zogenaamde 'vrije koeling' (paragraaf 8.3.4); let op: vrije koeling zal lang niet altijd voldoende warmte voor volledige regeneratie opleveren;
• Zonnecollectoren. In de zomer kunnen de collectoren warmte opnemen, welke voor lange termijn in de bodem opgeslagen wordt. In de winter kan deze door de warmtepomp benut worden. De hiertoe beschikbare collectoren zijn veel goedkoper dan de collectoren voor warmtapwaterbereiding. Mogelijkheden zijn bv. asfaltcollectoren of dakcollectoren die onder de platdakbedekking (een 'zonthermisch dak' [179]) worden weggewerkt;
• Oppervlaktewater, dat in de zomer wordt opgewarmd kan tevens een bijdrage aan de regeneratie van de bron leveren. Het oppervlaktewater koelt hierdoor een stuk af.

Zie bij paragraaf 7.3.9 (WKO) voor vergunningen of meldingen om een bodemenergiesysteem aan te leggen.

De COP van een warmtepomp is erg gevoelig voor de temperatuur van de bron en van het afgifte-systeem (afbeelding 7.25). Lage temperatuursystemen die werken met een temperatuur lager dan 45 °C zijn noodzakelijk; de brontemperatuur mag niet te laag zijn. Tot 80% van de geleverde warmte wordt aan de bron onttrokken. De bron moet dus een grote capaciteit hebben.
Elektrische warmtepompen zijn in alle capaciteiten te koop: Van klein voor basislast in een enkele woning tot groot voor collectieve systemen. Een compressie-warmtepomp is een mechanisch apparaat. Daarom is aandacht voor de geluidproductie van belang.

Afb. 7.23 Principeschema installatie voor verwarming en koeling van het voorbeeldproject Rabobank Pey-Posterholt in Echt te Limburg [171]. Het project omvat zowel een bank, een bibliotheek als dertien woningen. De installatie voor ruimte- en tapwaterverwarming (en koeling) is collectief. Twee warmtepompen onttrekken warmte uit de bodem of uit de vloerkoeling van de bank. De warmtepompen geven deze warmte af aan een opslagvat van 5 m³. Ook de zonnecollectoren (circa 40 m²) geven hun warmte af aan dit (buffer)vat. Eventuele extra verwarmingscapaciteit kan geleverd worden door twee HR-ketels die ook de warmte leveren voor het naverwarmen van het tapwater. De bank en bibliotheek zijn voorzien van vloer en wandverwarming, de woningen van vloerverwarming. De vloer- en wandverwarming worden ook gebruikt voor de afgifte van koude. Deze koude wordt onttrokken uit de bodem of is afkomstig van de warmtepomp (als deze warmte produceert). (Bron: Opdrachtgever: Rabobank; Architect: Architectenbureau Keulers, Schrijen Coonen te Echt/Geleen; Adviseur: Boom-Maastricht; Realisatie: 1999)

De gasgestookte absorptiewarmtepomp heeft maar een bron met kleine capaciteit nodig, tot zo'n 40% van de geleverde warmte. Als de temperatuur van de bron daalt, daalt het totale rendement wel, maar nooit onder dat van de beste HR-ketel. Dit geldt ook voor de afgiftetemperatuur. Hoger dan 70 °C moet die echter niet komen. De absorptiewarmtepompen kunnen uitermate stil zijn door het ontbreken van draaiende delen.
Een speciale uitvoering van de gasgestookte warmtepomp is de gasmotor-warmtepomp: een combinatie van gasmotor- en compressie-warmtepomp. Gezien als 'black box' heeft die vergelijkbare eigenschappen als wat hiervoor is gesteld, met uitzondering van het geluidsniveau: Een separate opstellingsruimte met een zeer goede geluidsisolatie is noodzakelijk.
Er zijn al langere tijd systemen vanaf 40 kW te koop, geschikt voor minimaal tien woningen.

