Rekentool voor combi zon en warmtepomp

Op een warmtepomp aangesloten zonnecollectoren stuwen het rendement omhoog. Hoe groter de zonnecollector, des te sterker dit effect. Een compacte zonnecollector is economisch het meest rendabel. Met het nieuwe Excel-rekenblad ‘OptiCOP’ kan direct de invloed worden berekend.  

Wat is het effect op het rendement als een warmtepompsysteem wordt uitgebreid met één of meerdere zonnecollectoren? Zo’n systeem is wellicht interessant, maar nog nieuw en kan niet worden gewaardeerd in de NEN 7120-norm, de norm waarop de EPC-berekening (nieuwbouw) en het energielabel (bestaande bouw) is gebaseerd. Als een fabrikant of importeur zo’n zonondersteunde warmtepomp wil waarderen in de norm, moet hij een dure gelijkwaardigheidsverklaring laten opstellen.

Eenvoudig rekenprogramma

Warmtepompleveranciers en de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (Agentschap NL) wilden graag de zonthermische invloed op water-water- en lucht-waterwarmtepompen kunnen berekenen, het liefst met een eenvoudig rekenprogramma. Onderzoeksbureau Entry Technology van Jacob van Berkel kreeg de opdracht om dit uit te zoeken. Natuurlijk wist Van Berkel dat een zonnecollector invloed heeft op het systeemrendement. “Je haalt met de warmtepomp een COP van 3 tot 4 voor verwarming en tapwater. Sluit je op datzelfde opslagvat een zonnecollector aan, dan halen we in de zomer wel een COP van 30, 40 of 50 op warm tapwater. Je hoeft maar een klein pompje te laten draaien om de warmte binnen te halen.” Maar hoe sterk stijgt het jaarrendement, oftewel de SPF (Seasonal Performance Factor)? En wat is nu de ideale grootte van een zonnecollector?

Hydraulisch schema

Van Berkel bracht alle denkbare energiestromen in kaart met als basis een buffervat van 300 liter. Dat is in Nederland nog net een gangbare grootte. Het gebruik van een buffervat in plaats van een boiler levert wel een afwijkend hydraulisch schema op. Dat is nodig om de zonnecollectoren ook voor ruimteverwarming te kunnen benutten (afb. 1). Het meest praktisch is een los buffervat. Van beneden naar boven loopt een spiraalvormige warmtewisselaar voor tapwaterbereiding. Onderin hangt een tweede spiraal voor de zonnecollector(en). De warmtepomp houdt altijd de top van het vat op zo’n 60 °C voor tapwaterbereiding. Via een driewegklep loost de warmtepomp in CV-bedrijf lauw water in het middelste gedeelte van het vat. Een weersafhankelijke regeling zorgt ervoor dat dit gedeelte altijd de juiste temperatuur heeft. De afgaande groep haalt eveneens het CV-water – met een extra circulatiepomp – uit het middelste segment. Bij zon wordt nu automatisch van onderuit de buffer opgewarmd en hoeft de warmtepomp niet of minder in bedrijf te komen. Maar wat is het effect op het jaarrendement?

Effect op rendement

Om het effect op het jaarrendement in cijfers te kunnen vangen, verwerkte Entry in een Excel-blad uitgebreide formules zodat alle energiestromen in een woning kunnen worden doorberekend. De berekening is gecheckt door vergelijking met andere systemen. Het doorberekenen gebeurt in stapjes van 15 seconden. Via Excel kunnen de opbrengsten en afnames in GJ in worden gevoerd, in een mooie grafische schil (afb. 2). Vervolgens is de software enkele minuten aan het rekenen om de nieuwe SPF te presenteren. 

Kromme lijn

De volgende stap in het onderzoek leidde tot een verrassing. Des te groter de zonnecollector, des te hoger het rendement. Dat is niet zo verwonderlijk, maar dat gebeurt niet met een rechte lijn, maar met een kromme (afb. 3). Met andere woorden: “De toename van de SPF is het sterkst bij kleine systemen. Bij grotere collectoren neemt de absolute opbrengst wel toe, maar de bijdrage per vierkante meter neemt af.” Deze conclusie is ideaal voor Nederland waar juist een compacte zonnecollector succesvol is.

Terugverdientijd

Ook de terugverdientijd nam Van Berkel onder de loep. “Een systeem met een standaardzonnecollector in combinatie met een lucht-waterwarmtepomp komt uit op een terugverdientijd vergelijkbaar met die van een zonneboiler (minimaal 10 jaar, red.).” Via de rekentool kan ook het effect op de bodemtemperatuur worden berekend. Met de zonnecollector is het immers heel eenvoudig de bodemcollector op te warmen. Maar dat gaat dan wel ten koste van de koelcapaciteit, waarschuwt Van Berkel.

Optimaliseren

Fabrikanten kunnen nu met de rekentool aan de slag om systemen samen te stellen of te optimaliseren. Zoals het maken van een slimmere regeling, die bijvoorbeeld rekening houdt met de weersverwachting. Of door het opgewarmde water uit de zonnecollector op verschillende plaatsen in het buffervat in te voeren. Nu hangt er een warmtewisselaar onderin het vat en moet de warmte naar boven trekken. Dat levert verliezen op door vermenging van waterstromen. 

Aanpassing aan de norm

Om de invloed op de EPC-berekening te kunnen bepalen, moet er nog één stap worden gemaakt. De uitkomst van de rekentool, OptiCOP genaamd, moet nog worden aangepast op de norm. De tool geeft nu alleen de stijging van de SPF aan en niet het opwekkingrendement, zoals in de NEN 7120 is opgenomen. Fabrikanten moeten nog beslissen of ze deze stap zetten. Na een eventuele goedkeuring van het programma door het college van deskundigen van de NEN kunnen installateurs desnoods zelf het effect in de EPC bepalen. “Pas dan is het een geaccepteerde methodiek en hoef je het niet meer met gelijkwaardigheidsverklaringen aan te tonen.” Dit is al gebeurd met de lucht-waterwarmtepomp zodat met een standaardrekentool het effect op de EPC en het energielabel kan worden bepaald. 

Vergelijkbare tool

Bovendien heeft Van Berkel aangetoond dat met Excel ingewikkelde berekeningen mogelijk zijn. Zo is het ook mogelijk met een soortelijke tool het effect van zonthermisch en HR-ketel te berekenen, oppert Van Berkel. Inmiddels is een vergelijkbaar project gestart om een rekentool te ontwikkelen voor boosterwarmtepompen die met laagwaardige warmte tapwater opwekken.

Tekst en foto: Richard Mooi