Elektriciteit opwekken is heel belangrijk voor de energie transitie. We zullen immers moeten omschakelen van gas naar een andere energiedrager. En elektriciteit is dan een voor de hand liggende methode. Net als warmte trouwens, warmte afkomstig van industrieën of uit de aardbodem die vervolgens via een transportleiding kan worden vervoerd naar woningen. Maar hoe heb ik mijn huis gasloos gekregen?

Mijn huis heeft geen aansluiting op een warmtenet. En een boring in de aarde voor warmte-koude opslag is kostbaar. Ik heb dus andere keuzes gemaakt. En bovendien, ik heb niet voor één oplossing gekozen. Ik heb een geïntegreerd concept ontworpen en gebouwd bestaande uit verschillende oplossingen die zowel warmte voor de woning levert als ook het warm tapwater voor douche, keuken, wasmachine en vaatwasser.

Hoeveel energie is er nodig?

In de blog Eén jaar aardgasvrij heb je misschien iets gelezen over het vertrekpunt. Wij verbruikten voor de woning circa 2.400 kuub aardgas. En sinds 2013 kwam daar nog ongeveer 600 kuub bij voor het gastenverblijf. Totaal 3.000 kuub aardgas dus.

De energetische waarde daarvan is 35,17MJ * 3.000 = 105.570 MJ, ofwel 105 GJ

En in kWh omgerekend is dat 105.570 / 3,6 = 29.325 kWh

Het buffervat: het hart van een geïntegreerd systeem

Elk toekomstig warmtesysteem dat zelf warmte gaat opwekken heeft een buffervat nodig. Een buffervat is gewoon een tank met water waarin de bron de opgewekte warmte kan afstaan aan het verwarmingssysteem dat in de woning wordt gebruikt. In onze woning bestaat het verwarmingssysteem uit vloerverwarming en een paar losse radiatoren. Voornamelijk dus een lage temperatuur verwarming die tevreden is met een aanvoertemperatuur van 35 °C. Deze tank water vormt dus feitelijk het hart van het systeem en hierop worden de verschillende warmtebronnen (als je er meer hebt dan één) aangesloten. In de afbeelding hieronder zie je het complete verwarmingssysteem van onze woning. Dit wordt ook wel een hydraulisch schema genoemd.

Voordelen van een buffervat

• Een buffervat zorgt voor een hoger rendement van de warmtebron en de hele installatie. Vooral een warmtepomp heeft groot profijt van een uitgekiend buffervat.
• De warmte kan optimaal uitgewisseld worden maar ook opgeslagen worden voor later gebruik.
• Afzonderlijke warmtebronnen kunnen aan elkaar verbonden worden tot een geintegreerd systeem.
• Je kunt hoge en lage temperaturen combineren.

Zoals je ziet staat het buffervat in het midden van het schema en zijn hierop alle bronnen aangesloten.

Als je kiest voor een integratie van verschillende warmtebronnen kun je ook een groeistrategie toepassen. Je begint klein en breidt het systeem in de loop van de tijd steeds verder uit. Je kunt daarmee je financiële investeringen dus enigszins beïnvloeden en hoeft niet in één keer heel veel geld uit te geven.

Welke warmtebronnen kun je toepassen?

Het aantal en soort warmtebronnen is afhankelijk van de plaatselijke situatie. Je kunt denken aan zonneboilers op het dak, een hout- of palletkachel, een elektrisch verwarmingselement, een lucht-water warmtepomp of een water-water warmtepomp. En dus ook een combinatie want het is immers een systeem waarin je diverse bronnen kunt integreren.

Onze bronnen zijn in volgorde van tijd geweest:

1. Zonneboilers
2. Hout-CV Kachel
3. Elektrische element
4. Lucht-Water warmtepomp

Het totaal van deze bronnen moet dus voldoende energie opbrengen om aan die eerder berekende 105.570 MJ of 29.325 kWh te komen.

