Hoe Werkt Een Warmtepomp In Theorie

Het principe van de warmtepomptechniek

Hoe werkt een warmtepomp en hoe berekenen we het economisch rendement hiervan? We rekenen dit voor aan de hand van een eco-wijk aan het Spaarne in Haarlem en laten zien hoe je met typische modelberekeningen het rendement van een warmtepomp installatie kunt bepalen.

Wat doet een warmtepomp

Een warmtepomp is een omgekeerde koelkast die warmte uit de omgeving haalt en elektrisch opwaardeert tot de gewenste temperatuur. In onze Haarlemse wijk is de omgeving de ondergrond onder de woningen, waar gaten geboord zijn om een uitwisseling met bodemwarmte mogelijk te maken. Het is een op vloeistof gebaseerd systeem, zowel in de warmte wisselaar in de bodem als in het verwarming systeem in de woning.

Je kunt ook warmte uit de lucht halen. Je hebt dan een zogenaamde lucht-lucht warmtepomp, die lucht van buiten opwarmt en naar binnen blaast. Dit ziet er uit als een airco-unit, die aan de buitenkant van de gevel wordt bevestigd. Een airco koelt binnenlucht en geeft warmte af aan de buitenlucht. De warmtepomp doet precies het omgekeerde. Een dergelijk systeem heeft twee grote nadelen. Als het echt koud wordt neemt het rendement sterk af. Vaak wordt zo’n systeem dan ook gecombineerd met een traditionele CV-ketel die bijspringt als de buitentemperatuur onder een bepaalde waarde zakt. Dan noemt men dit ook wel een hybride warmtepomp installatie. Maar dan hebben we uiteraard nog steeds gas nodig. Een ander nadeel is dat dergelijke op luchtcirculatie gebaseerde systemen vaak geluidsoverlast geven, zowel buiten als binnen.

De woningen uit de onderzochte wijk in Haarlem beschikken over vloerverwarming. Hierbij volstaat een temperatuur van ca. 35°C, bij een uitgangswaarde van ca. 10°C bodemtemperatuur. Een traditionele CV-ketel warmt het water in buizen en radiatoren op naar ca. 70°C. Elektrisch verwarmen naar deze hoge temperatuur zou zeer veel stroom kosten. Vandaar dat elektrische systemen bij voorkeur naar een lagere temperatuur opwarmen.

Hiervoor is dan wel een heel ander afgiftesysteem nodig, meestal in de vorm van vloerverwarming, waarbij in de hele vloer van alle te verwarmen ruimtes verwarmingsbuizen worden aangebracht. Om de warmte goed door te kunnen geven aan de ruimte moeten deze vloeren zelf van een materiaal gemaakt zijn dat zelf weinig warmte absorbeert. Beton, plavuizen, of gietvloeren voldoen goed. Hout of dik tapijt is bijvoorbeeld minder geschikt.

Een warmtepomp installatie is veel groter dan een CV-ketel. Je hebt te maken met aan- en afvoerbuizen naar de bodem, met een groter apparaat (formaat wasmachine) en, al dan niet in combinatie met een zonneboiler, met een flink boilervat voor warm water.
Een CV-ketel wordt vaak hoog in een woning aangebracht, bijvoorbeeld in een zolderkast. Een warmtepomp wordt in verband met de uitwisseling met het bodemsysteem bij voorkeur op de begane grond geïnstalleerd, en vraagt daar om een aparte ruimte.

Het bodemsysteem moet middels boringen aangelegd worden (30-70m diep), of kan horizontaal worden aangelegd in de tuin, als daar voldoende oppervlak voor beschikbaar is.

Om de warmtevraag zoveel mogelijk te reduceren en zo het stroomverbruik van de warmtepomp te beperken, moet de woning zo goed mogelijk geïsoleerd worden. Dit vraagt om een aanpak van vloeren, wanden, daken, ramen en kozijnen. Bij oudere woningen gaat dit soms zo ver dat er een volledige isolerende ‘schil’ om de bestaande woning wordt aangebracht.

Tenslotte is een zonneboiler systeem eigenlijk onmisbaar, enerzijds om de opwarming van gebruikswater efficiënter te maken, en anderzijds om met overtollige warmte in de zomer de bodem weer wat op te warmen. Doe je dit niet dan dreigt op termijn uitputting van deze warmte, waardoor het rendement van het systeem drastisch afneemt.

