Voorziening | Warmtepomp

Starten

Hoe werkt een warmtepomp?  

In verwarmingsmodus haalt een warmtepomp de warmte  uit een omgeving die we koudebron  noemen (KB) en zet ze om naar een warmtebron (WB), namelijk de ruimte die, of het gebouw dat verwarmd moet worden.

De temperatuur van de koudebron (T KB ) is lager dan die van de warmtebron (T WB ). Deze warmteoverdracht is dus tegennatuurlijk: calorieën worden uit een koude omgeving gehaald en naar een warmere omgeving overgebracht), een toevoer van extern vermogen P (mechanisch, …) is dus nodig.

Schema van het principe van de warmteoverdracht van een koude naar een warmtebron

image01nl

(Bron: Bouwen met energie (Wallonië))

De koudebron kan van diverse aard zijn, afhankelijk van waar menl de calorieën gaat halen:

  • in de buitenlucht of de afgevoerde lucht  (lucht/… WP): we hebben het dan over aerothermische WP's;
  • in een grondwaterlaag of in een waterloop (water/… WP): dit zijn hydrothermische WP's;
  • in de bodem  (bodem-WP/…)(waarbij gebruik wordt gemaakt van secundaire vloeistoffen zoals glycolwater, een zoutoplossing of door de warmte direct uit de bodem te halen). In dit geval hebben we het over geothermische WP's.

Ook de warmtebron kan van verschillende aard zijn:

  • binnenlucht   van de te verwarmen ruimte ;
  • water van het verwarmingscircuit ;

De warmteoverdracht gebeurt met een (primair) koelmiddel binnen de warmtepomp dat veranderingen ondergaat in fasen. Dit proces verloopt in 4 stappen die een thermodynamische cyclus vormen :

  1. De warmte wordt uit de koudebron (f K ) geëxtraheerd, wat verdamping van het koelmiddel bij lage temperatuur mogelijk maakt. De koudebron wordt nog kouder (nummer 4 op het schema);
  2. Het koelmiddel in gasvorm wordt vervolgens gecomprimeerd om van lage naar hoge druk te gaan (nummer 1);
  3. De vloeistof condenseert ,hetgeen warmte (f W ) vrijmaakt in de warmtebron. Met deze warmte wordt het lokaal of het gebouw verwarmd (nummer 2);
  4. In vloeibare vorm volgt dan een drukvermindering  waardoor de vloeistof opnieuw van hoge naar lage druk gaat (nummer 3).

Deze cyclus wordt vervolgens herhaald. Dit wordt geïllustreerd in de volgende figuur.

Vereenvoudigd schema van de thermodynamische cyclus van een warmtepomp met compressie

image02nl

(Bron: WTCB )

Bij de 1 e stap zorgt de verdamper (evaporator)  voor het thermische contact tussen de koudebron (water, lucht,...) en het koelmiddel. De koelmiddel gaan van vloeibare toestand naar gasvorm.

Bij het verlaten van de verdamper wordt het koelmiddel aangezogen door de compressor die de druk van deze vloeistof verhoogt door ze te comprimeren (2 e stap), met als effect dat de temperatuur naar een hoger niveau stijgt. Bij deze stap is een toevoer van externe energie noodzakelijk. Deze hoeveelheid energie is vanzelfsprekend duidelijk kleiner dan de hoeveelheid energie die aan de warmtebron wordt geleverd door het proces dat verwarming van het lokaal mogelijk maakt. Dit is het principe waar de warmtepomp op draait.

Het gas dat de compressor verlaat, verplaatst zich naar de condensor (3 e stap) en geeft daar een gedeelte van zijn warmte af aan de warmtebron. Dit veroorzaakt "desuperheating" en terugkeer naar vloeibare toestand. 

De vloeistof in vloeibare staat ondergaat tot slot een drukvermindering (4 e stap) en gaat opnieuw van hoge naar lage druk.

De WP realiseert dus géén conversie noch transformatie van energie naar warmte (zoals een cv-ketel), maar werkt als een thermodynamische machine die een bepaalde hoeveelheid thermische energie naar een ander temperatuurniveau overbrengt.

In koelingmodus worden het werkingsprincipe en de cyclus omgekeerd: de warmte wordt uit de warmtebron gehaald (het te koelen lokaal of gebouw) en overgedragen naar de koudebron (buiten). We hebben het dan over een koelmachine.

