Waaruit bestaat een centraal verwarmingssysteem?
De meeste woningen in Nederland worden centraal verwarmd, ook wel cv-systeem genoemd. De opwekking van warmte vindt centraal plaats en de warmte wordt via vloeistofleidingen verspreid over de woning. Centrale verwarming is efficiënt en effectief; en er is maar 1 verwarmingstoestel nodig, bijvoorbeeld een HR-ketel of een warmtepomp. Het is bovendien zinvol om te investeren in een toestel met een zo’n hoog mogelijk rendement. Het rendement van warmtepompen is bijvoorbeeld erg hoog.
Hoewel ze heel verschillend kunnen zijn van uitvoering, zijn in alle centrale verwarmingssystemen dezelfde functionele bouwstenen te herkennen. We onderscheiden er 6. Onderstaand figuur geeft ze schematisch weer. Niet elk systeem heeft alle bouwstenen; soms kunnen onderdelen worden weggelaten.
1. De energiebron
De basis voor verwarming is altijd een energie- of warmtebron. In Nederland is de energiebron voor verwarming vaak aardgas. Oude verwarmingssystemen gebruiken soms nog olie of steenkool als bron. De zon is de energiebron voor een zonneboiler. Een warmtepomp maakt gebruik van 2 soorten bronnen: een externe warmtebron (meestal is dit omgevingswarmte of restwarmte) en een bron voor hulpenergie (meestal gas of elektriciteit).
Meer lezen over de warmtebron van een warmtepomp.
2. Conversie naar bruikbare warmte
Uit de primaire energiebron moet via een conversiestap bruikbare warmte worden gemaakt. Bij een gasgestookte verwarmingsketel is de conversiestap het verbrandingsproces, bij zonneboilers vindt de conversie plaats in een collector. De conversiestap bij een warmtepomp is een gecompliceerd thermodynamisch proces: omgevingswarmte (meestal afkomstig uit de bodem of uit de lucht) wordt met behulp van elektrische energie naar een bruikbaar temperatuurniveau gebracht. Lees hier hoe een warmtepomp werkt.
3. Opslag (buffer)
Veel systemen beschikken over de mogelijkheid warmte tijdelijk op te slaan: de buffer. Deze buffer koppelt vraag en aanbod aan elkaar wanneer die 2 niet gelijktijdig zijn, of wanneer het efficiënter is om het systeem meer warmte te laten produceren dan op dat moment nodig is. Het opslagvat van een zonneboiler is een voorbeeld van zo’n buffer. Ook de bodem kan dienen om warmte over een langere periode te bufferen.
Meer lezen over opslag bij warmtepompen.
4. Transport en distributie
In nagenoeg alle verwarmingssystemen is er een afstand tussen de plaats waar de warmte wordt geproduceerd en de plek waar die warmte gewenst is. Die afstand wordt overbrugd door een transportsysteem. Vaak is dit een warmwatersysteem; in bijzondere gevallen wordt in plaats van water een andere vloeistof gebruikt.
Het verplaatsen van warmte gaat altijd gepaard met verliezen. Als de leidingen heel lang zijn, kan het zinvol zijn af te stappen van een centrale warmtebron. Maar in de meeste woonhuizen zijn de afstanden niet groot en kan het ongewenst weglekken van warmte eenvoudig worden beperkt met leidingisolatie.
5. Afgifte
De afgifte van warmte in een gebouw vindt op verschillende manieren plaats: door middel van radiatoren, vloerverwarming, wandverwarming, convectoren etc. De keuze van het afgiftesysteem is van grote invloed op het ontwerp en op de totale efficiency van een verwarmingsinstallatie. Met vloer- of wandverwarming is zeer efficiënte verwarming op een laag temperatuurniveau mogelijk.
Lees meer over afgiftesystemen.
6. Regeling
De regeling wordt steeds belangrijker voor de prestatie van verwarmingssystemen en voor het gebruiksgemak. Juist bij efficiënte systemen luistert de regeling nauw. Ontwikkelingen op het gebied van regeling en aansturing van installaties volgen elkaar snel op.
