Installatieconcepten warmtepompen: theorie en praktijk - Techneco

DYNAMISCHE SIMULATIES: VERWARMEN ÉN KOELEN
Installatieconcepten warmtepompen: theorie en praktijk
Bij toepassing van warmtepompen zijn zowel het hydraulische
ontwerp als de regeling van groot belang. Een aantal ontwerpregels
komen in dit artikel aan de orde. Dynamische simulaties
tonen het effect aan van het al dan niet toepassen van deze regels.
Het slot van het artikel gaat in op de mogelijkheid van koeling
met een omkeerbare warmtepomp. Ook hier volgt een simulatie
aangevuld met een praktijkvoorbeeld. Uitgangspunt bij de
tekst is de toepassing van een elektrische warmtepomp gekoppeld
aan vloerverwarming in een woning of (klein) utiliteitsgebouw.
- door ir. Allard van Krevel ∗∗∗∗
ONTWERPREGELS
Het kan niet vaak genoeg gezegd worden:
toepassing van warmtepompen
vraagt een andere "systeembenadering"
dan toepassing van de conventionele
gasketel. Als hiermee reeds in het voortraject
rekening wordt gehouden krijgen
we daar veel voor terug: een energiezuinig
verwarmingssysteem met een lange
levensduur. Globaal komen de ontwerpregels
neer op het volgende.
• Een zo laag mogelijke aanvoertemperatuur,
maximaal 50 °C.
• Een gegarandeerde minimale volumestroom
door de condensor bij
warmtelevering.
• Een zo laag mogelijke schakelfrequentie
van de compressor.
Deze regels gelden in principe voor alle
typen warmtepompen onder alle mogelijke
omstandigheden, specifieke uitzonderingen
daargelaten. Tussen de ontwerpregels
zijn duidelijke verbanden aanwezig:
vermogen, debiet en temperatuur
zijn fysisch nu eenmaal onlosmakelijk
met elkaar verbonden. Deze verbanden
en bijbehorende aspecten worden hieronder
besproken.
Temperaturen en debieten
Het rendement van een warmtepomp
hangt sterk af van het verschil tussen de
brontemperatuur en de afgiftetemperatuur
(voor verwarming). Met behulp van
de bevindingen van Carnot kan de
maximale Coefficient Of Performance
(COP) bij een bepaald temperatuurverschil
bepaald worden:
(1)
COP
∗ Techneco BV, Delft
T
hoog
Carnot = [-]
Thoog
− Tlaag
Enige kanttekeningen zijn hierbij op z'n
plaats. Om een reële inschatting te maken
van de theoretisch haalbare COP dient
voor T laag de verdampingstemperatuur
ingevuld te worden en voor T hoog de
condensatietemperatuur. Dus niet de
gemiddelde temperaturen van de media
die door de verdamper en respectievelijk
condensor stromen zijn bepalend. De
condensatietemperatuur ligt ongeveer
5 K hoger dan de verwarmingsaanvoertemperatuur,
de verdampingstemperatuur
5 K lager dan de temperatuur van het
medium dat de verdamper uitstroomt. In
Figuur 1 zijn de theoretisch haalbare
COP-waarden bij verschillende temperaturen
weergegeven en vergeleken met
praktijkwaarden. Duidelijk is te zien dat
de COP toeneemt bij een afnemend
temperatuurverschil tussen verdamper en
condensor.
COP
10
9
8
7
6
5
4
3
1
Bij een conventioneel verwarmingssysteem
is een ΔT tussen aanvoer en retour
van 20 K onder nominale omstandigheden
een gegeven. Bij laagtemperatuursystemen
is deze hoge ΔT echter niet
meer bruikbaar.
De retourtemperatuur dient namelijk
hoger te liggen dan de gewenste vloertemperatuur
om nog warmte te kunnen
overdragen van het water naar de vloer.
Hierdoor zou bij een ΔT van 20 K de
aanvoertemperatuur altijd boven de
35 °C liggen; bij het streven naar energiebesparing
geen gelukkige keuze.
De ΔT moet dus omlaag, en dat zal ook
het rendement van de warmtepomp ten
goede komen. Dit heeft te maken met het
feit dat niet de aanvoertemperatuur maar
de gemiddelde afgiftetemperatuur
T aanvoer - T retour bepalend is voor het
geleverde verwarmingsvermogen Bij
gelijkblijvend verwarmingsvermogen en
een kleinere ΔT wordt de COP van de
warmtepomp hoger door een lagere
condensatietemperatuur en een betere
warmteoverdracht in de condensor. Dit
vraagt een groter debiet door de
condensor en kost dus meer
pompenergie. Deze extra energie is
echter bij een ΔT-sprong van 10 K naar 5
à 6 K verwaarloosbaar ten opzichte van
de winst door een hogere COP.
Hetzelfde geldt overigens aan de
bronzijde.
Theoretisch mogelijke COP bij bron van 0 °C en 10 °C (ΔΔΔΔT verdamper = 3 K, ΔΔΔΔT condensor = 10 K )
Carnot 0 °C Carnot 10 °C Praktijk 0 °C Praktijk 10 °C
30 35 40 45 50 55 60
Aanvoertemperatuur in °C
Figuur 1 Theoretische en praktische COP-waarden voor warmtepompen.

Op dit punt is het belangrijk onderscheid
te maken tussen de COP van de warmtepomp
op zich - als bijvoorbeeld bij een
warmtepomptest - en de COP van de
warmtepomp gekoppeld aan een verwarmingssysteem.
Een test wordt uitgevoerd
bij constante aanvoertemperatuur.
In dat geval is een hoge ΔT gunstig voor
een goede COP-waarde vanwege het
effect van onderkoeling in de condensor
bij gelijkblijvende condensatietemperatuur.
