Koelen met een warmtepomp: de mogelijkheden op een rijtje
Om het gebruik van fossiele brandstoffen verder af te bouwen is de warmtepomp hét antwoord om op een efficiënte manier te klimatiseren. Zowel om de verwarmingsvraag te vervullen, alsook om in koeling te kunnen voorzien. De technologie staat op punt, heeft bewezen een comfortabele en duurzame oplossing te zijn voor ruimteverwarming en om te koelen. Dit artikel schetst een overzicht van de verschijningsvormen en mogelijkheden, de combinatie met afgiftesystemen en de laatste ontwikkelingen in de markt.
Koelen met een warmtepomp: het omgekeerde werkingsprincipe
De warmtepomp is uitgegroeid tot een veelzijdig klimaatsysteem dat woningen kan verwarmen, kan koelen en van sanitair warm water (SWW) kan voorzien. Daardoor vervangt één installatie steeds vaker de klassieke combinatie van verwarmingsketel, airconditioning en boiler.
Het werkingsprincipe berust op een thermodynamische kringloop waarbij warmte via een koelmiddel wordt verplaatst van een bron naar een afgiftesysteem. De compressor in de warmtepomp vormt in dit proces een belangrijke schakel bij het verwarmen en actief koelen. In verwarmingsbedrijf onttrekt de warmtepomp warmte aan de buitenlucht, de bodem of het grondwater en brengt die op een bruikbaar temperatuurniveau voor de woning. Voor de productie van sanitair warm water wordt de temperatuur verder verhoogd.
Voor koeling wordt het proces omgekeerd. De warmtepomp onttrekt in dat geval warmte aan de woning en voert die af naar de buitenlucht of naar de bodem. Bij bodemgekoppelde systemen kan zelfs passieve koeling worden toegepast, waarbij enkel circulatiepompen actief zijn en de compressor niet hoeft te draaien. Enkel de bodem-gedreven warmtepompen hebben dit voordeel om ook passief te kunnen koelen. Verticale bronnen dragen daarbij de voorkeur op een horizontaal captatienet.
Grond-water, lucht-water of lucht-lucht?
Voor verwarmen, koelen en SWW-productie zijn vooral lucht-water- en bodem-waterwarmtepompen geschikt. In de residentiële markt volstaat voor een grondwaterwarmtepomp het passief koelen veelal, wat ook bijdraagt aan de regeneratie van de (warmte)bron wanneer opnieuw verwarmd dient te worden. Anders dan luchtgekoelde systemen draagt actief koelen met een grondgebonden warmtepomp nauwelijks bij aan het stedelijke hitte-eilandeffect, omdat de afgevoerde warmte in de bodem wordt opgeslagen in plaats van aan de buitenlucht wordt afgegeven.
Voor residentiële toepassingen zijn lucht-waterwarmtepompen vandaag veruit het populairst dankzij hun relatief eenvoudige installatie en beperkte investeringskost.
Ondanks dat meerdere technieken in één installatie vervat kunnen worden, wordt het voorbehouden van voldoende plaats in de technische ruimte en kokers nog belangrijker volgens architecten. Voor SWW opgewekt met een warmtepomp is telkens een voorraadvat nodig, maar ook de toestellen, collectoren en leidingen op zich nemen wel wat plaats in.
Lucht-luchtwarmtepompen kunnen uitstekend verwarmen en koelen, maar produceren meestal geen sanitair warm water. Lucht-luchtwarmtepompen of airco-units leveren wel de hoogste koelvermogens en reageren zeer snel. Ze werken met directe expansie waarbij het koelmiddel rechtstreeks warmte opneemt uit de binnenlucht.
Dankzij lage verdampingstemperaturen kunnen zij zeer diep koelen en tegelijkertijd ontvochtigen. Daardoor zijn ze bijzonder geschikt voor slaapkamers en ruimtes met hoge comforteisen. Voordelen zijn de snelle regeling, hoge koelcapaciteit en relatief eenvoudige installatie. Nadelen zijn ook hier het stroomverbruik, de zichtbare binnenunits, luchtverplaatsing, periodieke filterreiniging en het ontbreken van hydraulische integratie met andere afgiftesystemen.