Afb. 7.24 Sankey-diagram van een gasgestookte warmtepomp

Aandachtspunten

• De individuele warmtepomp voor een woning neemt meer ruimte in beslag dan een CV-ketel. Reserveer minimaal 0,6 x 0,6 m² en neem tijdig contact op met een leverancier. Ook is het gewicht veel hoger dan dat van een CV-ketel, ordegrootte 150 tot 200 kg;
• Vanwege de mogelijkheid tot vrije koeling levert de individuele warmtepomp extra comfort in de zomer zonder veel extra energieverbruik (alleen de bronpomp moet dan draaien);
• Om de investering te reduceren, wordt vaak gekozen voor collectieve warmtepompen. Dit is technisch goed mogelijk. De isolatie van het leidingnet en de individuele bemetering en afrekening verdienen daarbij veel aandacht;
• De warmtevraag moet zo nauwkeurig mogelijk worden berekend. Een overschatte warmtevraag verlaagt het rendement van een warmtepomp sterk doordat de warmtepomp niet optimaal kan draaien door voortdurend starten en stoppen. Veel warmtepompen kunnen moduleren ('inverter technologie'), maar nog niet alle;
• Let op geluiddemping en trillingvrije opstelling bij gasmotoren en compressiewarmtepompen. Kies een plek in de woning die niet grenst aan een slaapkamer;
• Warmtepomp-systemen die hun warmte uit de buitenlucht halen, kunnen afhankelijk van het vermogen geluidsoverlast veroorzaken door de grote hoeveelheid lucht die ze verplaatsen;
• Het is van belang om voor bodemwarmtewisselaars en grondwaterbronnen meerjarige garantie op de capaciteit en de goede werking te krijgen. Een te kleine capaciteit komt pas na jaren aan het licht;
• Het energieverbruik voor pompen en ventilatoren van de bron- en afgiftesystemen bij warmtepompinstallaties kan variëren van 5 tot 20% van het totale energieverbruik, dus inclusief de warmtepomp zelf. Dit percentage hangt af van het ontwerp en de dimensionering van de genoemde systemen. Dat kan het voordeel van de warmtepomp tenietdoen. Houd hiermee rekening bij het ontwerp van de installatie;
• Bij toepassing van elektrische warmtepompen op grote schaal binnen een plangebied (buurt, wijk) moet het elektriciteitsnet waarschijnlijk zwaarder worden uitgevoerd dan gebruikelijk; houd ook rekening met de benodigde capaciteit bij opstarten van de warmtepompen na storing;
• Warmtepompen kunnen ook voor de verwarming van tapwater worden gebruikt (paragraaf 9.3.7).

Afb. 7.25 Indicatie van de PER van een elektrische en gasgestookte warmtepomp, zonneboilercombi en van een HR107-ketel, afgezet tegen het temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overbruggen tussen de bron en het afgiftesysteem. Voor de HR-ketel en de zonneboilercombi is de aanvoertemperatuur van de CV-installatie genomen. De investering voor de beide warmtepompen en de zonneboilercombi zijn globaal hetzelfde. Duidelijk blijkt hoe sterk de PER van warmtepompen afhangt van het genoemde temperatuurverschil

Afb. 7.26 Toepassing van warmtepomp in combinatie met andere apparatuur

Een systeemkeur voor warmtepompsystemen bestaat nog niet, een keurmerk voor de afzonderlijke functies van warmtepompen wel. De kwaliteit van een installatie met een warmtepomp is afhankelijk van het totale systeem en niet van de werking van de warmtepomp alleen. De BRL 6000 [177] is een belangrijke informatiebron voor installateurs. Een installateur die KOMO-INSTAL gecertificeerd is en die volgens de genoemde BRL de warmtepompinstallatie ontwerpt en aanlegt, zal een waarborg zijn voor een goede installatie.
Zie voor meer informatie de sites van de Dutch Heat Pump Association (DHPA en InstallQ (www.installq.nl).