Te land, ter zee en in de lucht: de warmtepomp

Een warmtepomp is een efficiënte en duurzame manier om te verwarmen en te koelen. Ze bestaan ook in allerlei maten en soorten. Wat zijn de voor- en nadelen van de verschillende varianten en hoe bepaal je welke voor jou past?

Om de klimaatcrisis af te remmen, moeten we onze gebouwen en processen gaan verwarmen zonder fossiele bronnen, zoals aardgas en mazout. Om de klimaatcrisis draaglijk te houden, zullen we onze gebouwen ook steeds vaker gaan koelen. En in 2022 werd plots pijnlijk duidelijk wat de gevolgen kunnen zijn als je afhankelijk bent van één bepaalde leverancier voor een groot deel van je energiebehoefte. Omwille van al die redenen zag de warmtepomp de voorbije paar jaar een explosieve groei. Maar onder de noemer warmtepomp passen eigenlijk heel wat verschillende toepassingen. Waarvoor zijn die wel of niet bruikbaar, welke past best waar en … hoe werkt dat nu eigenlijk?

Een warmtepomp pompt warmte heen of weer

Heel kort door de bocht verplaatst een warmtepomp warmte, oftewel energie, van de ene temperatuur naar een andere. Onderweg zal het toestel elektriciteit gebruiken om die warmte samen te pompen om tot die hogere temperaturen te komen. Dat lijkt soms contra-intuïtief. Hoe kan een warmtepomp nu warmte halen uit de buitenlucht als die kouder is dan de binnentemperatuur? Theoretisch gezien zit zelfs in koude lucht energie, zolang die niet aan het absolute nulpunt komt. Maar in België is het zelden -273,15° C.

Die energie kan je met een elektrisch aangedreven compressor, een pomp dus, concentreren tot je aan de gewenste temperatuur komt. Als je energiebron, bijv de lucht, kouder is, dan moet je er meer van gebruiken om evenveel warmte bij elkaar te sprokkelen en dat kost je wat meer elektriciteit. In de meeste omstandigheden kost het minder energie (zo’n 2 tot zelfs 6 keer minder, afhankelijk van de brontemperatuur) om die warmte te concentreren en verplaatsen, dan om nieuwe warmte op te wekken, bijvoorbeeld door gas te verbranden. Bovendien kunnen we die elektriciteit opwekken met natuurlijke hulpbronnen zoals de zon en de wind. Dat is in essentie waarom een warmtepomp zo efficiënt is en duurzaam.

Wat kan een warmtepomp?

Met het basisprincipe achter de warmtepomp kan je heel wat kanten uit. Je kan het proces in de omgekeerde richting laten lopen, als je wil koelen in plaats van verwarmen. En je kan warmte aan- en afvoeren uit verschillende bronnen: lucht, water, grond … Om zicht te krijgen op de mogelijkheden en de voor- en nadelen van de meest courante varianten, spraken we met Wouter Peere, bestuurder van Enead BV. In het kader van zijn masterthesis werktuigkundig ingenieur ontwikkelde hij de GHEtool; software om geothermische bronnen voor warmtepompen te helpen ontwerpen. Met de GHEtool won Wouter de Encon Energieprijs en de Prijs Marcel Herman van sectororganisatie ATIC, dus is hij de ideale persoon om ons te gidsen door de wijde wereld der warmtepompen.

Peere: “Bij heel wat mensen leeft nog het idee dat een warmtepomp enkel werkt als je vloerverwarming hebt of enkel in een super geïsoleerd gebouw. Dat is niet meer zo. Moderne warmtepompen kunnen temperaturen leveren tot 60 à 70° C. Dat is warm genoeg om de meeste gewone radiatoren te gebruiken, dus alles wat je met centrale verwarming kan, is ook met een warmtepomp mogelijk. Zelfs een slecht geïsoleerd huis verwarmen. Het is dan wel afwegen wat efficiënter is: een krachtigere warmtepomp plaatsen of eerst extra isoleren. Of een andere duurzame warmtebron inschakelen, zoals een warmtenetwerk. Als bijvoorbeeld een fabriek in de buurt toch al veel restwarmte produceert, gebruik die dan, in plaats van zelf nog extra warmte te gaan maken. Ruimteverwarming of -koeling kan eigenlijk altijd met een warmtepomp. Een complexer vraagstuk zijn (industriële) processen waar zeer hoge of lage temperaturen nodig zijn. Een ziekenhuis bijvoorbeeld heeft zowel vrieskou als sterilisatiewarmte nodig. Dat kan een warmtepomp wel, maar hoe extremer de temperatuur, hoe lager de efficiëntie en hoe zwaarder de installatie. Soms komt dat uit, soms niet.”

Soorten warmtepompen en hun voor- en nadelen

“De lucht-lucht of lucht-water warmtepomp is de meest bekende warmtepomp. Die haalt energie uit de buitenlucht en herken je aan de ventilator die ergens buiten staat. Doorgaans zijn ze het goedkoopst in aankoop en kan je ze overal gebruiken. Omdat ze met een buitenventilator werken, is geluidsoverlast op sommige plaatsen wel een aandachtspunt. Dan gebruik je bijvoorbeeld grotere ventilatoren die trager draaien en dus stiller zijn, maar die kosten wat meer. Nog een nadeel: in de winter, net wanneer je veel warmte wil, is de buitenlucht het koudst en omgedraaid in de zomer. Dus het rendement is relatief het laagst wanneer je ze het meest nodig hebt. Maar zelfs bij heel lage temperaturen werken ze prima.”