Desuperheating en onderkoeling

De desuperheating van het gas levert ongeveer 10 à 15% van de totale energie die ter hoogte van de condensor wordt uitgewisseld. Wanneer opnieuw de vloeibare toestand bereikt is, kan de vloeistof nog licht "onderkoeld" zijn. De vloeistof verlaat de condensor bij een temperatuur in de buurt van haar condensatiepunt. Ze passeert vervolgens door een thermostatisch expansieventiel waarin de druk letterlijk zal wegvallen, wat een brutale daling van de temperatuur van de koelmiddel veroorzaakt, met gedeeltelijke (her)verdamping. De uitgang van het expansieventiel brengt de vloeistof naar de verdamper waar ze opnieuw zal verdampen in contact met de koudebron, zodat een nieuwe thermodynamische cyclus start.

Aan welke behoeften kan de warmtepomp beantwoorden?

De warmtepomp kan inspelen op diverse soorten behoeften:

  • Alleen verwarming
  • Verwarming en productie van SWW (warmtepompen voor dubbel gebruik)
  • Alleen SWW (thermodynamische waterverwarming)
  • Verwarming en koeling (omkeerbare warmtepompen), eventueel gecombineerd met SWW.
  • Alleen koeling

Tegemoetkomen aan een of andere behoefte via een warmtepomp brengt diverse voordelen en ongemakken mee die we hierna opsommen. De keuze steunt ook op de aard van de werken (nieuw-renovatie), en op de bestemming van het gebouw.

Voordelen en nadelen van de WP's volgens het type behoefte waaraan voldaan wordt

VoordelenNadelen
Alleen verwarming
  • Lagere condensatietemperaturen à hogere SPFreële
  • Koelmiddel aangepast voor verwarming met lage temperaturen
  • Hulpverwarming nodig voor SWW à: bijkomende investering
Alleen SWW
  • Eenvoudige installatie, doeltreffend en totaal onafhankelijk van de verwarming.
  • Met de typische koelmiddel  voor thermodynamische boilers kan men condensatietemperaturen tot 65°C bereiken
  • zwakkere SPF reële door hogere temperatuurbehoeften
SWW geïntegreerd in de verwarming
Productie alleen tijdens het verwarmingsseizoen
  • Eenvoud van de voorziening
  • Energiebesparing
  • SWW bij hoge temperatuur (65°C) zonder verslechtering van de SPFreële
  • Niet nodig een koelmiddel voor hoge temperatuur te gebruiken
  • Hulpverwarming is nodig om in het tussenseizoen en buiten het stookseizoen SWW te produceren (bijv.: zonneboiler met elektrische back-up)
Productie het hele jaar
  • Zeer snelle temperatuurstijging van het SWW
  • werkt in alle seizoenen
  • De WP's voor verwarming gebruiken meestal koelmiddelen bij lage temperatuur. De koelmiddel voor hoge temperaturen voor SWW bereikt niet de optimale prestaties voor verwarming bij lage temperatuur.
  • Elektrische back-up in het buffervat is nodig om in alle omstandigheden de richttemperatuur van 60°C te hebben.
  • De investeringsopbrengst van een WP voor SWW/verwarming moet geval per geval geanalyseerd worden.

Keuze volgens de aard van de werken

De seizonsprestaties van de WP (gekenmerkt door de seizoensprestatiefactor, SPF), zijn meestal hoger in een nieuw gebouw omdat de conceptie van het gebouw (beperkte behoeften) en van het verwarmingssysteem (correctere vermogensdimensionering) het mogelijk maakt de WP te laten werken op lagere watertemperatuurregimes (vertrektemperatuur tussen 30 en 55°C) voor een werking op betere niveaus (hoge SPF).

Keuze volgens bestemming van het gebouw

Het vermogen en de dimensionering van de belangrijkste componenten van de lucht/water WP zijn proportioneel tegenover de grootte en de behoeften aan warmte en koude in het gebouw, verbonden met zijn diverse functies.

Vermogen en toepassingsdomein voor lucht/water WP's, volgens de bestemming van het gebouw

BestemmingWaair van electrisch vermogenToepassingsdomeinen
Residentieel: woning, appartement3-30 kW

Warmteproductie

Productie van sanitair warm water

Koudeproductie

Collectieve woningen en kleine tertiaire sector: handels,…   30-100 kW

Warmteproductie

Koudeproductie

Productie van sanitair warm water

Tertiaire sector: hotels, administraties, zwembaden,...50-250 kW

Warmteproductie

Koudeproductie

Productie van sanitair warm water

Speciale ruimtes: IT-zalen, datacenter, operatiekwartier, …3-50kWKoudeproductie
grote tertiaire en grote collectieve gebouwen (ziekenhuizen, flatgebouwen,…)250-1000 Kw

Warmteproductie

Koudeproductie

Productie van sanitair warm water

Industrie et commerciële koude> 1MW

Warmteproductie

Koudeproductie

Hoe bepalen we de prestaties van een warmtepomp? 

