Warmtepompen voor kantoren

Introductie 

Warmtepompen maken het mogelijk om warmte van een laag temperatuurniveau (restwarmte) te 'pompen' naar een hoger temperatuurniveau ten behoeve van ruimteverwarming. Bij utiliteitsgebouw is de koudevraag een zeer geschikte restwarmtebron omdat de functie van de warmtepomp dan tweeledig is: primair het verzorgen van de warmtevraag en secundair de levering van 'gratis' restkoude. Als de koudevraag in tijd is verschoven ten opzichte van de warmtevraag (de warmtevraag is geconcentreerd in de winterperiode en de koudevraag juist in de zomer), wordt de bodem gebruikt ten behoeve van seizoensopslag (aquifer).

In de wintersituatie wordt de warmtepomp geregeld op basis van de warmtevraag. Het 'product' koude dat ter beschikking komt wordt opgeslagen in de bodem. In de zomersituatie is de beschikbare koude van de warmtepomp onvoldoende om het complex van koude te voorzien. Aanvullende koudelevering vindt plaats vanuit de bodem. Bij zeer warm weer zal ook dit onvoldoende zijn en wordt de warmtepomp op zomerbedrijf geschakeld: de warmtepomp wordt dan geregeld op koudevraag en het product warmte wordt in de bodem opgeslagen. Bij een goed gemodelleerde installatie zal dit overigens slechts beperkt plaatsvinden.

In onderstaande schema's is het proces weergegeven. Bij het opslaan in de bodem treden temperatuurverliezen op door het gebruik van warmtewisselaars (TSA's) en bodemopslagverliezen.

Achtergrond techniek

Een warmtepomp is feitelijk een koelmachine die op warmtevraag wordt gestuurd. Bij een koelmachine worden de prestaties van het apparaat uitgedrukt in een COP-waarde (Coëfficiënt Of Performance). Deze waarde geeft de verhouding tussen geproduceerde hoeveelheid koude en de benodigde elektriciteit. 

Bij een warmtepomp worden de prestaties eveneens uitgedrukt in een COP-waarde, waarbij de COP de verhouding aangeeft tussen geproduceerde hoeveelheid warmte en de benodigde elektriciteit. Omdat bij een warmtepomp de benodigde warmte nuttig wordt gebruikt, is de COP van een warmtepomp 1 hoger dan de COP van een koelmachine.

Vuistregels

De basis voor het ontwerp van een warmtepompinstallatie wordt gevormd door zowel de warmtevraag als de beschikbaarheid van de warmtebron voor de warmtepomp (in dit geval zowel direct als indirect (opslag) de koudevraag van het complex). De warmtevraag dient voor een laag temperatuurniveau ontworpen te zijn (maximaal ca. 55 °C; bij voorkeur lager). Voorbeelden van lage temperatuurverwarming zijn vergrote radiatoren, vloer- en wandverwarming, klimaatplafonds, e.d. De investeringskosten voor de opwekking worden over het algemeen iets lager bij een lagere aanvoertemperatuur voor de c.v.; de kosten voor distributie en afgifte zijn echter hoger. 

Omdat de koude wordt opgeslagen in de bodem, treden er opslagverliezen op. Koude uit de bodem is doorgaans beschikbaar op een temperatuurniveau van ongeveer 10 °C. Een veel toegepast temperatuurtraject voor koeling in combinatie met bodemopslag is 10°C aanvoer en 18°C retour (hoge temperatuur koeling).

Bij toepassing van een warmtepomp is het belangrijk dat ongeveer even veel koude aan de bodem wordt onttrokken als opgeslagen. Bepalend hierbij is het patroon van de warmte- en koudevraag van het desbetreffende gebouw.

Bij het ontwerp dient aandacht te worden besteed aan de balans over de bodem: deze dient gemiddeld (over meerdere jaren) nul te zijn. Met andere woorden: er wordt evenveel koude opgeslagen in de bodem als er uit wordt gehaald voor gebruik in het gebouw. Indien eventueel enigszins te veel koude wordt opgeslagen, kan dit mogelijk nog acceptabel zijn; een warmte-overschot wordt door de vergunningverlener niet geaccepteerd.

Methoden om de balans over de bodem te kunnen handhaven zijn:

• Bij een warmte-overschot c.q. er wordt meer koude onttrokken dan opgeslagen (in volgorde van wenselijkheid):     
• kies een warmtepomp met een betere COP (meer koudeproductie per eenheid geproduceerde warmte)
• extra afzet van cv-warmte creëren (bijvoorbeeld voorverwarmen van warm tapwater)
• in de winter extra koude laden door middel van een koeltoren
• gedurende enige tijd koelmachines gebruiken om koude te leveren (en zodoende minder koude te onttrekken)

Bij een koude-overschot c.q. er wordt minder koude onttrokken dan opgeslagen (in volgorde van wenselijkheid):     

• extra warmte in de bodem opslaan met zonnecollectoren
• gedurende enige tijd de ketels gebruiken om de cv-warmte te leveren (en de warmtepomp buiten bedrijf te stellen.

Onderhoud en beheer 

De kosten voor beheer, bediening, onderhoud en beheer dienen per project te worden bepaald. Over het algemeen zijn deze kosten bij toepassing van een warmtepomp met bodemopslag hoger dan bij een conventionele installatie. In de exploitatieberekeningen dient hiermee rekening te worden gehouden.