“Bij aquathermie gebruik je oppervlaktewater zoals een meer, rivier of zelfs rioolwater als energiebron. Oppervlaktewater heeft een vrij stabiele temperatuur vergeleken met de lucht; in België meestal tussen 5 en 25°C, maar er bestaat veel regulering rond. Dat water is eigendom van iemand en als de temperatuur met enkele graden schommelt, kan dat ernstige gevolgen hebben voor het leven in het water. Veel van ons oppervlaktewater is nu al te warm door lozingen van industrieel koelwater. Dus een relatief goed rendement, maar het kan niet overal. Het vergt studie en overleg met betrokkenen.”

“Geothermie buffert energie in de bodem. Daarin heb je open systemen die grondwater oppompen, gebruiken en terug sturen. Die zijn dus heel plaats afhankelijk en er zijn veel regels rond. In de Kempen lukt het meestal wel, rond Leuven en Brussel zit je vaker op een rotslaag. Je zal proefboringen moeten doen, maar als het kan, werkt een open systeem heel goed. Een gesloten systeem (i.e. een boorveld) laat een warmtegeleider-vloeistof circuleren door een leiding in de grond, die als warmtewisselaar fungeert. Je pompt dus geen grondwater op, je wisselt enkel de energie uit met de bodem. Je kan het dus op veel meer plaatsen toepassen dan een open systeem. Een geothermie installatie is doorgaans iets duurder in aankoop, maar heeft een langere levensduur, minder onderhoud en een hogere efficiëntie. ”

“De bodem heeft een hele stabiele temperatuur (gemiddeld 7-14°C), dat komt de efficiëntie ten goede. Daar komt nog bij dat de bodem in de zomer vaak koud genoeg is om rechtstreeks een gebouw mee te koelen. Dan hoef je de warmtepomp zelf niet te gebruiken. Je kan louter het koelmiddel laten circuleren. Dat noemen we passieve of ‘free’ koeling en dat is heel energie-efficiënt. Ik spreek ook van een energiebuffer, omdat je er warmte kan uithalen en terug insteken. Bij geothermie is dat heel uitgesproken. Al de overtollige warmte die je in de zomer in de bodem afvoert, kan je in de winter er weer uithalen. Bij de omgevingslucht is die natuurlijk al lang weg.”

“Maar dat heeft ook een nadeel. Als je op jaarbasis consequent meer verwarmt dan koelt, kan je op termijn de bodem bevriezen. Omgekeerd kan je de bodem ook gaan opwarmen. In beide gevallen is dat nadelig voor de efficiëntie van de installatie en voor het bodemleven. Die onbalans kan je wel rechttrekken door bijvoorbeeld zonnecollectoren of luchtkoelers te plaatsen. Het vooral belangrijk om vooraf goed te weten wat je warmte- en koudevraag is en om de installatie en de warmtewisselaar in de grond correct te dimensioneren.”

Het belang van berekenen

“Mensen of ondernemingen die over een warmtepomp nadenken zou ik sowieso adviseren om eerst hun noden goed in kaart te brengen. Gaat het enkel over verwarmen of ook koelen? Op welke tijdstippen? Zijn er eventueel nog warmte- of koudebronnen die je kan aanboren? Hoe meer je op voorhand al kan meten, hoe beter. Dat is het soort van informatie dat een studiebureau (of eventueel een architect) nodig heeft om een goede oplossing uit te tekenen. De GHEtool die we ontwikkelden is bijvoorbeeld specifiek bedoeld om het boorveld voor geothermie te dimensioneren.”

“Mijn tweede advies zou zijn om betrokken te blijven bij het proces. Het werk van zo’n studiebureau is complex, maar daarom hoeft het voor jou geen zwarte doos te zijn. Vraag zeker na welke opties ze wel en niet overwogen hebben en waarom. Op die manier heb je enig inzicht in de nauwkeurigheid van hun argumentatie en trek je misschien hun denkkader open. Voor een ingenieur is het soms verleidelijk om bij de oplossingen te blijven die in het verleden goed werkten. Zorg dat ze je laten zien dat hun resultaat berekend is en niet zomaar een vuistregel.”

“Daarom hebben we de GHEtool als open source software ontwikkeld. Er is ook een professionele, betalende versie, om tegemoet te komen aan de noden van professionele gebruikers. Die financiert het open sourceverhaal, want softwareontwikkeling kost nu eenmaal geld. Maar alle modellen en alle code zijn publiek beschikbaar en zichtbaar voor gebruikers. Dankzij die transparantie gaat de tool er sneller op vooruit, want iedereen kan eventuele fouten zien en ermee aan de slag gaan. Voor mij is dat ook een deel van maatschappelijk verantwoord ondernemen. We staan voor een grote transitie die we aan record tempo moeten volbrengen. Open source werken laat ons toe om innovaties en methodes veel sneller te verspreiden. Patenten schermen af, maar open source is een katalysator. Zo kan iedereen met state of the art aan de slag.”