Warmtepompen worden steeds populairder, maar als het gaat om de keuze tussen een aardwarmtepomp en een luchtwarmtepomp is er nogal wat verwarring. In dit artikel belichten we de voordelen van de keuze voor een aardwarmtepomp en gaan we in op een aantal veelvoorkomende misvattingen.
De olifant in de kamer
Voordat we ingaan op de voordelen van een aardwarmtepomp, gaan we eerst in op de olifant in de kamer: kapitaaluitgaven of CAPEX.
Bodemwarmtepompen (GSHP's) hebben de reputatie aanzienlijk duurder te zijn dan hun tegenhangers van luchtwarmtepompen (ASHP's), omdat je niet alleen moet investeren in de warmtepomp zelf, maar ook in een dure geothermische bron. Hoewel het waar is dat GSHP's meestal hogere aanloopkosten met zich meebrengen, vooral voor eengezinswoningen, is dit niet altijd het geval.
- In wijken of stadscentra gelden steeds vaker strenge geluidsvoorschriften tijdens bepaalde uren. In sommige gevallen kan het geluid van een ASHP extra geluidsbeperkende maatregelen vereisen. Deze kunnen vrij duur zijn, vooral voor grotere projecten, waardoor het verschil in investeringskosten tussen de twee systemen kleiner wordt.
- Het grootste deel van de investering is meestal het geothermische systeem. Voor grotere projecten, of voor stadsverwarming van de vijfde generatie, kan dit systeem worden gecentraliseerd, wat de investeringskosten voor elke individuele gebruiker verlaagt.
Dat gezegd hebbende, als een GSHP toch duurder blijkt te zijn dan een ASHP in jouw specifieke situatie, hebben we de rest van dit artikel om andere redenen uit te leggen waarom een geothermische oplossing nog steeds de betere keuze kan zijn.
Voordelen van een aardwarmtepomp
De voordelen van een aardwarmtepomp kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: individuele redenen (waarom jij, als gebouweigenaar, voor een GSHP zou kiezen) en collectieve redenen (waarom wij, als maatschappij, het gebruik van GSHP's zouden moeten ondersteunen). Alle redenen worden hieronder opgesomd, te beginnen met de individuele. De laatste twee punten, die betrekking hebben op het stedelijk hitte-eilandeffect en de kwestie van netcongestie, zijn collectieve redenen.
Hogere efficiëntie
Er wordt vaak gezegd dat GSHP's een hoger rendement hebben dan ASHP's en daarom lagere bedrijfskosten hebben. Deze redenering is niet helemaal eenduidig, dus we zullen de bewering over de efficiëntie apart bespreken van het argument over de bedrijfskosten, dat hieronder wordt behandeld.
Het rendement van een warmtepomp wordt bepaald door de temperatuurlift. Dit verwijst naar het temperatuurverschil tussen de warmtebron (de grond of de lucht) en de vereiste aanvoertemperatuur, die meestal tussen 35°C en 55°C ligt. Hoe groter dit verschil, hoe lager het rendement.
Omdat de bodemtemperatuur meestal hoger is dan de luchttemperatuur, haalt een bodemwarmtepomp inderdaad een hoger rendement. Deze hogere bodemtemperatuur kan worden verklaard door het feit dat de grond, in tegenstelling tot de buitenlucht, niet gewoon als warmtebron wordt gebruikt, maar meer als een warmtebatterij werkt. Door tijdens de zomermaanden warmte op te slaan in de grond door middel van koeling (zoals hieronder verder wordt besproken), stijgt de bodemtemperatuur. Deze opgeslagen warmte kan dan in de winter worden gebruikt om efficiënter te verwarmen.
Het hogere rendement van GSHPs wordt ook weerspiegeld in de seizoensgebonden prestatiecoëfficiënt, of SCOP, die officieel in alle datasheets wordt vermeld. In het verleden was het verschil in efficiëntie vrij groot, maar tegenwoordig is het verschil kleiner geworden. Er is echter nog steeds een prestatieverschil omdat de warmteoverdracht van een vloeistof naar de koelcyclus in de warmtepomp gemakkelijker is dan vanuit lucht. Bovendien hebben ASHP's een ontdooicyclus nodig, die ook van invloed is op de prestaties, zoals later wordt besproken.