De prestaties van een warmtepomp kunnen worden gekenmerkt door diverse groottes zonder dimensies. Bij de onderlinge vergelijking van meerdere warmtepompen is het dus belangrijk goed te weten waar die groottes voor staan (bedoelt men bijv. enkel de warmtepomp of de hele installatie mét hulpsystemen, drukverliezen,…) en hoe ze werden bepaald: theoretisch, met laboratoriummetingen of met metingen in situ.

De cijfers zijn dus niet altijd bruikbaar om de reële prestaties van de warmtepomp te bepalen!

De volgende tabel ordent de verschillende groottes, afhankelijk van:

  • de verschillen als het gaat om theoretische waarden, laboratoriumwaarden of waarden gemeten in situ;
  • de verschillen als het gaat om instant waarden of gemeten over een gegeven periode.
Instant waardeWaarde gemeten over een gegeven periode
Theoretische waarde (door berekening) COP theoretisch COPA/SCOP
Waarde gemeten in laboratorium COP test SPF geschat
In situ gemeten waarde- SPF reëel

De reële prestaties van een warmtepomp worden beïnvloed door de exploitatievoorwaarden en door diverse parameters waaronder met name de temperatuur van de warmte- en koudebronnen.

Theoretische prestatiecoëfficiënt (COP theoretisch )

Theoretisch wordt de prestatie van een warmtepomp bepaald door de COP (prestatiecoëfficiënt), namelijk de verhouding tussen de warmte die de warmtepomp afgeeft in de warmtebron en de mechanische energie die moet worden geleverd om de thermodynamische cyclus te kunnen realiseren:

COPtheoretisch = Qthermisch/Qmecanisch

Dit is dus een getal zonder dimensies.

In optimale exploitatievoorwaarden zal de warmtestroom die op het niveau van de warmtebron wordt afgeleverd, veel hoger zijn dan het vereiste mechanische vermogen voor de compressor.

In het algemeen geldt: hoe kleiner het temperatuurverschil tussen de koudebron en de warmtebron, hoe hoger de COP van de warmtepomp.

De COP theoretisch volstaat niet om de prestaties van de warmtepomp in reële omstandigheden aan te geven :

  • Het gaat om een instant waarde die dus geen rekening houdt met schommelingen in de temperaturen van de warmte- en koudebronnen die de COP beïnvloeden. Voor een waarde die overeenkomt met een werkingsseizoen zal men dus eerder over seizoens-COP praten.
  • Deze wordt bepaald voor specifieke omstandigheden (meestal beperkt tot enkel de machine). In realiteit is er behalve mechanische energie voor de compressor ook energie nodig voor de hulptoestellen (pompen,…).

Er zullen dus andere indicatoren nodig zijn om beter rekening te houden met de reële omstandigheden.

Het is dus belangrijk goed te weten welke elementen meetellen in de evaluatie van de COP, en in welke omstandigheden de evaluatie plaatsvindt!

Prestatiecoëfficiënt test (COP test )

De COP test (of COP instant , of COP constructeur ) wordt gemeten in laboratorium in gestandaardiseerde testvoorwaarden die worden opgelegd:

  • door de norm NBN EN 14511, meer bepaald voor de warmtepompen met compressor, aangedreven door elektromotor voor verwarming en koeling van de lokalen;
  • of door de norm EN 16147 voor de productie van sanitair warm water.

Deze COP houdt rekening met het verbruik van de compressor en van alle hulptoestellen (ontdooiing, pompen, ventilatoren) die samen met de compressor worden gereguleerd. Deze prestatie-indicator wordt meegedeeld op de technische fiches van de fabrikanten.

De waarde van de COP test wordt vooral gebruikt voor de EPB.  

Merk op dat 'instant'-testwaarden (instant waarden), verkregen in welbepaalde werkingsomstandigheden, niet als zodanig mogen worden gebruikt om de jaarprestaties van de warmtepomp te ramen . De temperatuurvoorwaarden in situ , die de COP doen schommelen, zijn anders dan tijdens de genormaliseerde tests. Ze leiden soms tot betere, soms tot minder goede prestaties!

De COP test : een indicator, gemeten in gestandaardiseerde laboratoriumvoorwaarden

COP = 3,1 voor A2/W35 betekent: bij een koudebrontemperatuur (lucht) van 2°C (A2) en een warmtebrontemperatuur (water) van 35°C (W35) levert de warmtepomp 3,1 kW thermisch vermogen aan de condensor als de compressor 1 kW stroom absorbeert.