Lees meer over de regeling van warmtesystemen
Warmtebronnen voor warmtepompen
De bron is het systeem waaraan de warmtepomp het grootste deel van zijn energie onttrekt: warmte in de winter en soms ook koude in de zomer.
Warmtebronnen voor warmtepompen zijn er in 3 soorten: lucht, water en bodem. Deze 3 komen voor als ‘natuurlijke’ bron (buitenlucht, grondwater, oppervlaktewater en bodemwarmte). Lucht en water kunnen ook bronnen zijn van restwarmte (afvalwarmte uit ventilatielucht, uit afvalwater of uit industriële processen).
Bronkeuze
De keuze van de bron is afhankelijk van de situatie: de beschikbaarheid van de bron, de mogelijkheid om grondboringen te doen of de aanwezigheid van afvalwarmtestromen. Daarnaast is de keuze van de bron afhankelijk van de warmtevraag en eventueel de koelvraag. Bij grondbronnen moet ook worden gekeken naar de gemiddelde brontemperatuur, minimale brontemperatuur in de winter en brontemperatuur na 1 of meerdere seizoenen. Voor elk project is dus een goede afweging nodig.
Gesloten of open
Water- en bodembronnen komen voor als open en gesloten systemen. Bij een open systeem wordt grondwater opgepompt om er warmte aan te onttrekken; daarna wordt het weer teruggebracht in de grond. Open bronnen worden vaak collectief gebruikt; een nutsbedrijf zorgt dan meestal voor het beheer.
Bij een gesloten bron wordt een warmtewisselaar in de grond gebracht. Het grondwater blijft dus in de grond en staat via de warmtewisselaar warmte of koude af. Als individuele woningen een grondbron hebben is dit meestal een gesloten bron. Daarmee is het mogelijk om topkoeling toe te passen. Topkoeling (niet te verwarren met airconditioning) is een milde en energiezuinige manier om een woning te koelen met behulp van koude uit de bodem.
Een stukje warmtepompgeschiedenis
Eind jaren zeventig van de vorige eeuw verschenen de eerste warmtepompen die buitenlucht als warmtebron gebruikten. De techniek was gebaseerd op die van de airconditioning. Lucht als warmtebron heeft voordelen: lucht is algemeen beschikbaar en is goedkoop te exploiteren. Een nadeel is er ook: op het moment dat de warmtevraag groot is, heeft de lucht een lage temperatuur. Daardoor blijft het rendement beperkt.
Van lucht naar grondwater
Grondwater is een goed alternatief. Het boren van een grondwaterbron is echter duur. Op veel plaatsen is het niet toegestaan om water aan de ondergrond te onttrekken, en is dus ook een dure retourput nodig. Daarnaast bevat het grondwater soms veel ijzer, dat in contact met zuurstof gaat oxideren en uitvlokken.
Van grondwater naar bodem
In de loop der tijd kwam de bodem als warmtebron in beeld. In Oostenrijk werd gewerkt met horizontale bodemwarmtewisselaars. Voor het dichtbevolkte Nederland was deze techniek niet geschikt, maar wel de variant met een verticale bodemwarmtewisselaar. Ook een doorontwikkeling hiervan, met heipalen die als warmtewisselaar functioneren (de zogeheten ‘energiepaal’), bleek interessant.
Warmte én koude
Een nadeel van een bodembron is dat bij jarenlang gebruik de temperatuur van de bron geleidelijk daalt, waardoor de warmtepomp een deel van zijn rendement verliest. Toen de vraag naar koeling in woonhuizen opkwam (ongeveer tegelijk met de opkomst van airconditioning in auto’s), werd dit nadeel een voordeel: de bodem kon in de zomer worden gebruikt om de woning te koelen. In de meeste gevallen is het voldoende om ’s zomers koel water (uit de bodemwarmtewisselaar) door de radiatoren te laten stromen. De warmte van de zomer wordt zo gedeeltelijk opgeslagen in de bodem en in de winter nuttig gebruikt. In de winter gebeurt het omgekeerde. Het bronsysteem wordt dan ook een WKO-systeem genoemd (WKO staat voor ‘warmte- en koude-opslag’).
