Nieuwe hogetemperatuur-warmtepomp van Vattenfall onder de loep

Vattenfall en Feenstra brengen volgend jaar een hogetemperatuur-warmtepomp op de markt, geschikt voor bestaande woningen. Extra isolatie en een lagetemperatuur-afgiftesysteem zijn niet nodig, zodat een gasketel één op één kan worden vervangen. Bijzonder aan de warmtepomp is het koudemiddel CO₂. De combinatie met een buffervat maakt het geschikt voor woningverwarming.

Een pilot met een prototype van de nieuwe hogetemperatuur-warmtepomp vond afgelopen jaar plaats bij twintig willekeurige eengezinswoningen in Heemskerk. In die periode viel een extreem koude wintermaand en ook toen waren de woningen goed warm te krijgen, zo meldt Wouter Wolfswinkel van Vattenfall, die de warmtepomp samen met Ramon de Graaff van Feenstra heeft ontwikkeld. “Met de lessen uit de pilot werken we aan het productiemodel. Dat gaan we weer volop testen en eind 2022 volgt de marktlancering.”

Gasketel één op één vervangen

De woningen uit de pilot werden hiervoor met een gasketel verwarmd. Die is één op éen vervangen door de HT-warmtepomp; de radiatoren bleven dus hangen. De woningen zijn matig geïsoleerd, net zoals ruim de helft van de bestaande eengezinswoningen in Nederland. “Ze hebben een basislast van maximaal 6 kW en een piekvermogen tot 11 kW, en dat kan onze hogetemperatuur-warmtepomp leveren”, zegt Wolfswinkel.

Belemmeringen wegnemen

Om ‘standaardwoningen’ te verwarmen met de gangbare warmtepompen die lage- of middentemperatuurwarmte leveren, is vaak extra isolatie en een lagetemperatuur-afgiftesysteem nodig.  Vattenfall schat dat de kosten daarvan tot zo’n 25.000 euro kunnen oplopen. En het levert ‘gedoe’ op vanwege de werkzaamheden en de lange doorlooptijd. De energiemaatschappij ziet dit als belangrijke belemmering voor huiseigenaren om de stap naar volledig elektrisch verwarmen te maken. Die belemmering is er volgens Vattenfall dus niet bij de overstap van een gasketel op een hogetemperatuur-warmtepomp.

Koudemiddel CO2 met lage GWP-waarde

Bijzonder aan de warmtepomp is het koudemiddel CO2. Het is een natuurlijk koudemiddel met een Global Warming Potential (GWP) van 1. De GWP-waarde geeft aan wat het ‘CO2-equivalent’ aan broeikaseffect ervan is. Veel warmtepompen draaien op  R410A met een GWP van 2.088, wat daarmee een ruim tweeduizend keer sterker broeikasgas is dan CO2. Inmiddels wordt steeds meer voor R32 gekozen, wat met een GWP-waarde van 675 al een stap in de goede richting is.

Meest efficiënt bij een hoge delta T

Bijzonder aan CO2 is dat een warmtepomp met dit koudemiddel het meest efficiënt is bij een zo hoog mogelijke delta T, oftewel een zo groot mogelijk verschil tussen aan- en afvoertemperatuur. Dat terwijl bij koudemiddelen als R32 en R410A juist geldt dat het rendement hoger is bij een lage delta T. “Met een aanvoertemperatuur van maximaal 45˚ C maakt de warmtepomp 65˚C of meer. Hoe lager de aanvoertemperatuur naar de warmtepomp, hoe hoger het rendement.

Samenwerken met buffer

Die hoge temperaturen zijn natuurlijk niet altijd nodig om een woning te verwarmen. Daarvoor hebben Wolfswinkel en De Graaff een oplossing gevonden in een 230 liter grote buffer waarmee de warmtepomp samenwerkt. Wolfswinkel:  “De warmtepomp is ingesteld om de buffer zo optimaal mogelijk op temperatuur te houden voor de vraag die wordt voorzien. Stel, je wilt in de zomer warm tapwater maken. Het kan dan gunstig zijn om dat overdag te doen, wanneer de zonnepanelen veel elektriciteit opwekken. Op dat moment laat je de warmtepomp de buffer opwarmen; dat is genoeg om voor een of anderhalve dag voldoende warm tapwater te hebben.”

