Warmtepompen in hoogbouw:
uitdagingen rond distributie
Bij duurzame woninghoogbouw wordt vaak gekozen voor een bodembron met water/water-warmtepompen. Daarbij is een groot aantal varianten mogelijk, met een toenemende complexiteit van de distributie.
Tekst: Bas Roestenberg
Bij gestapelde woningbouw zijn lucht/water-warmtepompen niet de meest logische keuze, mede omdat het lastig is een optimale opstelruimte voor de buitenunits te vinden. In veruit de meeste gevallen wordt dan ook gekozen voor een bodembron met centrale of decentrale water/water-warmtepompen. Daarbij is een groot aantal varianten mogelijk, vertelt Coos Schouten, eigenaar van installatiebedrijf Schouten Techniek.
Coos Schouten.
Distributie: van simpel tot uiterst complex
De belangrijkste verschillen zitten in de complexiteit van het distributiesysteem, het energetisch rendement, en de investeringskosten. “Veel systemen die wij leveren gaan uit van een centrale warmtepomp met distributie door het hele pand”, aldus Coos Schouten. “Die distributie kan afhankelijk van de situatie en de wens van de opdrachtgever variëren van heel simpel tot uiterst complex. Complexere systemen bieden meestal meer mogelijkheden en een hogere energetische efficiëntie, maar ze brengen veel hogere investeringen met zich mee. En soms worden de mogelijkheden ook beperkt door de bouwconstructie van een pand.”
2-pijpsdistributie (HT)
Het meest eenvoudige distributiesysteem is een 2-pijps-oplossing met een centrale hoogtemperatuur-warmtepomp (HT) die water van 70 °C maakt. Dit water wordt door het hele pand gedistribueerd en zowel voor tapwater als voor vloerverwarming gebruikt. “Om aanvoerwater van 70 °C te gebruiken voor vloerverwarming moet het worden gemengd met retourwater”, legt Schouten uit. “De vraag is daarbij waar je de mengregeling plaatst: in de tapwaterset of in het vloerverwarmingsdeel. Dit leidt vaak tot discussie, ook al is het verschil maar een paar honderd euro. Overigens kan bij dit ontwerp ook worden gekozen voor hoogtemperatuur-verwarming via radiatoren in plaats van laagtemperatuur-vloerverwarming. Bij bestaande bouw levert het een kostenbesparing op als bestaande radiatoren worden gebruikt. Een nadeel aan de keuze voor hoogtemperatuur-radiatorverwarming is wel dat daarmee de optie vervalt om koeling aan het ontwerp toe te voegen. Met laagtemperatuur-afgiftesystemen is dat vaak wel mogelijk.”
Schematische voorstelling van een 2-pijpssysteem.
3,5-pijpsdistributie (HT en LT)
De HT-warmtepomp die in bovenstaand 2-pijpssysteem wordt toegepast heeft een lager rendement (SCOP) dan een laagtemperatuur-warmtepomp (LT) die water van 45 °C maakt. “Daarom kiezen we bij hoogbouw vaak voor een iets complexer 3,5-pijpsdistributiesysteem”, vertelt Schouten. “Daarbij wordt een centrale LT-warmtepomp gebruikt die 45 °C levert voor vloerverwarming in de woningen. Naast die LT-warmtepomp plaatsen we dan een HT-warmtepomp of gasketel die dit water als ‘base boost’ doorverwarmd tot 70 °C voor gebruik als tapwater. Een LT-warmtepomp is aanzienlijk goedkoper dan een HT-variant. Doordat we in dit systeem een veel kleinere HT-warmtepomp of een gasketel bijplaatsen, scheelt dat in de kosten aan de opwekkingszijde.”
De distributie bij een 3,5-pijpssysteem verloopt via drie leidingen, waarvan er één een dubbelfunctie heeft: de HT-distributie voor tapwater (70 °C) en LT-distributie voor vloerverwarming (45 °C) hebben een gezamenlijke retourleiding. “Zo’n gezamenlijke retour leidt tot energievernietiging omdat je water met verschillende temperaturen mengt”, zegt Schouten, “maar bij een omvangrijk distributienet zorgt een extra retourleiding voor een forse kostenpost. Daardoor kan het toch lucratiever zijn om voor een gezamenlijke retour te kiezen.”
Anders dan met een 2-pijpssysteem kan met een 3,5-pijpssysteem ook worden gekoeld. Als de centrale warmtepomp ‘in koelbedrijf’ wordt gezet, kan koelwater via de LT-leiding worden gedistribueerd. Op deze manier kan overigens niet gelijktijdig worden verwarmd en gekoeld; alle appartementen in het complex worden dus ofwel gekoeld, ofwel verwarmd. Op warme zomerdagen zorgt koeling voor bewonerscomfort, maar volgens Schouten heeft het nog een bijkomend voordeel: “Het koelen van woningen zorgt ook voor regeneratie van de bodembron, omdat er warmte in de bron terugkomt. Zo kan worden bespaard op eventuele externe maatregelen die je moet treffen om de bron in balans te houden.”
