Basiskennis Installaties: Warmtepompen

Referentienummers

• Warmtepompen
• (51)X Verwarmingsinstallaties
• 60.00 verwarmingsinstallaties, 52.00 waterinstallaties
• lucht-lucht warmtepomp, Lucht-water warmtepomp, Water-lucht warmtepomp, Water-water warmtepomp

Samenstelling

Systeemopbouw van warmtepompen

Algemeen

De warmtepomp onttrekt warmte aan de buitenlucht, grondwater of oppervlaktewater, aarde of zonnecollector. De warmte wordt afgegeven aan water of lucht.

Bij waterverwarming vindt aansluiting plaats op radiatoren, convectoren, plintverwarming, ventilatorconvectoren met stralers, stralingspanelen, plafondstralers of vloerverwarming. Kortom aan warmtedistributiesystemen met een grote waterinhoud, die met een relatief lage watertemperatuur voldoende warmte af kunnen geven.

Bij luchtverwarming wordt de warmtepomp aangesloten op luchtkanalen met roosters en ventilatoren.

Elektrische warmtepompen kunnen in vier uitvoeringen onderscheiden worden, op basis van warmtebron en warmteafgifte aan water of lucht (bron-afgifte):

• Lucht – lucht;
• Lucht – water;
• Water – water;
• Water – lucht.

De warmtepomp bestaat uit vier basiselementen: compressor met elektromotor, smoorventiel, verdamper en condensor.

In dit gesloten systeem vindt een kringproces plaats van een warmtetransportmiddel, verder koudemiddel genoemd. Het koudemiddel neemt warmte op en geeft warmte af. De basiselementen kunnen in één unit (compacte systemen) zijn ondergebracht of verdeeld zijn over twee units (split systemen).

Lucht-lucht en lucht-water systemen zijn split of compacte systemen, water-water en water-lucht worden meestal als compact systeem uitgevoerd.

Bij het split systeem spreekt met van een buitenunit waarin o.a. de verdamper zich bevindt en een binnenunit waarin de condensor is opgenomen.

De warmtepomp functioneert als volgt:

Verdamper

In de verdamper heeft het vloeibare koudemiddel een lage temperatuur van bijvoorbeeld 2 °C (aanname 1). Door deze lage temperatuur is het koudemiddel in staat warmte uit de omgeving op te nemen, de omgeving heeft bijvoorbeeld een temperatuur van maar 5 ° (aanname 2). Het koudemiddel verdampt en komt nu in gasvormige toestand in de compressor. Zolang de omgevingstemperatuur boven de verdampingstemperatuur van het koudemiddel ligt, zal het koudemiddel overgaan in damp en uit de omgeving warmte opnemen.

Compressor

Op deze plaats in het proces wordt van buitenaf energie toegevoegd: mechanische arbeid. De compressor werkt als een pomp die het gas opzuigt en onder druk in het verdere kringproces perst. Door de verhoging van de druk stijgt de temperatuur van het gas tot bijvoorbeeld 60 ° (aanname 3).

Condensor

Het gecomprimeerde gas stroomt nu in de condensor, waar het warmte aan lucht of water, dat langs/door spiralen wordt geleid, afgeeft. Daardoor wordt het koudemiddel afgekoeld tot onder condensatietemperatuur die bij verhoogde druk hoger ligt en condenseert.

Bijna de gehele warmtehoeveelheid die eerst nodig was om het koudemiddel te laten verdampen, komt nu vrij bij het condenseren en wordt voor ruimteverwarming bruikbaar. De temperatuur van het koudemiddel verandert steeds; de warmte-opname en warmteafgifte veroorzaken steeds een verandering in de aggregatietoestand.

Smoorventiel

Het vloeibare koudemiddel stroomt door een smoorventiel, waarbij de druk tot startpositie  teruggebracht wordt, behorende bij 2 °C (aanname 1). De kringloop begint opnieuw.

LG Multi V warmtepompsystemen UXB voorzijde open

Lucht-lucht warmtepomp

Lucht is overal voorhanden en kan gemakkelijk met behulp van een ventilator door de warmtepomp gevoerd worden. Om lucht in de te verwarmen ruimte te brengen is aan de afgiftezijde vaak een ventilator nodig. Op veel warmtepompen kunnen kanalen worden aangesloten.