Het verwarmingsvermogen is daardoor
echter relatief laag door een lage
gemiddelde afgiftetemperatuur.
Koppelen we de warmtepomp aan een
verwarmingssysteem dan gelden andere
regels. Nu wordt de gemiddelde afgiftetemperatuur
namelijk opgelegd door het
gevraagde afgiftevermogen P afgifte . Een
lage ΔT is dan energetisch gunstiger
vanwege bovengenoemde redenen. In
Tabel 1 is een aantal verschillende omstandigheden
met elkaar vergeleken.
TNO beproeft warmtepompen bij een
bepaalde aanvoertemperatuur en een ΔT
van maximaal 10 K over de condensor
conform norm EN-255-2. Voor de praktijk
is het echter aan te bevelen de ΔT
onder nominale omstandigheden nog
lager te kiezen, bijvoorbeeld 5 K. Dit
heeft meer dan alleen energetische redenen,
zoals hieronder uiteen wordt gezet.
Regeling
Een goede regeling, afgestemd op het
warmtepompsysteem is van essentieel
belang voor een langdurige en goede
werking. Voor de warmtepomp op zich
zijn de volgende aspecten van belang.
De regeling dient ervoor te zorgen dat er
altijd een minimaal debiet door de verdamper
en condensor gaat op het moment
dat de warmtepomp draait. Hierdoor
wordt voorkomen dat de warmtepomp
in een lagedruk- of hogedrukstoring
gaat. Bij een regeling op basis van
een stooklijn wordt overigens vaak met
een continue volumestroom over de
condensor gewerkt.
De gemiddelde afgiftetemperatuur dient
afgestemd te worden op een zo laag
mogelijk niveau als voor verwarming
noodzakelijk is. Terugmengen is volledig
uit den boze.
Door te regelen op de retour van de
vloerverwarming kan een lagere schakelfrequentie
gerealiseerd worden zonder
dat dit het comfort of het energieverbruik
nadelig beïnvloedt. De onvermijdelijke
temperatuursprong over de condensor
wordt in het afgifte systeem uitgedempt.
Sterker nog: de retourtemperatuur blijkt
zo goed als ongevoelig voor variaties van
het debiet over de condensor. Deze
Δ
Tabel 1 Vergelijking van verschillende bedrijfsomstandigheden.
variaties zullen bij ongeregelde circulatiepompen
voorkomen in systemen waarbij
groepen van het afgiftesysteem gesloten
kunnen worden. Een kleiner debiet
leidt dan mogelijk tot pendelen van de
warmtepomp. In Bijlage A wordt dit
nader toegelicht.
Tenslotte zou een capaciteitsregeling van
de warmtepomp gunstig zijn voor het
schakelgedrag van de compressor en het
laag houden van de condensatietemperatuur.
De vraag die hier echter bij gesteld
dient te worden is of de COP bij
deellast in de buurt komt van de gemiddelde
(hogere) COP bij vollast. Dit is
zeker van belang wanneer de warmtepomp
een groot gedeelte van het piekvermogen
kan leveren en dus het grootste
deel van de tijd op deellast zal draaien.
Daarnaast is vanwege smeringsproblemen
een capaciteitsregeling niet voor alle
compressoren geoorloofd. Vooralsnog
lijken de meeste fabrikanten daarom nog
geen heil te zien in deze ontwikkeling.
We zullen het schakelgedrag dus op een
andere manier moeten beïnvloeden.
Nachtverlaging
De laatste tijd wordt er veel gefilosofeerd
over de GIW-eisen en het nut van nachtverlaging.
Het is jammer dat achterhaalde
normen de introductie van een juist
gedimensioneerd warmtepompsysteem in
de weg staan. Belangrijk punt is dat niet
het gebruik van een warmtepomp hoofdzakelijk
van invloed is op de opwarmtijd,
andere factoren spelen een veel grotere
rol:
• De warmtecapaciteit van het gebouw
en van het materiaal waarin de vloerverwarmingsleidingen
zijn gelegd.
• De wijze en mate van isolatie, vooral
onder de vloer.
De geëiste opwarmtijden kunnen relatief
gemakkelijk gehaald worden indien er
vlak onder de leidingen wordt geïsoleerd.
Gevolg is een grotere kans op fluctuatie
van de ruimtetemperatuur en een hogere
schakelfrequentie van de warmtepomp;
beide zijn ongewenst.
Bij een grote massa (capaciteit) rond de
leidingen worden deze effecten verminderd
maar is de opwarmtijd groter.
In beide gevallen echter zal bij nieuwbouw
de ruimtetemperatuur tijdens de
nacht niet eens de veelbesproken 3 K
2
dalen. Dan is de eis om dit binnen 2 uur
weer goed te maken dus niet eens relevant.
De energetische gevolgen van eventuele
(geringe) nachtverlaging bij een warmtepompsysteem
zijn nog niet duidelijk in
kaart gebracht. Deze dienen dan ook
eerst goed onderzocht te worden voor
hierover gekwantificeerde uitspraken
kunnen worden gedaan.
Monovalent of bivalent?
Een van de mogelijkheden om het schakelgedrag
positief te beïnvloeden is het
in meerdere trappen leveren van het
verwarmingsvermogen. Voor kleinere
systemen is een verdeling van het vermogen
over twee compressoren in de
regel economisch niet interessant. Bijverwarming
met een elektrisch element
of met een gasketel is wel realistisch. We
spreken dan van een (parallel) bivalent
systeem.
Door de tweede verwarmer alleen bij
piekbelastingen te gebruiken en bijvoorbeeld
ook slechts beneden een bepaalde
buitentemperatuur, kan de schakelfrequentie
van de warmtepomp drastisch
verlaagd worden. Het comfort lijdt daar
niet onder en het energieverbruik stijgt
bij een juiste dimensionering maar minimaal.