Kortom, het vervangen van een CV-ketel door een bodem warmtepomp is geen triviaal project. Het vraagt om een zeer ingrijpende verbouwing om deze techniek in oudere woningen toe te kunnen passen, en stelt allerlei eisen aan de omgeving van de woning. Zo mag je op dit moment lang niet overal zomaar de grond in om een bodemsysteem aan te leggen.

Naast hardware en installatie vraagt een dergelijk project ook om uitgebreid onderzoek en maatwerk advies van diverse experts om tot een goede installatie en uitvoering te komen, zeker als je ook met esthetische aspecten rekening wil houden. Het is geen klus voor de bouwmarkt!

De warmtepomp zorgt ook voor de naverwarming van het gebruikswater voor badkamer en keuken, op die momenten dat de zonneboiler onvoldoende warmte levert, zoals in de wintermaanden. Warmteoverschotten van de zonneboiler worden in de zomer in de ondergrond afgevoerd, zodat de temperatuur hiervan weer wat stijgt. In de winter wordt deze warmte aan de ondergrond onttrokken. Of dit op langere termijn tot een warmtebalans in de bodem leidt zal de toekomst moeten leren.

Een derde functie van de warmtepomp is koeling in de zomer. Als de buitentemperatuur richting de 25°C en hoger gaat blijft de warmtepomp water met bodemtemperatuur (ca. 10°C) door het systeem pompen, nu uiteraard zonder naverwarming. Dit heeft een koelend effect, waardoor de binnen-temperatuur in de woonkamer in de regel niet hoger dan ca. 23°C wordt. Een moderne combi-CV-ketel kan de verwarmingsfuncties uiteraard ook vervullen. Koelen met een traditionele CV-ketel kan niet.

Een op deze wijze aangelegde bodem-warmtepomp is een prachtig systeem dat tot een zeer constant en comfortabel binnenklimaat leidt. Het systeem in onze wijk in Haarlem is direct bij de bouw van de woningen aangelegd en vormt qua dimensionering en installatie één geheel met de woning. Er zijn mij geen grote technische problemen bekend. Bewoners zijn voor zover ik weet zeer tevreden over de installatie en het comfort dat hiermee geboden wordt. De warmtepomp biedt hiermee een prima technisch alternatief voor de gasgestookte CV-ketel en brengt ‘all-electric’ wonen binnen bereik. Het gasfornuis kan immers desgewenst eenvoudig vervangen worden door een elektrische kookplaat. De koelfunctie voor de zomermaanden is een welkome aanvulling in een opwarmend klimaat.

Qua comfort en gebruik is de elektrische warmtepomptechniek daarmee superieur aan de traditionele gas-gestookte combi-CV-ketel. Als je de keuze hebt zou ik er voor een modern en goed geïsoleerd nieuwbouwhuis zeker voor kiezen. De meerkosten zijn in dat geval meestal mee te financieren in de hypotheek, waarmee deze meerkosten over een lange periode worden uitgesmeerd.

Wat leren modelberekeningen ons

De levensduur van een warmtepomp wordt gesteld op gemiddeld 15 jaar, waarna wellicht niet het hele apparaat, maar wel kritische componenten (compressor, pompen, electronica, ed.) vervangen zullen moeten worden. Ook een CV-ketel heeft een levensduur van 15 jaar, waarna in de regel de hele ketel vervangen wordt.

Warmtepompen zijn aanzienlijk duurder dan CV-ketels. De bodemwarmtepomp waarvan in de Haarlemse woningen sprake is heeft, afhankelijk van de capaciteit, bij volledige vervanging een prijskaartje van €15.000 tot €20.000, inclusief de aanleg van het bodemsysteem, maar exclusief zonneboiler.  Bij eerste aanleg zijn de kosten daarmee een factor 10 hoger dan van een vergelijkbare CV-ketel.

De onderhoudskosten van de systemen zijn vergelijkbaar (1 servicebeurt per jaar middels een onderhoudscontract van ca. €180 per jaar). Al is een warmtepomp in theorie ‘onderhoudsvrij’, dit betekent niet dat het systeem ook ‘storingsvrij’ is. Als je bij een storing verzekerd wil zijn van snelle service van de installateur ontkom je niet aan een servicecontract met deze partij, die over gespecialiseerde kennis, gereedschap en software beschikt. Net als bij een moderne auto is het eerste dat de servicemonteur doet je warmtepomp aan zijn laptop aansluiten. Een willekeurig warmteservice bedrijf zal daarom in de regel geen raad weten met je storing!

