Raadpleeg de Kennisbank

Rendement en besparing

U bent hier:

1.Rendement van een warmtepomp

Duurzame energie wordt opgewekt door onze natuurlijke bronnen. Voorbeelden hiervan zijn zon, wind en water. Met een bodemenergie-warmtepompsysteem wordt geen duurzame energie opgewekt, maar verbruik van primaire energie wordt hiermee gereduceerd. Bodemenergie kan niet altijd direct gebruikt worden maar dient te worden omgezet naar een hogere of lagere temperatuur. Met name bij verwarming is omzetting nodig. In het geval van passieve koeling (koeling zonder inzet van een machine om de temperatuur nog te verhogen of te verlagen) kan wel direct gebruikt gemaakt worden van de beschikbare temperatuur.

De gemiddelde bodemtemperatuur in Nederland bedraagt ± 10 °C terwijl een  bodemenergiesysteem een temperatuurbereik kent van ± 0 °C tot ± 25 °C (dit is o.a. wettelijk bepaald). Dat betekent dat het bodemenergiesysteem niet geschikt is om direct verwarming  te leveren. Immers, zelfs bij lage temperatuur verwarming is een aanvoertemperatuur van tenminste 35 °C vereist, voor tapwaterbereiding tenminste 55 °C.

Met een vloerverwarming systeem of ander hoge temperatuur koelsysteem (klimaatplafond) kan veelal wel directe koeling geleverd worden, de bodemtemperatuur is dan lager dan de gewenste aanvoertemperatuur van 18 – 20 °C. Wanneer een luchtbehandeling wordt toegepast waarbij lucht ook ontvochtigd moet worden zijn alweer lagere temperaturen nodig, of de bodem die direct kan leveren hangt dan in grote mate af van hoe goed de bodem met koude geladen is.

Om aan de aanvoertemperaturen te voldoen is omzetting nodig, deze omzetting gebeurt met een warmtepomp. Een warmtepomp is technisch gezien vergelijkbaar met een koelkast of koelmachine.

De onderdelen bestaan uit:

  • Een verdamper, waar omgevingswarmte wordt onttrokken (omgeving wordt afgekoeld).
  • Een condensor, waar warmte aan de omgeving wordt afgestaan (omgeving wordt opgewarmd).
  • Intern koelmiddelcircuit, hier wordt de warmte van de verdamper naar de condensor getransporteerd.
  • Compressor, deze verhoogt de druk en temperatuur van het gas uit de verdamper en pompt dit naar de condensor.
  • Expansieventiel, hier wordt het hete gas uit de verdamper snel naar lage druk gebracht, waarbij de druk en temperatuur sterk verlagen.

De warmtepomp pompt dus letterlijk warmte, van lage naar hoge temperatuur. De verhouding tussen de hoeveelheid warmte die uit de omgeving wordt omgezet en de energie die de compressor verbruikt is zo dat het systeem een hoog nuttig rendement heeft. Per kW toegevoegde energie wordt ± 4 kW omgevingsenergie verplaatst (figuur 1).


Figuur 1. Basiswerking warmtepomp.

Het rendement van de warmtepomp hangt voornamelijk af van het verschil tussen de temperatuur aan de koude zijde (verdamper) en warme zijde (condensor). Bij een hoge verdampertemperatuur en een lage condensortemperatuur is het rendement hoog, bij een lage verdampertemperatuur en hoge condensortemperatuur is het rendement juist laag. De relatie tussen rendement en temperatuur voor een warmtepomp is in figuur 2 gegeven.


Figuur 2. Algemene relatie tussen condensor en verdamper watertemperatuur en rendement van de warmtepomp onder evenwichtscondities.

Bij vrije (of passieve) koeling wordt in het geheel geen compressorenergie gebruikt, het rendement is in die bedrijfstoestand daarom zeer hoog.

