Passieve koeling met een bodem warmtepomp

Zoals u wellicht al op warmtepomp-weetjes heeft gelezen is ‘passief koelen’ het grote voordeel van een brine/water warmtepomp welke gebruik maakt van bodemenergie. Het draaien van 2 pompjes is voldoende om passief uw woning te koelen.  Dit kan door water van ca 18°C door de ‘vloerverwarmingsleidingen’ te sturen of door nog kouder water door koel/verwarm convectoren te laten circuleren.  De meest toegepaste passieve koeling in Nederland is door te koelen met de vloerverwarming.  Het lukt dan vaak om zo’n 5 tot 8 °C onder de buitentemperatuur te koelen. Buiten 30°C : binnen ongeveer 23 °C, dat geeft een hoog comfort.  Men noemt dit ook wel  ‘top koeling’.  Soms ook worden aparte leidingen om te koelen in het plafond verwerkt. Je hebt dan vloerverwarming als er verwarmd moet worden en plafondkoeling als er gekoeld moet worden. Koude lucht zakt immers omlaag en warme lucht stijgt. Plafond koeling geeft nog meer comfort dan vloerkoeling, bovendien lukt het vaak ook om iets verder te koelen.

Er zijn warmtepompen met ingebouwde passieve koeling, dit zijn meestal de kleinere warmtepompen, en er is een mogelijkheid om met een losse koelwisselaar te werken. De sturing van kleppen en pompen gebeurt door de elektronica van de warmtepomp.

Bovenstaand schema is de opbouw van onze voorbeeld installatie die bestaat uit een warmtepomp, een koelwisselaar en een afgiftesysteem.

Naast het passief kunnen koelen met een bodemwater warmtepomp biedt dat koelen nog een extra voordeel: Doordat je in de zomer aan het koelen bent breng je eigenlijk de warmte die in je woning is gekomen de grond in. Aan het eind van de zomer is de bodemtemperatuur dus warmer geworden doordat u gekoeld heeft. We noemen dit ook wel het regenereren van de bron. Met een warmere bodembron de winter ingaan betekend ook weer ’n hoger rendement voor verwarmen.

Maar zoals gezegd ‘passief koelen’ is een unieke eigenschap voor een brine/water (bodem) warmtepomp.  Met een lucht/water warmtepomp kan vaak ook worden gekoeld. Alleen dan moet in de zomer ook de compressor het werk doen. Dit vergt behoorlijk meer energie uit het net dan passief koelen. Immers op het moment dat u wilt koelen is de buitentemperatuur warm, daar kunt u niet ‘passief’ mee koelen wel met de ‘koudere bodem temperatuur’.  Een lucht/water warmtepomp ‘keert zich om’ tijdens het koel bedrijf.  Uw woning wordt dan ‘de bron’ waar energie wordt onttrokken en de buitenunit wordt dan de plaats waar de warmte uit uw woning wordt ‘gedumpt’ / uitgeblazen .

Middels onderstaande schema’s proberen we de werking voor u iets te verduidelijken. In de schema’s gaan we uit van een losse koelwisselaar, opgesteld naast de warmtepomp.

Verwarmen

In dit schema hebben we het verwarmingsproces ingekleurd. De bronpomp pompt het brinewater wat door de bodemcollectoren loopt rond, dit brinewater komt ook door de verdamper,  in de verdamper wordt door het ‘koudeproces’ (zie elders onze website een uitvoerige beschrijving hiervan)  warmte aan de bron onttrokken en afgegeven aan het cv-water wat door de condensor en het afgifte systeem wordt rond gepompt. Op deze manier wordt de woning verwarmd. (brinewater is water met een glycol/anti vries toevoeging).   De wisselklep bij de koelwisselaar staat dicht richting de koelwisselaar, er wordt dus tijdens verwarmen geen bronwater door de koelwisselaar gepompt.  De wisselklep bij de koelwisselaar heeft 2 functies:   