Er zijn twee lucht-lucht warmtepompen te onderscheiden: met een omkeerbaar kringproces en met een omkeerbare kleppensectie. Beide zijn geschikt om te verwarmen en te koelen. Bij het omkeerbare kringproces wordt de functie van de verdamper en condensator omgedraaid, bij de ander wordt lucht door een kanalensysteem geleid (omkeer-kleppenbox) zodat koeling plaatsvindt.

Lucht-water warmtepomp

Ook hier valt aan de opnamezijde een ventilator te onderscheiden die buiten de eigenlijke warmtepomp valt. Aan de afgiftezijde wordt met behulp van pomp(en) de warmtepomp aangesloten op bijvoorbeeld:

• Radiatoren;
• Convectoren;
• Vloerverwarming (of wandverwarming of plafondverwarming)

Water-water warmtepomp

Grondwater en oppervlaktewater kunnen gemakkelijk afgetapt en met behulp van pomp(en) en leidingstelsel aangesloten worden op de warmtepomp. Voor deze toepassingen is een vergunning nodig. Omdat grondwater over het algemeen een gelijkblijvende temperatuur van 10 °C heeft, kan bij een juiste dimensionering van de warmtepomp en bijvoorbeeld radiatoren dit systeem zelfstandig worden toegepast, zonder koppeling aan andere warmtecentrales.

Grondwater wordt overgedragen aan een leidingstelsel, meestal bestaande uit flexibele kunststof leidingen die in een vlak of zone van één tot twee meter beneden maaiveld horizontaal worden aangebracht, gevuld met een warmte-absorberende vloeistof (meestal waterglycoloplossing). Voor het circuleren zijn pompen nodig.

Zonnecollectoren kunnen met een warmtepomp worden geschakeld en verwarming en warm tapwater leveren. De zonnecollector kan uitgevoerd worden met als een gecombineerde stralings-luchtwarmtewisselaar, die bij zon warmte absorbeert en bij bewolking en regen als luchtwarmtewisselaar functioneert. De aansluiting vindt plaats op een water-water of water-lucht warmtepomp.

Water-lucht warmtepomp

De uitvoering en toepassing is een combinatie van een lucht-lucht en een water-water warmtepomp.

Elementopbouw van warmtepompen

Behalve de basiselementen kunnen de warmtepompen de volgende elementen bevatten, plus onderdelen per type warmtepomp.

Algemeen

• Omkasting van elektrolytisch verzink of gemoffeld plaatstaal met geisoleerde secties. In de unit bevinden zich alle of enkele basiselementen van de warmtepomp, een schakelkast en demontabele panelen en roosters. Aan de omkasting kunnen montageframes, rails en dergelijk zijn gemonteerd om aansluiting met dak, wand of fundering makkelijker te maken;
• Meestal een semi-hermetische compressor, die samen met een elektrische aandrijfmotor ingebouwd is en met bouten is geassembleerd;
• Condensor, verdamper: dit is een reservoir waarin zich een leidingstelsel bevindt met gevinde oppervlakken waardoor het koudemiddel wordt geleid;
• Behalve de basiselementen als verdamper, condensor, compressor en smoorventiel, bevat de warmtepomp regel- en beveiligingsapparatuur (pressostaten, thermostaten, stroombegrenzers, debietschakelaars, enz.);
• Als koudemiddel worden meestal HFK's (fluorkoolwaterstoffen) zoals R-134a en alkanen zoals propaan gebruikt;
• Lekbak(ken) voor de opvang en afvoer van condensaat tijdens koeling;
• Luchtfilters, waterfilters.

De vier verschillende waterpompen bevatten verder de volgende nog de specifieke onderdelen:

Lucht-lucht waterpomp

• Ventilatoren: één of meer ventilatoren, radiaal of axiaal. Lagers, as en schoepenwiel zijn zelfinstellend en voorzien van zelfsmerende kogellagers. De snaaraandrijving is meestal een meervoudig met enkelvoudige V-snaar poelie en voorzien van een motor op een verstelbare slede;
• Verwarmingselement(en): elektrische luchtverwarmers om bij lage buitentemperaturen de lucht op een bruikbaar niveau te brengen.
• Omkeerkleppensectie voor koeling, de kleppen zijn bedienbaar met de hand of met een servomotor;
• Drie- of vierwegklep voor omkering kringproces.

