VERWARMEN MET 'KOKENDE STENEN'

ZEOLIETWARMTEPOMP HAALT RENDEMENT TOT 130%

In maart 2015 al werd de zeolietwarmtepomp op de internationale vakbeurs ISH gepresenteerd. Deze warmtepomp werkt volgens het fysisch-chemische proces van adsorptie en maakt daarvoor gebruik van een speciaal soort mineraal - zeoliet - dat bij de adsorptie van waterdamp een grote hoeveelheid warmte vrijgeeft. Bij een relatief hoge afgiftetemperatuur kan de zeolietwarmtepomp zo een rendement behalen van circa 130% op PCS (bovenwaarde). Mooie beloften, al blijkt de implementatie van de techniek nog steeds beperkt.

ENERGIE-EFFICIENTIE

Door de steeds hogere eisen van de ErP-richtlijn is er een stijgende nood aan producten met een hoge energie-efficiëntie. Populaire technieken zoals die van gascondensatieketels en elektrische warmtepompen hebben hun limiet qua energetisch rendement echter al bereikt.

Om het verwarmen met stookolie of gas toch op een energie-efficiëntere wijze te laten verlopen, werd de voorbije jaren de zeolietwarmtepomp ontwikkeld. Die combineert de technologie van een condensatieketel met hernieuwbare energie en de fysische eigenschappen van het materiaal zeoliet. Zo reduceert het het gasverbruik met 25%, terwijl het rendement oploopt tot 125% of zelfs 134%, een hele stap vooruit in vergelijking met een stookolieketel (104%) of een gascondensatieketel (109%).

Ten opzichte van elektrische warmtepompen, die een COP van 3,5 behalen, lijkt de zeolietwarmtepomp het met zijn COP van 1,3 in eerste instantie iets minder goed te doen. Omdat elektrische warmtepompen zelf ook elektriciteit verbruiken, dient men hierbij echter ook rekening te houden met een primaire energiefactor van 2,5, wat bij zeolietwarmtepompen dan weer niet het geval is.

ZEOLIETSORPTIE

Zeoliet

De Zweedse mineraloog, Axel Frederik Cronstedt, ontdekte in 1756 dat bepaalde mineralen bij verhitting water afgeven. Door de snelle verdamping van het water begon het mineraal te bewegen en leek het alsof het aan het koken was. Daarom kreeg het mineraal de naam zeoliet (van het Grieks zeo en lithos, wat 'kokende stenen' betekent).

Zeoliet is opgebouwd uit silicium, aluminium en zuurstofatomen, en kent een enorm poreuze structuur. Dankzij die porositeit kan zeoliet een grote hoeveelheid water in zijn kristalstructuur opnemen en weer afgeven, zonder dat de kristalstructuur wijzigt. Zeoliet is tot op een hoge temperatuur stabiel en het is noch giftig, noch brandbaar.

Adsorptie

Adsorptie is een fysisch-chemisch proces waarbij een vloeistof of een gas aan het oppervlak van een vast lichaam wordt vastgehouden. Zo wordt er, onder de juiste fysische omstandigheden (druk, temperatuur), energie opgeslagen in de vaste stof. Het grote voordeel van deze thermochemische warmteopslag is de nagenoeg verliesvrije opslag van (latente) warmte over een lange periode, zonder dat er een vorm van isolatie vereist is. Alleen bij het laden en ontladen gaat er energie verloren.

Over het algemeen wordt water als een koudemiddel gebruikt dat bij verwarming uit het opslagmateriaal verdampt. Door het adsorberen van water(damp) komt er energie vrij in de vorm van warmte. Het adsorptieproces is vergelijkbaar met een absorptieproces, waarbij energie wordt opgeslagen in een vloeistof, maar het is minder complex en heeft een hogere energiedichtheid.

Daartegenover staat echter dat adsorptiemiddelen vaak veel duurder zijn dan absorptiematerialen. In principe kan waterdamp door elk poreus materiaal geadsorbeerd worden, maar veel hangt af van de efficiëntie van die materialen. Vooral synthetische zeolieten zijn daarom voor toepassingen in de adsorptietechniek geschikt. Daarnaast zijn ook silicagel - de alom bekende zakjes die gebruikt worden om schoenen en nieuwe materialen droog te houden - en actieve kool geschikt voor het gebruik in adsorptiepompen.