!Let op
Men moet voorzichtig zijn bij het vergelijken van SCOP-waarden voor verschillende technologieën. De standaardconditie van B0/W35, waaronder het rendement van de warmtepomp meestal wordt vermeld, onderschat vaak de prestaties in de praktijk. Dit komt omdat, als het boorveld de juiste afmetingen heeft, de gemiddelde vloeistoftemperatuur over het algemeen veel hoger zal zijn dan 0°C.
In bepaalde gebieden, zoals steden of regio's die te maken hebben met klimaatverandering, gaat de stelling dat de grond gemiddeld warmer is dan de lucht niet altijd op. In de praktijk kan een ASHP een hogere gemiddelde SCOP bereiken dan een GSHP. Dit betekent echter niet noodzakelijk dat het goedkoper is om te gebruiken.
Operationele kosten
Tegenwoordig stappen steeds meer elektriciteitsleveranciers over van één vaste elektriciteitsprijs naar dynamische tarieven, waarbij de prijs van uur tot uur kan variëren. Deze verschuiving wordt gedreven door het toenemende aandeel van intermitterende elektriciteitsbronnen, zoals zonne- en windenergie.
Elektriciteitsprijzen hebben de neiging te stijgen wanneer de vraag hoog is, maar de productie laag. Dit gebeurt meestal in de winter, wanneer er weinig zonlicht is en perioden met een lage windsnelheid. Tijdens deze koudere omstandigheden verbruikt een ASHP meer elektriciteit dan een GSHP, wat resulteert in hogere elektriciteitskosten.
In de mildere periodes van het jaar, zoals de lente en de herfst, wanneer de luchttemperatuur vergelijkbaar is met de bodemtemperatuur, kan het verschil in efficiëntie tussen de twee systemen verdwijnen. Aangezien de elektriciteitsprijzen in deze periodes echter niet kritisch zijn, wordt dit minder relevant. Dus zelfs als de seizoensgebonden efficiëntie vergelijkbaar lijkt, zullen de operationele kosten van een GSHP lager zijn omdat de efficiëntie hoger blijft tijdens de meest kritische en dure periodes.
Ontdooicyclus
ASHP's halen energie uit de lucht. Als het buiten echter erg koud is, kan vocht in de lucht bevriezen op de warmtewisselaar, waardoor deze effectief wordt geblokkeerd. Om dit te voorkomen hebben ASHP's zogenaamde ontdooicycli. Tijdens deze cycli keert de unit periodiek zijn werking om om de warmtewisselaar te verwarmen en het bevroren vocht te laten smelten of verdampen.
Dit ontdooiproces verbruikt elektriciteit en kan leiden tot een aanzienlijk lager seizoensrendement, vooral in koudere klimaten. Bovendien kan de ASHP tijdens de ontdooicyclus geen warmte leveren aan het gebouw. Aan elke warmtevraag tijdens deze periode moet daarom worden voldaan door een buffervat, een elektrische weerstandsverwarming of een back-up ASHP in het geval van grotere systemen.
Aangezien GSHPs werken met een vloeistof in hun primaire circuit, treedt dit ontdooiprobleem niet op.
!Let op
Dit gedrag is niet van toepassing op traditionele koelmachines en heeft alleen invloed op warmtepompen. Chillers geven alleen warmte af aan de omgeving, wat betekent dat de temperatuur in de warmtewisselaar altijd hoger is dan de luchttemperatuur, zodat bevriezing niet plaatsvindt.
Effectieve koeling
We hebben het al gehad over het voordeel van seizoensopslag van thermische energie bij het werken met een GSHP. Dit draagt ook bij aan betere koelprestaties.