Capaciteit berekenen van het buffervat

Maar laten we even teruggaan naar dat buffervat, het hart van ons warmtesysteem. Hoe groot moet dat vat eigenlijk zijn? Daar zijn enkele vuistregels voor;

• Wij hebben 6 vlakkeplaat zonnecollectoren of zonneboilers eind 2011 op het dak geplaatst, met elk een oppervlakte van 2 m2. Totaal zou dus een buffervat van minstens 600 Liter noodzakelijk zijn.
• De cv-houtkachel die in 2013 is geplaatst heeft een waterzijdige capaciteit van 10kW en zou dus minstens 350 Liter moeten bevatten.
• De luchtwater warmtepomp die sinds 2017 draait, levert maximaal 13 kW warmte en vraagt dus om een buffervat van minstens 325 Liter.

Maar behalve de inhoud speelt er nog een onderdeel een rol. Hoeveel bronnen wil je namelijk aansluiten en hoeveel aansluitingen heb je nodig voor de warmteafgifte? Een buffervat bevat ‘dood’ water, ofwel water dat je ook in de cv-installatie gebruikt. Het is dus geen schoon drinkwater. Om drinkwater (tapwater) te laten verwarmen is een warmtewisselaar of spiraal nodig waar het water doorheen stroom. En een zonneboiler is voorzien van antivries en vraagt dus ook om een geïsoleerd en gesloten systeem door middel van een warmtewisselaar in het vat. En als je nog meer bronnen wilt integreren heb je vermoedelijk dus ook meer warmtewisselaren nodig. Over het algemeen geldt dat een klein buffervat tot circa 200 liter 1 spiraal heeft (en soms ook horizontaal geplaatst kan worden), tot circa 500 liter kun je met 2 verkrijgen en wil je 3 of meer warmtewisselaars, dan praat je al snel over een buffervat van 1000 liter. Het vat in onze woning is een 1000 liter vat met een doorsnede van 140cm en een hoogte van 220cm, inclusief de isolatie. En een totaalgewicht van 1250 kg. Wel iets om rekening mee te houden!

In ons schema zie je dat het buffervat een warmtewisselaar onderin heeft voor de zonneboilers, een warmtewisselaar in het midden heeft voor de houtkachel en een RVS-warmtewisselaar bovenin voor warm tapwater afgifte.

De Lucht-Water warmtepomp is direct opgenomen in het CV systeem (het zogenaamde ‘dode water’) maar geeft de warmte af aan het buffervat. De afgifte voor de vloerverwarming zit in het midden van het vat, de retour naar de warmtepomp en de retour van de vloerverwarming zit onder in het buffervat.

Gelaagdheid van temperaturen.

Een verticaal geplaatst buffervat van enige omvang (1000 liter in ons voorbeeld) kent een bijzonder fenomeen. Er ontstaan verschillende temperaturen of zones van warmwater. Het warmste water zit bovenin, het koudste onderin. Een pomp zal hier enige verstoring in kunnen brengen maar zoals je uit het schema al kunt zien is er nu (1 november 20:00 uur) al sprake van deze verschillende temperaturen.

In ons ontwerp wordt ervoor gezorgd dat de gemiddelde temperatuur in het midden van het vat minimaal op 36 °C wordt gehouden. In het midden zit namelijk de aansluiting voor de vloerverwarming en die heeft aan 35 °C voldoende. Er is dan rekening gehouden met een klein beetje transportverlies in de leidingen. Als de temperatuur beneden de 36 °C raakt, slaat de warmtepomp aan en zal het buffervat gaan opwarmen.

De warmtepomp maakt water met een temperatuur van 40 °C (bovenin het vat) en een retour van 32 °C (onderin het vat), een delta-T dus van 8 °C.

De cv-houtkachel levert een temperatuur via de warmtewisselaar van 60 °C. Na enkele uren branden levert dat een andere gelaagdheid op en een verhoging van de temperatuur in het bovenste gedeelte. Bovenin wordt het tapwater verwarmd. Met de cv-houtkachel kan dus warm water worden gemaakt dat geschikt is voor douchen of in de keuken (>55 °C). Onze warmtepomp kan dat ook maar wordt niet hiervoor gebruikt, hij is immers ingesteld op maximaal 40 °C. Hieronder kun je zien dat de cv-houtkachel een temperatuur van 55 °C via de warmtewisselaar afgeeft waarmee het vat is opgewarmd tot 46 °C.