WKO-systemen
Een WKO-systeem biedt in de winter warmte en in de zomer passieve koeling, terwijl de bron ieder seizoen wordt geregenereerd. Passieve koeling kost alleen pompenergie en is daarom veel zuiniger dan actieve koeling met een koelmachine (ook een warmtepomp).
Bestaande bouw
Ook in bestaande woningen biedt de warmtepomp een alternatief voor de standaard HR-ketel. Dat is belangrijk, want voor het verbeteren van de energieprestatie van de gehele woningvoorraad zijn bestaande woningen onmisbaar. Hier zijn het juist de warmtepompen met een luchtbron die perspectief bieden. In woningen met mechanische ventilatie kunnen eenvoudige lucht/waterwarmtepompen de restwarmte uit ventilatielucht bruikbaar maken voor ruimteverwarming of warm water. In woningen met enige isolatie en een goed bemeten afgiftesysteem zijn hybride warmtepompen interessant.
Warmteopslag in woningen
Voor een efficiënte en comfortabele warmtevoorziening in woningen is opslag van warmte vaak noodzakelijk. Het is gebruikelijk om warmte op te slaan in water, maar er zijn ook alternatieven.
Water: de klassieke opslagmethode
Water kan veel warmte opnemen. Daarom is water zeer geschikt voor warmteopslag. In veel huishoudens is dan ook een opslagvat voor warm water te vinden, meestal om het warmwatercomfort te vergroten. Maar wanneer duurzame energie wordt gebruikt voor de warmtevoorziening, is zo’n opslagvat van belang voor het rendement van de installatie. Duurzame warmte (bijvoorbeeld van de zon) is immers niet altijd voldoende beschikbaar op het moment van de warmtevraag.
Energieverlies is het grootste probleem bij energieopslag in water. Het water zelf én de metalen waarvan het opslagvat is gemaakt, geleiden warmte goed en geven die dus gemakkelijk af aan de omgeving. Dit is bij opslag natuurlijk niet gewenst. Daarom moeten opslagvaten extreem goed geïsoleerd worden. Ze nemen dan ook veel ruimte in.
Bodemopslag: zomerwarmte ’s winters gebruiken
De voorwaarden voor warmteopslag – ruimte en isolatie – zijn in de ondergrond meestal volop beschikbaar. Daarom is opslag in de bodem een interessant alternatief voor een opslagvat. Het principe is eenvoudig: in de zomer wordt koud water uit de bodem gebruikt om een gebouw te koelen. Op hetzelfde moment wordt opgewarmd water teruggepompt. ’s Winters is de situatie precies omgekeerd: relatief warm water in de bodem wordt gebruikt om het gebouw te verwarmen en het afgekoelde water wordt teruggepompt in de bodem.
De maximumtemperatuur van het water dat in de bodem wordt teruggepompt is echter beperkt. Bij een hoge temperatuur worden de energieverliezen groter. Ook is het denkbaar dat hoge temperaturen een negatieve invloed hebben op de drinkwaterkwaliteit. Uit voorzorg is het daarom wettelijk niet toegestaan om warmte van een hoge temperatuur in de bodem op te slaan. Een warmtepomp is nodig om in de winter een voldoende hoge watertemperatuur te krijgen, waarmee het gebouw verwarmd kan worden.