Benodigde verwarmings- en koelvermogen
De benodigde verwarmings- en koelvermogens worden bepaald via een warmteverlies- en koellastberekening. Het verwarmingsvermogen wordt berekend op basis van transmissieverliezen door de gebouwschil en de ventilatieverliezen bij ontwerp-buitentemperatuur. Hiervoor is de norm NBN EN 12831-1 van toepassing. Voor koeling wordt gekeken naar zonnewinsten, interne warmtelasten, ventilatie en transmissie. In moderne woningen bedraagt de koellast vaak 20 tot 40 W/m², terwijl het verwarmingsvermogen doorgaans tussen 30 en 60 W/m² ligt. Een correcte dimensionering is essentieel om comfort, rendement en levensduur te garanderen.
Welke afgiftesystemen om te koelen?
Bij grond-water en lucht-water toepassingen is er een afgiftesysteem nodig. Dat dient om warmte, maar ook om koude over te dragen aan de ruimte.
Radiatoren
Koelen met klassieke radiatoren is in de praktijk nauwelijks haalbaar. Radiatoren zijn ontworpen voor hoge watertemperaturen en hebben relatief kleine warmtewissel-oppervlakken. Om voldoende koelvermogen te leveren zou het water sterk moeten worden afgekoeld, waardoor vrijwel onmiddellijk condensatie ontstaat op het radiatoroppervlak.
Bovendien is de natuurlijke convectie beperkt. Het koelvermogen blijft daardoor laag terwijl het risico op vochtproblemen groot wordt. Om die redenen worden radiatoren niet ingezet voor actieve koeling.
Vloer- en wandverwarming
Vloer- en wandverwarming kunnen wel worden gebruikt voor koeling. Hierbij circuleert koel water, typisch tussen 16 en 20 °C, door de leidingen. Het systeem absorbeert warmte uit de ruimte via straling en in beperkte mate via convectie.
De grootste beperking wordt gevormd door het condensatiepunt. Wanneer de oppervlaktetemperatuur onder het dauwpunt van de binnenlucht zakt, ontstaat condensvorming op de vloer of wand. Om dit te vermijden wordt meestal gewerkt met dauwpuntbewaking. De aanvoertemperatuur wordt gemiddeld boven de 18°C gehouden. In uitzonderlijke gevallen, bijvoorbeeld wanneer parket gebruikt wordt, meten sensoren de temperatuur en relatieve vochtigheid en verhogen automatisch de watertemperatuur wanneer condensatie dreigt. Daardoor blijft de koelcapaciteit beperkt. In de praktijk levert vloerkoeling ongeveer 20 tot 40 W/m² op. Wandkoeling kan iets hogere vermogens halen, omdat een wand minder snel als onaangenaam koud wordt ervaren.
De voordelen zijn het hoge comfort, de stille werking en het uitstekende rendement. Nadelen zijn de beperkte koelcapaciteit, de tragere reactie en de afhankelijkheid van het dauwpunt.
Ventiloconvectoren
Ventiloconvectoren combineren een warmtewisselaar met een ventilator. Hierdoor kunnen zij aanzienlijk hogere koelvermogens leveren dan vloerverwarming.
Bij niet-condenserend koelen blijft de watertemperatuur boven het dauwpunt. Het systeem werkt dan vergelijkbaar met vloerkoeling maar met hogere vermogens dankzij de geforceerde luchtcirculatie.
Bij condenserend koelen wordt de watertemperatuur verlaagd tot bijvoorbeeld 7 à 12 °C. Daarbij ontstaat condens op de warmtewisselaar, die via een condensopvangbak en condensafvoer wordt afgevoerd. De koelcapaciteit stijgt hierdoor aanzienlijk en de lucht wordt bovendien ontvochtigd.
Ventiloconvectoren kunnen probleemloos ruimtetemperaturen van 23 tot 25 °C realiseren, zelfs tijdens warme zomerdagen. Nadelen zijn de aanwezigheid van ventilatoren en bijhorend stroomverbruik, mogelijke geluidshinder en de noodzaak van condensafvoer en periodiek onderhoud.
Zonering
Moderne woningen worden steeds vaker zonaal gekoeld en verwarmd. Daarbij wordt het gebouw opgedeeld in afzonderlijke comfortzones met elk een eigen regeling.
Het is perfect mogelijk om enkel bepaalde ruimtes te koelen, bijvoorbeeld slaapkamers, terwijl andere ruimtes niet actief worden gekoeld. Ook combinaties waarbij slaapkamers worden gekoeld maar badkamers niet, komen voor.
Tegelijkertijd verwarmen en koelen binnen één hydraulisch circuit is echter complex. Een klassieke warmtepomp produceert op een bepaald moment ofwel warm ofwel koud water. Gelijktijdig verwarmen en koelen vereist aparte hydraulische circuits of specifieke systemen met warmteterugwinning. Om die reden wordt dit in woningen niet toegepast.