water onttrekken op twee niveaus

De buffer is een zogenaamd stratificatietype, waarin het water in laagjes wordt bewaard. Onderin is de buffer koel; naar boven wordt het water steeds warmer. Het afgiftesysteem wordt met een variabele aanvoertemperatuur gevoed ( van 50° C tot 80° C), door op twee niveaus water aan de buffer te onttrekken. De retourtemperatuur is variabel (30° C tot 40° C) door de volumestroom te controleren. Wolfswinkel: “Op deze wijze kunnen, afhankelijk van de buitentemperatuur en warmtevraag, de radiatoren van het juiste vermogen worden voorzien, om de ruimte warm te maken of houden en tegelijkertijd kan de warmtepomp zo optimaal mogelijk blijven functioneren. Deze strategie werkt alleen bij een goed ingeregeld afgiftesysteem waarbij élk afgiftelichaam is voorzien van een instelbaar voetventiel. Goed inregelen is dus een vereiste bij installatie.”

Tapwaterbereiding

Met het cv-water in de buffer wordt het tapwater verwarmd. Dit gebeurt in een platenwisselaar,  waarbij het warme cv-water langs het koude leidingwater stroomt dat hierdoor opwarmt. Dit gebeurt op dezelfde manier als in een cv-ketel.

Wouter Wolfswinkel naast het binnendeel van het prototype van de hogetemperatuur-warmtepomp. De buffer en alle componenten zijn hierin samengebracht.

De buffer wordt in de regel op minimaal 65 ˚C gehouden. Wolfswinkel: “Deze temperatuur heeft de voorkeur omdat hij hoog genoeg is voor tapwaterbereiding en nog efficiënt kan worden gemaakt door de warmtepomp. Die kan overigens maximaal een temperatuur van 85 ˚C maken.”

Extra piekvermogen

De energie die de buffer kan leveren, ligt volgens Wolfswinkel tussen de 9 tot 14 kWh; hiermee kan een huis een paar uur worden verwarmd. “De kracht van het geheel is dat het systeem waarin de buffer is gecombineerd met de warmtepomp van maximaal 6 kW, gedurende een paar uur 11 tot 12 kW warmte aan de woning kan leveren. Daarmee kun je een woning op temperatuur brengen die vervolgens met minder energie warm kan blijven. Dat is een verschil met gangbare warmtepompen die dat extra piekvermogen niet kunnen leveren.”

Grote vraag: de seasonal COP?

De CO2-warmtepomp komt er niet onderuit dat het maken van hoge temperaturen hoe dan ook relatief veel energie kost. De grote vraag is dan ook: wat is de Seasonal COP van de warmtepomp? Die ligt volgens Wolfswinkel rond de 2,6. “We hebben dat in een praktijksituatie gemeten. Dit is de SCOP van het hele warmtepompsysteem, dus inclusief de buffer die essentieel is voor de efficiënte werking, en in gecombineerd bedrijf, met ruimteverwarming én warm tapwater.”

Hogere SCOP dan een gasketel

De SCOP is lager dan die van gangbare warmtepompen; die verbruiken over een jaar gezien 20 tot 30 procent minder elektriciteit dan het hogetemperatuur-apparaat. “Maar de SCOP is drie keer zo hoog dan de 0,91 van een cv-ketel ”, relativeert Wolfswinkel. “Daardoor kunnen we bij de overstap op onze warmtepomp minimaal energiekostenneutraliteit beloven. Vanwege de klimaatdoelen zal het verschil tussen de prijs van gas en elektriciteit alleen maar groter wordt. Dat is gunstig voor de warmtepomp. Met de warmtepomp stoot je woning verder geen CO2 meer uit en voldoe je in combinatie met groene elektriciteit dus al aan de klimaatdoelstellingen van 2050. Ook dat is belangrijk.”

Plug & play met zes pijpen

Het warmtepompsysteem van Vattenfall bestaat uit een buiten- en binnendeel. In het binnendeel zijn naast de buffer alle benodigde componenten opgenomen, zoals een tapwaterstation, verwarmingsmenggroep, regelaar, sensortechniek en de vuilfilters. Door het 230 liter grote vat is het binnendeel niet klein. Omwille van installatiegemak kan het geheel in twee delen verplaatst worden. “Twee monteurs kunnen de delen gemakkelijk op een zolder krijgen, ze zijn niet zwaar.” Het is verder een plug & play-systeem met zes pijpen die moeten worden aangesloten. Twee voor het tapwater, twee naar de cv en twee naar het buitendeel.

