Hoe een hybride warmtepomp correct dimensioneren en installeren?

Een hybride warmtepomp, waarbij de warmtepomp wordt ondersteund door een tweede warmtegenerator, kan een goede oplossing zijn voor gebouwen met grote warmteverliezen. Om een efficiënte en betrouwbare werking te verzekeren, zijn een correcte dimensionering en een goed uitgevoerde hydraulische installatie essentieel. Maar waarop moet u precies letten bij de vermogensbepaling en de plaatsing van het systeem?

Waarom een hybride warmtepomp?

Een hybride warmtepomp combineert een warmtepomp en een verwarmingsketel. De warmtepomp (doorgaans een lucht-water of een grond-watermodel) levert het grootste deel van het verwarmingsvermogen. Een ketel (meestal op stookolie of gas) verzorgt (deels) de productie van het warme water en schiet in actie als de warmtevraag te hoog is of de buitentemperatuur te laag is. De voordelen:

• Lagere investeringskost: in vergelijking met een volledig elektrische warmtepomp kan de warmtepomp kleiner worden gedimensioneerd, wat de initiële investering beperkt.
• Geschikt voor bestaande gebouwen: hybride systemen werken ook in gebouwen met een hoger warmteverlies of een klassiek afgiftesysteem, waar een volledig elektrische oplossing niet altijd haalbaar is.
• Beperkte aanpassingen aan de gebouwschil: Wanneer doorgedreven isolatie of afgiftesysteemaanpassingen moeilijk zijn (bijvoorbeeld bij beschermde gebouwen), kan een hybride oplossing technisch en economisch interessant zijn.
• Betrouwbaarheid en comfort: De ketel vangt piekvragen en extreme kou op, waardoor comfort gegarandeerd blijft, ook bij lage buitentemperaturen.
• Lagere CO₂-uitstoot: Hoewel nog een fossiele brandstof wordt gebruikt, daalt het totale energieverbruik en de CO₂-uitstoot aanzienlijk ten opzichte van een klassieke ketelinstallatie (tot 75% minder CO₂-uitstoot).

Voor welke toepassingen?

Daar waar volledig elektrisch verwarmen met een warmtepomp niet haalbaar is door een te groot warmteverlies van het gebouw, kan een hybride warmtepomp een oplossing zijn.

Dat is bijvoorbeeld het geval in gebouwen waar doorgedreven isolatie moeilijk of zelfs onmogelijk is, zoals in bijvoorbeeld een beschermd pand of een oude hoeve, of wanneer de financiële middelen om te isoleren voorlopig ontoereikend zijn, zoals bijvoorbeeld in schoolgebouwen.

Enkele mogelijke situaties:

Bijvoorbeeld: Het gebouw is goed geïsoleerd, maar de cv-ketel is verouderd. De eigenaar wenst de bestaande radiatoren te behouden. Een nieuw hybride systeem met nieuwe fossiele ketel, warmtepomp en boiler kan dan een oplossing zijn.

Bijvoorbeeld: Het gebouw is minder goed geïsoleerd, maar de cv-ketel is nog vrij recent. Het bestaande verwarmings- en warmwatersysteem kan worden behouden, aangevuld met een nieuwe warmtepomp.

Drie soorten hybride warmtepompen

Er zijn drie soorten hybride warmtepompopstellingen.

Bij een bivalent alternerende installatie neemt de ketel het volledig van de warmtepomp over als de warmtepomp de gewenste aanvoertemperatuur niet meer kan halen (dat is het bivalentiepunt, m.a.w. de buitentemperatuur waarop de warmtepomp alleen de verwarmingsbehoefte niet meer kan dekken). De warmtepomp slaat uit en de ketel vangt het volledige gevraagde vermogen alleen op.

Voorbeeld: een warmtepomp van 8 kW kan het gebouw op comforttemperatuur brengen tot ongeveer 0 °C buitentemperatuur. Wanneer het buiten kouder wordt (-5 °C) en het gebouw 15 kW nodig heeft, stopt de warmtepomp en levert de ketel het volledige vermogen.

Bij een bivalent parallelle installatie werken de warmtepomp en de ketel gelijktijdig samen. De warmtepomp blijft dus ook bij lagere buitentemperaturen bijdragen, terwijl de ketel enkel bijspringt om het tekort aan vermogen op te vangen.