Weerstand van de bron verminderen:  Doordat tijdens verwarmen niet al het water ook door de koelwisselaar gepompt hoeft te worden is er minder weerstand, het wordt dus voor de bronpomp makkelijker om het water rond gepompt te krijgen, waardoor de bronpomp energie vriendelijker (zuiniger) gaat draaien.
Winterstand.  De wisselklep bij een koelmodule wordt ook wel ‘winterklep’ genoemd. De klep heeft namelijk ook een ‘vorstbeveiligingsfunctie’. Zoals u las spreken we over ‘brine water’ dat is water met een antivries toevoeging. Het kan namelijk voorkomen dat aan het eind van de winter de brontemperatuur onder de 0 graden Celsius komt, water zou dan bevriezen, brine-water niet. Dat is bijvoorbeeld beveiligd tot -15 °C.  Aan de andere kant van de ‘koelwisselaar’ zit echter het CV water wat daar in de winter ‘stil staat’.  Als dan aan de primaire kant brinewater kouder dan 0 °C door de wisselaar zou stromen zou aan de secundaire kant het stilstaande CV water kunnen bevriezen, waardoor het uitzet en de wisselaar stuk zou kunnen gaan. Vandaar dus ook die wisselklep.

Koelen

In bovenstaand schema hebben we het passief koelen ingekleurd.  De bronpomp pompt het brinewater uit de bron over de koelwisselaar, door de warmtepomp heen (omdat de bronpomp daar nu eenmaal inzit) terug naar de bron.  De ‘Koelpomp’ pompt het water rond van de wisselaar door de vloer heen en weer terug.   Aan de secundaire kant (de CV kant) van de koelwisselaar zit ook een regelklep.  Deze klep zorgt ervoor dat het CV – water dat naar de vloerverwarming gaat precies 18 °C blijft.  De 18°C is zo gekozen omdat je met die temperatuur de vloer kunt koelen zonder dat er condensvorming op de vloer komt.  (Alleen bij een zeer vochtige, zeer warme zomerdag, zou eventueel nog ’n klein beetje condens kunnen ontstaan)  Zoals u misschien weet bevat warme lucht meer vocht dan koude lucht. Als je warme lucht teveel afkoelt (door een te koude vloer eronder) ontstaat er condens, dat is vocht dat uit de lucht vrijkomt. Omdat we geen ‘natte vloer’ in huis willen hebben is dus gekozen voor een veilige koeltemperatuur van 18°C.  Hoe doet die klep dat dan ?  De regeling meet wat de aanvoer temperatuur is middels een sensor. De klep stuurt een gedeelte van het water wat terug komt uit de woning door de ‘koelwisselaar’ heen, dat water zal daar afkoelen omdat aan de andere kant in de wisselaar het koude bronwater loopt. Een ander gedeelte van het cv water gaat niet door de koelwisselaar maar gelijk terug naar de aanvoerleiding. Door steeds de klep te sturen richting het doel van 18°C wordt dus die temperatuur gehandhaafd. Als er meer water door de koelwisselaar gaat wordt het cv water kouder, gaat er minder doorheen dan wordt het cv water warmer.  Het koude water van 18°C gaat door de vloer en koelt daar het beton en plavuizen , het beton is warmer dan 18 °C en zal dus wat warmte overdragen naar het cv water, het water wat met 18°C de vloer ingaat komt er bijvoorbeeld met 21°C weer uit. Die 21 graden wordt dan gemengd met kouder water wat door de bronwisselaar gaat om na de wisselaar weer op 18°C uit te komen.

Verwarmen en koelen tegelijkertijd.

Bovenstaand schema hebben we uitgebreid met een boiler. De warmtepomp kan ook tapwater verwarmen.  Met een losse koelwisselaar gaat tapwater verwarmen en passief koelen gelijktijdig. (Met een warmtepomp die ingebouwde passieve koeling heeft gaat dit vaak niet gelijktijdig omdat daar vaak voor een iets eenvoudigere hydraulische koppeling is gekozen).
Links wordt de boiler door de warmtepomp verwarmd (de boiler driewegklep staat richting boiler) en rechts wordt gelijktijdig gekoeld. Er ontstaat dan ook weer ’n klein voordeel:  Doordat het koude water wat uit de bron komt eerst wordt opgewarmd door de warmte uit de woning in de koelwisselaar, komt uiteindelijk iets warmer water de verdamper in. Hierdoor ontstaat er een kleiner temperatuurverschil tussen bron (verdamper) en doel (condensor) en hoeft er dus minder energie te worden toegevoegd door de compressor.  In dit schema staat duidelijk de boiler links getekend en het koelsysteem rechts. In de praktijk kan de opstelling weleens anders zijn natuurlijk. Belangrijk is het dat beide systemen elkaar niet mengen.  De driewegklep van de boiler komt dus als eerste vanaf de warmtepomp en de retour van de boiler zit zo dicht mogelijk bij de warmtepomp. In de praktijk hebben we nog al eens gezien dat ’n retour van ’n vloerverwarmingsverdeler dichter bij de warmtepomp zat dan de retour van de boiler, tijdens passief koelen werd het warme retour water gemengd met het koude koelwater, resultaat: De boiler kwam niet op temperatuur en de woning werd warmer in plaats van kouder.  Let dus goed op met het aanbrengen van de leidingen.