Split systeem

Bij het split systeem zijn de hiervoor genoemde onderdelen verdeeld over een binnen- en een buitenunit, waarbij meerder ventilatoren geïnstalleerd zijn.

• Buitenunit: compressor, verdamper, vierwegklep of kleppensectie, ventilator en motor. Bovendien kan dit onderdeel een verwarmingselement en filters bevatten;
• Binnenunit: condensor, smoorventiel, regelapparatuur, condensaatafvoer, verwarmingselement en kleppensectie, ventilator en motor.
• Regelingsapparatuur: altijd met een binnenthermostaat en soms ook met een buitenthermostaat.

Lucht-water warmtepomp

Mogelijke opbouw: aan de afgiftezijde wordt in plaats van lucht langs de spiralen, zoals bij een lucht-lucht warmtepomp, in de condensor water geleid. De pompen die hiervoor nodig zijn, zijn in tegenstelling met de ventilator niet binnen de warmtepomp gemonteerd.

Split systeem

• Buitenunit: compressor, verdamper, ventilator, motor, luchtfilters, verwarmingselement;
• Binnenunit: condensor, smoorventiel, regelapparatuur, verwarmingselement, waterfilters.

Water-water warmtepomp

Elementen zoals bij de bovenstaande uitvoeringen. Met behulp van pompen wordt water door de verdamper en de condensor geleid.

In totaal kan het warmteoverdrachtssysteem bestaan uit:

• waterpomp(en) en een leidingstelsel aan opnamezijde;
• de warmtepomp;
• waterpomp(en) aan afgiftezijde met radiatoren, convectoren, vloerverwarming e.d.

De regeling van de warmtepomp kan op basis van buitenluchttemperatuur (weersafhankelijke regeling) en een combinatie met de gemiddelde temperatuur tussen aanvoer- en afvoerwater naar de warmtepomp, plaatsvinden. Op de aanvoer en de retour zijn twee thermostaten in serie geplaatst.

Water-lucht warmtepomp

De warmtepomp bevat een combinatie van de eerder genoemde elementen.

Materiaal van warmtepompen

Er worden vele materialen gebruikt bij de samenstelling van warmtepompen. Een mogelijke uitvoering kan als volgt samengesteld zijn:

• Buitenmantel: omkasting van elektrolytisch verzinkt plaatstaal, frame van profielstaal. Panelen en roosters en deuren afgedicht met kunststof profielen. Buitenmantel geïsoleerd met minerale wol en/of gecacheerde folie;
• Compressor van diverse materialen, afhankelijk van de uitvoering;
• Verdamper en condensor van aluminium of koperen leidingen, waaromheen vaak aluminium vinnen met thermohardende kleefstof zijn gewikkeld. Bij water-water uitvoering is de ketel eventueel van staal;
• Ventilatoren van verzinkt staal of kunststof;
• Schakelkast in kunststof huis ondergebracht. Lekbak van verzinkt staal. Filters van niet-hygroscopisch filtermateriaal;
• Kanalenstelsel, indien aanwezig, van plaatstaal.

Prestaties

Gassen, vloeistoffen, vaste stoffen bij warmtepompen

Bestandheid

Filters moeten regelmatig gereinigd en vervangen worden. De spiralen van de verdamper en condensor zijn bestand tegen corrosie. Bij lucht-lucht en lucht-water warmtepompen zal tijdens de winter, wanneer de buitentemperatuur lager is dan 7 °C, zich regelmatig rijp en ijs vormen om de verdampingsspiralen. Dit verdwijnt door de automatische inschakeling van het verwarmingselement.

Thermische eigenschappen van warmtepompen

Gebruikstemperatuur

Het verband tussen de verdampingstemperatuur van het koudemiddel en de temperatuur van de meest voorkomende warmtebronnen, condensatietemperaturen en de temperatuur van water of lucht, zijn in onderstaande tabel aangegeven.

Temperaturen in warmtepomp (°C) bij diverse warmtebronnen

Het is mogelijk een warmtepomp toe te passen voor temperaturen boven 70 °C als die gecombineerd wordt met een warmtecentrale die warmte met hogere temperaturen levert, bv een CV-ketel. Dit heet dan ‘bivalent gebruik’.