Voorbeeld: bij –5 °C levert de warmtepomp nog 6 kW, en vult de ketel de resterende 9 kW aan. Zo blijft de warmtepomp zo veel mogelijk in werking, en moet de ketel slechts beperkt bijspringen.

Bij een bivalent deelparallelle installatie verwarmt de warmtepomp bij milde buitentemperaturen alleen, bij matige koude temperaturen werken de warmtepomp en ketel samen, en bij zeer lage buitentemperaturen neemt de ketel de verwarming volledig over.

Voorbeeld: een warmtepomp van 8 kW kan het gebouw bij milde temperaturen nog alleen verwarmen. Zakt de buitentemperatuur tot rond 0 °C en stijgt de warmtevraag tot bijvoorbeeld 10 kW, dan blijft de warmtepomp draaien en springt de ketel bij met 2 kW. Wordt het nog kouder en heeft het gebouw bij –7 °C ongeveer 15 kW nodig, dan schakelt de regeling de warmtepomp uit en neemt de ketel het volledige vermogen (15 kW) over.

De bivalent deelparallelle werking is in de meeste renovatietoepassingen het interessantst, omdat de warmtepomp maximaal wordt ingezet wanneer ze efficiënt werkt, en de ketel maar wordt ingezet wanneer er hogere temperaturen in het afgiftesysteem nodig zijn die buiten het temperatuurbereik van de warmtepomp vallen.

Alles begint met een warmteverliesberekening

Om te bepalen hoeveel vermogen (kW) er nodig is om het gebouw comfortabel te verwarmen (= de piekwarmtevraag), is er een genormaliseerde warmteverliesberekening nodig volgens de norm NBN EN 12831. Deze berekent het warmteverlies van het volledig beschermd volume, bij een binnentemperatuur van 20 °C en een buitentemperatuur van -7 °C. Het is de som van:

– de transmissieverliezen (via dak, muren, vloer, deuren en vensters)

– de infiltratieverliezen (indringing van koude lucht via kieren en spleten)

– de ventilatieverliezen (warmteverlies door gecontroleerde ventilatie).

Bij nieuwbouw en ingrijpende energetische renovaties is de warmteverliesberekening meestal al beschikbaar, omdat ze nodig is voor EPB. De EPB-verslaggever maakt de berekening, de installateur krijgt het ontwerpvermogen aangeleverd en op basis daarvan wordt de warmtepomp of ketel gekozen.

Voor de warmteverliesberekening van bestaande gebouwen bestaan er rekentools, die worden aangeboden door fabrikanten, distributeurs en sectororganisaties.

Buildwise, bijvoorbeeld heeft hiervoor twee tools ontwikkeld:

• Standard Heatload, is een Excel-bestand waarmee gedetailleerde berekeningen kunnen worden gemaakt in overeenstemming met de NBN EN 12831 norm.

• Heatload Webapplicatie, geeft online een snelle schatting op basis van de EPB-gegevens of het energieverbruik van het gebouw.

Nu de piekwarmtevraag van de woning gekend is, kan het geschikte vermogen van de warmtepomp en de ketel worden bepaald.

Kan de bestaande ketel worden behouden?

Maar eerst dient te worden nagegaan of de bestaande ketel kan worden behouden of niet.

In sommige gevallen kan de bestaande ketel behouden blijven. Het is wel belangrijk om te controleren of de ketel nog binnen zijn optimale werkingsvoorwaarden kan functioneren wanneer hij gecombineerd wordt met een warmtepomp.

Wanneer is de bestaande ketel minder geschikt?

• De ketel is sterk overgedimensioneerd: Veel oudere installaties hebben een ketelvermogen dat veel groter is dan het werkelijke warmteverlies van het gebouw (onder meer voor het snel ophalen van de nachtverlaging ‘s morgens). Wanneer een warmtepomp een deel van de warmtevraag overneemt, zal de ketel door het te grote vermogen te vaak starten en stoppen (pendelen).
• De ketel kan niet voldoende diep moduleren: In bivalent (deel)parallelle werking moet de ketel soms maar een klein tekort aanvullen en dus maar een beperkt vermogen bijleveren, bijvoorbeeld 2–3 kW. Als de ketel pas kan starten vanaf bijvoorbeeld 10 kW, ontstaat opnieuw pendelgedrag. Een toestel met een groot modulatiebereik is dan cruciaal. Een pendelende ketel zorgt voor een pendelende temperatuur in de gehele installatie en heeft bijgevolg een negatieve invloed op de efficiëntie van de gehele installatie, dus ook op de warmtepomp.
• De ketel is te oud: is het wel nog zinvol om de ketel jarenlang mee te nemen in een hybride systeem?
• De regeling laat geen goede samenwerking tussen de warmtepomp en ketel toe.
• De ketel past niet bij het gekozen hybride concept: bijvoorbeeld bij een bivalent alternerende werking moet de ketel voldoende vermogen behouden om bij koude temperaturen de volledige warmtevraag alleen te leveren. Als de ketel te klein is of niet betrouwbaar genoeg, kan hij die rol niet opnemen.