ZEOLIETWARMTEPOMP

Onderdelen

• Zeolietmodule: de zeolietmodule is het belangrijkste onderdeel van de zeolietwarmtepomp. Het is een vacuümmodule, bestaande uit twee warmtewisselaars. De bovenste warmtewisselaar is met zeoliet bekleed, terwijl de onderste een dubbele functie heeft: hij kan namelijk tegelijk als condensator en als verdamper fungeren. De bekleding van de bovenste warmtewisselaar verschilt van producent tot producent en heeft een impact op het rendement van de warmtepomp. Hoe groter de vrije oppervlakte van het zeoliet, hoe sneller het namelijk warmte kan afgeven. Daardoor kan de opeenvolging van verschillende cycli sneller verlopen en kan er in eenzelfde periode dus meer energie geproduceerd worden.
• Brander: de brander is een tweede belangrijk onderdeel van de zeolietwarmtepomp. Ze dient in eerste instantie om warmte aan te voeren naar de met zeoliet beklede warmtewisselaar. Bij een te hoge of langdurige warmtevraag kan hij echter ook rechtstreeks bijverwarmen. Zowel branders op gas als branders op olie kunnen in een zeolietwarmtepomp toegepast worden, op voorwaarde dat ze modulerend zijn. Modulerende gasketels waren al eerder op de markt, maar de modulerende stookoliebrander werd specifiek voor de zeolietwarmtepomp ontwikkeld.
• Hydraulica: naast de warmte van de brander maakt het systeem ook gebruik van omgevingswarmte. Deze warmte kan afkomstig zijn van grondboringen of van zonne-energie en wordt naar de verdamper doorgevoerd. De zeolietwarmtepomp bevat alle hydraulische componenten om het warmtecaptatiesysteem op de warmtepomp aan te sluiten.

Alternerend proces

De zeolietwarmtepomp is een modulerende warmtepomp die werkt volgens een alternerend proces van adsorptie en desorptie. De zeolietmodule fungeert hierin als thermische compressor.

• Adsorptie- of aanzuigfase: in de adsorptiefase wordt er omgevingswarmte - afkomstig uit zonne-energie of de bodem - aan het systeem toegevoegd en fungeert de onderste warmtewisselaar als verdamper. Aangezien er in deze fase een druk van ongeveer 6 mbar heerst, volstaat de omgevingstemperatuur om het aanwezige water te verdampen. De waterdamp stijgt en wordt door het zeoliet geadsorbeerd. De warmte die bij dit adsorptieproces vrijkomt - doorgaans tussen 50 en 70 °C - wordt naar het verwarmingsnet geleid. Wanneer de waterdamp volledig geadsorbeerd is en het zeoliet dus verzadigd is, is de fase ten einde en kan de desorptiefase aanvatten.
• Desorptie- of compressiefase: in de desorptiefase wordt er via de brander warmte aan de met (verzadigd) zeoliet beklede warmtewisselaar toegevoegd. Het in het zeoliet gebonden water komt daardoor vrij in de vorm van water(damp) en stroomt naar de tweede warmtewisselaar in het onderste deel van de warmtepomp. Daar condenseert het en wordt de vrijgekomen warmte aan het verwarmingsnet afgegeven. Wanneer het zeoliet volledig opgedroogd is en al het water gecondenseerd is, eindigt de desorptiefase en kan de adsorptiefase weer aanvatten.

Het werkingsprincipe van de zeolietwarmtepomp is vergelijkbaar met een spons die eerst met water verzadigd wordt en vervolgens wordt uitgewrongen. Door de aard van dit proces is het echter moeilijk om langdurig veel warmte te produceren. Om eventuele piekmomenten op te vangen, kan de brander daarom ook autonoom fungeren.

TOEPASSING

Afgiftesystemen

In principe kan een zeolietwarmtepomp gecombineerd worden met elk type afgiftesysteem, zowel voor de verwarming van het gebouw als voor de productie van sanitair warm water. Aangezien er tijdens de adsorptiefase betrekkelijk veel warmte vrijkomt, geldt echter dat het rendement van het toestel het hoogst is wanneer ook de afgiftetemperatuur relatief hoog is, in tegenstelling tot bij andere (elektrische) warmtepompen, waarbij de COP bij een stijgende vertrektemperatuur net daalt. Bij zeolietwarmtepompen bedraagt de ideale afgiftetemperatuur uiteindelijk zo'n 55 °C. De zeolietwarmtepomp laat zich dan ook gemakkelijk combineren met boilers, radiatoren en vloerverwarming.

Wanneer de gevraagde afgiftetemperatuur echter te laag is, verliest de zeolietwarmtepomp haar meerwaarde. Ze is dan ook vooral geschikt voor de renovatiemarkt.

Woningmarkt

Zeolietwarmtepompen hebben een beperkt vermogen (10 à 15 kW) en worden daarom vooral met het oog op de residentiële markt ontwikkeld. Een zeolietwarmtepomp voor een klassieke eengezinswoning, exclusief boiler, is gemiddeld bovendien al 70 x 180 x 70 cm groot. Dat is even groot als een andere warmtepomp met een vergelijkbaar vermogen, maar inclusief een boiler. Wanneer een hoger vermogen noodzakelijk is, zal de warmtepomp met andere woorden enorm groot moeten zijn en kunnen er praktische en logistieke problemen optreden.