Een motief voor bivalent gebruik van een warmtepomp is, dat een warmtepomp met een verwarmingsvermogen van ± 35% van de maximale warmtebehoefte ongeveer 90% van de jaarlijkse warmtevraag kan leveren (dus met een investering voor een driemaal kleinere warmtepomp kan vrijwel dezelfde besparing worden bereikt als met een monovalente warmtepomp).

Bivalent parallel bedrijf houdt in dat beide warmtecentrales om en om ingezet worden voor de gehele warmteproductie. Als alleen de CV-ketel bij extreme kou de warmteproductie voor zijn rekening neemt, dan heet dit ‘bivalent alternatief bedrijf’.

Bestandheid

Diverse beveiligingen voorkomen calamiteiten op het gebied van druk en temperatuur.

Akoestische eigenschappen van warmtepompen

Geluidsproductie

In verband met eventueel te nemen isolatiemaatregelen is het belangrijk de geluidsproductie van de warmtepomp te kennen. De geluidsniveaus van de compressor en de ventilator(en) zijn bij de diverse fabrikanten heel verschillend, raadpleeg daarvoor de informatie die de leverancier verstrekt (in Europa zijn ze voorzien van een CE-label). De verschillen worden bijvoorbeeld veroorzaakt door de verschillende methoden van isoleren van compressor en de verschillende compressor- en ventilatoruitvoeringen.

Door zorgvuldig de opstellingsruimte te kiezen, kan al veel hinder worden voorkomen. In het Bouwbesluit artikel 3.7 wordt voor o.a. een mechanisch ventilatiesysteem en een warmwatertoestel een bepaald karakteristiek geluidsniveau van ten hoogste 30 dB(A) vastgesteld, bepaald volgens NEN 5077.

De Nederlandse Stichting Geluidshinder stelt voor om bij buitenopstellingen van warmtepompen in de woonomgeving een geluidsgrenswaarde van 35 dB(A) op 5 meter afstand na te streven, ter voorkoming van geluidsoverlast naar de omgeving. Daarbij moeten vaak aanvullende geluidsisolerende voor worden getroffen in de vorm van een omkasting. Als de warmtepomp aan de gevel wordt gemonteerd, moet men ook aandacht schenken aan contactgeluidisolatie.

Merford ontwikkelde oplossing tegen geluidsoverlast van warmtepompen

Behalve het isoleren van de opstellingsruimte of een isolerende omkasting kunnen bij roosters geluiddempers worden aangebracht. Het lucht-lucht kanalenstelsel wordt in het algemeen geïsoleerd.

Elektriciteit en warmtepompen

Capaciteit

Ter oriëntatie een aantal gegevens over de capaciteit van enkele warmtepompen. De capaciteit is afhankelijk van de binnen- en buitentemperaturen.

¹⁾ inclusief ventilatievermogen, exclusief vermogen voor pompen

Opgenomen en afgegeven vermogen

De coefficient of performance (COP) van warmtepompen wordt als volgt bepaald: nuttige warmte/aandrijfenergie.

De COP is dimensieloos.

Voorbeeld: als een water-water warmtepomp een COP van 4,5 heeft, dan betekent dat de warmtepomp theoretisch in staat is om 4,5 kWh aan warmte te produceren voor 1 kWh gebruikte elektriciteit. Dat is hetzelfde als een rendement van 450%. Bij gewone elektrische verwarming heb je een rendement van 100%.

Om het praktische rendement te berekenen, oftewel de seasonal performance factor (SPF), moet de COP met 0,25-0,75 verminderd worden, afhankelijk van het type warmtepomp (des te afhankelijker van het weer, des te meer de SFP afwijkt van de COP).

Aansluitwaarden

• Compressor en ventilator: meestal 380/50 V/Hz.
• Aansluiting: voor een gemiddelde woning is een hoofdzekering van 3 x 25 Ampère voor een warmtepomp voldoende.

Toepassing

Functionele bruikbaarheid van warmtepompen

Warmtepompen zijn geschikt voor zowel woningbouw en utiliteitsbouw, zowel voor renovatie als nieuwbouw. In samenhang met duurzaamheidskenmerken als NOM-keur of passiefhuis ontkomt men er zelfs niet aan om warmtepompen toe te passen.

