Buffervat bij een warmtepompinstallatie

Bij een warmtepompinstallatie zult u vaak een ‘buffervat’ tegen komen, een buffervat wordt dan ook door vrijwel elke warmtepomp fabrikant/leverancier aangeraden.

Laten we eerst duidelijk stellen dat wij met de term ‘buffervat’ een vat bedoelen waar systeemwater/cv-water in zit. Het is dus niet een vat met tapwater / sanitair-water, zo’n vat noemen we namelijk een boiler in ons land.

De voornaamste reden om een buffervat toe te passen is de reden dat een compressor niet goed tegen het steeds maar in en uit schakelen kan. We noemen dit ook wel ‘pendelen’.

Het ‘pendelen’ van een compressor verkort de levensduur van de compressor! En dat wil je niet.

We willen dus voorkomen dat de compressor gaat pendelen. Door het toepassen van een buffervat neemt het pendelen af!

Als u een installatie heeft die geen na-regeling heeft, dus een afgifte-systeem dat altijd open staat en een warmtepomp die precies op het benodigde vermogen is aangeschaft, dan is er geen buffervat nodig. Immers de compressor / warmtepomp kan zijn energie dan altijd kwijt in de installatie.

Maar een goede en comfortabele installatie is per definitie (deels) na-geregeld.  Elk vertrek dat op de gewenste temperatuur is stuurt het afgifte-systeem van dat vertrek dicht. Bij vloerverwarming zit er dan vaak per ruimte een thermostaat die de kraantjes op de vloerverwarmingsverdeler dicht of open stuurt. Stel nu dat alle ruimtes op temperatuur zijn en de compressor net is aangegaan, dan zou deze zijn warmte niet meer kwijt kunnen in de installatie en gedwongen uit moeten gaan. Immers er zit een limiet aan de maximale temperatuur die de compressor mag maken. Als de compressor zijn warmte niet kwijt kan is die limiet snel bereikt en schakelt deze af of gaat in hoge druk storing.

Hoe groot moet de ‘anti pendel buffer' voor een warmtepomp zijn volgens de ISSO richtlijnen ?

De ISSO 72 stelt dat een warmtepomp minimaal 10 minuten moet kunnen draaien bij de ontworpen delta T situatie, dit is uitgangspunt voor de minimaal systeeminhoud.  Een buffer, bij een geheel na-geregelde installatie, moet dus minimaal deze inhoud hebben.

Laten we een berekening maken waaruit we vervolgens de kengetallen kunnen halen. We gaan uit van een warmtepomp die 10 kW levert omdat dit makkelijk rekent als voorbeeld:
Dan volgt de formule:
Qv in m³/sec = vermogen : p x c x delta T

• Qv = flow in m³/sec
• vermogen in Watt
• p = soortelijke massa, deze is voor water 998 kg/m³
• c (Soortelijke warmte = 4190 J/kg.K
• Delta T is temperatuur verschil in Kelvin

Bij een installatie ontwerp temperatuur / delta T van 10°C:
(10.000 Watt : (998 x 4190 x 10)) x (3600 seconden) = 0,86 m³ per uur
= 860 liter per uur, 10 minuten = 1/6 van een uur. Dus 860 liter : 6 = 143 liter voor 10 kW.
Dit geeft een kengetal van afgerond 15 liter per kW afgegeven vermogen.
 

Bij een installatie ontwerp temperatuur / delta T van 7°C:
(10.000 Watt : (998 x 4190 x 7) x ( 3600 seconden) = 1,229 m³ per uur
= 1229 liter per uur, 10 minuten = 1/6 van een uur. Dus 1229 liter : 6 = 204 liter voor 10 kW.
Dit geeft een kengetal van afgerond 20 liter per kW afgegeven vermogen.

Bij een installatie ontwerp temperatuur / delta T van 5°C:
(10.000 Watt : (998 x 4190 x 5) x ( 3600 seconden) = 1,7218m³ per uur
= 1721 liter per uur, 10 minuten = 1/6 van een uur. Dus 1721 liter : 6 = 286 liter voor 10 kW.
Dit geeft een kengetal van afgerond 28 liter per kW afgegeven vermogen.

Dus als je een aan/uit warmtepomp hebt van 10 kW, en de installatie draait met een delta T van 5°C (bijvoorbeeld aanvoer temp is 40°C en retour = 35°C , geeft dus Delta T van 5°C) en deze kan geheel dicht lopen door de na-regeling, dan heb je een buffer nodig van 10 x 28 = 280 liter om de warmtepomp nog 10 minuten te kunnen laten draaien.