Opslag in de gebouwconstructie
Een gebouwconstructie kan zelf ook warmte vasthouden. Dit effect kan bewust worden gebruikt. Door slim materiaalgebruik (bijvoorbeeld met Phase Change Materials of PCM’s) kan de ‘thermische massa’ van een gebouw worden vergroot. Het gebouw wordt dan minder gevoelig voor temperatuurschommelingen. Op een warme zomerdag loopt de temperatuur maar langzaam op, terwijl de invallende zonne-energie wordt gebufferd in de gebouwconstructie. ’s Nachts wordt de warmte weer langzaam afgegeven. Zo treedt minder snel oververhitting op. In de winter zorgt de grote thermische massa er juist voor dat het gebouw ’s nachts minder afkoelt, zodat ’s ochtends minder energie nodig is om het gebouw te verwarmen.
Afgiftesystemen voor verwarming van woningen
Het afgiftesysteem is een essentieel onderdeel van iedere verwarmingsinstallatie. De keuze van de temperatuur waarbij de warmte wordt afgestaan aan de omgevingslucht is zeer bepalend voor de totale efficiency. Het afgiftesysteem en de afgiftetemperatuur zijn ook zeer belangrijk bij de keuze van het conversiesysteem.
Tot voor kort werden in bijna alle Nederlandse woningen standaard verwarmingsradiatoren toegepast om de warmte van een cv-ketel af te geven aan de ruimtes. Een efficiënte inzet van warmtepompen vraagt om het gebruik van lagetemperatuursystemen, zoals vloer- en wandverwarming. De laatste tijd winnen lagetemperatuursystemen steeds meer terrein.
Klassieke radiatoren
Een klassieke radiator is nog altijd het meest gebruikte afgiftesysteem in Nederland. Door de radiatoren stroomt water, dat zijn warmte afgeeft aan het metaal van de radiator. Dit geeft op zijn beurt warmte af aan de omgeving door straling. De lucht in de buurt van de radiator wordt warmer en verspreidt door convectie zijn warmte. Voor een goede warmteafgifte door middel van convectie is een relatief hoge watertemperatuur nodig. In het verleden werden installaties ontworpen voor een watertemperatuur van 90°C. Tegenwoordig is dit meestal lager: zo’n 60°C. Lees hier waarom lagetemperatuurverwarming aantrekkelijk is.
Lagetemperatuursystemen
In moderne woningen wordt steeds vaker vloer- en wandverwarming toegepast. Bij vloer- en wandverwarming zijn er geen zichtbare afgiftedelen meer. De afgifte van warmte gebeurt door middel van watervoerende kunststof leidingen in de vloer of in de wanden. De gehele oppervlakte van de wand of de vloer wordt daarmee tot verwarmingselement. Omdat het afgifteoppervlak groot is, kan de watertemperatuur lager zijn dan bij radiatoren. Daarmee zijn vloer- en wandverwarming goede voorbeelden van lagetempertuurverwarming (LTV).
Bij de toepassing van warmtepompen is LTV essentieel. Op plaatsen waar vloer- of wandverwarming niet goed mogelijk is, kunnen speciale LTV-radiatoren worden toegepast.
Betekent dit dat LTV niet mogelijk is als u normale radiatoren heeft? Met een paar aanpassingen is het wel mogelijk. Verwarmen met een lagere aanvoertemperatuur bij gewone radiatoren duurt flink langer. Met name wanneer de buitentemperatuur laag is. Door het toepassen van speciale ventilatoren in de radiatoren kan dit gedeeltelijk gecompenseerd worden. Reguliere radiatoren kunnen hierdoor meer warmte afgeven. De ventilatoren maken echter wel wat geluid.
Waarom afgiftesystemen met een lage temperatuur?
Het klinkt tegenstrijdig: lagetemperatuurverwarming. Waarom willen we voor moderne verwarmingssystemen het liefst een lage watertemperatuur?
- Een algemeen voordeel van een lage watertemperatuur is dat de leidingverliezen beperkt blijven.
- Bij warmtepompen is de efficiency omgekeerd evenredig met het verschil tussen de afgiftetemperatuur en de temperatuur van de (koelere) warmtebron. Hoe lager de afgiftetemperatuur, hoe hoger de efficiency.