Bij de toepassing van warmtepompen in gestapelde woningbouw moet ongeacht het gekozen ontwerp altijd op een aantal aandachtspunten worden gelet. De belangrijkste twee die Coos Schouten noemt, zijn systeemscheiding en systeemonderhoud. “Om met dat eerste punt te beginnen: zeker bij een omvangrijk distributienetwerk in hoogbouw van meer dan tien lagen is systeemscheiding van belang om thermische kortsluiting te voorkomen. Systeemscheiding kan in de distributie zelf worden verwerkt, maar daarvoor moet relatief veel techniek worden ingebouwd. Een alternatief hiervoor is scheiding in de afgiftesets. Dat is veel eenvoudiger te implementeren, maar het maakt de afgiftesets weer veel duurder. Per project moet dit soort afwegingen worden gemaakt.”
Het andere aandachtspunt waar Schouten op wijst, is het belang van onderhoud: “Grote collectieve systemen moeten altijd worden afgevuld met water van goede kwaliteit, zodat appendages en andere systeemonderdelen niet vervuild raken en worden aangetast. Om dat laatste te voorkomen, is ook goed inregelwerk, regelmatige ontluchting en eventuele ontgassing nodig. Dat brengt wat kosten met zich mee, maar voorkomen is beter dan genezen. Als een groot distributiesysteem vervuild raakt, levert dat enorme problemen op waarvan de oplossing een heel dure aangelegenheid is.”
4,5-pijps (HT, LT, koeling)
Met een 3,5-pijpssysteem is dus comfortkoeling mogelijk, maar daarbij moeten alle appartementen gelijktijdig een koelvraag hebben. Schouten: “In de tussenseizoenen kan het echter weleens gebeuren dat sommige bewoners hun huis willen verwarmen, terwijl anderen behoefte hebben aan koeling. Door een extra koelleiding aan het zojuist besproken distributienet toe te voegen, wordt dit mogelijk en zijn gelijktijdige verwarming en koeling in een gebouw mogelijk.” Verder is het basisprincipe achter een 4,5-pijpsontwerp gelijk aan dat van een 3,5-pijpssysteem. Ook hier wordt uitgegaan van een centrale LT-warmtepomp met een ‘base boost’ voor tapwater.
5,5-pijps (HT, LT, koeling, retouren)
“Ook aan het 4,5-pijpssysteem kan nog een pijp worden toegevoegd”, stelt Schouten. “In tegenstelling tot alle vorige varianten hebben we zo’n 5,5-pijpsontwerp zelf nog niet toegepast, mede omdat opdrachtgevers terugschrikken van de meerprijs.” Aan de aanvoerzijde is het 5,5-pijpssysteem gelijk aan een 4,5-pijpssysteem, maar de retourzijde steekt intelligenter in elkaar, legt hij uit: “Dankzij een extra retourleiding komt het water op twee verschillende temperatuurniveaus terug in de technische ruimte. Zo vermijd je het energieverlies dat optreedt bij een gezamenlijke HT/LT-retour. Het 5,5-pijpsontwerp is energetisch het meest gunstige qua opwekking, zeker als je er een all-electric systeem zonder gasketel als ‘base boost’ van maakt. Het brengt echter ook de hoogste investeringskosten met zich mee.”
‘Semi-centrale’ oplossing 1
Een heel ander distributie-ontwerp gaat uit van een centrale LT-warmtepomp en individuele boosterwarmtepompen in de woningen. De centrale LT-warmtepomp voedt hierbij de vloerverwarming in de woningen, maar tegelijkertijd dient de laagtemperatuurwarmte ervan als bron voor de boosterwarmtepompen die decentraal per woning warm tapwater maken en opslaan in een boilervat. Een voordeel van dit ‘semi-centrale’ systeem, zoals Schouten het noemt, is dat het een minder complex distributiesysteem kent: in plaats van 5,5-pijps gaat het om 2-pijps, of 3-pijps als er apart wordt gekoeld.