Indien de warmtepomp 50% van
het piekvermogen afgeeft, levert deze op
jaarbasis 92% van de verwarmingsenergie
[2].
HYDRAULISCHE UITVOERING
Ook voor de hydraulische uitvoering van
een warmtepompsysteem dienen we
rekening te houden met de specifieke
eisen behorende bij de warmtepomp. In
concrete bewoordingen:
• Zorg voor voldoende bufferende
werking van het afgifte systeem.
• Zorg ervoor dat er altijd een volumestroom
mogelijk is over de condensor.
• Daarnaast dient het kostenaspect bij
het systeemontwerp ook meegenomen
te worden.

In Figuur 2 zijn verschillende warmtepompconfiguraties
weergegeven. De
typische kenmerken ervan worden hieronder
kort samengevat.
1. Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar,
bypass met overstort
Dit is een goedkope manier om een
volumestroom over de condensor te
garanderen terwijl alle groepen via een
thermostatische regeling volledig afsluitbaar
zijn. De bypassleiding dient echter
wel ruim gedimensioneerd te zijn, omdat
anders door de hoge weerstand in het
kortsluitcircuit de volumestroom gevaarlijk
klein wordt (bij een ongeregelde
pomp). Hierdoor wordt de ΔT over de
condensor mogelijk te groot waardoor
een hogedrukstoring optreedt.
Tevens bestaat het gevaar dat de warmtepomp
gaat pendelen door de kleine waterinhoud
gecombineerd met uitkoeling
van het kortsluitcircuit.
In het algemeen is dit concept dus af te
raden.
2.a Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar,
open verdeler, twee pompen
Hiervoor gelden dezelfde bezwaren als
bij systeem 1. Het systeem is met een
geregelde circulatiepomp echter beduidend
duurder. Ook de effecten als beschreven
in 2.b zijn bij dit concept van
toepassing.
2.b Niet alle verwarmingsgroepen
afsluitbaar, open verdeler, twee pompen
Bij een juiste dimensionering van de
open verdeler en een gegarandeerde
warmtepomp
warmtepomp
minimale volumestroom over beide
ontkoppelde circuits is dit een goede
oplossing. Een buffer is niet noodzakelijk.
Bij grotere systemen wordt in dit geval
meestal voor een toerengeregelde pomp
in het secundaire circuit gekozen. Dit kan
tot twee ongewenste effecten leiden:
• Indien de primaire volumestroom
kleiner is dan de secundaire is de
aanvoertemperatuur vanuit de condensor
hoger dan noodzakelijk. Gevolg:
een lagere COP dan mogelijk.
• Indien de primaire volumestroom
groter is dan de secundaire bestaat er
kans op pendelen van de warmtepomp
door een toename van de retourtemperatuur
naar de condensor.
Conclusie: in het ideale geval zijn beide
volumestromen aan elkaar gelijk. Dit kan
gedeeltelijk bereikt worden door meerdere
warmtepompen met elk een eigen
circulatiepomp parallel te schakelen. Een
andere mogelijkheid is meerdere warmtepompen
met elk een motorische klep
voor de condensor en ook in het primaire
circuit een toerengeregelde pomp. Deze
optie is duur en komt voor kleinere
systemen niet in aanmerking.
3. Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar,
parallelle buffer, twee pompen
Dit is een oplossing die door velen als
"ideaal" wordt gezien. Maximale controle
over de verwarmingsgroepen en
voldoende buffering mits juist gedimensioneerd.
Het is echter ook een dure en
ruimte vereisende oplossing en komt
daardoor minder in aanmerking voor
bijvoorbeeld toepassing in woonhuizen.
Van het 's nachts opladen en overdag
systeem 1 systeem 2.a
systeem 2.b
buffer
M M M M
groep 1
M
groep 1
groep 2
M
groep 2
warmtepomp
warmtepomp
systeem 3 systeem 4
3
groep 1 groep 2
groep 1
M
groep 2
ontladen van de buffer dient niet te veel
te worden voorgesteld; de buffer zou
onoverkomelijk groot en duur worden.
Daarnaast spelen dezelfde effecten als bij
2.b een rol.
4. Niet alle verwarmingsgroepen afsluitbaar,
één pomp
Dit is de meest eenvoudige en goedkoopste
oplossing en kan daarnaast goed
functioneren. Twee aspecten verdienen te
worden toegelicht.
De open groep kan goed worden geregeld
op een stooklijn. Deze groep dient
dan wel in de ruimte te liggen die als
referentie geldt voor de overige ruimtes
van het gebouw. Deze ruimtes mogen in
ieder geval geen hogere aanvoertemperaturen
vragen, liefst zijn deze identiek
aan die voor de referentieruimte. Daarnaast
is het voor het schakelgedrag gunstig
om een zo groot mogelijke open
groep te hebben.
In de meeste gevallen zal het in de ruimte
met de open groep noodzakelijk zijn om
een thermostatische naregeling toe te
passen vanwege een variërende warmtelast.
Op basis van de afwijking ten opzichte
van de gewenste ruimtetemperatuur
wordt de stooklijn tijdelijk aangepast.
Het is overigens verstandig om vooraf de
afweging te maken of individuele temperatuurregeling
per ruimte noodzakelijk is
of niet. Zeker bij een woning met goed
geïsoleerde schil kan naregeling in afzonderlijke
ruimtes wellicht achterwege
gelaten worden.
warmtepomp
Figuur 2 Verschillende mogelijke hydraulische uitvoeringen van een warmtepompsysteem.
wp 1
wp 2
systeem 5
buffer
groep 1
groep 1
M
groep 2
M
groep 2

Door openen en afsluiten van verschillende
groepen zal het werkpunt van de
cv-circulatiepomp voortdurend veranderen.