- Bij gasgestookte verwarmingsapparaten is een lage retourtemperatuur gunstig, omdat het toestel dan in condenserend bedrijf de maximale hoeveelheid warmte aan het aardgas kan onttrekken. Voor een lage retourtemperatuur is ook een relatief lage afgiftetemperatuur gewenst.
Hoe werkt lagetemperatuurverwarming?
De hoeveelheid warmte die een voorwerp kan afgeven hangt af van de temperatuur en van de oppervlakte van het voorwerp. Vloer- en wandverwarming hebben het voordeel dat het oppervlakte meestal veel groter is dan van een gewone radiator. Een relatief lage temperatuur is daarom al genoeg om voldoende warmte over te dragen aan de omgeving.
Naast een betere efficiency zorgen vloer- en wandverwarming voor een gelijkmatige warmteverdeling en voor meer comfort. Er is dan ook een groeiende belangstelling voor LTV-systemen.
LTV-radiatoren
LTV-radiatoren zijn verwarmingsradiatoren die bij een relatief lage watertemperatuur toch voldoende warmte kunnen afgeven. Deze radiatoren hebben een extra groot oppervlak (vaak door extra lamellen of geledingen) of ze zijn voorzien van een ventilator, die het convectie-effect versterkt.
Regeling van de verwarmingsinstallatie
In moderne verwarmingssystemen is de regeling een steeds belangrijkere schakel. Een goede regeling verhoogt het wooncomfort en zorgt ervoor dat het verwarmingssysteem storingsvrij en efficiënt werkt.
Kamerthermostaat
In veel woningen is het zichtbare deel van de regeling de kamerthermostaat. Die hangt op een centrale plek, meestal de woonkamer. Oudere kamerthermostaten werken mechanisch, met een bimetaal en een kwikschakelaar. Als de ruimtetemperatuur de ingestelde waarde heeft bereikt, wordt de installatie eenvoudig uitgeschakeld.
Het nadeel hiervan is dat in het verwarmingssysteem op het moment van uitschakelen nog veel energie aanwezig is. Hierdoor loopt de ruimtetemperatuur verder op dan gewenst. Dit heet ‘overshoot’. Een slimme thermostaat lost dit softwarematig op. De software neemt ongewenste effecten waar en compenseert deze door de installatie eerder uit te schakelen.
Stooklijnregeling
Een weersafhankelijke regeling gaat een stap verder door ook de buitentemperatuur in de regelstrategie te betrekken. Dit gebeurt door het instellen van een zogeheten ‘stooklijn’, die het verband vastlegt tussen de buitentemperatuur en de gewenste afgiftetemperatuur van het cv-water. Bij hoge buitentemperaturen is minder vermogen nodig en kan de afgiftetemperatuur omlaag. Is de buitentemperatuur laag, dan moet de installatie veel warmte kunnen afstaan en is een hoge afgiftetemperatuur gewenst.
Opmerkelijk: een stooklijnregeling probeert de afgiftetemperatuur van het cv-water zo laag mogelijk te leggen. Lees hier waarom lagetemperatuurverwarming zinvol is.
Thermostaatkranen en zoneregeling
De kamerthermostaat of een stooklijn beïnvloedt de temperatuur van het cv-water en daarmee de warmtestroom die een installatie kan leveren. De instellingen gelden voor alle ruimtes die op het afgiftesysteem zijn aangesloten. Met behulp van thermostaatkranen op iedere radiator wordt de afgifte per vertrek geregeld.
Moderne cv-regelingen bieden vaak de mogelijkheid om individuele vertrekken op te nemen in een zogeheten ‘zoneregeling’. De thermostaatkranen worden dan door de regeling ingesteld. Dit geldt ook voor de instelkranen voor vloer- of wandverwarming.
Lerende regelingen
Steeds vaker zijn regelingen in staat om zich aan te passen aan de wensen van de gebruiker. Deze ‘lerende’ regelingen kunnen tot op zekere hoogte het gedrag van de bewoners voorspellen en hierop anticiperen.