Omslagpunt bij hybride systemen met warmtepomp

• 04-06-2024


• Joris Bracke


• 0 Comments

• Blogposts
  Verwarming
  

Een hybride verwarmingsinstallatie met een warmtepomp bevat in het klassieke geval 2 opwekkers:

• Warmtepomp (in veel gevallen zal dit een lucht/water warmtepomp zijn)
• (condenserende) gasketel

Wanneer de warmtepomp onvoldoende vermogen kan leveren om de warmtebehoefte te dekken, zal de gasketel bijspringen of overnemen.

Om de nodige vermogens voor een woning te kunnen gaan selecteren, is er steeds een correcte en gedetailleerde warmteverliesberekening nodig (volgens NBN EN 12831). Dit is standaard een detailberekening ruimte per ruimte, waarin alle parameters worden beschouwd die een invloed kunnen hebben op de warmtebehoefte van het gebouw of de ruimte.

Veel bouwheren verbouwen vandaag door omstandigheden in fasen, waardoor er vaak de eerste jaren nog behoefte is aan bijkomende verwarming naast de warmtepomp. Wanneer alle fasen afgerond zijn en het label A behaald wordt, is vaak de bijverwarming niet meer nodig.

Monovalent versus bivalent systeem: het onderscheid

Een monovalent systeem beschouwen we als een installatie waarbij de warmtepomp 100% van de warmtevraag kan afdekken. Het benodigd vermogen van de warmtepomp wordt hierbij bepaald door de warmtebehoefte of warmteverliesberekening, het vermogen voor het sanitair warm water (tenzij dit afzonderlijk wordt opgewekt) en eventuele extra systemen die warmte van de warmtepomp vragen (bv. zwembad). We spreken ook over het energie-dekkend vermogen van de warmtepomp.

In het geval de elektrische weerstand aanwezig is in het systeem (meestal het geval voor Vlaanderen), kan men ook spreken van een mono-energetisch systeem, kortom: het systeem werkt op 1 energiedrager, nl. elektriciteit.

De afweging is bij elk gebouw en elke installatie te maken of er monovalent kan gewerkt worden, waarbij 100% van de warmtebehoefte afgedekt wordt door de warmtepomp, of dat een bijverwarming en dus een bivalent systeem nodig is.

Grafiek: monovalente systeem, waarbij de warmtepomp een dekking geeft van 100% (tot 10kW bij -15°C). Verticale as toont het vermogen van de warmtepomp en horizontale as toont de buitentemperatuur. Er wordt verondersteld dat er vanaf 20°C of meer buiten niet meer verwarmd wordt door de warmtepomp.

Een hybride installatie of bivalent systeem ontstaat wanneer de warmtepomp minder dan 100% van de warmtebehoefte kan dekken en er een extra opwekker nodig is om dit op te vangen. Budgettair is het mogelijk dat een bivalent systeem duurder is dan een monovalent systeem en meer ruimte in beslag neemt in het gebouw. Bij een hybride installatie is het omslagpunt of bivalent punt, het punt of moment waar de extra opwekker overneemt of bijspringt.

Voorbeeld 1 : bivalent systeem waarbij de ketel op het bivalent punt volledig overneemt:

Hier spreken we van een bivalent systeem waarbij de warmtepomp tot op een specifiek punt kan verwarmen en daarna de externe warmtebron, zoals een ketel, het volledige vermogen overneemt. In dit geval ligt het bivalent punt op 3°C buitentemperatuur, waarbij de ketel het volledige vermogen overneemt en de warmtepomp niet meer bijspringt (ofwel een schakelend systeem). De ketel heeft bijgevolg een maximaal vermogen dat hoger ligt als de totale warmtebehoefte of warmtevraag aan de totale installatie. Deze werking is interessant om de warmtepomp in zomer en tussenseizoenen te gebruiken en een lager gasverbruik te realiseren over een volledig jaar.

Voorbeeld 2: bivalent parallel systeem waarbij de ketel op het bivalent punt enkel bijspringt:

Interessanter in hybride systemen is het bivalent parallel systeem. Dit wordt vandaag veel toegepast bij woningen. De warmtepomp werkt in dit geval als master en commandeert de ketel om bij te springen op het bivalent punt. Hierbij werkt alleen de warmtepomp tot het bivalent punt en is het vermogen van de ketel aanvullend op het vermogen van de warmtepomp. Kortom: de ketel vult het vermogen enkel aan als het nodig is en de warmtepomp blijft in werking. De ketel/bijverwarming kan kleiner gedimensioneerd worden en ook het vermogen van de warmtepomp blijft beschikbaar om een deel van de warmtebehoefte te dekken.

Voorbeeld 3: bivalent systeem waarbij de warmtepomp in werking blijft tot het uitschakelpunt en de ketel op het bivalent punt bijspringt tot het uitschakelpunt en vanaf dan 100% overneemt:

Een combinatie van beide bovenstaande voorbeelden is mogelijk. De warmtepomp werkt zonder bijverwarming tot het bivalent punt, daarna werken de ketel/bijverwarming en warmtepomp samen tot aan het uitschakelpunt van de warmtepomp. Vanaf het uitschakelpunt zal alleen de ketel of bijverwarming het volledige vermogen dekken van de warmtevraag.