Bij een modulerende warmtepomp, een warmtepomp welke zijn vermogen kan aanpassen, kun je uitgaan van het minimaal vermogen. Een warmtepomp van 16 kW, maar welke modulerend kan werken tussen de 4 en 16 kW heeft een buffer nodig die het minimaal vermogen van 4 kW minimaal kwijt moet kunnen. De uitkomst altijd naar boven afronden, immers het terug moduleren kost ook wat tijd, afhankelijk van inverter techniek. Anderzijds verwachten we niet dat het systeem plots dicht loopt als de vraag nog maximaal (16 kW) was.  Als deze warmtepomp werkt met een Delta T van 7°C hebben we dus een buffer nodig van 4 kW x 20 liter = 80 liter.  Het best nemen we de leverbare buffer die hier boven zit, bijvoorbeeld 100 liter.

Is er ook een vuistregel om het makkelijker te maken ?

Ja, die is er (en die gaat ervan uit dat een warmtepomp draait met een delta T van 7°C)

Onthoud die vuistregel:   20 liter buffer per kW warmtepomp vermogen minus 1,5 liter per m²  vloerverwarming die altijd open blijft staan.    Dan heb je lang plezier van de warmtepomp (compressor) !

Dit geld ook voor een modulerende warmtepomp: neem daar voor de buffer inhoud bepaling het minimaal modulatie vermogen.
 

Als we iets verder inzoomen op bovenstaande vuistregel:

Welk vermogen is uw warmtepomp / met welk getal moet ik rekenen ?

Bij een brine/water of water/water aan-uit warmtepomp:
Zoek het vermogen van de warmtepomp op met een bron van 10°C naar een aanvoer van 35°C
Vermenigvuldig dit vermogen met 20 en je hebt de advies inhoud van de buffertank.
Voorbeeld: we hebben in de technische gegevens gevonden dat een warmtepomp bij deze temperaturen 10 kW doet, dan is de gewenste buffer 10 x 20 = 200 liter.

Bij een brine/water of water/water modulerende warmtepomp:
Zoek het minimaal vermogen van de warmtepomp op met een bron van 10°C naar een aanvoer van 35°C.  Vermenigvuldig dit vermogen met 20 en je hebt de advies inhoud van de buffertank.
Voorbeeld: we hebben in de technische gegevens gevonden dat deze warmtepomp bij die temperaturen kan moduleren van 4 tot 12 kW, dan is de gewenste buffer 4 x 20 = 80 liter

Bij een brine/water of water/water warmtepomp met 2 compressoren:
Zoek het totaal vermogen van de warmtepomp op met een bron van 10°C naar een aanvoer van 35°C Vermenigvuldig dit vermogen met 0,75 en met 20 en je hebt de advies inhoud van de buffertank.
Voorbeeld: We hebben gevonden dat deze machine 2 compressoren heeft die elk 20 kW leveren bij die temperaturen; dan is de gewenste buffer 40 x 0,75 x 20 = 600 liter.

Bij een lucht/water aan-uit warmtepomp:
Zoek het vermogen bij een buitentemperatuur van 15°C naar een aanvoer van 35°C en vermenigvuldig dat met 20
Voorbeeld: we hebben gevonden dat deze machine 8 kW levert bij deze temperaturen, dan is de gewenste buffer 8 x 20 = 160 liter.

Bij een lucht/water modulerende warmtepomp:
Zoek het minimaal vermogen bij een buitentemperatuur van 15°C naar een aanvoer van 35°C en vermenigvuldig dat met 20 Voorbeeld: we hebben gevonden dat deze warmtepomp bij die temperaturen kan moduleren tussen 2 en 8 kW, dan is de gewenste buffer 2 x 20 = 40 liter.

Soms vind je van een bodem warmtepomp alleen het vermogen bij een bron van 0°C naar een aanvoer van 35°C .  Of bij een lucht/water alleen bij 7° buitentemperatuur naar een aanvoer van 35°C
Zoek dan niet langer en vermenigvuldig dan dat vermogen eerst met 1,2 !

Voorbeeld een brine/water aan/uit warmtepomp doet 8 kW bij 0/35 dan wordt de aanbevolen buffer: 8 x 1,2 x 20 = 192 liter.

Noot: Als er een gedeelte van de vloerverwarming altijd open staat, hoe groot moet dan buffer zijn ?
Voor elke m² vloerverwarming die altijd open staat mag u 1,5 liter op de inhoud van de buffer in mindering brengen.