Er zal in het energieverbruik een flink besparingseffect moeten optreden om dit prijsverschil over de looptijd van de investering (15 jaar) goed te maken. Het hogere rendement van de warmtepomp ten opzichte van de CV-ketel moet hier het verschil maken. Het begrip dat hiervoor gehanteerd wordt is het rendement van het apparaat, ook wel COP (Coefficient of Performance) genoemd. Dit cijfer geeft de verhouding weer tussen de inputenergie (stroom of gas), en de outputenergie (warmte). Waarbij alles gemeten wordt in dezelfde eenheid (kWh of Joules).

De basisberekening is vrij eenvoudig. Gas wordt geleverd in m³. De energie-inhoud van 1 m³ Gronings aardgas (de norm voor dit soort berekeningen) komt overeen met 8,8 kWh, terwijl deze m³ gas op dit moment zo’n €0,64 kost (Nov 2017).
Een kWh stroom kost €0,20. Als we 8,8 kWh met elektriciteit produceren, dan kost dit dus €1,76. Gas is dus aanzienlijk goedkoper, tenzij de productie van warmte met elektriciteit veel efficiënter is. Om de kosten gelijk te maken hebben we dan een COP nodig die 2,8 keer beter is dan het rendement van een CV-ketel . Deze 2,8 is een belangrijk getal. Bij de huidige energieprijzen dalen de energiekosten van de gebruiker als de warmtepomp een COP heeft die minimaal 2,8 keer beter is dan die van een CV-ketel. Ligt de relatieve COP van de warmtepomp onder de 2,8 dan wint gasverwarming het niet alleen qua investering, maar ook op jaarlijkse kosten.

De COP-waarde van een CV-ketel ligt tussen de 0,80 en 1,05. Omdat de woningen in deze wijk vloerverwarming hebben en de CV-ketel dus voor de verwarming naar relatief lage temperaturen opwarmt geldt eerder de hogere waarde. Omdat de CV-ketel ook warm water moet leveren, op een hogere temperatuur van ca. 60-65°C, gaat de COP echter weer wat omlaag. Mileucentraal houdt als verhouding tussen gasverbruik voor verwarming en voor het verwarmen van water 80:20 aan. Het rendement van een CV-ketel loopt in 15 jaar naar schatting met 10-20% terug, afhankelijk van bedrijfstijd en onderhoud. We rekenen in dit artikel daarom met een COP voor de CV-ketel in deze woningen van 0,90. 1 kWh gas levert dus 0,90 kWh warmte (mix van ruimteverwarming en warm tapwater).

De COP-waarde van de warmtepomp wordt door de installateur opgegeven als minimaal 4,00 voor het verwarmingsdeel en minimaal 2,50 voor het warmwaterdeel (in combinatie met de zonneboiler). Ook het rendement van de warmtepomp zal teruglopen door technische veroudering en mogelijk door afkoeling van de bron. Voor de verwarming betekent dit dat een inputenergie van 1 kWh een warmteopbrengst van 4,0 kWh zou moeten geven, inclusief de gratis warmte van bodem en zon. Voor warmwater is de opbrengst 2,5 kWh. Gemiddeld volgens dezelfde 80:20 verhouding en een gemiddeld rendementsverlies over 15 jaar van 10% is de verwachte COP dan 3,33 en daarmee 3,7 keer beter dan de COP van de CV-ketel. Hiermee is de theoretische COP van het warmtepompsysteem dus inderdaad hoger dan de 2,8 die we hiervoor als grenswaarde berekend hebben.

Daarmee rekenen we nog even verder. Een gemiddeld huishouden verbruikt in Nederland 1.600 m³ gas voor verwarmingsdoeleinden, waarvan 37 m³ voor koken als op gas gekookt wordt . Dus 1.563 m³ voor ruimteverwarming en warm water. De kosten per jaar hiervoor zijn op het moment €1.000 voor de productie van 12.379 kWh warmte. Hiervoor hebben we ook een gasaansluiting en een gasleverancier nodig. De vaste kosten hiervan zijn €168 per jaar voor een standaard gasaansluiting en gemiddeld ca. €48 per jaar vastrecht voor de gasleverancier, waarmee de totale kosten uitkomen op €1.216 per jaar in deze gemiddelde situatie.