Bij het toepassen van warmtepompen voor het verwarmen van woningen en gebouwen, zijn de meest in aanmerking komende warmtebronnen de buitenlucht, de bodem, zonnestraling en grond- en oppervlaktewater.

_{+ goed, 0 matig, – slecht}

Voor het aftappen van grond- en oppervlaktewater zijn vergunningen nodig.

Economisch bruikbaarheid van warmtepompen

Het benodigde vermogen van de warmtepomp is sterk afhankelijk van de volgende factoren:

• De grootte van de woning;
• Het isolatieniveau van de woning.

Als een grotere woning goed geïsoleerd is, kan toch vaak voor een kleinere warmtepomp gekozen worden. De terugverdientijd van warmtepompen bedraagt 7-15 jaar, waarbij kleinere woningen sneller de kosten hebben terugverdiend dan grotere woningen.

De grond/water warmtepomp is in aanschaf en installatie het duurst, gevolgd door de water/water warmtepomp. Een grond/water warmtepomp heeft echter wel een heel groot rendement, waardoor de terugverdientijd toch meevalt. De aanschaf en installatie van lucht/lucht, lucht/water of een hybride warmtepomp liggen vrijwel met elkaar op hetzelfde niveau. Bij de hybride opstelling wordt een CV-ketel met een lucht/water warmtepomp gecombineerd, waarbij de CV-ketel vooral alleen het tapwater verwarmt, maar in de winter ook de verwarming aanvult.

Subsidies voor warmtepompen

De subsidie voor warmtepompen ligt nu tussen € 1000 en € 2.500, afhankelijk van het soort apparaat en de energieprestatie. Dat bedrag gaat per 1 februari 2018 voor een aantal lucht-water warmtepompen lager uitvallen. Lees er meer over in dit artikel, of op de website van Rijksdienst Ondernemend Nederland, Subsidie voor warmtepompen.

Voorschriften voor warmtepompen

Welke vergunningen er geregeld moeten worden voor warmtepompen lees je in dit artikel.

Ontwerpdetails voor warmtepompen

Voor een optimaal rendement van de warmtepomp is een lage energiebehoefte van het bouwproject noodzakelijk. Dit is mogelijk door goed te isoleren en kierdicht te bouwen. Het benodigde vermogen van de warmtepomp is afhankelijk van de koellast- en warmtebehoefteberekening.

De warmtepomp moet gemakkelijk toegankelijk zijn voor onderhoud en reparatie. Fabrikanten/leveranciers geven hiervoor de benodigde vrije ruimte op. Voor grote warmtepompen moeten misschien zelfs takels aan het plafond worden aangebracht, dan moet de ruimtehoogte daarvoor geschikt zijn.

Warmtepompen kunnen in de buitenwand, in het kozijn, op het dak, op zolder, in de tuin of in een installatieruimte worden geïnstalleerd; afhankelijk van het gekozen systeem en de plaatselijke omstandigheden.

Bij split-systemen zijn de units door koudemiddelleidingen met elkaar verbonden, waar vanwege de afstand een maximum voor geldt. De leverancier geeft die maximale afstand op.

Roosters voor lucht/lucht en lucht/water kunnen in de gevels en in het dak worden geplaatst. In het kader van ongewild verlies van warmte en geluidhinder is het belangrijk om geïsoleerde roosters toe te passen.

Bij een bivalente toepassing van warmtepompen spelen de volgende vragen een rol:

• Is het CV-systeem open of gesloten, kan een open systeem worden omgebouwd?
• Kunnen aansluitingen, vertakkingen en ventielen worden verwezenlijkt?
• Is een eventuele vergroting van de verwarmingsoppervlakte noodzakelijk, en aan te brengen?
• Kan de bestaande warmtapwaterbereider op de warmtepomp worden aangesloten?