Deze laatste schakeling is het alternatief parallel systeem, welk niet zo vaak voorkomt. Doordat het vermogen daalt in functie van de buitentemperatuur, is het interessant om hier de warmtepomp nog enige tijd te laten meedraaien in combinatie met de ketel, waarna voor 100% naar de ketel wordt overgeschakeld. Dit is vooral mogelijk in koudere landen of streken, waarbij de werking van de warmtepomp stilgelegd wordt wanneer de COP (Coefficient Of Performance) te laag/slecht wordt. Hierbij wordt steeds het meest optimale rendement nagestreefd.

Hoe het bivalent punt te bepalen?

Gewoonlijk gebeurt dit met de grafiek van de warmtepomp uit de technische brochure of handleiding, met vermelding verwarmingsvermogen i.f.v. de buitentemperatuur. Ter controle kan deze grafiek opgevraagd worden.

Voorbeeld ter controle van het bivalent punt voor verwarming:

Selectie van het bivalent punt kan bepaald worden door de temperatuur waarbij geen verwarming nodig is (bv. 21°C buitentemperatuur heeft een behoefte van 0kW) en de laagst mogelijke buitentemperatuur waarbij het gewenste vermogen moet bekomen worden (-8°C heeft 8 kW nodig voor de woning).

Deze punten verbinden geeft een snijpunt op de lijn waar de aanvoertemperaturen weergegeven staan. Bij vloerverwarming is dit klassiek rond de 35°C. De snijlijn geeft het bivalent punt van deze warmtepomp bij vloerverwarming op 35°C aanvoertemperatuur weer, nl. min 5°C. Wanneer de buitentemperatuur lager is dan min 5°C zal deze warmtepomp bijgevolg onvoldoende vermogen geven om monovalent te kunnen werken. Op deze grafiek kan onderzocht worden of de warmtepomp dus voldoende vermogen kan leveren om de warmtebehoefte voor 100% (en dus monovalent) te dekken. Als dat niet voor 100% lukt bij de theoretisch koudste temperatuur, dan zal bijverwarming noodzakelijk zijn.

Bijverwarming kan bekomen worden met de elektrische weerstand, maar ook met een ketel of andere bijverwarming (interessanter bij grotere tekorten). Als de elektrische warmtepomp slechts 2 tot 3°C onder de minimale buitentemperatuur uitkomt, is het niet nodig om met een ketel te gaan bijverwarmen, enkele keren per jaar kan de elektrische weerstand zonder abnormale kosten bijverwarmen.

Economisch omslagpunt

Het is ook mogelijk om het omslagpunt van elektriciteit naar gas te bepalen op de prijs. Daarvoor moeten de aanvoertemperatuur van beide vergelijkbare systemen steeds dezelfde zijn (bv. 35°C aanvoertemperatuur). Als we rekening houden met de condenswarmte (condenserende ketel) en rijk aardgas (zoals de omschakeling is voorzien in België voor 2023/2024), dan komt er ongeveer 11,46 kWh vrij bij het verbranden van 1 m³ rijk aardgas. Volgens cijfers van de VREG (Vlaamse Regulator van de Elektriciteits- en Gasmarkt) is de prijs voor het 2e deel van 2023 voor 1 m³ gas ongeveer 0,12€/kWh geleverde warmte.

Bij een warmtepomp (met een COP van 4,5) kan met 1 kWh elektriciteit een 4,5 kWh warmte worden geproduceerd. Bij een gemiddelde kost (VREG voor 2e deel van 2023) van 0,38 € /kWh, kunnen we berekenen dat 1kWh kost 0,38€ en de geleverde warmte is dan 0,38 / 4,5 = 0,0844 € per kWh. Zonder elektrische bijverwarming kan de warmtepomp (a rato 0,0844€/kWh) dus goedkoper verwarmen als een gasketel (a rato 0,1200€/kWh).

De vraag is vervolgens: wat is nu het financiële omslagpunt van een hybride installatie met bovenstaande karakteristieken? We berekenen het financiële omslagpunt als volgt: 0,38/0,12 = 3,17. M.a.w. als de COP van de warmtepomp hoger ligt dan 3,17, dan is het economisch interessanter om te verwarmen met een warmtepomp i.p.v. een gasketel. Bij een hogere COP, zal de warmtepomp langer interessant blijven om te gebruiken (en heeft een bivalent parallel systeem meer de voorkeur).

Wanneer de COP zakt, kan de omschakeling economisch berekend worden en in de schakeling vervat worden zodat er steeds om de meest economische manier verwarmd wordt met een hybride systeem. De schommelingen van de prijzen gas en elektriciteit zijn dan op te volgen en in het systeem in te geven.

Als ook eigen energie-opwekking gebeurt (bv. met zonnepanelen), dan kan het omslagpunt op een ander punt liggen in de zomer bij opwekking en zal het nog interessanter zijn om met een warmtepomp te verwarmen.

Tot slot

Door een slimme sturing via cloud based monitoring kan het verbruik en de capaciteitspiek op de afname van het elektriciteitsnet beperkt worden. Zodoende is het mogelijk om de elektriciteitsafname optimaal te sturen, zeker wanneer er ook autobatterijen of andere elektrische verbruikers voorzien worden van stroom.

Bij elke installatie met een warmtepomp is het aangewezen op lage temperatuur te werken en het afgiftesysteem hierop af te stemmen, ook bij bivalente en hybride systemen. Zodoende kan er bijgeïsoleerd worden en de fossiele brandstof op (lange) termijn vermeden worden.

Bronnen:

Vitruvius Academy, Warmtepompen, Niels Vandewalle (Revice bv)

Calorische waarde van gas: https://www.energids.be/nl/vraag-antwoord/wat-is-de-calorische-waarde-van-het-gas/9655/