Buffervat

Bovenstaand nog ’n stapje verder: Nu is er een buffervat bijgekomen.  Het gaat in dit voorbeeld om een installatie die geheel wordt na-geregeld en dus dicht kan lopen. Als de compressor draait voor verwarming is het verstandig dat de compressor minimaal 10 minuten kan draaien. Als een systeem steeds dicht en open loopt kan de compressor zijn warmte niet kwijt waardoor die uit moet, om even later weer aan te gaan. We noemen dat ‘pendelen’ of ‘pendelgedrag’. Een compressor kan hier niet tegen, sterker dit gedrag verkort de levensduur van een compressor.  Daarvoor passen we in die situatie een buffer toe. Als de groepen van de vloerverwarming dicht lopen kan de compressor zijn warmte kwijt in het buffer vat. Als de vloerverwarming weer open gaat kan deze eerst de warmte uit het buffervat weer onttrekken en pas daarna hoeft de compressor weer aan. Het regelgedrag van de compressor wordt dan veer rustiger. In bovenstaand schema is er voor gekozen om de buffer tijdens koelen ook in tact te laten. Soms vragen installateurs zich af of dit verstandig is, immers de buffer die warm staat moet eerst gekoeld worden dan.  Wij zien dit bezwaar niet zo.  Immers je gaat niet om de haverklap van een ‘verwarming situatie’ naar een ‘koel situatie’. In de praktijk moet je uiteraard een ‘dode tijd’ in bouwen. Stel dat je naast de weersafhankelijke aanvoertemperatuur ook de kamertemperatuur laat meewegen, dan kun je bijvoorbeeld stellen dat de wenstemperatuur 20 °C is in de kamer en dat boven de 21 graden gekoeld mag worden en onder de 19 graden verwarmd. Je hebt dan een ‘dode tijd’ van 2 °C ingebouwd. Gedurende die tijd is de warmte of koude uit de buffer normaliter al weggepompt. Daarnaast verwarm je als het goed is weersafhankelijk dat betekend dat je bijvoorbeeld in het voor of naseizoen verwarmd met een aanvoertemperatuur van 28 °C en hartje winter bijvoorbeeld met 40 °C.  Zo heel warm staat de buffer dus in het koelseizoen ook niet. Je kunt de buffer dus gewoon mee laten lopen in het koelstadium.  
Stel nu even dat je niet passief maar actief aan het koelen was, dan heb je zo ie zo ook voor koelen een buffer nodig bij een na-regeling van de groepen. Immers bij actief koelen draait de compressor ook, en ook dan kan de compressor niet goed tegen pendelen.  

Alternatief passieve koeling met buffer die sluit tijdens koelen

Natuurlijk zijn er ook oplossingen bedenkbaar (zie afbeelding hierboven) waar de buffer niet meedoet tijdens passief koelen. In dit schema kan de 'externe pomp E' ook het koelwater rond pompen, doordat de buffer middels een klep sluit tijdens koelen, en de driewegklep de aanvoer naar de warmtepomp dicht zet en de aanvoer naar de koelwisselaar open, haalt de afgiftepomp het water over de koelwisselaar heen.  Er komt dan dus één pomp (C) minder maar 2 kleppen meer (F en G)  (de keerkleppen vervallen dan) Je ziet ..er zijn vele wegen die naar Rome leiden.  

