Warmtepomp maakt energiebesparing middels ‘vrije verwarming’ mogelijk

19 november 2019

(artikel) Vrije koeling is een bekend begrip, maar dat geldt niet voor vrije verwarming. Een belangrijke rol hierbij wordt ingenomen door de warmtepomp. Aan de hand van twee voorbeelden leggen we het uit.

Tekst: Guido de Sanctis

De meest eenvoudige vorm van vrije koeling is het openen van ramen om met koelere buitenlucht de temperatuur in een ruimte omlaag te brengen. Vrije koeling kan ook in HVAC worden toegepast. Dat is mogelijk als de buitentemperatuur laag genoeg is om een ruimte of procesvloeistof af te koelen zonder tussenkomst van een koelmachine (mechanische koeling). Afhankelijk van het systeem kan daarbij een droge koeler worden gebruikt voor een koelwaterlus, of de economizer van een rooftop- of luchtbehandelingsunit. Het energieverbruik van de compressor kan hiermee worden geminimaliseerd, of helemaal komen te vervallen. Dat maakt vrije koeling tot de goedkoopste en groenste manier van koelen. Energie wordt alleen nog verbruikt door ventilatoren en pompen.

Warmtepomp voor ‘vrije verwarming’
Minder voor de hand liggend, maar even effectief, is het benutten van warmte, oftewel ‘vrije verwarming’. Hierbij wordt een warmtepomp aan het proces toegevoegd om de temperatuur te verhogen. De bron kan bestaan uit omgevingslucht, de grond, oppervlaktewater, verbrandingsgassen of vloeistoffen. Bij toepassing van een warmtepomp wordt bijvoorbeeld 300 kW aan de hernieuwbare bronnen onttrokken, 100 kW elektriciteit verbruikt voor de thermodynamische cyclus, en ongeveer 400 kW nuttige warmte geproduceerd. Dit levert een COP op van 4, maar de precieze hoogte ervan is afhankelijk van factoren als de machine en temperaturen. Ter vergelijking: een ketel zou 400 kW of meer fossiele brandstof gebruiken om dezelfde 400 kW aan warmte te produceren.

Twee praktijkcases
De productie van een warmtepomp bestaat voor ongeveer 75 procent uit warmte van hernieuwbare bronnen. Voor ‘vrije verwarming’ is het noodzakelijk om de resterende 25 procent te elimineren. Pas dan kun je echt spreken over de goedkoopste en groenste manier van verwarmen, net zoals bij vrije koeling. Dat is bijvoorbeeld mogelijk middels de combinatie van warmteopwekking met koudeterugwinning. We illustreren dit aan de hand van twee voorbeelden uit de praktijk.

Voorbeeld 1: ziekenhuis
Een voorbeeld van een locatie waar ‘vrije verwarming’ tot energiebesparing leidt, is een ziekenhuis. Van oudsher gebruikt het ziekenhuis in dit voorbeeld een koelsysteem van 3 MW. Voor warm water is 400 kW nodig, waarvoor een gasketel wordt ingezet. Het uitgangspunt is derhalve: 3 MW koeling, 400 kW verwarming, met een verbruik van 1 MW elektriciteit (voor de koelers) en 400 kW gas.
In dit ziekenhuis kan de ketel vervangen worden door een water/water-warmtepomp, waarbij de koudebron de koellus van het ziekenhuis is. De warmtepomp produceert 400 kW warmte, verbruikt daarbij 100 kW elektriciteit en levert tegelijkertijd 300 kW koeling. Dat betekent dat de koelmachines nu slechts 2,7 MW koeling hoeven te leveren om aan de oorspronkelijke vraag van 3 MW te voldoen.
Het nieuwe scenario is als volgt: 3 MW koeling (2,7 MW van de koelmachines, 300 kW van de warmtepomp), 400 kW warmte, met een verbruik van 1 MW elektriciteit (900 kW voor de koelmachines, 100 kW voor de warmtepomp). Het ziekenhuis heeft 400 kW warmte die 100 procent gratis is, omdat het gasverbruik van 400 kW is komen te vervallen.

Voorbeeld 2: fabriek
Een tweede voorbeeld van ‘vrije verwarming’ betreft een kleine assemblagefabriek in Italië. Het bedrijf, dat pv-panelen op het dak van het magazijn heeft, investeerde in een warmtepomp om de elektriciteitsrekening te verlagen in de zomer, als de koelmachines werden gebruikt voor de airconditioning. In de winter werden de verwarmingsketels echter nog steeds gebruikt. Dit terwijl de pv-panelen te veel stroom produceerden, zodat er aan het net moest worden teruggeleverd. Dit heeft weinig economisch voordeel, omdat de maximale winst van de pv-panelen wordt behaald als de opgewekte elektriciteit zelf wordt gebruikt. Door de ketel te vervangen door een lucht/water-warmtepomp kan het bedrijf de warmtepomp met 100 procent gratis hernieuwbare energie laten draaien. Hierbij kan de pv-investering ook in de winterperiode worden gebruikt, zodat de terugverdientijd wordt verkort.

Beide cases zijn voorbeelden waarin warmtepompen effectief kunnen worden gebruikt om ‘vrije verwarming’ te genereren. In de praktijk is een grondige analyse nodig, uitgaande van een goed begrip van de warmtevraag en de belastingprofielen.

Warmwatertemperatuur als barrière?
De twee belangrijkste barrières voor warmtepompen en de toepassing van ‘vrije verwarming’ zijn oplosbaar. Een daarvan is de warmwatertemperatuur. Recente machines kunnen met HFO-koudemiddelen zoals R1234ze temperaturen bereiken die vergelijkbaar zijn met die van een ketel, zelfs tot 85 °C. Voor de meeste toepassingen zijn warmtepompen daardoor een optie, ook voor ruimteverwarming en sanitair warm water, inclusief legionellapreventie.

Hogere investering, lagere operationele kosten
De tweede barrière is de investering: een warmtepomp is duurder dan een ketel. Daar staan lagere operationele kosten tegenover. Als de typische investeringskosten met een terugverdientijd niet aantrekkelijk genoeg zijn of als er sprake is van financiële belemmeringen, zijn er ook huuroplossingen voor de lange of korte termijn. De warmtepomp wordt dan geleverd in de vorm van ‘Equipment as a Service’, tegen een maandelijkse vergoeding. Het bijkomende voordeel van dergelijke contracten is dat de machine qua onderhoud en garantie volledig is gedekt. Dit betekent een minimaal risico voor de eindgebruiker.