Voor gesloten bodemenergiesystemen ligt het rendement (inclusief bronpompenergie) van een goed ontworpen en functionerend systeem bij ruimteverwarming globaal tussen 3,8 en 4,8; voor tapwaterbereiding is het rendement ongeveer 2,7. Bij passieve koeling is het rendement zeer hoog, tussen 110 en 200. Bij mechanische koeling (utiliteit) bereiken de systemen een SPF van 5,0 – 6,0.

2.Berekening van het rendement van een bodemenergiesysteem

We hebben al even geroken aan hoe hoog het rendement van een bodemenergiesysteem is, maar hoe is rendement nu gedefinieerd? Het rendement van het bodemenergiesysteem is in feite de verhouding tussen de hoeveelheid nuttige energie die uit het systeem komt en de hoeveelheid hulpenergie die daarbij wordt verbruikt.  De hulpenergie van het bodemenergiesysteem omvat de compressorenergie, de energie nodig voor de bronpomp(en) en alle mogelijke energieverbruikers die worden ingezet om de bron te regenereren.

Het opslagrendement (η) wordt gegeven door:

Waar:

Qth       Thermisch afgegeven energie

E         Aan het proces toegevoerde hulpenergie

De hulpenergie is de som van de aan de compressor toegevoerde energie en de door de bronpomp(en) verbruikte energie.

Bij rendement kan gekeken worden naar het functioneren van het systeem onder evenwichtscondities, bij bepaalde vaste temperaturen aan de bron- en afgiftezijde. Meestal worden die beproevingen in het laboratorium gedaan, voor warmtepompen volgens de norm EN 14825 (elektrisch aangedreven warmtepompen). Voor verwarmingsbedrijf wordt dit de COP (Coëfficiënt of Performance) genoemd, voor koelbedrijf de EER (Energy Efficiency Ratio). Hierbij wordt de energie dan uitgedrukt als vermogen (kW).

Wordt het rendement berekend of gemeten, waarbij rekening wordt gehouden met wisselende bedrijfstoestanden (ruimteverwarming of tapwater bijvoorbeeld) en met wisselende brontemperaturen dan spreken we van de SPF (Seasonal Performance Factor). De energie is dan uitgedrukt als totale hoeveelheid energie: kWh.

Voorbeeldberekening SPF
Een warmtepompsysteem heeft de volgende eigenschappen:

Vermogen condensor: 6,5 kW
Vollasturen verwarming: 1800 met COP (B0/W35) : 4,4
Vollasturen tapwater: 550  met COP (B0/W55): 2,7
Energie bronpomp: 0,1 kW
Vermogen passieve koeling: 3 kW
Vollasturen koeling: 750

Hieruit berekenen we de volgende gegevens:

Geleverde hoeveelheid warmte: (1800 + 550) * 6,5 = 15275 kWh
Energieverbruik verwarmingsbedrijf: 1800 *{(6,5/4,4)+0,1} + {550 * (6,5/2,7) +0,1} = 4160 kWh
SPF2 verwarmingsbedrijf: 15275 / 4160 = 3,67
Geleverde hoeveelheid koude: 750 * 3 = 2250 kWh
Energieverbruik koelbedrijf: 750 * 0,1 = 75 kWh
SPF2 koelbedrijf: 2250 / 75 = 30,00
SPF2 totaal: (15275 + 2250) / (4160 + 75) = 4,14

3.Rendement volgens de Wet

In de Ministeriële regeling is de SPF gedefinieerd als:

SPFbes              SPF Bodem Energie Systeem
Qw-bes               Totale hoeveelheid nuttig geleverde warmte (MWh)
Qk-bes                Totale hoeveelheid nuttig geleverde koude (MWh)
Ebes                  Totale hoeveelheid verbruikte hulpenergie, elektra (MWh)
Gbes                  Totale hoeveelheid verbruikte hulpenergie, gas (MWh)

De hoeveelheid verbruikte hulpenergie is hierbij gesplitst in elektra en gas zodat de formule ook geschikt is voor gasabsorptiewarmtepompen. Vooral voor open bodemenergiesystemen is een complicerende factor dat de onderdelen van het systeem die voor de regeneratie van de bron worden gebruikt ook meetellen. Omdat bijvoorbeeld een droge luchtkoeler ook voor directe koudelevering gebruikt kan worden, is het toekennen van de hoeveelheid door de koeler verbruikte energie aan de SPF van het bronsysteem complex.