‘Semi-centrale’ oplossing 2
Doordat nieuwbouwappartementen (of bestaande appartementen die van een nieuwe schil zijn voorzien) weinig energie gebruiken, levert een combiwarmtepomp van bijvoorbeeld 9 kilowatt genoeg vermogen om vier woningen van warmte, koeling en warm tapwater te voorzien. Het is dus mogelijk om in een groot woongebouw drie of vier woningen aan te sluiten op één relatief kleine (woningbouw)warmtepomp. Schouten: “In een vierlaags woongebouw betekent het dat in iedere woonkolom de warmtepomp op de begane grond staat, om de vier erboven gelegen woningen te voeden. Als een gebouw veel meer etages telt, komt de volgende warmtepomp op de vijfde etage te staan om de woningen daarboven te voeden, enzovoort.” De warmtepomp heeft nu een dubbele functie: hij maakt warm tapwater en zorgt voor vloerverwarming. Daarom worden de tapwaterboilers in de woningen ’s nachts gevoed, zodat de warmtepomp overdag kan worden ingezet voor vloerverwarming.
Het 8-pijpsdistributiesystem van semi-centrale
oplossing 2’.
Kanttekeningen bij ‘oplossing 2’
“Dat kan een wat onhandige situatie opleveren”, legt Schouten uit. “Als verschillende gezinsleden ’s morgens achter elkaar douchen, bestaat de kans dat de boiler leeg raakt. Een volgend gezinslid moet dan op een knop drukken en even wachten tot de warmtelevering voor vloerverwarming wordt onderbroken, zodat de warmtepomp de boiler opnieuw kan laden.” Een andere kanttekening bij dit ontwerp is volgens hem dat het eenvoudiger lijkt dan het is: “De distributie door het pand wordt al snel akelig complex. Tussen de semi-centrale warmtepomp en iedere woning lopen leidingen voor ruimteververwarming, koeling, warmtapwater, koudwatervoeding en de retouren, en dan is er nog het leidingwerk tussen de warmtepomp en de open of gesloten bodemwisselaar. Alles bij elkaar praat je bij hoogbouw over een 8-pijpsdistributiesysteem. Die hoeveelheid leidingwerk heeft natuurlijk consequenties, zowel met betrekking tot de investeringskosten als voor de bouwtechnische inpassing ervan.”
Individuele combiwarmtepomp
Als alternatief voor die complexe distributiesystemen met 5 of 8 pijpen noemt Schouten tot slot nog het alternatief van individuele combiwarmtepompen voor verwarming en tapwater. “De distributie door het pand is daarbij heel eenvoudig: vanuit elke woning lopen nog maar 2 pijpen naar de bodemwisselaar: een voor warm, en een voor koel water. En een voordeel voor bewoners is dat ze individueel voor verwarming of koeling kunnen kiezen. Bij het zojuist besproken ‘multiboiler’-systeem wordt per vier woningen verwarmd of gekoeld. Het gebeurt niet vaak dat de ene bewoner een warmtevraag heeft terwijl zijn bovenbuurman wil koelen, maar toch zien sommige mensen individuele keuzevrijheid als een voordeel. Nadeel aan de individuele oplossing is wel dat je met een warmtepomp, boilervat en wat leidingwerk vrij veel techniek in een technische ruimte van meestal beperkte omvang installeert. Dat maakt dat deze oplossing vooral in kleinere appartementen niet altijd mogelijk is.”
Het totaalrendement van een systeem wordt bepaald door het opwekkingsrendement en het distributierendement. Om een hoog opwekkingsrendement te verkrijgen, is doorgaans een uitgebreide/complexe opwekinstallatie met scheiding van energiestromen op verschillende temperatuurniveaus nodig. Als het totaalrendement het belangrijkste criterium is, is een meerpijps-distributiesysteem de eerste keuze omdat daarbij zowel in de aanvoer als de retour de warmtestromen gescheiden blijven, en dus niet energetisch worden vermengd. “Bij zo’n systeem neemt echter wel het aantal pompen en de gebruikte hoeveelheid pompenergie toe”, stelt Coos Schouten. “En ook het totaal aan warmteafgevend vermogen van alle distributieleidingen is hoger, als wordt uitgegaan van eenzelfde isolatiegraad als bij eenvoudiger distributiesystemen. Grosso modo kun je daaruit concluderen dat systemen met energiezuiniger opwekking (dus de meerpijpssystemen) hogere distributieverliezen hebben. Zeker nu de warmtebehoefte van moderne, goed geïsoleerde gebouwen afneemt, komt het accent meer op distributieverliezen te liggen dan bij gebouwen met een hoge energievraag.” Volgens Schouten is er overigens wel een uitzondering op deze ‘regel’: “Een systeem waarbij iedere woning een eigen, individuele combiwarmtepomp heeft, scoort goed qua energetisch rendement aan de opwekkingskant, en kent tegelijkertijd ook een laag distributieverlies.” Al met al verwacht Schouten dat bij hoogbouwprojecten steeds meer aandacht op het distributiesysteem wordt gericht: “Warmtepompen en aanverwante systemen worden doorontwikkeld en ze zorgen voor steeds betere opwekkingsrendementen. De komende tijd verwacht ik daardoor toenemende aandacht voor het minimaliseren van de distributieverliezen.”