Bij voorkeur kiest men in een hybride installatie voor een warmtepomp en ketel van hetzelfde merk, omdat bij toestellen van hetzelfde merk de onderlinge connectie tussen de beide warmte-opwekkers al technisch uitgewerkt, getest en gedocumenteerd is door de fabrikant. Wanneer dit niet mogelijk is, moet zorgvuldig worden nagegaan of beide toestellen compatibel zijn (bv. of de ketel een extern vrijgave of modulerend signaal accepteert, de warmtepomp de juiste setpunten kan doorgeven, enz.).

Vermijd nachtverlagingen
Nachtverlaging klinkt logisch (’s nachts kouder zetten om energie te besparen) maar is vaak minder efficiënt. ’s Morgens moet de installatie de temperatuurverlaging immers snel opnieuw goedmaken, wat extra vermogen en hogere vertrektemperaturen vraagt. Daardoor daalt het rendement en ligt het energieverbruik in vele gevallen zelfs hoger dan wanneer de comforttemperatuur ’s nachts gewoon constant wordt gehouden.

Welk warmtepomp- en ketelvermogen is nodig?

De warmtepomp in een hybride opstelling wordt meestal niet gedimensioneerd op de volledige piekwarmtevraag van het gebouw.

Om een indicatie te krijgen van de benodigde capaciteit van een warmtepomp in een hybride opstelling is een formule opgesteld.

Warmtepomp capaciteit in kW = (benodigde vermogen per m² x oppervlakte van de te verwarmen ruimtes in m² x bèta-factor) / 1.000

Bijvoorbeeld 75 W x 200 x 0,4 / 1.000 = 6.000 W

of eenvoudiger: Warmtepomp capaciteit in kW = (totale warmtevraag van de woning in kW x bèta-factor)

Bijvoorbeeld 15 kW x 0,4 = 6 kW

Bij een hybride opstelling, waar een cv-ketel bijspringt als de warmtevraag hoog is, is het advies van de ISSO om bèta-factor 0,4 aan te houden. Wat wil dit concreet zeggen?

De bèta-factor is een factor die bepaalt hoeveel van de warmtebehoefte gedekt wordt door de warmtepomp. Bij een bèta-factor van 0,4 wil dat zeggen dat de warmtepomp bij de referentiebuitentemperatuur (bv. -10 °C) 40% van het warmtevermogen dekt. Hoewel dit aandeel op de koudste dag relatief beperkt lijkt, kan de warmtepomp in de praktijk gemiddeld ongeveer 91% van de jaarlijkse warmtevraag van de woning dekken. Tijdens de koudste periodes springt de cv-ketel bij om het resterende vermogen te leveren; dit komt overeen met ongeveer 9% van de jaarlijkse warmtevraag.

De ketel vult dan de overige vermogensnood aan.

Bij bivalent alternerend of deelparallel bedrijf moet de ketel onder het bivalentiepunt de volledige warmtevraag alleen kunnen leveren. Het ketelvermogen blijft dan quasi gelijk aan de piekwarmtevraag van het gebouw.

Bij bivalent parallel bedrijf blijft de warmtepomp ook bij lagere buitentemperaturen bijdragen. De ketel moet dan enkel het restvermogen leveren tijdens piekmomenten. In dat geval kan het ketelvermogen vaak kleiner worden gekozen.

Voorbeeld:

Het piekvermogen van het gebouw is 15 kW.