Hoe meer groepen sluiten, des te
lager de volumestroom vanwege een
hogere weerstand in het verwarmingscircuit.
De volumestroom zal bij twee gelijke
groepen en een ongeregelde pomp met
ongeveer 20% afnemen indien de afsluitbare
groep wordt gesloten [3]. Bij meer
afsluitbare groepen is dit effect nog
groter. Hierdoor stijgt de ΔT over de
condensor met als gevolg de inherente
nadelen. De circulatiepomp dient dus
geselecteerd te worden voor de situatie
dat alle afsluitbare groepen gesloten zijn,
waardoor de ΔT onder nominale omstandigheden
(alles open) dus lager is.
5. Niet alle verwarmingsgroepen afsluitbaar,
seriële buffer, één pomp
Dit is een oplossing om het schakelgedrag
van de warmtepomp gunstig te
beïnvloeden zonder specifieke nadelen,
afgezien van de kosten. Voordeel is dat
met één pomp kan worden volstaan.
Aangeraden wordt om de seriële buffer in
de retour te plaatsen vanwege een kortere
opwarmtijd. Het verschil met een buffer
in de aanvoer is echter niet significant,
tenzij de buffer ook wordt toegepast voor
warmteopslag (en dus een zeer grote
inhoud heeft).
DYNAMISCHE SIMULATIE VAN
VERSCHILLENDE CONCEPTEN
Om meer inzicht te krijgen in het dynamisch
gedrag van de verschillende systemen
is een model opgezet waarmee dit
gedrag gesimuleerd kan worden. Er is
gebruik gemaakt van de daarvoor geschikte
bondgraaftechniek. Met behulp
van deze techniek kunnen vermogensstromen
en hun effecten op elkaar in
kaart gebracht worden, zie [4] en [5].
Het model
Een goede simulatie hangt af van de
opzet van het model. Na enig experimenteerwerk
is voor het - multifunctionele
- model als weergegeven in Figuur 3
gekozen. In bijlage B wordt het systeem
uitgebreid beschreven en de bondgraaf
ervan gepresenteerd. Op dit moment
voldoet het te melden dat nagenoeg alle
mogelijke concepten met dit model
eenvoudig kunnen worden beschreven,
uitgezonderd een systeem met open
verdeler.
In alle onderstaande gevallen wordt
uitgegaan van de in de figuur en bijlage
geschetste situatie, tenzij anders vermeld.
De warmtepomp wordt via een stooklijn
warmtepomp
verdamper condensor
buitenvoeler
TT
geregeld op de temperatuur in de retourverdeler.
Hoewel gestreefd is naar een zo getrouw
mogelijke beschrijving van een reëel
systeem, dienen de resultaten als indicatie
van het dynamisch gedrag te worden
geïnterpreteerd. Aan gepresenteerde
kwantitatieve waarden mogen niet zonder
meer conclusies worden verbonden.
Simulatie 1: Monovalent, alle verwarmingsgroepen
afsluitbaar, bypass met
overstort, Figuur 4
Warmtepompvermogen: 4,5 kW
Gemiddelde buitentemperatuur: 10 °C
Simulatieperiode: 2 dagen
Op het moment dat de klep van de tweede
groep dichtgaat zien we een kleine
temperatuurstijging in de retourverdeler;
4
aanvoer
Taanvoer
(optioneel)
bijverwarming
TT
overstort
buffer
verdeler
retour
Tretour
TT
regeling
ruimte 1 ruimte 2
M M
klep 1 klep 2
groep 1 groep 2
Truimte 1 TT Truimte 2 TT
Figuur 3 Schematische voorstelling van het warmtepompsysteem dat de basis
vormt voor de dynamische simulatie.
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
0
BYPASS MET OVERSTORTLEIDING (simulatie 1)
wp aan
wp uit
retourtemperatuur
klep 1 dicht
stooklijn
gewenste kamertemperatuur
klep 1 open
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
buitentemperatuur
klep 2 dicht klep 2 open
Figuur 4 Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 1.
T ruimte 1
T ruimte 2
de eerste groep alleen neemt minder
warmte af dan beide tegelijk. Als ook de
eerste groep wordt afgesloten gaat de
overstort open en stroomt het relatief
koude water uit de by-pass leiding door
de verdeler. Daarna komt het warme
water van de warmtepomp, de gewenste
retourtemperatuur wordt snel overschreden
en de warmtepomp gaat uit. Vervolgens
koelt het kortsluitcircuit uit tot
onder de gewenste retourtemperatuur en
gaat de warmtepomp weer aan. Door de
geringe warmtecapaciteit van het circuit
stijgt de watertemperatuur weer zeer
snel; de warmtepomp pendelt. Later in de
tijd vindt nogmaals hetzelfde plaats.

Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
0
BYPASS MET OVERSTORT EN BUFFER (simulatie 2)
wp aan
wp uit
retourtemperatuur
klep 1 dicht
Simulatie 2: Monovalent, alle verwarmingsgroepen
afsluitbaar, by-pass met
parallelle buffer, Figuur 5
Warmtepompvermogen: 4,5 kW
Gemiddelde buitentemperatuur: 10 °C
Simulatieperiode: 2 dagen
Globaal zien we hetzelfde systeemgedrag
als bij simulatie 1. Alleen draait de
warmtepomp bij gesloten groepen nu
langer op de buffer met grotere capaciteit.
De daarin opgeslagen warmte zorgt
echter niet voor het later aan gaan van de
warmtepomp, integendeel. Dit heeft weer
te maken met de gekozen isolatiegraad
van de buffer ten opzichte van de bypassleiding.