Wetgeving

Voor veel bedrijven geldt de Wet milieubeheer, waarin staat dat u de milieubelasting moet terugdringen in uw bedrijfsvoering. Dat betekent: zo veel mogelijk energie en water besparen, afval zo veel mogelijk voorkomen (en scheiden), en de vervoerbewegingen van uw bedrijf beperken. Door het toepassen van de warmtepomp geeft u invulling aan deze doelstelling.  We stimuleren het toepassen van warmtepompen. Als u nieuw bouwt of u gaat een gebouw renoveren en het gebouw heeft een grondoppervlakte van meer dan 3000 m2, dan wordt een haalbaarheidsonderzoek naar het toepassen van een warmtepomp vereist. Uit ervaringscijfers blijkt dat bij een gebouw met grondoppervlakte van 3000 m2 de terugverdientijd van een warmtepomp ongeveer 4,5 jaar is in vergelijking met een HR ketel en het toepassen van een geforceerde koeling.

Om de haalbaarheid van een warmtepomp te berekenen heeft SenterNovem een softwaretool “quickscan warmtepompen utiliteiten (WP-U)” ontwikkeld, zie http://www.warmtepompenwegwijzer.nl/.

Warmteterugwinning

Warmteterugwinning  (WTW) wint de warmte terug uit de afgezogen ventilatie lucht die verloren gaat en geeft deze af aan de verse aangevoerde lucht. Dit beperkt schommelingen van de temperatuur in het gebouw. Hierdoor ontstaat een behaaglijk en zuiver binnenklimaat. Deze voorziening beperkt ook de belasting van de verwarming en het airconditioningsysteem en bespaart energie. Gebalanceerde ventilatie(gekoppelde mechanische luchttoevoer en- afvoer) met WTW is toepasbaar in combinatie met elke vorm van ruimteverwarming. Verschillende typen warmteterugwinning worden in het onderstaande tabel benoemd en later nader beschreven.

Twin-coil systeem

In een twin-coil systeem wordt gebruik gemaakt van vloeistof (meestal water met glycol tegen bevriezing)als transportmedium. De vloeistof neemt warmte op vanuit de afvoerlucht en staat dit weer af aan de aangezogen buitenlucht. Een pomp zorgt voor de circulatie van de vloeistof.

Warmtepijpen

Een warmtepijp bestaat uit een aantal buizen voorzien van lamellen. In de buizen bevindt zich een koudemiddel. Het ene uiteinde van de buizen bevindt zich in een koud medium en het andere einde in een warm medium.  Het proces is een gesloten kringloop van het koudemiddel, waarbij door verdampen van de vloeistof, die zich in het warmste gedeelte van de gesloten pijp bevindt, warmte onttrokken wordt aan de afvoerlucht. De damp verplaatst zich door gewichtsverandering of door capillaire werking naar dat gedeelte van de pijp dat zich in de koudere toevoerlucht bevindt en staat daar door condensatie een groot gedeelte van de warmte af en warmt daarmee de toevoerlucht op. De warmtepijp is aan de buitenzijde voorzien van lamellen ter verbetering van de warmteoverdracht.

1. Warmte wordt onttrokken aan de ventilatie lucht
2. Vloeistof verdampt
3. De warme damp koelt af en condenseert tot vloeistof. Hierbij wordt warmte afgegeven aan de ventilatielucht
4. Vloeistof keert met behulp van de zwaartekracht terug naar de verdampingssectie

Platenwarmtewisselaars

De platenwarmtewisselaar is opgebouwd uit afwisselend vlakke en kruislings gegolfde platen. Door middel van warmtegeleiding via de platen wordt warmte uitgewisseld tussen de warme afvoerlucht en de koude toevoerlucht. De stromingsrichtingen staan in het algemeen loodrecht op elkaar. Er is daardoor sprake van kruisstroom. De uitvoering is in de vorm van een kubus of rechthoekig. In plaats van platen worden ook wel buizen van kunststof of glas gebruikt. Er zijn veel uitvoeringsvormen van dit soort warmtewisselaars te vinden. Ze worden veel in de woningbouw toegepast.

Warmtewiel

De warmte van de naar buiten af te voeren ventilatielucht kan worden gebruikt om de toe te voeren verse buitenlucht op te warmen. Een warmtewiel is een systeem met een hoog rendement. Het systeem is gebaseerd op het principe dat een warmteaccumulerend element in de vorm van een wiel, opgebouwd uit kleine aluminium buisjes, afwisselend door de in- en de uitgaande luchtstroom wordt gevoerd. De dikte van het warmtewiel, dat vaak uit aluminium bestaat, bepaalt in belangrijke mate de warmtecapaciteit.

Het warmtewiel draait met een snelheid van 1 tot ca. 10 omwentelingen per minuut. Door het toerental van het warmtewiel te variëren en te regelen kan de temperatuur van de toevoerlucht redelijk constant worden gehouden. De uitgaande warme ventilatielucht wordt door de aluminium buisjes gevoerd, die de temperatuur van de af te voeren lucht aannemen. Het draaiende wiel voert de buisjes vervolgens door de binnenkomende buitenlucht. De verse buitenlucht wordt door de warmteafgifte van de buisjes opgewarmd. In de zomer kan bij kantoren met een koelsysteem hetzelfde systeem gebruikt worden om de ingaande warme buitenlucht voor te koelen met behulp van de relatief koude binnenlucht. Het rendement van een roterend warmtewiel bedraagt 60% tot 80%. In de NEN 5128 en NEN 2916 wordt een forfaitaire waarde van 70% aangehouden.

Energie-investeringsaftrek

Indien u warmteterugwinning gaat toepassen dan kunt u gebruik maken van de energie-investeringsaftrek (oftewel: EIA). Naast de gebruikelijke afschrijving is 44% van de investeringskosten van de investering aftrekbaar van de fiscale winst.