• Warmtepomp met vermogensdekking 30–50% (kleine warmtepomp)
- nominaal WP-vermogen ≈ 6 kW
- WP levert bij –7 °C ≈ 4,5 kW
- ketel moet ≈ 10,5 kW leveren (15 − 4,5)
- keuze voor ketel van 12 kW met goede modulatie

• Warmtepomp met vermogensdekking 50–70% (middelgrote warmtepomp)
- nominaal WP-vermogen ≈ 9 kW
- WP levert bij –7 °C ≈ 6,8 kW
- ketel moet ≈ 8,2 kW leveren (15 − 6,8)
- keuze voor ketel van 10 kW met goede modulatie

• Warmtepomp met vermogensdekking >70% (bijna all-electric)
- nominaal WP-vermogen ≈ 12 kW
- WP levert bij –7 °C ≈ 9 kW
- ketel moet ≈ 6 kW leveren (15 − 9)
- keuze voor ketel van 8 kW, vaak vooral voor sanitair warm water/back-up; modulatie blijft cruciaal

Toets de verschillende mogelijkheden aan elkaar

De keuze voor de ene opstelling boven de andere is vaak een evenwichtsoefening waarbij meerdere factoren meespelen. Het loont daarom om enkele mogelijke oplossingen naast elkaar te zetten en ze te vergelijken op basis van de volgende criteria:

• de investering
• het energieverbruik
• de jaarefficiëntie van de warmtepomp (SCOP)
• de CO₂-uitstoot
• het geleverde comfort
• de terugverdientijd

Het is vervolgens aan de klant om te bepalen welke factoren het meest doorwegen.

Hoe sanitair warm water opwekken?

In het kader van legionellapreventie wordt sanitair warm water regelmatig thermisch gedesinfecteerd. Daarbij wordt het water in het voorraadvat periodiek opgewarmd tot minstens 60 °C. Warmtepompen kunnen deze hoge temperatuur in de praktijk soms slechts beperkt of met een lager rendement bereiken.

In een hybride systeem zijn er daarom verschillende mogelijkheden:
– De ketel verzorgt volledig de warmwaterbereiding, doordat hij rechtstreeks op de boiler of het voorraadvat wordt aangesloten.
– De warmtepomp doet de voorverwarming, bijvoorbeeld tot 45 °C (waarbij de COP gunstig blijft), terwijl de ketel instaat voor de naverwarming en de legionellacyclus.

Deze opstelling kan eventueel worden ondersteund door een elektrische weerstand, die wordt aangestuurd door zonne-energie.

Aandachtspunten bij de installatie

Correcte hydraulische opstelling

Het belangrijkste aandachtspunt bij de installatie van een hybride warmtepomp is de hydraulische opstelling van warmtepomp en ketel ten opzichte van elkaar. Om de efficiëntie van de warmtepomp te bewaken, is het essentieel dat de ketel de werking van de warmtepomp niet negatief beïnvloedt. Dit kan gebeuren wanneer de warmte van beide toestellen zich ongewenst mengt, waardoor de warmtepomp minder draaiuren maakt of te vroeg uitschakelt.

Bij hybride installaties wordt daarom gewerkt met een buffervat. Daarbij maakt men een onderscheid tussen een parallel buffervat en een serie buffervat.

Bij een parallel buffervat zijn zowel de warmtepomp als de ketel hydraulisch gekoppeld aan hetzelfde buffervat. In dat geval bestaat het risico dat warmte, geproduceerd door de ketel, terechtkomt in de zone van het buffervat waar ook de warmtepomp haar warmte afgeeft. Hierdoor stijgt de temperatuur lokaal te snel en “denkt” de warmtepomp dat de warmtevraag al gedekt is, waardoor ze voortijdig stopt. Om dit te vermijden is de correcte buisaansluiting cruciaal: de ketel wordt doorgaans bovenaan op het buffervat aangesloten, terwijl de warmtepomp eerder in het midden van het vat in- en uitkoppelt.

Een beter alternatief is vaak een serie buffervat. Hierbij wordt het buffervat hydraulisch opgenomen in het circuit van de warmtepomp, meestal aan de retourzijde. De ketel wordt niet langer rechtstreeks op het buffervat aangesloten, maar staat in serie achter de warmtepomp. De warmtepomp levert in dit geval eerst de basiswarmte. Pas wanneer de gewenste vertrektemperatuur niet wordt gehaald, verwarmt de ketel verder bij. Zo blijft de warmtepomp maximaal benut en springt de ketel enkel bij wanneer nodig.