Hier wordt niet nader op
ingegaan.
stooklijn
gewenste kamertemperatuur
klep 1 open
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
buitentemperatuur
klep 2 dicht klep 2 open
Figuur 5 Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 2.
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
ÉÉN OPEN GROEP (simulatie 3)
wp aan
retourtemperatuur
gewenste kamertemperatuur
klep 2 dicht
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tijd in dagen
buitentemperatuur
klep 2 open
Figuur 6 Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 3.
Simulatie 3: Monovalent, één open
groep, Figuur 6
Warmtepompvermogen: 4,5 kW
Gemiddelde buitentemperatuur: Stijgend
van 0 °C tot 20 °C
Simulatieperiode: 10 dagen
Om aan te tonen dat deze eenvoudige en
goedkope opzet tot goede resultaten kan
leiden, zowel wat betreft comfort als
schakelgedrag is voor een langere simulatieperiode
met oplopende buitentemperatuur
gekozen. Wat pieken in het schakelgedrag
lijken, zijn dus nog behoorlijk
lange draaitijden van de warmtepomp.
Verder is in deze grafiek zowel de aanvoertemperatuur
van de warmtepomp als
de retourtemperatuur weergegeven. De
laatste vertoont duidelijk minder weerbarstig
gedrag dan de eerste; een goede
reden om de retourtemperatuur te rege-
5
T ruimte 1
T ruimte 2
T ruimte 1
T ruimte 2
wp uit
aanvoertemperatuur
len. Dit effect is nog groter bij meer
afsluitbare groepen.
Het blijkt dat de regeling via een stooklijn
de eerste ruimte op de gewenste
temperatuur houdt. Een zoneklep is hier
dus geheel overbodig.
Simulatie 4: Bivalent, één verwarmingsgroep
afsluitbaar, Figuur 7
Warmtepompvermogen: 3 kW
Bijverwarmingsvermogen: 1,5 kW, alleen
leverbaar onder 10 °C
Gemiddelde buitentemperatuur: Stijgend
van 0 °C tot 20 °C
Simulatieperiode: 10 dagen
Twee positieve gevolgen van deze aanpassing
ten opzichte van simulatie 3
vallen duidelijk op.
• De schakelfrequentie van de warmtepomp
neemt sterk af.
• De retourtemperatuur vertoont nog
minder schommelingen.
Verder blijkt door het niet meer laten
aangaan van de bijverwarming boven de
10 °C, de warmtepomp gedurende een
paar etmalen net voldoende vermogen
levert om de ruimtes op temperatuur te
houden. Dit omslagpunt op grond van de
buitentemperatuur dient dus ingesteld te
kunnen worden.
Tot slot: door opdeling van het verwarmingsvermogen
gaat de klep van de
tweede groep niet meer dicht.
Simulatie 5: Koelen met een reversibele
warmtepomp, Figuur 8
Een warmtepomp bezit de prettige eigenschap
dat deze door een interne verwisseling
van verdamper- en condensorfunctie
ook kan koelen. Daarbij zijn geen
noemenswaardige aanpassingen aan het
vloerverwarmingssysteem noodzakelijk.
Voor geringe meerkosten krijgen we er
desgewenst dus een koelsysteem bij.
Een tweede voordeel is de regeneratie
van de bodem bij toepassing van een
gesloten grondcollectorsysteem. Dat
gebeurt ook - in mindere mate - wanneer
gekoeld wordt via een warmtewisselaar
in het gesloten broncircuit. Regeneratie
is overigens sterk afhankelijk van de
aanwezigheid van grondwaterstroming.
Een aantal zaken dient bij koeling wel in
ogenschouw te worden genomen.
Via de vloer kan ongeveer de helft aan
vermogen gekoeld worden (20 tot
40 W /m 2 ) als bij verwarming maximaal
kan worden afgestaan. Indien de warmtepomp
evenveel koelvermogen als verwarmingsvermogen
levert kan bij een
monovalent systeem een buffer dus
gewenst zijn in verband met de schakelfrequentie.
Een andere mogelijkheid is
een bivalent systeem of een meertrapswarmtepomp
waarvan niet alle koudecircuits
omkeerbaar zijn. Tenslotte kan ook

koelvermogen aan een luchtcircuit worden
afgestaan. Een goede inschatting of
liever nog berekening van de koellast is
in alle gevallen belangrijk.
Er dient een additionele koelregeling
geïnstalleerd te worden. Verschillende
regelconcepten zijn daarbij mogelijk en
dienen vooraf overwogen te worden. Er
kan bijvoorbeeld geregeld worden op
kamertemperatuur maar ook op vloertemperatuur.
Tevens dient condensvorming
voorkomen te worden. Voor nadere
informatie in deze wordt doorverwezen
naar de bekende vloerverwarmingsleveranciers.
In Figuur 8 is het koelgedrag van een
bivalent systeem voor een enkele ruimte
met één groep weergegeven. Dimensies
en vermogens zijn anders dan bij de
eerste vier simulaties en worden niet
nader beschreven. Er wordt geregeld op
vloertemperatuur met als gewenste waarde
20 °C. De paarse lijn is de kamertemperatuur
zonder koeling, de blauwe lijn
geldt voor koeling met 50% van het
totale verwarmingsvermogen.
Overige resultaten
Naast de bovenstaande varianten die
direkt betrekking hebben op de gepresenteerde
ontwerpregels is het door de
modellering mogelijk om ook de invloed
van andere factoren te bekijken. Hierbij
vallen de volgende vaak onderbelichte
zaken op.
• Bouwkundige factoren blijken een
belangrijke rol bij de warmtehuishouding
en het gedrag van het
warmtepompsysteem te spelen, onder
andere:
⇒ Plaats en mate van isolatie.
