Warmtepomp met gracht als warmtebron

De warmtepomp pompt onder druk een koelmiddel rond. Dit koelmiddel kookt op een temperatuur kouder dan -30 tot -50 graden. Door het koelmiddel tot wel 10 bar onder druk te zetten, stijgt de kooktemperatuur tot boven nul. In de verdamper stroomt het koelmiddel langs het koude water uit de gracht. Doordat het koelmiddel warmte onttrekt uit de gracht gaat het (weer) koken. Als het koelmiddel gaat koken ontstaat er gasvormig en zet het uit. De compressor zuigt het gas aan en voert de druk verder op tot wel 30 bar. Hierdoor stijgt de temperatuur van het vloeistof tot wel 60 graden. In de condensor stroomt kouder water (bijv. 30 graden) uit het warmwater buffervat, hierdoor koelt het gas af en gaat het condenseren. De warmte die vrijkomt wordt opgenomen door het water in het buffervat. Met dit verwarmde water wordt boerderij Melkema verwarmd. Nadat het koelmiddel volledig gecondenseerd is tot vloeistof, wordt het door een expansieventiel weer in druk verlaagd en begint het proces opnieuw.

Eigenlijk is een warmtepomp een omgekeerde koelkast. In een koelkast wordt het koud en buiten de koelkast wordt de warmte afgegeven aan de omgeving. Een water/water warmtepomp haalt warmte uit het grondwater, de bodem, een sloot of een gracht.

In het geval van Melkema wordt warmte uit het koude grachtwater door de warmtepomp verpompt naar het warmere water in het buffervat. Vanuit het buffervat wordt warm water verspreid naar onder ander de nieuwe woning. De energie die nodig is om het koelmiddel te verdampen komt uit het koude water. Om dit proces aan de gang te houden is elektriciteit nodig voor de compressor. De warmte uit het koude water en de verbruikte elektriciteit van de compressor komt vrij in het warme water. Bij een water/water warmtepomp wordt per kWh elektriciteit van de compressor 3 – 6 kWh uit het koude water gehaald. Dus per kWh elektriciteit wordt er 4 – 7 kWh warmte geproduceerd.

De totaal geproduceerde warmte delen we door het elektriciteit verbruik en noemen we COP. In dit rijksmonument ligt de COP tussen 4 en 7, dat is een rendement tussen de 400% en 700%. Over een jaar is dat gemiddeld genomen 500%.

Hoe warmer het koude water en hoe kouder het warme water, hoe minder elektriciteit het kost om warmte te verpompen en hoe hoger de COP. Hoe kouder het koude water en hoe warmer het warme water, hoe meer elektriciteit het kost om de warmte te transporteren (cyclus vaker doorlopen voor hetzelfde resultaat) en hoe lager de COP.

Aanpassingen bestaande afgiftesysteem

De oude verwarmingsinstallatie met zes gasketels in vier cv-ruimtes voldeed niet meer aan de normen van deze tijd.  Tijdens het herstel van de historische boerderij zijn er een aantal keuzes gemaakt:

• De kleine schuur, grote schuur en grupstal worden niet meer verwarmd. Alle radiatoren en luchtheaters zijn verwijderd.
• Het voorhuis wordt op een temperatuur tussen de 10 en 15 graden gehouden. De bestaande convectoren in de putten blijven voorlopig zitten.
• De nieuwe woning wordt tot 21 graden verwarmd, beneden met vloerverwarming en boven met convectoren.
• De nieuwe vergaderruimte wordt tot 21 graden verwarmd met convectoren.

Convectoren 

De maximale watertemperatuur van een warmtepomp is lager (circa 57 graden) dan bij een gasketel (tot wel 90 graden). Met deze hoge temperatuur werd in het verleden een woning of pand bij – 10 graden verwarmd. Voor beide verwarmingstechnieken geldt hoe lager de aanvoer temperatuur is hoe hoger het rendement.

In de meeste gasgestookte woningen zijn de radiatoren berekent om bij – 10 graden en 70 graden aanvoertemperatuur en 50 graden retourtemperatuur de woning behaaglijk warm te maken. Als we dezelfde woning willen verwarmen met een warmtepomp met een aanvoertemperatuur van 35 graden, dan krijgen we de woning niet meer behaaglijk warm. Hier zijn drie oplossingen voor:

1. Meer radiatoren
2. Convectoren
3. Vloerverwarming

Bij Melkema is in de nieuwe woning gekozen voor vloerverwarming beneden (aanvoer 35 graden en retour 25 graden) en nieuwe convectoren boven. Convectoren hebben een veel groter contactoppervlak met de lucht. Hierdoor wordt meer lucht verwarmd, maar wel van een iets lagere temperatuur. Hierdoor wordt een ruimte behaaglijk warm met een lagere aanvoertemperatuur. De nieuwe vergaderruimte wordt ook verwarmd met nieuwe convectoren. Het voorhuis werd in het verleden verwarmd met convectoren in zogeheten ‘putten’.

Zonne-energie

Melkema neemt deel aan een zonnedak in Middelstum. Hierdoor wordt 10.000 kWh duurzaam opgewekt met zon op daken. Dit is ongeveer een derde van het te verwachten energieverbruik.

Betaalbaarheid

De betaalbaarheid van het innovatieve warmtepompsysteem is een stuk complexer dan bij een reguliere een-op-een vervanging van een gasketel door een warmtepomp.

Om de betaalbaarheid van de vervanging van aardgasketels door een warmtepomp met leidingen in de gracht te bepalen zijn de volgende kosten meegenomen:

• Koelleidingen in de gracht, verdeler en leidingen tot aan de warmtepompen (inclusief montage, spoelen en drukcontrole);
• De warmtepompen en het buffervat (inclusief montage en inregelen);
• Verbindingen met filters voor de verschillende te verwarmen ruimtes (inclusief montage);

Energetisch en financieel verschil aardgasketels versus warmtepomp

Verwacht benodigd verbruik aardgas:8.000 m³ aardgas, rendement 80% à 64.000 kWh warmtebehoefte;
·         Prijs aardgas € 1,50, per jaar € 12.000 è 15 jaar € 12.000 ·         4 Nieuwe cv-ketels met 2 nieuwe cv-ruimtes ·         Onderhoud 15 jaar è 15 x € 500 ·         Vastrecht aardgas per jaar € 1.500 è 15 x 1.500	€ 180.000 €   15.000 €     7.500 + €   22.500
Totale kosten over 15 jaar	€ 225.000

Verwacht benodigd verbruik elektriciteit warmtepomp:64.000 kWh met COP 5 of rendement 500% è 12.800 kWh elektriciteit;
·         Prijs kWh € 0,35, per jaar € 4.480 è 15 jaar € 4.480 ·         Onderhoud 15 jaar è 15 * € 200	€   67.200 + €     3.000
Totale kosten over 15 jaar	€   70.200

Netto investeringsruimte voor ombouw naar warmtepomp:       € 154.800