Nog één voorbeeld:

Stel u heeft een woning met een GO van 200 m², berekend is dat de transmissie 8 kW is.
De aan/uit warmtepomp die u heeft genomen levert bij een bron van 0 °C naar een aanvoer van 35°C 8 kW.   Dan is de aanbevolen buffer: 

8 kW x 1,2 (we wisten niet het vermogen bij 10/35) x 20 = 192 liter

Nu is bekend dat alleen de bovenverdieping wordt na-geregeld, de beneden verdieping met 90 m² vloerverwarming  blijft altijd open staan. Dan mag er van de buffer 90 x 1,5 = 135  liter worden afgetrokken. 

De benodigde buffer wordt dan 192 –135 =  57 liter.
Omdat niet elke maat buffer verkrijgbaar is mag er worden afgerond, liefst naar boven is het een klein verschil dan naar beneden. 
 

In de herhaling, om een lang verhaal weer kort te maken:

Onthoud dus:  20 liter buffer per kW warmtepomp vermogen minus 1,5 liter per m² vloerverwarming die altijd open blijft staan.   Dan heb je lang plezier van de warmtepomp (compressor) .

(afbeelding inhoud buffer bij delta T / formule uitkomsten)

Hoe sluiten we de 'anti-pendel warmtepomp buffer' aan :

Een ANTI PENDEL  buffer aansluiten kan op meerdere manieren maar er is er één die de voorkeur geniet.
 

Bovenstaand voorbeeld geniet NIET de voorkeur. De meeste warmtepompen hebben maar één externe sensor mogelijkheid. Als je de vloerverwarming, volgens stooklijn of berekening, precies 35 °C aanvoer wil bieden is dit een foute keuze.  Je kunt de sensor niet achter de buffer plaatsen, want als de pomp achter de buffer niet draait zit je te meten op een stuk leiding waar geen flow is, daardoor zal de gewenste temperatuur niet worden gehaald en brengt de warmtepomp de buffer op een te hoge temperatuur, er blijft immers ‘vraag’.  

Nee de sensor zit met betrekking tot dit schema op de juiste plaats nl. in de buffer. Alleen in de buffer vindt constant menging plaats tussen het warmtepompcircuit en het afgiftecircuit welke beiden door de buffer stromen. Je moet dan al snel de warmtepomp op een hogere temperatuur laten draaien dat dat je eigenlijk in de vloer nodig hebt, hierdoor wordt het rendement van de installatie slechter.

We zien in de praktijk vaak dat de monteurs die uit de CV-ketel wereld komen de buffer aan willen sluiten op bovenstaande manier. In de ketel wereld let de hoogte van de temperatuur namelijk niet zo nauw als in ‘warmtepomp-land’. Immers het rendement van de warmtepomp is bij het maken van 35°C veel beter dan bij het maken van 45°C. Vandaar dat bovenstaand niet de juiste keuze is bij een warmtepomp.

Bovenstaand voorbeeld is al iets beter, maar de menging maakt nauwkeurige temperatuur bepaling (sensor) voor het afgiftesysteem nog lastig.

Bovenstaand voorbeeld is het juiste installatie advies voor een ‘anti pendel buffer’ bij een warmtepomp. De sensor zit op een plaats waar de aanvoer temperatuur naar het afgiftesysteem goed kan worden gemeten en bepaald.  De buffer kan dienst doen als ‘overloop’ en voorziet ook (bij de t stukken) in de juiste menging. Ongewenste mening vindt hier niet meer plaats.

Noot: als u bijvoorbeeld ook een houtkachel heeft die u warmte wil laten leveren aan de installatie, dan is dit schema natuurlijk niet van toepassing! 
Noot: Dit schema gaat uit van een Delta T (temperatuur verschil tussen aanvoer en retour) geregelde circulatie pomp in  het warmtepomptoestel en een Delta P geregelde pomp in het afgifte systeem. Als er vloerverwarming verdelers dichtlopen (na-regeling) dan gaat de installatie circulatie pomp (tussen buffer en vloerverwarming) langzamer draaien / minder m³ verpompen.  (Het kan echter ook met simpele aan/uit pompen).