Ten eerste bieden aardwarmtepompen de mogelijkheid om passieve koeling te gebruiken. In deze modus is er geen compressie nodig en wordt de koude geothermische vloeistof direct gebruikt om het gebouw te koelen. Dit resulteert in wat vaak bijna-vrije koeling wordt genoemd. In warmere klimaten is het echter ook mogelijk om gebruik te maken van actieve koeling. In dit geval gebruikt de warmtepomp de compressor om warmte aan het gebouw te onttrekken, vergelijkbaar met hoe een ASHP werkt.
Het belangrijkste verschil is dat deze warmte bij een GSHP niet wordt afgegeven aan de omgeving, maar wordt opgeslagen in de grond voor gebruik in de winter. Dit zorgt voor een efficiënter totaalsysteem. Bovendien is de efficiëntie van actieve koeling met een geothermisch systeem over het algemeen hoger dan met een luchtgebaseerd systeem, omdat de bodemtemperatuur tijdens het koelseizoen meestal lager is dan de temperatuur van de omgevingslucht.
!Let op
In de praktijk kan zowel actieve als passieve koeling worden gecombineerd bij gebruik van een geothermisch systeem. Meer informatie over dit onderwerp is te vinden op hier.
Levensduur en onderhoud
Bij het berekenen van de totale eigendomskosten (TCO) voor zowel een ASHP als een GSHP is het belangrijk om rekening te houden met de verwachte levensduur en onderhoudskosten. ASHP's hebben meestal een levensduur van 15 tot 20 jaar, terwijl GSHP's ongeveer 25 jaar meegaan.
De reden is eenvoudig. ASHP's worden buiten geïnstalleerd en staan daarom bloot aan verschillende weersomstandigheden, zoals wind, sneeuw, regen en hagel, die bijdragen aan slijtage. Het herhaaldelijk bevriezen en ontdooien van vocht op de warmtewisselaar versnelt ook de aantasting van het materiaal, waardoor dit type warmtepomp vatbaarder is voor lekken. Als een ASHP in de buurt van de kust wordt geïnstalleerd, moet er bovendien rekening worden gehouden met de agressieve en corrosieve lucht die zeezout bevat, omdat dit de levensduur van het systeem aanzienlijk kan verkorten.
Als rekening wordt gehouden met deze kortere levensduur, worden de potentieel hogere initiële kosten van een GSHP na verloop van tijd aanzienlijk lager. Bovendien kan het geothermische deel van de investering gemakkelijk tot 50 jaar meegaan, op voorwaarde dat het nauwkeurig ontworpen is (zie hieronder).
Esthetiek en lawaai
Omdat GSHP's volledig binnen worden geïnstalleerd, is er geen zichtbare eenheid buiten het gebouw. Hoewel subjectief, resulteert dit vaak in een meer hoogwaardige uitstraling. Naast het esthetische voordeel zijn GSHP's ook stiller dan luchtbronsystemen, omdat er geen ventilator nodig is om lucht over de warmtewisselaar te verplaatsen.
In de loop der jaren zijn ASHP's redelijk stil geworden, maar als je in een buurt woont waar er veel in gebruik zijn, kan het geluid nog steeds hoorbaar zijn.
Stedelijk hitte-eilandeffect
De bovenstaande redenen waren individuele redenen: waarom zou je als gebouweigenaar kiezen voor een GSHP? Naast deze persoonlijke voordelen zijn er ook collectieve voordelen, waarbij de keuze voor GSHP's gunstiger is voor de maatschappij als geheel dan een wijdverspreide afhankelijkheid van ASHP's. De kwestie van netwerkcongestie zal hierna worden besproken, maar laten we ons eerst richten op het stedelijk hitte-eilandeffect.
Het stedelijk hitte-eilandeffect, zoals hierboven weergegeven, is het fenomeen waarbij stadscentra en dichtbebouwde wijken aanzienlijk hogere temperaturen ervaren dan landelijke gebieden, met verschillen tot gemiddeld 5 tot 10 graden Celsius. Dit is voornamelijk te wijten aan materialen zoals beton en wegdek, die warmte vasthouden en de omgeving geleidelijk opwarmen. Verschillende warmtebronnen in de stad, zoals voertuigen en warmtepompen die in de zomer werken, dragen verder bij aan dit probleem.