In tussenseizoenen kan het voorkomen dat er de ene dag verwarmingsvraag is, terwijl er daags nadien koeling gewenst is in het gebouw. Om bewonerscomfort en energie-efficiëntie te verenigen is het belangrijk door te spreken met de bouwheer wanneer de warmtepomp omschakelt.
Het is best dit niet enkel op basis van de buitentemperatuur te doen, maar ook rekening te houden met de binnentemperatuur, de over- en onderschrijdingstijd. De overschrijdingstijd wil zeggen dat de buitentemperatuur X tijd overschreven moet worden tegen dat er pas gestart wordt met koelen. Je kan dit zelf kiezen in overleg met de klant, vaak wordt tussen de 0 en 12u gekozen. De onderschrijdingstijd is het tegenovergestelde.
De regeling gebeurt via thermostaten, zoneventielen, afzonderlijke verdelers of individuele ventiloconvectoren. Bij lucht-luchtsystemen beschikt elke binnenunit over een eigen regeling. Vanuit hydraulisch oogpunt wordt meestal gewerkt met twee tot vier zones. Een veelvoorkomende indeling bestaat uit leefruimtes, slaapkamers, badkamers en eventueel een bureau.
Sterk doorgedreven zonering verhoogt het comfort en beperkt onnodig energieverbruik. Daartegenover staan hogere investeringskosten, een complexere regeling en een verhoogd risico op hydraulische onbalans wanneer te veel zones gelijktijdig sluiten.
Mogelijke opstellingen
De technisch meest interessante combinaties voor verwarmen én koelen zijn systemen die lage aanvoertemperaturen combineren met voldoende koelcapaciteit.
In nieuwbouwwoningen wordt het vaakst gekozen voor een lucht-waterwarmtepomp met vloerverwarming in de volledige woning. Wanneer bijkomende koelcapaciteit gewenst is, worden ventiloconvectoren of lucht-luchtunits toegevoegd in de slaapkamers.
In renovaties zijn bestaande radiatoren vaak aanwezig. Omdat deze niet geschikt zijn voor koeling, wordt dan regelmatig gekozen voor een hybride oplossing met radiatoren voor verwarming enerzijds ventiloconvectoren of airco-units in een aparte installatie specifiek voor koeling.
Hydraulisch wordt meestal gewerkt met één of meerdere circuits. Eén circuit volstaat wanneer alle afgiftesystemen met vergelijkbare temperaturen werken. Meerdere circuits zijn nodig zodra verschillende temperatuurregimes voorkomen, bijvoorbeeld vloerverwarming beneden en ventiloconvectoren boven.
De regeling van verwarmen en koelen gebeurt via de warmtepompregeling, aangevuld met een weersafhankelijke regeling, kamerthermostaten, menggroepen en zonecontrollers.
Veel voorkomende configuraties zijn:
- vloerverwarming beneden en boven
- vloerverwarming beneden met ventiloconvectoren boven
- radiatoren beneden met ventiloconvectoren boven
- vloerverwarming beneden met lucht-luchtunits boven
- ventiloconvectoren in de volledige woning
Praktijkvoorbeelden
Een efficiënt toepassingsvoorbeeld voor nieuwbouwwoningen is het voorzien van een volledige woning van vloerverwarmingskringen, liefst aangestuurd met een bodem-waterwarmtepomp. Een goedkopere oplossing bestaat in het combineren met een monoblock lucht-water-warmtepomp. Zoneregeling kan een hulp bieden wanneer ruimtes van functie wisselen, bijvoorbeeld wanneer een kind het huis uit gaat en een slaapkamer omgevormd wordt tot een bureauruimte.
Bij renovaties is het behouden van radiatoren en deze aansluiten op een warmtepomp mogelijk als deze ook aan een lager temperatuursregime voldoende warmte afgeven. Om in de zomer koeling te realiseren wordt dan best gecombineerd met lucht-luchtunits op de verdieping, die in warme periodes de slaapkamers snel kunnen afkoelen.
Innovatie en ontwikkelingen
De grootste uitdaging vandaag zit in de koudemiddeltransitie. Natuurlijke koudemiddelen met een lage GWP-waarde, een maatstaf voor het aardopwarmingsvermogen, zijn benodigd, maar kennen ook nieuwe uitdagingen. R290 (propaan) wordt om die reden steeds vaker gebruikt in installaties, omdat het een stabiel en voor deze toepassing zeer geschikt middel is met een lage GWP van 3.
Met dank aan: Bosch Home Comfort, Daikin, Nathan, Vaillant