⇒ Bufferende capaciteit van het gebouw
en het materiaal rond de
vloerverwarmingsleidingen.
• Een goede isolatie van het primaire
circuit bij een bypassleiding met
overstort verkleint de kans op pendelen
van de warmtepomp aanzienlijk.
Verder blijkt een seriële buffer het schakelgedrag
van de compressor positief te
beïnvloeden zonder opvallende nadelen.
Het verschil in opwarmgedrag tussen een
buffer in de aanvoer en in de retour is
niet significant, tenzij voor een zeer grote
bufferinhoud wordt gekozen.
Nader onderzoek met betrekking tot het
dynamisch gedrag van een warmtepompsysteem
verdienen de volgende aspecten:
• Een variërende interne warmtelast.
• De invloed van zontoetreding.
• Het zelfregelend effect van de vloerverwarming.
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
BIVALENT, ÉÉN OPEN GROEP (simulatie 4)
wp aan
bijverwarming aan
buitentemperatuur
EEN PRAKTIJKVOORBEELD
Het in 1999 opgeleverde pand van transportbedrijf
Hatral wordt volledig verwarmd
en gekoeld met warmtepompen
en via de vloeren. Sinds de inbedrijfstelling
is het gedrag van het warmtepompsysteem
globaal gemonitord. De belangrijkste
kentallen zijn de volgende.
Bron
• Verticale bodemwarmtewisselaar:
twaalf dubbele U-lus collectoren van
elk 50 meter diep.
Verwarming
• Twee warmtepompen van elk 25 kW
en een elektrische naverwarmer van
9 kW.
6
bijverwarming uit
aanvoertemperatuur
retourtemperatuur
gewenste kamertemperatuur
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tijd in dagen
Koeling
• De tweede warmtepomp is reversibel
en levert circa 30 kW koelvermogen.
Gebouw
• 225 m 2 kantoor
• 875 m 2 loods
Resultaten
wp uit
klep 2 open
Figuur 7 Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 4.
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
0
BIVALENT, VERWARMEN EN KOELEN (simulatie 5)
verwarmen
buitentemperatuur
vloertemperatuur
warmtepomp uit
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tijd in dagen
aanvoertemperatuur
koelen
Figuur 8 Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 5.
T ruimte 1
T ruimte 2
T ruimte met koeling
T ruimte zonder koeling
Na één volledige zomer en winter blijkt
dat het systeem aan het vooraf gewenste
comfortniveau voldoet.
Tijdens de zomer van 1999 is circa
20 MWh koelenergie geleverd. Bij zeer
warme dagen van rond de 30 °C lag de
binnentemperatuur 5 °C onder de buitentemperatuur.
Dit werd gerealiseerd
met een minimale aanvoertemperatuur
van 15 °C, waarbij de brijn met maxi-

maal 30 °C de collectoren inging. Dit
kleine temperatuurverschil tussen verdamper
en condensor levert een zeer
hoge COP.
In de daaropvolgende winter is
150 MWh warmte geleverd. Daarvan
nam de eerste warmtepomp 75% voor
zijn rekening met een gemiddelde bedrijfstijd
van 15 uur en de tweede 25%
met een gemiddelde bedrijfstijd van
7 uur. Het elektrisch element van 9 kW
heeft geen bedrijfsuren gemaakt.
De maximale aanvoertemperatuur is niet
boven de 45 °C gekomen. De minimale
brontemperatuur lag net onder de 0 °C.
Aandachtspunten
Twee belangrijke aandachtspunten zijn
het afgelopen jaar naar voren gekomen.
• Goede dampdichte isolatie van de
leidingen en appendages is bij koeling
noodzakelijk. De toegepaste
materialen dienen corrosiebestendig
te zijn.
• Bij het omschakelen van verwarmen
naar koelen dienen de regelkleppen
op de verdelers een omgekeerde regelfunctie
te krijgen.
Monitoring
Om nauwkeurigere resultaten te verkrijgen,
zeker voor de energetische prestaties,
is een gedegen meetprogramma
noodzakelijk, bijvoorbeeld volgens de
TNO Standaard Opzet Monitoring
(SOM) methode. In het nieuwe pand van
Techneco zal deze monitoring uitgevoerd
DN 65 TT
TI
DN 40
DN 65
DN 50
PT
GEVEL
PI
worden voor een vergelijkbaar warmtepompsysteem
als hierboven beschreven,
zie Figuur 9. Ook voor andere bestaande
of nieuw te realiseren projecten kan
Techneco de complete monitoring volgens
SOM aanbieden, van ontwerp tot
rapportage.
CONCLUSIES
Een goed gedimensioneerd warmtepompsysteem
voor woningen of de kleine
utiliteitsbouw hoeft niet complex te
zijn. Door middel van één of meer niet
afsluitbare verwarmingsgroepen kan
worden afgezien van een buffer en extra
appendages; dit is kostenbesparend.
Het rendement van het totale systeem is
gebaat bij een lage ΔT over de condensor,
in tegenstelling tot het rendement
van de warmtepomp afzonderlijk.
Regeling op een stooklijn, eventueel
bijgesteld met een kamerthermostaat,
zorgt daarbij voor het gewenste comfort.
De retourtemperatuur dient bij voorkeur
als referentie voor de regeling te worden
genomen, anders kan de warmtepomp bij
debietvariaties over de condensor gaan
pendelen. Verder is het mogelijk om met
een reversibele warmtepomp voor weinig
meerkosten ook in - soms gedeeltelijke -
koeling van een gebouw te voorzien.
De resultaten van de uitgevoerde simulaties
blijken de gepresenteerde ontwerpregels
voor warmtepompsystemen te bevestigen.