2 Praktijk voorbeelden (D en E)  van het flow circuit wat kan ontstaan:

Situatie voorbeeld D:

Een aan/uit warmtepomp van 8 kW draait met een delta T van  7 ̊C  = 0,98 m³ per uur.
Het afgiftesysteem staat  helemaal open en de delta T aan die zijde is thans 5̊ C = 1,37 m³ per uur
De warmtepomp levert zijn 0,98 m³ per uur meteen rechtdoor naar het afgifte systeem
Van het afgiftesysteem terug gaat 0,98m³ naar de warmtepomp en 0,39 m³ via de buffer

Situatie voorbeeld E:

Een aan/uit warmtepomp van 8 kW draait met een delta T van  7 ̊C  = 0,98 m³ per uur.
Het afgiftesysteem is gedeeltelijk dicht gelopen waarbij de zelf regelde pomp is terug gelopen naar 0,51 m³ per uur ( Delta T van 5̊ C  = 3 kW )
Vanuit de warmtepomp uit gaat nu 0,51 m³ per uur rechtstreeks naar het afgiftesysteem en
0,47 uur gaat over de buffer terug naar de warmtepomp.  Alle ‘flow’ van het afgiftesysteem gaat nu dus over de warmtepomp heen.  U ziet dat een 'buffervat' tevens zorgt voor een 'hydraulische ontkoppeling'.  De stroming door het buffer kan dus zowel van onder naar boven zijn als van boven naar onder, naar gelang welke pomp meer of minder m³ flow doet.

Let op! Als er direct in de buffer meerdere warmtebronnen bij elkaar komen (bijvoorbeeld ketel en warmtepomp) dan kan de buffer natuurlijk niet met 2 leidingen worden aangesloten.

Bufferen voor later / warmte opslag / opslag buffer..

Als je een goedkope energiebron zou hebben loont het dan de moeite om warmte te bufferen ?

Laten we een voorbeeld nemen:

Stel dat je een woning hebt met een transmissie van 8 kW
Uit statistieken ‘vollast draaiuren’ weten we dat januari normaal de koudste maand is en dan draait een warmtepomp 218 vollast uren.

In januari is dus, bij deze voorbeeld woning, 218 uur x 8 kW = 1744 kWh nodig.
Naast verwarming is er ook nog tapwater nodig.
Laten we uitgaan van maar 2 bewoners, hiervoor is (uit tabel) 2000 kWh per jaar nodig voor tapwater
Dat is dus per maand 2000 : 12 = 166 kWh
In januari is dus 1744 kWh verwarming + 166 kWh tapwater = 1910 kWh aan energie nodig in de voorbeeld woning.

Onze voorbeeld woning is goed geïsoleerd, geheel voorzien van vloerverwarming en een aanvoer temperatuur van 40° C is voldoende om de woning warm te krijgen. Laten we er van uit gaan, om het simpel te houden, dat we voor tapwater ook maar 40° C nodig hebben.
Om met buffer energie 40° C te maken, moet de buffer minstens 40° C zijn natuurlijk.
Laat ons aannemen dat we de buffer, met goedkope energie, hebben kunnen verwarmen tot 80°.

Dan hebben we dus 40° C energie (verschil tussen 80 en 40) om hiervoor te gebruiken.
Hoe groot moet dan de buffer zijn om voor de maand januari genoeg energie te hebben opgeslagen?
De grote in kWh hadden we al berekend, namelijk 1910 kWh
Hoeveel liter water is dat, als we 40° C ‘voorraad speling’ hebben berekend.

Q = m x c x delta T
We bepalen eerst Q in Kwh zit het begrip tijd (h = uur) opgeslagen ‘3600 seconden’
1910 kWh x 3600 sec = 6876000 KJ

6876000 = m x 4,19 (c van water) x 40̊ C (temperatuurverschil)
Dat wordt dus 6876000 : (4.19×40) = m in kg
m = 41026 kg = bij water dus 41.026,00 liter die we zouden moeten bufferen.

Dat is dus onbegonnen werk.

Stel dat we voor één winterdag energie zouden willen bufferen in deze voorbeeld woning:
41026 liter : 30,4 dag = 1349 liter. 

Met andere woorden je moet heel veel bufferen om er nut van te kunnen hebben in Nederland doen we dit dan ook nagenoeg niet.

In de toekomst kan een buffer, om te bufferen, natuurlijk wel zeer interessant worden.

De verwachting is dat in de toekomst de stroomprijs per kwartier anders kan zijn. Immers bij veel zon is er een overschot, even als bij veel wind. Op die momenten zal de stroom goedkoper of zelfs gratis kunnen zijn. Op die momenten zou je dan een warmtepomp of elektrisch element kunnen starten om een buffervat te verwarmen. Uit dit buffervat, wat dus behoorlijk van afmeting zal moeten zijn, kun je vervolgens in de uren dat de stroom ‘duur’ is energie halen voor verwarming. Een soort ‘accu’ dus maar dan gewoon met water in een vat.    