Wanneer elke individuele huiseigenaar een ASHP installeert, zal de buitenlucht alleen maar warmer worden, waardoor de zomers nog warmer worden en uw buren gedwongen worden om ook een koelsysteem te installeren, waardoor de buitenlucht nog warmer wordt. Omdat het nu buiten warmer is, komt er meer warmte het gebouw binnen, waardoor de ASHP harder moet werken en meer warmte de omgeving in moet pompen. Het is een negatieve, vicieuze cirkel.
Met (collectieve) GSHP's wordt deze warmte niet in de omgeving gedumpt, maar opgeslagen in de grond. Dit kan helpen om de temperatuurschommelingen in de buitenlucht in balans te brengen, omdat van zomer tot winter alleen energie uit de grond wordt gebruikt, in plaats van de stadslucht als warmte- of koudedump.
!Let op
In regio's waar de vraag naar koeling groot is, kan het op lange termijn problemen opleveren om alle warmte alleen in de grond te dumpen. Daarom wordt geadviseerd om een vorm van regeneratie te gebruiken om de grond in de winter af te koelen, zodat deze de hogere koelvraag in de zomer aankan. Dit benadrukt het belang van een correct ontwerp van het geothermische boorveld.
Netcongestie
Door de toenemende elektrificatie van onze industrieën, transport en HVAC-systemen staat het elektriciteitsnet onder grote druk. Rekening houdend met de intermitterende aard van elektriciteitsopwekking uit zon en wind, kunnen sommige regio's te maken krijgen met congestieproblemen, waar het niet langer mogelijk is om nieuwe gebouwen aan te sluiten op het elektriciteitsnet of waar het maximaal toegestane vermogen beperkt is.
De hierboven beschreven situatie geldt voor Nederland. Zoals je kunt zien, zijn er al heel wat regio's waar er een probleem is met de beschikbare capaciteit op het elektriciteitsnet.
Bij de keuze tussen een ASHP en een GSHP is dit een belangrijk aspect om te overwegen. Op kritieke momenten, zoals hierboven al besproken, is een GSHP efficiënter dan een ASHP, waardoor de piekvraag op het elektriciteitsnet afneemt en er meer aansluitingen mogelijk zijn. Als we als samenleving willen evolueren naar hernieuwbare verwarming en koeling, is de keuze voor een GSHP voordeliger dan een ASHP wanneer rekening wordt gehouden met investeringen in de netinfrastructuur.
Het belang van ontwerp
Alle bovengenoemde voordelen, van seizoensgebonden opslag van thermische energie tot de lagere bedrijfskosten van een GSHP, zijn natuurlijk afhankelijk van een goed ontworpen geothermische bron. Het is belangrijk om te simuleren met de juiste aannames voor de belasting van het gebouw (meer informatie over dat onderwerp is te vinden op hier), om rekening te houden met interferentie tussen nabijgelegen gebouwen, om de thermische weerstand van het boorgat en het hydraulische gedrag van het boorveld nauwkeurig te modelleren (zie dit artikel voor meer informatie), en het allerbelangrijkste, om geavanceerde software zoals GHEtool Cloud te gebruiken om uw boorveld te simuleren.
Conclusie
In dit artikel zijn de voordelen besproken van de keuze voor een bodemwarmtepomp in plaats van een ASHP, ondanks de soms hogere initiële investeringskosten. Zowel individuele voordelen, zoals een langere levensduur, verbeterde esthetiek, minder lawaai en lagere bedrijfskosten, werden overwogen naast bredere maatschappelijke voordelen, waaronder het verminderen van het hitte-eilandeffect in de stad en het verlichten van netwerkcongestie.
Het is belangrijk op te merken dat, om het potentieel van een GSHP volledig te realiseren, het geothermische boorveld nauwkeurig moet worden ontworpen. Softwaretools zoals GHEtool zijn hiervoor essentieel.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.