Naast deze regels zijn echter
nog meer factoren van belang, voornamelijk
van bouwkundige aard. Deze
zouden dus ook bij het ontwerp van de
verwarmingsinstallatie meegenomen
TI
TI
DN 40
GRONDCOLLECTOR: 10 COLLECTOREN, DUBBELE U-LUS, 50 METER DIEP
DN 25
TT
TT
TT
ΔTbron = 3 - 5 K
ΔTbron = 3 - 5 K
TI
kWh
GAMMA
GAMMA
TT
RS 10
PC
MASTER
I / O
kWh kWh kWh kWh kWh kWh kWh
7
TT TT
HWS 3048 PN/PN-X
propeen 13,3 kW
TT
HWS 3048 PN/PN-X
propeen 13,3 kW
monitoring (laagspanning)
regeling
230 V
400 V
Figuur 9 Het warmtepompsysteem in het nieuwe pand van Techneco BV.
4,5 kW
4,5 kW
TT
ΔTcv = 5-7 K
Δ cv = 5-7 K
TT
BUITENVOELER
TT
TT
FS TI
DN 40
TI
FS TI
TI
moeten worden.
Toepassing van de ontwerpregels leiden
in de praktijk tot goede resultaten met
betrekking tot het comfort en het schakelgedrag
van de warmtepompen. Om de
energetische prestaties van een warmtepompsysteem
te beoordelen is nauwkeurige
monitoring een vereiste.
LITERATUUR
1. Roberto Traversari c.s., Reader
Workshop Warmtepompsysteemontwerpen,
TNO Milieu, Energie en
Procesinnovatie, 1 maart 1999.
2. NEN 5128, Energieprestatie van
woningen en woongebouwen, Bepalingsmethode,
1998, pagina 125.
3. Allard van Krevel, Analysis of engine
driven centrifugal pumps, WOC-
WET 93.012 Technische Universiteit
Eindhoven, 1993.
4. J.E.M. Mooij, Simulatie van het
dynamisch gedrag van systemen met
behulp van bondgrafen, Dictaat
O.01-95-1-347, Hogeschool van
Utrecht, Faculteit Natuur en Techniek,
januari 1995.
5. W. Zeiler, De simulatie van de cvinstallatie
van een testruimte, Verwarming
en Ventilatie, mei 1993,
nr. 5.
Dit artikel is verschenen in het TVVLmagazine
van september 1999, jaargang
28, nr. 9 en in Verwarming en Ventilatie
van juli/augustus 2000, nr. 7/8.
DN 40
TT
TI
DN 25
DN 25
afsluiter
vul/aftap
pomp
el. naverwarmer
flexibele slang
veiligheidsklep
terugslagklep
verjonging
temperatuurmeter
TT
TT
TT
TT
LEGENDA
temperatuuropnemer
DN 40
PT
DN 40
PT
TT
BUITENVOELER
TT
TT
DN 65
TT
aut. ontluchter
expansievat
debietmeter
warmteverbruiker
PI drukmeter
DN 65
TT
RUIMTEVOELER
TI
TI
PI

BIJLAGE A INVLOED VAN LOKATIE TEMPERATUUROPNEMER OP SCHAKELGEDRAG WARMTEPOMP
Bij de regeling van een cv-systeem op
basis van een stooklijn wordt vaak de
aanvoertemperatuur beschouwd als de te
regelen grootheid. Indien de schakelfrequentie
niet van belang is of wanneer het
warmteleverend apparaat modulerend is,
kan dat een goede keuze zijn. Een
warmtepomp heeft echter alleen een
aan/uit mogelijkheid en de levensduur
van de compressor is gebaat bij een lage
schakelfrequentie. In dat geval heeft het
de voorkeur om de retourtemperatuur te
regelen. Dit heeft als voordeel dat variaties
van het debiet over de condensor niet
tot pendelen van de warmtepomp zullen
leiden. Daarnaast wordt het systeemgedrag
trager. Hiermee dient vooral bij
grote systemen rekening te worden gehouden
wanneer eventueel één of meer
trappen bijgeschakeld kunnen worden.
Deze bijschakeling mag pas na een be-
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
REGELING VAN AANVOERTEMPERATUUR, ΔΔΔΔT -condensor = 5 K
wp aan
wp uit
buitentemperatuur
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
aanvoertemperatuur
stooklijn
retourtemperatuur
Figuur 10 Regeling van aanvoertemperatuur bij een klein
temperatuurverschil over de condensor.
Temperatuur in °C
30
25
20
15
10
5
REGELING VAN RETOURTEMPERATUUR, ΔΔΔΔT -condensor = 5 K
wp aan
wp uit
buitentemperatuur
aanvoertemperatuur
retourtemperatuur
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
stooklijn
Figuur 12 Regeling van retourtemperatuur bij een klein
temperatuurverschil over de condensor.
paalde vertragingstijd vrijgegeven worden.
In onderstaande vier figuren wordt aangegeven
wat het verschil kan zijn tussen
regeling op aanvoertemperatuur of retourtemperatuur.
Er is uitgegaan van een
monovalent verwarmingssysteem met één
open en één afsluitbare groep.
Figuur 10 en Figuur 11 geven aan wat er
gebeurt wanneer de aanvoertemperatuur
geregeld wordt en door een verlaging van
het debiet over de condensor de ΔT twee
maal zo groot wordt. De temperatuursprong
wordt groter dan de hysterese van
±5 K die de regeling aanhoudt en de
warmtepomp gaat pendelen.
Figuur 12 en Figuur 13 gelden voor
eenzelfde systeem maar dan bij regeling
van de retourtemperatuur op een verlaagde
stooklijn met een hysterese
van ±1 K.