Geen kennis nodig van CO2 -circuit

Het buitendeel is een monoblock, met daarin de compressor en een gaskoeler. Het gedeelte met het koudemiddelencircuit is een hermetisch afgesloten blok dat zwaar is uitgevoerd. Dit vanwege de hoge drukken die voor de werking van het koudemiddel CO2 nodig zijn. “Als er wat met dit blok aan de hand mocht zijn, kan het in z’n geheel eenvoudig, in een kwartiertje, vervangen worden. De monteurs hebben dus geen specifieke kennis van het CO2 -circuit nodig, en uiteraard ook geen F-gassencertificering. Dat maakt de installatie gemakkelijker.”

Warmtepomp is heel stil

Als we over buitenunits praten, kan het thema geluid niet uitblijven. Wolfswinkel verzekert dat de warmtepomp heel stil is. “Stiller dan gangbare warmtepompen, wat komt doordat deze anders is gebouwd en veel zwaarder is.” Aan de regels met betrekking tot geluidsdruk op de perceelgrens kan volgens hem gemakkelijk worden voldaan, ook in kleine achtertuintjes. Ook bij de pilot in Heemskerk staan de buitenunits in kleine achtertuintjes. “Ze staan daar op het terras in de achtertuin naast de keuken en we hebben vrijwel geen klachten over geluid gehad. Met betrekking tot het geluid merk ik ook opluchting bij mensen. Vanwege verhalen in de media waren ze daar niet gerust op. Ik heb overigens ook projecten met andere warmtepompen uitgevoerd. Als je ze goed plaatst en kwaliteitsproducten gebruikt, veroorzaken ze geen klachten.”

Isoleren blijft verstandig

Hoewel extra isolatie niet nodig is bij de overstap op de hogetemperatuur-warmtepomp, blijft dit volgens Wolfswinkel wel altijd verstandig om te doen. Dit omdat het energiegebruik hierdoor minder wordt. “Isoleren kan geleidelijk plaatsvinden, nadat de hogetemperatuur-warmtepomp is geïnstalleerd. Onze warmtepomp plaatsen in een woning met niet-geïsoleerde muren en enkelglas raden wij overigens niet aan.“

Geleidelijk isoleren

Dat woningeigenaren geleidelijk kunnen isoleren, is volgens Wolfswinkel een voordeel ten opzichte van de gangbare lagetemperatuur-warmtepompen. “Wil je die installeren, dan moet een huis goed geïsoleerd zijn. Dat betekent dat er in één keer hoge kosten gemaakt moeten worden, wat voor veel mensen een belemmering is. En dat het afgiftesysteem moet worden aangepast. Dat kan niet alleen een belemmering zijn vanwege de kosten, maar ook vanwege het comfort. Veel mensen vinden warmte van radiatoren namelijk comfortabeler. Dat is ook een belangrijk argument.”

Prijs gelijk aan gangbare warmtepompen

De  productie van het nieuwe hogetemperatuur-warmtepompsysteem is nu in voorbereiding. De verwachting is dat de levering eind 2022 kan beginnen. De prijs van het apparaat zal volgens Wolfswinkel vergelijkbaar zijn met die van de huidige all-electric warmtepompsystemen en een energiekostenneutrale overgang van gas naar all-electric mogelijk maken.

Technische specificaties op een rijtje

Het nieuwe warmtepompsysteem is gezamenlijk ontwikkeld door Vattenfall, Feenstra, DENSO en SOLVIS en maakt gebruik van een lucht/water-monoblockwarmtepomp met koudemiddel CO2 en een gestratificeerd buffervat van 230 liter met temperatuuronafhankelijke instroomvoorzieningen. Het tapwaterstation, de pompgroep voor het afgiftesysteem en de regeling zijn ondergebracht in de buffer, voor installatiegemak. Alle onderdelen van het systeem zijn door de betrokken partijen specifiek voor deze toepassing gemodificeerd en geïntegreerd tot een geheel dat efficiënt de temperatuur tot 85 °C levert die nodig is voor traditionele verwarmingssystemen met radiatoren. Het systeem is geschikt voor woningen met een basislast van maximaal 6kW en een piekvermogen tot 11kW. Ruim de helft van de bestaande eengezinswoningen valt in deze categorie.