Met betrekking tot dit, is het artikel van de 'houthakker' ook wel interessant:

De houthakker / houtketel

Met namen in Zuid-Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk vinden we woningen die in de kelder een buffer hebben van bijvoorbeeld 8.500 liter. (8,5 m³)  Elk weekend stookt de bewoner dan zijn houtkachel om het gehele vat te verwarmen naar 85 ̊C.   Als we dan bovenstaand voorbeeld even volgen en we stellen dat het vat in één week afkoelt (door gebruik) naar 40 ̊C, dan moet er dus 8500 liter van 40 ̊C naar 85  ̊C graden worden verwarmd met de houtkachel. (Delta T = 45)

Q = m x c x Delta T
Q = 8500 x 4,19 x 45 !
Q = 1602675 kJ   dat delen we door 3600 sec = 445,18 kWh

In onze voorbeeld woning (8 kW transmissie) hadden we 1910 kWh nodig in één koude maand
Dat is per dag (:30,4) 62,8 kWh

Met de 8500 liter buffer kunnen we dus 445,18 kWh : 62,8 kWh = 7,08 dagen verwarmen in ons voorbeeld huis.  Stel dat de bewoner een houtketel heeft van 60 kW afgegeven vermogen, dan
hoeft die ketel per week maar 445,18 kWh : 60 kW = 7,5 uur te branden.

Met het wekelijks hakken van hout en de houtketel 7,5 uurtjes stoken komt deze bewoner dus toe.

*Uitgaande van de voorbeeld woning, bij een  andere transmissie volgen dus andere uitkomsten (groter of kleinere buffer om te kunnen voorzien op deze manier).

Twee in één buffers

Vanwege plaatsgebrek of andere gedachten wil men wel eens een buffer en boiler onder één mantel combineren. Met een houtketel, cv –ketel of flinke zonne-energie installatie is dat niet zo’n probleem. Maar als het alleen een warmtepomp betreft die deze moet voeden dan raden wij dat eigenlijk af. De kans bestaat namelijk dat de warmtepomp steeds voor ‘boiler’ bijkomt en met een verhoogde temperatuur het vat aan het verwarmen is.

Als het cv-zijdig afgifte systeem net iets meer m³ flow heeft dan dat de warmtepomp biedt, (net als in bovenstaand plaatje) dan ben je ongemerkt het tapwater langzaam aan het uit koelen (afkoelen) doordat de flow in de buffer een 'werveling' krijgt en komt het toestel dus steeds bij voor tapwater verwarmen (sensor boven) in plaats van voor verwarming (sensor onder) tapwater heeft namelijk altijd voorrang op verwarmingswater.  Het is dus de bedoeling dat de boilersensor aangeeft dat het tapwater moet worden verwarmd de driewegkleppen lopen dan om richting boiler en het vat wordt bovenin met een hogere temperatuur gevoed. Is de boiler op temperatuur en is er verwarmingsvraag dan lopen de kleppen naar beneden en wordt het vat aan de onderkant gevoed.

Omdat het rendement (COP) van een warmtepomp beter is bij laag temperatuur (verwarming) dan bij wat hogere temperatuur (tapwater verwarmen) wil je het tapwater dus niet onnodig af laten koelen.

Alles in één buffers:

Er zijn diverse vaten op de markt verkrijgbaar waarvan men beweert dat deze super goed gelaagd zijn, vaak gaat deze boodschap gepaard met mooie ‘thermo grafische’ foto’s.  De vraag is of die foto is gemaakt toen de pompen stil stonden of niet?  Wij maken nogal eens mee dat ondanks dat er de meest wonderbaarlijke constructies in de vaten zijn bedacht die gelaagdheid niet altijd zo super is.
Eigenlijk is de voornaamste vraag die gesteld moet worden: Wat voor type apparaten ga je op dit vat aansluiten en hoe voornaam is hun rol in deze installatie en met welke temperatuur.

Probeer, als het even kan, tapwater en verwarmingswater niet in één buffer te hebben bij een warmtepompinstallatie. Als je deze 2 gescheiden houdt hoeft, bij een laagtemperatuur installatie, de warmtepomp voor verwarming echt alleen maar laag temperatuur te leveren. Dat andere ‘gratis bronnen’ het vat hoger in temperatuur optillen is dan niet zo spannend meer. Er moet dan natuurlijk wel een na-regeling komen want je wil ook geen 80 graden in je vloerverwarming. Daarnaast zal de aanvoersensor van de warmtepomp in de buffer moeten zitten, zodat zolang de buffer warm is de warmtepomp niet zal starten (die kan ook niet tegen hoge temperaturen).