8
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
De verandering van de ΔT over de condensor
wordt in het vloerverwarmingssysteem
volledig uitgedempt en leidt niet
tot pendelen. Het schakelgedrag van de
warmtepomp is in beide gevallen nagenoeg
hetzelfde.
REGELING VAN AANVOERTEMPERATUUR, ΔΔΔΔT -condensor = 10 K
wp uit
buitentemperatuur
stooklijn
wp aan
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
retourtemperatuur
aanvoertemperatuur
Figuur 11 Regeling van aanvoertemperatuur bij een groot
temperatuurverschil over de condensor.
Temperatuur in °C
35
30
25
20
15
10
5
REGELING VAN RETOURTEMPERATUUR, ΔΔΔΔT -condensor = 10 K
wp aan
wp uit
buitentemperatuur
aanvoertemperatuur
retourtemperatuur
stooklijn
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Tijd in uren
Figuur 13 Regeling van retourtemperatuur bij een groot
temperatuurverschil over de condensor.

BIJLAGE B BESCHRIJVING VAN HET GESIMULEERDE VERWARMINGSSYSTEEM
Een bivalent systeem bestaande uit een
warmtepomp en een naverwarmer in
serie levert warmte aan twee identieke
ruimtes via vloerverwarming. De transmissie
van deze ruimtes bij −10 °C en
een ruimtetemperatuur van 20 °C bedraagt
in totaal circa 4,5 kW. Tussen de
ruimtes vindt geen warmte-uitwisseling
plaats. Verder hebben de ruimtes de
bekende eigenschappen van nieuwbouwwoning:
goed geïsoleerde muren
met een bufferende werking en een raam
waardoor een groot deel van de warmte
verloren gaat. Ruimte 1 heeft een iets
groter raam dan ruimte 2 en dus ook een
grotere transmissie. In Figuur 14 wordt
de beschouwde ruimte schematisch
weergegeven.
Figuur 3 van de hoofdtekst geeft het
hydraulische schema van het verwarmingssysteem
weer. In beide ruimtes
bevindt zich een vloerverwarmingsgroep
die desgewenst afsluitbaar is. Tussen
aanvoer en retour is een buffer geplaatst
Transmissie
Isolatie
Omgeving
Wand
Bodem
die in het model is opgedeeld in drie
compartimenten. De leiding naar de
buffer is afsluitbaar en functioneert
desgewenst als een overstort. Door aanpassing
van de inhoud van de compartimenten
kunnen we spreken van een
werkelijke buffer of een bypass leiding.
De buffer is geïsoleerd maar staat wel
warmte af aan de omgeving. De drieweg
verdelers in aanvoer en retour hebben
ook een inhoud en staan daarmee model
voor de aanvoer- en retourleiding. Bij
een grote toegekende inhoud dienen ze
respectievelijk als buffer in de aanvoer of
retour. Voor het geval dat zowel de
kortsluitleiding als een van beide groepen
gesloten is wordt de volumestroom
gereduceerd tot 80% van die tijdens
nominaal bedrijf. In alle andere situaties
is de volumestroom 100%, eventueel
verdeeld over twee groepen (ieder 50%).
De kleppen staan of geheel open of
geheel dicht, maar nooit alle drie in
dezelfde stand.
Ruimte
Vloerverwarming Isolatie
10 m
Transmissie
9
In alle beschreven gevallen wordt uitgegaan
van de hierboven geschetste situatie,
tenzij anders vermeld. De warmtepomp
wordt via een stooklijn geregeld op
de temperatuur in de retourverdeler,
eventueel tijdelijk aangepast bij grote
afwijkingen van de temperatuur in ruimte
1; dit is de referentieruimte. Indien een
vloerverwarmingsgroep afgesloten kan
worden, wordt dit gedaan op basis van
een ruimtethermostaat met een hysterese
van ±1 K.
De variatie van de buitentemperatuur
wordt gesimuleerd door een sinusoïde
met een amplitude van 10 K. De gemiddelde
waarde is niet altijd dezelfde,
omdat die gevallen worden getoond
waarbij de typische aspecten van het
gesimuleerde systeem naar voren komen.
De bondgraaf van het gesimuleerde
systeem is weergegeven in Figuur 15.
Transmissie
Figuur 14 Schematische weergave van de ruimte die als model gebruikt is. Bij de simulaties zijn twee onafhankelijk te verwarmen
ruimtes beschouwd.
3 m
Raam
8 m

C capaciteit
G geleiding
P vermogen
T temperatuur
X tweepoort
T om
1 0 1
G is,om
C is
X
0
G wa,is
C
vr
X
0
C b3
b buffer (compartiment
1, 2 en 3)
bo bodem
0
C wa
bv bijverwarming
X
ir installatieruimte
1 0 1 0 1 0 X
G ka,wa
G
ka,wa
1
C G C
ka vl,ka vl
X
0
C b2
C wp
0 X
P wp
X
LEGENDA
10
T om
X
is isolatie (wand)
ka kamer
om omgeving
vi vloerisolatie
vl vloer
G
vi,bo
1 T om
0
1
C
bv
0
P bv
0
C b1
C vi
G
vl,vi
G vv,vl
G C G C G C G C G
is,om is wa,is wa ka,wa ka vl,ka vl
vv,vl
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 X
T
om
RUIMTE 1
G 1 T G 1 T G 1
b3,ir
ir b2,ir
ir b1,ir
RUIMTE 2
G
ka,wa
Figuur 15 Bondgraaf van het gesimuleerde systeem.
1
T om
1
0
1
G
vi,bo
X
C
vi
C va
G
vl,vi
T
om
T ir
C vv
X
0
C vv
f (t)
va aanvoerverdeler
vr retourverdeler
vv vloerverwarming
wa wand
wp warmtepomp