Onderzoek naar CO₂-warmtepompen voor hotels in een koud klimaat

14 februari 2022

Geïntegreerde systemen met CO₂-warmtepompen kunnen een efficiënte en milieuvriendelijke optie bieden voor thermische energievoorziening voor hotels in een koud klimaat. Dit concludeert de Noorse Silje Marie Smitt, promovendus aan de Norwegian University of Science and Technology, in haar proefschrift. Dit artikel is een samenvatting daarvan.

Tekst: Silje Marie Smitt
Vertaling/bewerking: Jeroen Sweijen

Hotels hebben te maken met een grote vraag naar thermische energie voor verwarming, warm water en airconditioning, die vaak hoger ligt dan gemiddeld vanwege de vele gasten die er verblijven. Toch worden juist in hotels vaak nog conventionele, inefficiënte en milieuonvriendelijke energiebronnen gebruikt. Dat brengt hoge kosten met zich mee.

Winst op meerdere vlakken
In koude landen komt daar door het klimaat nog een schepje bovenop. Met een goede, efficiënte en milieuvriendelijke oplossing voor de productie van thermische energie valt dus op meerdere vlakken winst te behalen, die in de hotelsector voor duurzame groei kan zorgen.
Dit proefschrift omvat naast een grootschalig onderzoek naar de mogelijkheden van geïntegreerde CO₂-systemen binnen de Scandinavische hotelsector, een diepgravende evaluatie van de performance van een CO₂-toepassing in een hotel, alsmede een numeriek evaluatiemodel van ontwerp en instellingen, ter verbetering van de performance.

Goede eigenschappen van CO₂
Warmtepompsystemen kunnen bijdragen aan reductie van het energiegebruik. Als men daarbij natuurlijke en milieuvriendelijke koudemiddelen gebruikt, zoals CO₂/R744, kan ook de uitstoot van broeikasgassen worden verminderd. Dankzij de goede thermodynamische eigenschappen van CO₂ is het mogelijk om dit koudemiddel in een geïntegreerd systeem te gebruiken, waarbij met één dampcompressiesysteem aan de belangrijke thermische eisen van het hotel voldaan wordt, voor zowel verwarming, warm tapwater als koeling.

Toevoeging van thermische opslag
De prestatie van een dergelijk geïntegreerd systeem kan bovendien nog worden verbeterd door de toevoeging van thermische opslag, bijvoorbeeld in de vorm van warmwaterreservoirs die piekbelasting kunnen opvangen. Gezien de grote vraag naar warm water, zeker bij koude buitentemperaturen, kunnen geïntegreerde CO₂-systemen met thermische opslag aanzienlijke voordelen opleveren. Als we kijken naar de modernste CO₂-toepassingen, met name in geïntegreerde systemen met warmtepompen, blijkt dat deze oplossingen vaak niet op de specifieke behoeften van hotels zijn toegespitst. Bovendien blijkt uit eerder onderzoek dat de instellingen voor de productie en de opslag van warm water van grote invloed zijn op de efficiëntie van het totale CO₂-systeem.

Data-analyse in Scandinavische hotels
Een grootschalige analyse van data, verzameld in 140 Noorse en Zweedse hotels, bevestigt het marktpotentieel van geïntegreerde CO₂-systemen voor verwarming en koeling. De cijfers laten zien dat een hoog energiegebruik en dus een hoge emissie kenmerkend zijn voor de hotelsector. Toch heeft de afgelopen vijf jaar al een lichte verschuiving naar duurzamere energiebronnen plaatsgevonden, wat lijkt te wijzen op interesse en bereidheid van de sector om energie-efficiënte thermische oplossingen te vinden.

Vermindering van energiegebruik
Er is duidelijk winst te behalen voor hotels als ze overstappen naar geïntegreerde CO₂-systemen, zowel op economisch als op milieugebied, zoals bleek uit de cijfers van twee van de 140 bestudeerde hotels. Zij beschikten al over een geïntegreerd CO₂-systeem en konden een vermindering van hun energiegebruik voor thermische doeleinden aantonen dat ongeveer 60 procent bedraagt. Het figuur hieronder laat de verwarmingssystemen zien die in deze twee hotels worden gebruikt.