Ook de zonneboilers kunnen deze temperatuur behalen, maar uitsluitend bij voldoende zonneschijn en alleen in de periode vanaf half maart tot half oktober. In de wintermaanden staat de zon te laag en zijn er te weinig zonuren. De zonneboilers kunnen in de winter een temperatuur behalen van hoogstens 35 °C. En dat maximaal tussen circa 12:00 en 15:00 uur. Dat is dus veel te weinig voor verwarming van het hele huis. Vanaf het voorjaar werken de zonneboilers uitstekend. Regelmatig wordt er een temperatuur in het vat bereikt van 65-75°C. Omdat er in de zomermaanden geen warmte voor de woning wordt onttrokken, is alle opgeslagen warmte dan te gebruiken voor tapwater. Maar ook de wasmachine en zelfs de close-in boiler in de keuken en de vaatwasser profiteren dan mee.

De afbeelding hierboven toont de technische ruimte, zonder het buffervat. Dat staat in een rechts aangrenzende ruimte. Op de foto zie je van links naar rechts:

• Besturingseenheden voor de warmtepomp, sensoren knooppunt en relaiskast.
• Het kleine witte kastje links is de doorstroomverwarmer.
• Daarachter de WTW luchtunit met warmteterugwinning.
• In het midden achteraan de pomp unit met besturing voor de zonneboilers
• Rechts tegen de muur (met witte voorkant) de pomp unit voor de cv-houtkachel.
• Op de grond of aan de muur de verschillende expansie vaten voor zonneboiler (wit), vloerverwarming/warmtepomp (grote rode) en cv-houtkachel.

Warmte opbrengsten en rendement

Wat levert dit systeem nu op? Dat is wel te berekenen maar in de praktijk lastig te meten. De zonneboilers leveren in theorie totaal circa 6*2,9GJ = 17,4GJ ofwel 4.833 kWh per jaar. De meting die de zonneboilerbesturing zelf opgeeft, geeft voor dit jaar circa 5.350 kWh op. Dat komt wel in de buurt van de theoretische waarde. Het was immers een uitzonderlijk warm en goed zonjaar.

De houtkachel heeft geen meter. Om de energie die is afgegeven in de vorm van warmte uit verbranding van hout te berekenen, moeten we een aantal aannames doen. Zie hiervoor ook de berekening die ik in de andere blog maakte. Vorig jaar verstookten wij ongeveer 2,5 kuub hout (droog berk, essen en beuk). Dat is goed voor circa 2,5*400kg*4,2kW*85%rendement = 3.550 kWh.

De totale warmtepomp installatie bestaande uit de warmtepomp, diverse pompen en kleppen, besturing, warmte element en een doorstroomverwarmer (daarover later meer), heeft een totaal verbruik gekend van 6.100 kWh.

Als we deze waarden bij elkaar optellen komen we op een totaal van 14.250 kWh. Dat is nog niet de benodigde 29.325 kWh. Maar er is dan ook nog geen rekening gehouden met het rendement van de lucht-water warmtepomp. Want deze kan wel een rendement halen van 350% ofwel een COP van 4,5. Maar dat is dan weer bij de meest gunstige omstandigheden.

De COP kunnen we bij benadering uitrekenen. Een exact waarde kan ik niet berekenen omdat er in de totale energie opname van 6.100 kWh ook andere onderdelen zitten, waaronder de doorstroomverwarmer, die het rendement nadelig beïnvloeden. En ook nog een paar maanden gas voor het gastenverblijf. We doen een poging:
29.350=5.350+3.550 + (COP*6.100*90%); COP=4.2. Dit is inderdaad de theoretische waarde die leverancier SPRSUN opgeeft maar ik betwijfel of die in de praktijk en over een jaar gemiddeld, gehaald kan worden.

Hoe krijgen we voldoende warm tapwater?