Bij een COP van 3,33 is voor de productie van dezelfde hoeveelheid warmte (12.379 kWh) met een warmtepomp 3.717 kWh nodig. De kosten hiervan bedragen €743 per jaar. Het verschil met de jaarlijkse energiekosten voor de CV-ketel bedraagt daarmee €473 per jaar ten gunste van de warmtepomp, en onder de aanname dat de gasaansluiting en de gasleverancier vervallen. In 15 jaar telt dit voordeel op tot €7.095.

Kostenpariteit CV-ketel en warmtepomp

Het verschil in investeringskosten tussen de apparaten is aanzienlijk zoals we al zagen. Bij een initiële (minimale) investering van stel €15.000 voor een warmtepomp installatie (incl. bodemsysteem, excl. zonneboiler, excl. aanleg vloerverwarming, en bij toepassing in een nieuwbouwsituatie ) en €2.000 voor een CV-ketel (excl. aanleg en installatie van radiatoren of vloerverwarming), bedraagt het kostenverschil €13.000. Zelfs bij de huidige, historisch zeer lage rente van ca. 1% lopen deze meerkosten in 15 jaar op naar €15.093. In plaats van €15.093 op de bank dus een besparing van €7.095. Klinkt nog niet als een superdeal. Als je voor de hogere investering een extra lening of hogere hypotheek moet afsluiten, wat in veel gevallen zo zal zijn, wordt het verschil, afhankelijk van de hypotheekrente die je betaalt, nog wat groter.

Om het investeringsnadeel van de warmtepomp ten opzichte van de CV-ketel te neutraliseren zijn er in principe 4 opties, eventueel in combinatie toe te passen:

1. De warmtepompinstallatie moet aanzienlijk goedkoper worden.
2. De COP van warmtepompinstallaties moet nog flink verbeteren.
3. De energieprijs van stroom moet omlaag.
4. De energieprijs van gas moet omhoog.

Om qua kosten gelijk uit te komen met de CV-installatie mag de warmtepomp maximaal €9.095 kosten. Bij deze investering zouden de meerkosten ten opzichte van de CV-ketel in 15 jaar terugverdiend zijn. Ten opzichte van de huidige systeemkosten van €15.000 zullen warmtepomp installaties volgens deze berekening dus ca. 40% goedkoper moeten worden voordat ze op economische gronden kunnen concurreren met CV-ketels (bij de huidige energieprijzen). In hoeverre dit realistisch is, is onduidelijk. De prijzen in Duitsland, waar men over het algemeen wat voorloopt bij de toepassing van dit soort systemen, duiden voorlopig niet op een dergelijke prijsdaling als gevolg van schaal- en leercurve-effecten. Maar van grootschalige productie, zoals bijvoorbeeld in de autoindustrie, is echter nog nergens sprake. Bedenk ook dat een aanzienlijk deel van de investeringskosten bepaald zullen worden door arbeidsintensief installatiewerk, waar deze schaalvoordelen veel minder zullen optreden.

De tweede optie is het verhogen van de COP. Om kostenpariteit te bereiken zou de gemiddelde COP op ca. 12 moeten uitkomen. Dit is niet realistisch zonder het (letterlijk) aanboren van andere warmtebronnen met een hogere temperatuur op veel grotere diepten (vanaf minimaal 1.500 meter onder de grond). Dan komen we in het domein van de geothermie, waarvoor COP’s van rond de 20 gerapporteerd worden. Hier hoort echter een heel ander kostenplaatje bij. Toepassingen hiervan worden verwacht voor de tuinbouw, industrie en eventueel als bron voor stads- of wijkverwarming, maar niet voor individuele woningen. Voor de warmtepompen waar we het in dit artikel over hebben lijken laboratorium COP’s voor het verwarmingsdeel van tussen de 4 en 5 voorlopig het maximaal haalbare.