4.Van rendement naar besparing

Hoe hoog het rendement minimaal moet zijn hangt daarbij af van het opwekrendement van de energieopwekking (rendement kolencentrale, windmolen park, nucleaire energie of zon-PV bijvoorbeeld). De Europese Unie heeft dit vastgelegd in het RES directive (Renewable Energy Directive, 2009/28/EC) waarin is opgenomen dat een warmtepomp een seizoen rendement moet hebben groter dan 1,15 * 1/η. Hier is n het opwekrendement van de energie. Bij het huidige opwekrendement van elektriciteit in Nederland van ± 43% moet de SPF dan hoger zijn dan 2,7 om überhaupt aangemerkt te kunnen worden als een duurzame energietechniek.

De besparing van een systeem kan alleen bepaald worden door het met een ander systeem te vergelijken. Deze vergelijking wordt gemaakt met wat een “conventioneel” verwarmings- en koelsysteem zou zijn, dat wil zeggen: verwarming met een gasketel en koeling met een koelmachine of airconditioning systeem. Daarbij zijn gegevens over het rendement van die systemen nodig. Deze zijn in dit geval gebaseerd op de gegevens uit de Uniforme maatlat voor de warmtevoorziening in de woning- en utiliteitbouw, versie 3.3.

Het rendement voor verwarmingsbedrijf wordt gesteld op 0,90, voor de koelmachine wordt het rendement gesteld op 4,0. Bij het rendement zoals we dat tot nu toe gehanteerd hebben wordt nog geen rekening gehouden met het opwekrendement van de energiecentrale. Zeker wanneer we een elektrisch aangedreven warmtepomp willen vergelijken met een gasgestookte ketel moeten we omrekenen naar primaire energie. Het opwekrendement, in Nederland en voor 2013, wordt daarbij gesteld op 0,43.

Weten we de hoeveelheid hulpenergie die verbruikt is door het bodemenergiesysteem, dan volgt de noodzakelijke hoeveelheid primaire energie uit:

Waar

PE       Primaire energie (MWh)
Ehe       Hulpenergie (MWh)
nel        Opwekrendement energiecentrale

Voor de gasketel wordt ervan uitgegaan dat er geen verliezen bij opwekking en transport zijn. De hoeveelheid hulpenergie is dan gelijk aan de hoeveelheid primaire energie.

Door de hoeveelheid primaire energie te vermenigvuldigen met een bijbehorende factor voor de CO2 uitstoot (in kg/kWh of in kg/m³ gas) kan dan ook de besparing op broeikasgasemissies worden bepaald.

In het eerder genoemde “Technisch onderzoek gesloten bodemenergiesystemen” is dit voor een aantal mogelijke referentiesystemen uitgewerkt. Daaruit blijkt dat een besparing van meer dan 80% op primaire energie haalbaar is voor passieve koeling, terwijl voor verwarmingsbedrijf de besparingen op primaire energie tussen de 40% en 50% liggen.

Meer informatie:

Technisch onderzoek gesloten bodemenergiesystemen. IF Technology, Groenholland Geo-energiesystemen & KWR watercycleresearch. 2013.

Voor gedetailleerde informative over rendement bij bodemenergiesystemen wordt verwezen naar:

Was de informatie op deze pagina waardevol?
0 out Of 5 Stars
5 Sterren 0%
4 Sterren 0%
3 Sterren 0%
2 Sterren 0%
1 Sterren 0%
How can we improve this article?
Inhoudsopgave