Zoals je hebt kunnen lezen zijn er periodes waarin de temperatuur in het buffervat onvoldoende is om comfortabel te kunnen douchen. Uit ervaringen weten we dat een minimale temperatuur van 48°c nodig is voor een lekkere douche. Er zijn namelijk nog wat leiding verliezen te overwinnen….. Maar 48°C is onvoldoende om legionella tegen te gaan. Daarvoor moet de temperatuur eigenlijk minimaal 55°C zijn. En die waarde wordt alleen vanaf april tot half oktober gehaald met voldoende zonneschijn. Of door de houtkachel elke dag op te stoken. In beide gevallen kan de temperatuur dan gemakkelijk 65°C worden. Maar de ervaring heeft ook geleerd dat de vloerverwarming een forse aanslag op de buffercapaciteit kan doen waardoor op ongewenste momenten de voorraad warmwater in de winter ontoereikend kan zijn.

Een oplossing kan zijn om het water in een aparte boiler met een naverwarmer op te warmen. Ons gezin zou met 120 Liter uit de voeten kunnen. Maar een boiler verliest energie door afkoeling. Dat is niet wenselijk. Ik heb een andere zeer simpele oplossing gevonden die vooral in de Alpen-landen en in Scandinavië veel wordt gebruikt; een doorstroomverwarmer.

Doorstroomverwarmer

Een doorstroomverwarmer is een klein maar doeltreffend en ook nog slim apparaat dat van koud water direct water op de juiste temperatuur maakt. Hiervoor gebruikt het elektrische energie. En vergis je niet, dat kan best veel zijn! Om van 10 °C koudwater 55°C warmwater te maken verbruikt de doorstroomverwarmer 11-13kW aan energie, dat is bijna gelijk aan de aansluitwaarde van een normale woning (3x25A). Dan is de opbrengst circa 5 liter per minuut. Voldoende voor een gemiddelde douche maar niet voor een stortdouche of meerdere tappunten die tegelijkertijd worden gebruikt. Als je dat wilt moet je een zwaarder exemplaar nemen. Ze zijn er ook van 18-24kW maar dat betekent ook dat de meterkast en de aansluiting met de energieleverancier fors moet worden verzwaard tot 3×35-50A. En dat kost veel geld dus denk goed na…..

Maar de doorstroomverwarmer is ook slim. In mijn situatie is het aangevoerde water uit het buffervat minimaal 40°C warm, voorverwarmd door de luchtwarmtepomp, zonneboilers of houtkachel. De doorstroomverwarmer hoeft dan nog maar een klein stukje na te verwarmen (van 40°C naar 55°C) en gebruikt daarvoor veel minder energie. In onze situatie pendelt de doorstroomverwarmer dan tussen 4-8kW aan opgenomen energie. En als in de zomer het buffervat meer dan 55°C is, doet de doorstroomverwarmer helemaal niets. In mijn hydraulische schema zie je de doorstroomverwarmer rechtsbovenin, aangesloten aan de gele warmwaterleiding.

Toch is het verstandig om enkele voorzorgsmaatregelen te nemen tegen het overbelasten van je meterkast. Want als iemand onder de douche staat en je tegelijkertijd aan het koken bent op een inductieplaat, de warmtepomp het huis verwarmd en de auto aan de laadpaal staat, kan het misgaan. Hoe je dat kunt voorkomen lees je in een volgende blog.

Nog enkele afsluitende tips:

• Zorg voor voldoende ruimte voor de technische installatie. Een stookruimte van minimaal 2 m2 is eigenlijk al te krap. Liever een ruimte van circa 4 m2 met voldoende muuroppervlak voor het monteren van alle techniek.
• Houd rekening met de maximale vloerbelasting in je woning als je een zwaar buffervat plaatst. Op zolder kan een uitdaging zijn.
• Probeer de leidingen tussen zonneboilers en buffervat zo kort mogelijk te houden om onnodig warmteverlies te voorkomen. In mijn situatie was dat helaas niet mogelijk. Ik heb 18 meter leiding moet leggen. Heen en terug.
• De warmte transmissie is het moeilijkste onderdeel in de hele energietransitie. Eigenlijk zou elk huis minimaal 1 zonneboiler/collector moeten plaatsen. Meer is beter.
• Heb je nog geen 3-fase meterkast? Leg deze dan zo snel als mogelijk aan. Daar ga je profijt van hebben.