Schema: De geïntegreerde CO₂-systemen van twee hotels in Noorwegen. (Schema afkomstig uit: S. Smitt, I. Tolstorebrov,
P. Gullo, Á. Pardiñas, A. Hafner (2021). “Energy use and retrofitting potential of heat pumps in cold climate hotels.” In: Journal of Cleaner Production 298, 2021, 126799).

Efficiëntie van de warmwateropslag
Een diepgaand onderzoek naar een bestaande CO₂-installatie met thermische opslag toonde aan dat warm water meer dan de helft van de jaarlijkse energiebehoefte van het hotel vertegenwoordigde. Een grote thermische opslag blijkt in dat geval essentieel om goede prestaties van de geïntegreerde CO₂-installatie te garanderen, omdat die opslag piekbelasting kan opvangen en het verwarmen van water op een flexibelere manier kan worden geregeld. Toch was de opslag van het onderzochte systeem ontoereikend en werd de flexibiliteit ervan niet optimaal benut, omdat het verwarmen van het water niet op het goede moment en onder ongunstige omstandigheden gebeurde.

Opslag bijvullen met kleinere volumes
Een numerieke evaluatie liet zien dat de systeemprestaties zouden kunnen worden verbeterd bij een lagere belasting van het vullen van de warmwateropslag. Vanuit de evaluatie rees het voorstel op om de opslag gedurende een langere tijd en met kleinere hoeveelheden bij te vullen, waarbij het koude toegevoerde water kan worden gebruikt om de uitlaattemperatuur van de CO₂-gaskoeler te koelen en daarmee de prestaties van de gaskoeler te verbeteren. Het toepassen van deze nieuwe werkwijze zorgde voor een jaarlijkse energiebesparing van
circa 8,4 procent.

Verschil in compressie en vulmethode
Het onderzoek omvatte eveneens de evaluatie van drie verschillende ontwerpen van geïntegreerde CO₂-units op het gebied van energiegebruik, milieu-impact en economische haalbaarheid. De drie bestudeerde units hadden als voornaamste verschil de manier van compressie: eentrapscompressie, parallelle compressie of door de ejector ondersteunde parallelle compressie.
Daarnaast werden twee verschillende manieren om de thermische opslag met warm water te vullen geïmplementeerd en geanalyseerd: een genivelleerde vulmethode en de gebruikelijke agressieve vulmethode. Het continu vullen met lagere volumes zorgt bij wijd uiteenlopende omgevingstemperaturen voor een verbetering van de systeemprestaties. Bovendien zorgde de vervanging van een boiler met een HFK-koeler door een geïntegreerd CO₂-systeem voor aanzienlijke inperking van de uitstoot, zoals in onderstaande grafiek is te zien.

Grafiek: Jaarlijkse energiebesparing en uitstootvermindering bij toepassing van geïntegreerde CO₂-systemen in hotels in acht Europese steden. (grafiek uit S. Smitt, Á. Pardiñas, A. Hafner (2021). “Evaluation of integrated concepts with CO₂ for heating, cooling and hot water production.” In Energies 14 (14), 4103.

Conclusie
Uit het onderzoek blijkt dat geïntegreerde CO₂-systemen een efficiënte en milieuvriendelijke optie zijn voor thermische energievoorziening voor hotels in een koud klimaat. Geïntegreerde verwarmings- en koelbelasting in eenzelfde cyclus zorgt voor een hoog rendement, dat nog kan worden verbeterd door gebruik van thermische opslag. De instellingen en de vulwijze van deze thermische opslag kunnen de systeemprestaties echter aanzienlijk beïnvloeden. Om de prestaties te verbeteren, wordt aangeraden om de warmwateropslag over een langere tijdsduur en met kleine volumes bij te vullen.