De derde optie is het verlagen van de elektriciteitsprijs. De huidige elektriciteitsprijs van €0,20 bestaat uit kale stroomkosten (€0,06), energiebelastingen (€0,11) en BTW (€0,03). Om de warmtepomp over een periode van 15 jaar qua kosten gelijk te krijgen met een CV-installatie zou de elektriciteitsprijs all-in €0,06 moeten bedragen. De elektriciteitsprijs zou dan gelijk moeten zijn aan de kale stroomprijs op dit moment, excl. BTW. De kale stroomprijs zou met de onstuimige groei van wind- en zonne-energie de komende jaren nog wat kunnen gaan dalen. Maar dat de overheid in het geheel gaat afzien van het heffen van energiebelastingen op elektriciteit is onwaarschijnlijk. Dit zou dan immers ook gelden voor ander stroomverbruik voor verlichting, andere apparaten en elektrisch vervoer. Bovendien is elektriciteit op de lange duur wellicht de enige energiedrager die overblijft. Dit zal het dus niet worden.

Blijft over de vierde optie, verhoging van de gasprijs. De huidige gasprijs bedraagt €0,64. Dit bedrag is samengesteld uit €0,26 kale gaskosten, €0,27 energiebelastingen en €0,11 BTW. Om kostenpariteit te bereiken in het modelscenario zou de gasprijs verhoogd moeten worden naar €0,98. Een verhoging met ca. 53%. Dit is van de vier mogelijkheden de snelst realiseerbare optie. De gasprijs zou in een aantal stappen naar dit niveau gebracht kunnen worden door het verhogen van de energiebelastingen. In 2016 is al een dergelijke stap gezet door een verhoging met €0,07 toe te passen. Het nieuwe kabinet heeft al aangekondigd dat verdere verhogingen er aan zitten te komen.

CO₂-uitstoot verwarming

Het streven naar gasloze woningen is niet ingegeven door economische overwegingen. Het doel is vooral de CO₂-uitstoot te reduceren en hiermee een bijdrage te leveren aan de nationale doelstellingen in het kader van het klimaatakkoord dat in 2015 in Parijs is afgesloten. Bovendien raakt het Nederlandse gas op, nog afgezien van de productieproblemen die zich daarbij vooral in Groningen voordoen. Rond 2030 wordt een moment verwacht dat Nederland qua gas niet langer zelfvoorzienend is en dus afhankelijk wordt van gasimporten uit andere delen van de wereld (met name Rusland).

Verbranden van gas leidt tot CO₂-uitstoot in de atmosfeer. Inclusief de uitstoot in de productiefase wordt hierbij gerekend met een uitstoot van 2,136 kg per m³ (1,78 kg bij verbranding, vermeerderd met 20% ter afdekking van lekkage verliezen bij productie en transport.

De CO₂-uitstoot als gevolg van elektriciteitsproductie is wat ingewikkelder, omdat elektriciteit op verschillende manieren geproduceerd wordt. Als we kijken naar de stroom die op Nederlandse bodem geproduceerd wordt, dan is de verhouding ca. 5% groen (wind, zon en biomassa) en 95% fossiel (kolen, gas, kern). Op deze basis komt de gemiddelde uitstoot op 0,502 kg per kWh voor in Nederland geproduceerde stroom (bron: Emissiekengetallen elektriciteit, CE Delft, Jan 2015).

In ons rekenvoorbeeld kunnen we nu de CO₂-uitstoot van beide varianten uitrekenen: Verwarmen met gas vraagt een gemiddelde inzet van 1.563 m³ en leidt daarmee tot een uitstoot van 3.339 kg CO₂ per jaar. Verwarmen met elektriciteit vraagt in een vergelijkbare situatie om een inzet van 3.717 kWh per jaar, en leidt daarmee tot een CO₂-uitstoot van 1.866 kg per jaar.

Inzet van een warmtepomp levert in de modelberekening dus een CO₂-besparing op van 44% op basis van de huidige brandstofmix bij de productie van elektriciteit in Nederland. Naarmate deze brandstofmix in de toekomst duurzamer wordt, wordt deze besparing steeds groter, totdat er uiteindelijk vrijwel geen CO₂ meer wordt uitgestoten. Tegelijk heeft Nederland zich hiermee voor deze toepassing van het gas ontdaan, ter geruststelling van de Groningers en zonder de afhankelijkheid van andere landen te vergroten. Het kost wat, maar inzet van de warmtepomp zal volgens dit soort modelberekeningen zijn doel uiteindelijk bereiken.

Eén gedachte over “Hoe Werkt Een Warmtepomp In Theorie”

  1. Lijkt mij zinvol om gebruik van infrarood verwarming op “groene”windstroom eens te vergelijken met gebruik van een electrische
    warmtepomp op “groene” windstroom

Geef een reactie