Let op met te hoge debieten!

Een belangrijk aandachtspunt bij de installatie is de correcte afregeling van de circulatiepompen. Het debiet door de warmtepomp en de ketel moet overeenkomen met de fabrieksvoorschriften. Wanneer een circulatiepomp te snel draait en er een te groot waterdebiet door de warmtepomp circuleert of wanneer er door een ketel van 10 kW een debiet stroomt dat hoort bij een vermogen van 30 kW is dit nadelig voor het rendement van deze toestellen.

In grotere installaties is het daarom aan te raden om balanceringsapparatuur te voorzien, zoals inregelventielen, een evenwichtsfles, buffervat, strangregelventiel of drukverschilregelaars, om een correcte waterverdeling en een stabiele hydraulische werking te garanderen.

Aandacht voor de sturing

Vandaag gebeurt de sturing van hybride installaties meestal op basis van de buitentemperatuur, de vertrektemperatuur en de warmtevraag van het gebouw.

De regelaar is in huishoudelijke installaties veelal:

• een vrijgavecontact (aan/uit): het nadeel is dat de ketel dan nog apart moet worden ingesteld op een bepaalde vertrektemperatuur. De regeling blijft dus minder verfijnd
• of een 0–10V-signaal (modulerende sturing): daarbij stuurt de warmtepomp een kleine gelijkspanning uit die overeenkomt met een gewenst temperatuursetpunt. De ketel moet slechts éénmalig geconfigureerd worden om deze schaal te begrijpen.
  Voorbeeld:
  3V = lage vertrektemperatuur
  6V = hogere vertrektemperatuur
  10V = maximale vraag

Sturing op basis van COP, dynamische elektriciteitsprijzen of CO₂-uitstoot is vandaag nog niet standaard, maar begint stilaan op te komen. Op een zonnige winterdag met lage elektriciteitsprijzen kan het bijvoorbeeld interessant zijn om tijdelijk meer warmte op te slaan in de woning via de vloerverwarming of energie op te slaan in het buffervat en de temperatuur van de sanitaire boiler te verhogen. Voor zulke toepassingen is wel een regelaar nodig die via internet actuele prijs- en netgegevens kan verwerken.

In grotere gebouwen wordt de aansturing vaak overgenomen door een gebouwbeheersysteem. Dat kan nog specifieker sturen via communicatiesystemen zoals Modbus, waarbij setpunten, temperaturen en bedrijfsmodi digitaal worden uitgewisseld.

Belang van opvolging

Hybride systemen zijn geen ‘plug-and-play’ installaties. Een goede inregeling en opvolging is essentieel.

Te vaak wordt een installatie hydraulisch perfect opgebouwd, maar onvoldoende afgeregeld. Een te hoog pompdebiet of verkeerd ingestelde regeling kan het rendement van de warmtepomp merkbaar verlagen.

Daarom raden fabrikanten vaak aan om het systeem gedurende de eerste winterperiode online op te volgen. De meeste fabrikanten voorzien goedkope en veilige online platformen met dataloggers. Deze geven technici en fabrikanten de mogelijkheid om: prestaties te monitoren, instellingen bij te sturen, fouten sneller te detecteren en optimalisaties vanop afstand door te voeren.

Dit verhoogt het rendement én de bedrijfszekerheid van hybride installaties aanzienlijk.

Jaarlijks onderhoud

Er wordt sterk aangeraden om voor hybride installaties een servicecontract op te stellen. Een jaarlijkse controle van de warmtepomp is aangewezen, waarbij onder meer:
– de verdamper en luchtkanalen worden gereinigd
– de werking en efficiëntie (COP/SCOP) worden nagegaan
– debieten, pompinstellingen en temperatuurverschillen (ΔT) worden gecontroleerd
– de correcte afvoer van condenswater onder de verdamper wordt nagezien
– het koelmiddelcircuit en eventuele lekdetectie worden gecontroleerd (indien van toepassing)
– de regeling en omschakeling tussen warmtepomp en ketel worden getest

Daarnaast blijft ook het onderhoud van de tweede warmtegenerator belangrijk. Een gasketel moet volgens de geldende regelgeving doorgaans tweejaarlijks worden onderhouden (of jaarlijks bij stookolie), zodat een veilige en efficiënte werking gegarandeerd blijft.