INSTALLATIE

Dimensionering

• Warmtepomp: zoals bij elke verwarmingsketel moet de installateur de nodige aandacht besteden aan de dimensionering van de installatie. Dit heeft immers een impact op het rendement. Omdat de zeolietwarmtepomp modulair ontworpen is, kan ze wel gemakkelijk afgestemd worden op de specifieke behoefte van de gebruikers. De standaardzeolietwarmtepomp heeft een vermogen van circa 1,5-10 kW. Om aan een grotere warmtevraag te voldoen, zijn er sinds kort echter ook zeolietwarmtepompen van 1,5-15 kW beschikbaar.
• Leidingen: zeolietwarmtepompen werken over het algemeen met een groter debiet dan gascondensatieketels. De ∆T van een ketel ligt rond de 20 °C, bij een warmtepomp is dit 7 °C à 8 °C, dus met ongeveer drie keer meer debiet. De aangesloten leidingen vereisen dan ook een grotere diameter. Een zeolietwarmtepomp kan echter ook opereren bij een ∆T van 20 °C, zodat 'klassieke' leidingen ook mogelijk zijn.
• Grondboringen/ zonnepanelen: omdat er tijdens de desorptiefase een druk van 6 mbar heerst, volstaat een beperkte omgevingswarmte. Hierdoor kunnen de grondboringen of zonnepanelen bescheiden gedimensioneerd worden. Een boring met een diepte van 50 m of 7,5 m2 aan thermische zonnepanelen zouden volstaan.

Geïntegreerde module

Voor de effectieve installatie van zeolietwarmtepompen gelden er geen specifieke installatievoorschriften. De aansluiting gebeurt grotendeels op dezelfde wijze als die van een gascondensatieketel. Om het transport en de installatie te vergemakkelijken, wordt de zeolietwarmtepomp standaard in twee delen geleverd: de vacuümzeolietmodule enerzijds en het branderelement anderzijds. Beide onderdelen zijn gemakkelijk op elkaar te monteren. Ook de nodige hydraulica is rechtstreeks in het systeem geïntegreerd en de aansluiting op zonnepanelen of grondboring gebeurt met behulp van standaardverbindingen. Hoewel er geen systeemspecifieke kennis aan de installatie van de zeolietwarmtepomp verbonden is, blijft een op de technologie afgestemde opleiding voor installateurs aangeraden.

Ingebruikname en sturing

De voorbije jaren is er sterk ingezet op het verbeteren van regel- en sturingssystemen. Met behulp van een 'elektronische assistent' kan de zeolietwarmtepomp vandaag over het algemeen eenvoudig geïnitieerd en ingesteld worden. Deze assistent doorloopt automatisch het opstartproces en de actuatortest, en vraagt, indien nodig, naar de relevante parameters. Dankzij de elektronische assistent worden fouten bij de eerste ingebruikname vermeden en kan de duur van de montage beperkt worden.

Na de ingebruikname kan de werking van de zeolietwarmtepomp verder geregeld worden met slimme sturingssystemen, eventueel verbonden met een tablet of smartphone. De sturing laat toe om de gewenste temperatuur in te stellen, maar bijvoorbeeld ook om de brander tijdelijk autonoom te laten fungeren.

VOORDELEN

Het grootste voordeel van een zeolietwarmtepomp in vergelijking met gangbare alternatieven zoals een gascondensatieketel is ongetwijfeld het hogere rendement. Dankzij de zeolietsorptie en omdat er op lage temperatuur verdampt kan worden, behaalt de zeolietwarmtepomp namelijk een rendement van 125 à 130%, in vergelijking met 104% bij stookolieketels en 109% bij gascondensatieketels. De zeolietwarmtepomp behaalt met andere woorden een A+- tot A++-kwalificatie volgens de ErP-richtlijnen.

Door het verdampen op een lage temperatuur kan het captatiesysteem voor omgevingswarmte bovendien twee derde kleiner gedimensioneerd worden dan bij een compressiewarmtepomp met een gelijk vermogen. Ook de CO2-emissies worden met 30% gereduceerd. Omdat ad- en desorptie zuiver fysische reacties zijn waarbij de structuur van het zeoliet niet verandert, kan de cyclus eindeloos herhaald worden. Er treedt geen slijtage op en de zeolietmodule blijft volgens de fabrikanten gedurende zijn hele levensduur onderhoudsvrij.

In het geval dat er toch iets misloopt in de zeolietmodule, moet hij echter wel in zijn volledigheid naar de fabrikant worden teruggebracht. De installateur kan zelf niet ingrijpen in de vacuümmodule.