Jaarlijkse prestatiecoëfficiënt op jaarbasis

De SCOP (seizoensgebonden prestatiecoëfficient) van een warmtepomp (of COPA, jaarlijkse prestatiecoëfficiënt), gedefinieerd in het Europese reglement 813/2013 in toepassing van de Ecodesign-richtlijn ), is een theoretische waarde die overeenkomt met de verhouding tussen de vraag op jaarbasis naar verwarming met referentie Q H en het energieverbruik op jaarbasis Q HE (beide uitgedrukt in kWh):

COPA=QH/QHE

Hoewel theoretisch, houdt de SCOP of COPA rekening met verschillende koudebrontemperatuur en warmtebrontemperatuur, en dus met de schommeling in de prestaties van de warmtepomp over de duur van een stookseizoen. De SCOP is dus representatiever voor reële prestaties dan de COP test .

Geraamde seizoensprestatiefactor (SPF geraamd )

De geraamde seizoensprestatiefactor, SPF geraamd wordt bepaald met meerdere COP's test , verkregen in laboratorium onder diverse omstandigheden (meer bepaald de koudebrontemperatuur), telkens gewogen om de reële exploitatie-omstandigheden te benaderen.

Reële seizoensprestatiefactor (SPF reëel )

De reële seizoensprestatiefactor, SPF reël , is de belangrijkste indicator om te bekijken bij het kiezen van een warmtepomp. Deze houdt immers rekening met het echte rendement van de installatie. Hij wordt bepaald op basis van reële metingen ter plaatse . In technische fiches van fabrikanten wordt deze nooit vermeld omdat hij sterk afhankelijk is van de specifieke exploitatieomstandigheden van het gebouw en zijn ligging die de prestaties van de warmtepomp doen variëren.

Hij komt overeen met de verhouding tussen geleverde en verbruikte energie over een heel stookseizoen.

Parameters met invloed op de prestaties

De volgende tabel bevat de essentiële parameters met invloed op de prestatie van een elektrische compressiewarmtepomp . Dit bevestigt dat de warmtepomp zeer gevoelig is voor temperatuurschommelingen, zowel bij de koude- als bij de warmtebron.

Parameters die de prestaties van de warmtepomp direct beïnvloeden

BeïnvloedingsparametersNiveau van invloedOpmerking
KoudebrontemperatuurSterkVermindering van verbruik met +3% per stijging met 1°C
WarmtebrontemperatuurSterkVermindering van verbruik met +3% per vermindering met 1°C
BelastingsgraadGemiddeld

De werking van de WP op gedeeltelijke belasting beperkt het elektrisch verbruik en de slijtage van de compressor.

Een gedeeltelijke belasting is te verkrijgen door de snelheid van de compressor te beperken volgens de INVERTER-technologie (die de motor continu laat draaien in plaats van telkens weer af en aan te slaan afhankelijk van temperatuurschommelingen)

Invloed is er ook van de installatie van een buffervat tussen de WP en de warmteafgifte

Een correct gedimensioneerde warmtepomp werkt ongeveer 1500 uur/jaar op volle kracht en mag nooit meer dan 2000 uur/jaar op volle kracht draaien.

(Bron: Energie+ )

De prestaties hangen ook af van de goede dimensionering van de WP tegenover de warmtebehoeften. Zo dreigt een slecht gedimensioneerde WP vaak af- en weer aan te slaan waardoor de reële prestaties sterk worden aangetast. Op dezelfde manier dreigt een slecht aangepast distributie- en emissiesysteem (bijv. werking in stelsel met hoge temperatuur) de WP te laten werken bij te hoge temperaturen waardoor de SPF vermindert.

Andere parameters die de globale prestaties van het verwarmingssysteem beïnvloeden:

  • een extra circulatiepomp, in het geval van een netconceptie met secundaire circuits, wat tot groter verbruik van de hulptoestellen leidt;
  • in het geval van aerothermische WP's is er de warmtepomp met dynamische verdamper die elektrisch verbruik veroorzaakt van extra hulptoestellen die nodig zijn voor de ontdooiing.

Meer informatie over de WP's met dynamische verdamper in de voorziening lucht/water

De prestaties van de aerothermische gas-WP's

De doeltreffendheid van een Geothermisch gasabsorptiewarmtepomp gekenmerkt door de prestatiecoëfficiënt op primaire energie (COP), kan 1,65 bereiken (of een elektrisch equivalente COP van 4,12, rekening houdend met een primair elektriciteitsproductierendement van 40 %). Per verbruikte kWh gas produceren deze gasabsorptiewarmtepompen tot 1,65 kWh nuttige warmte, of een 'productierendement' van meer dan 160%. In termen van prestaties op jaarbasis wat primaire energie aangaat, kan een aerothermische gasabsorptiewarmtepomp in optimale gebruiksomstandigheden 30 à 40 % primaire energie besparen tegenover een condensatieketel.

bijgewerkt op 26/06/2017