Andere toepassingen van warmtepompen

Door gebruikmaking van warmtebronnen als rookgas en warm afvalwater uit industriële processen kunnen lucht- en watertemperaturen tot 100 °C worden bereikt. We zetten er een paar op een rijtje:

• Warmtapwaterbereiding: warmtepompen die speciaal aangesloten kunnen worden op boilers, zijn in de handel verkrijgbaar. Warmte kan ook aan de lucht of aan de te koelen ruimten worden onttrokken. De opbouw van deze installatie is als de lucht/water warmtepomp;
• Ontvochtiger: dit is vooral toepasbaar in zwembaden waar de vochtige lucht wordt gedroogd en als warme lucht in de ruimte teruggevoerd. Sommige warmtepompen kunnen de teruggewonnen warmte aan zowel de lucht als aan water afgeven. Als de ruimtelucht naar wens is, wordt de overige warmte aan het water afgegeven (of andersom);
• Warmtewisselaar: voor stallen kan de lucht/water warmtepomp toepassing luchtwarmte ontrekken en bruikbaar maken voor ruimteverwarming en warmtapwaterbereiding. In iedere stal ontstaat dor de eigen warmte van de dieren warme lucht met een hoog vochtigheidsgehalte en een enorm warmtepotentiaal.

Verwerking en montage

Voorbereiding voor warmtepompen

• Aansluitingen op binnen- en buitenmedium moeten aanwezig zijn;
• Funderingen of montageframes moeten op maat en gesteld zijn;
• Installatieruimtes moeten voor units toegankelijk zijn.

Montage van warmtepompen

Als je voor een subsidie op de warmtepomp in aanmerking wilt komen, dan moet je vanaf 1 januari 2018 kunnen aantonen dat de warmtepomp geïnstalleerd is door een gecertificeerd installateur.

Bij Voorschriften voor warmtepompen lees je meer over waar de installateur aan moet voldoen.

Bediening van warmtepompen

Dagelijkse controle en bediening is voor iedereen mogelijk, daar hoef je gelukkig geen warmtepompspecialist voor te zijn. Hiervoor worden gebruiksaanwijzingen verstrekt door de leveranciers en fabrikanten. Van een lucht-lucht tot een water-water warmtepomp kunnen die onderling er van elkaar verschillen.

Onderhoud van warmtepompen

Voor het onderhoud kan het volgende worden gedaan:

• Luchtfilters schoonmaken of vernieuwen;
• Aanzuigroosters en inblaasroosters vrij houden van sneeuw, bladeren enz. Bij lucht-lucht warmtepompen moeten de spiralen vrij gehouden worden;
• De druk van het koudemiddel controleren en de compressor controleren;
• Veiligheidsonderdelen en pompen nalopen.

Onderhoud

Referenties

Geraadpleegde bronnen

• Productinformatie diverse leveranciers en fabrikanten
• ISSO Kennisinstituut voor installatietechniek
• Wijzigingsbesluit Bodemenergiesystemen
• Nederlands Platform Warmtepompen, Richtlijnen, wet- en regelgeving voor warmtepompen in de praktijk
• Dutch Heat Pump Association (DHPA)
• Stichting Kwaliteit voor Installaties Nederland
• BodemenergieNL
• Nederlandse Stichting Geluidshinder, Geluidsaspecten van warmtepompen

Toepasselijke regelgeving

• Renewable Energy Systems Directive
• F-gassenverordening
• BRL 6000-13, Individuele (combi-) warmtepompen van woningen (vervallen sinds 04-12-2014)
• BRL 6000-18, Ontwerpen en installeren van klein collectief warmtepompsystemen van woningen
• BRL 6000-21, Ontwerpen en installeren van energiecentrales van bodemenergiesystemen en het beheren van bodemenergiesystemen
• BRL SIKB 11000, Ontwerp, realisatie, beheer en onderhoud van het ondergrondse deel van installaties voor bodemenergie
• BRL PROTOCOL 11001, Ontwerp, realisatie, beheer en onderhoud van het ondergrondse deel van installaties voor bodemenergie
• BRL 2100, Mechanisch boren
• Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) (Artikel 9)
• ISSO-publicatie 72, Ontwerpen van individuele en kleine elektrische warmtepompsystemen voor woningen
• ISSO-publicatie 80, Handboek integraal ontwerpen van collectieve installaties met warmtepompen in de woningbouw
• ISSO-publicatie 81 Handboek integraal ontwerpen van warmtepompinstallaties voor utiliteitsgebouwen
• ISSO-publicatie 98, Lucht-waterwarmtepompen in woningen
• Normen over warmtepompen bij NEN