Ingebouwde passieve koeling

In bovenstaand schema ziet u een warmtepomp waarin de passieve koeling is ingebouwd in het toestel.  Meestal is ingebouwde koeling van een eenvoudiger principe dan met een externe koelwisselaar. In bovenstaand voorbeeld ziet u dat het afgiftesysteem altijd circuleert over de koelwisselaar en de condensor.  De bron kiest of het over de verdamper gaat, over de koelwisselaar, of gedeeltelijk over de koelwisselaar en verdamper gelijktijdig. Tijdens verwarmingsbedrijf gaat de bron enkel over de verdamper !

(Afbeelding: hydraulische situatie bij ingebouwde passieve koeling in de warmtepomp, koelbedrijf)

Ter extra info:  Eerder op deze pagina zagen wij dat bij een losse externe koelwisselaar het verwarmen van de boiler en passief koelen gelijktijdig kan plaats vinden, dit gaat echter niet bij ingebouwde koeling. Immers zoals je in het plaatje ziet gaat de warmte van de condensor ook altijd over de koelwisselaar, tijdens verwarmen (boiler of afgifte) kan er zodoende dus niet gekoeld worden.
 

Keerklep werking

Tot slot nog even, voor wie het niet weet, de keerklep.  In sommige schema's  ziet u keerkleppen getekend een keerklep laat maar naar één kant water stroming toe.  De stroming van het water drukt een klepje open , als het water de andere kant op wil, wordt het klepje juist dicht gedrukt.  In dit schema voorkomt de keerklep dat als de CV pomp in de warmtepomp draait, dit water naar de koelwisselaar wordt gepompt. Het kan nu niet die kant op.  Als de koelpomp draait dan kan het water dat naar boven gaat wel rechtsaf naar het afgifte systeem maar niet linksaf naar de warmtepomp.  Éénrichtingsverkeer zeg maar. 

Ook kan de keerklep worden ingezet om natuurlijke circulatie te voorkomen.
Als er beneden een warme installatie staat is het warme water geneigd, doorde natuur, naar boven de stijgen. Natuurlijke circulatie is echter niet krachtiggenoeg om het veertje open te drukken. De warmte blijft waar die is bedoeld.

Praktijk vraag: 'Mijn koeling werkt niet'  wat kan het zijn ?

Soms krijgen we, als installateur, de klacht dat de passieve koeling niet goed werkt en nauwelijks koelt.  Wat is belangrijk om naar te kijken?

1. Geeft de regeling de warmtepomp vrij voor koeling en is de gewenste aanvoertemperatuur, bij vloerkoeling,  wel 18°C ?   (vaak is dit dan wel zo)
2. Is de brinewater -in temperatuur (het water wat uit de open of gesloten bron komt) wel lager dan bijvoorbeeld 15°C ?   Als het water warmer is dan 15°C is het vaak lastiger om de aanvoer naar 18° te brengen.

De bron is, als het juist is,  afgestemd op de transmissie van de woning, zowel voor verwarmen als passief koelen. Normaal zou het water dus koel genoeg moeten kunnen blijven om passief te koelen.

Wat we echter in de praktijk nogal een tegenkomen is dat er geen zonwering is aangebracht aan de buitenzijde van de woning.  Als de zon door het raam op de vloer schijnt waaronder de vloerkoeling/verwarming zit. Dan wordt de vloer als het ware een zonnecollector.

De vloer wordt dan onbedoeld verwarmd door de zon-energie.. onder de vloer wordt door buizen het ‘cv water’ rond gepompt met ‘koel water’, dit water wordt dan echter door de zon zoveel opgewarmd dat er eigenlijk niet tegenop te koelen valt.  Het advies is dan ook om zonwering aan de buitenkant van de woning aan te brengen. Ook ‘rolluiken’ kunnen hier eventueel toe dienen, je zet ze dan in de stand dat alleen de kleine gaatjes nog licht doorlaten. U kent het gevoel waarschijnlijk om met blote voeten over het door de zon verwarmde  strand te lopen.. dat wordt erg warm.  Zo ook uw vloer als u geen zonwering toepast.

Daarnaast nogmaals gesteld dat passieve vloerkoeling geen ‘airco’ is.  Er wordt gekoeld maar beperkt, echter wel zoveel dat uw binnen genoeg comfort ervaart.  Als het buiten 30°C wordt zal het binnen normaal gesproken, bij voldoende m² slang in de vloer, zo’n 24°C kunnen zijn.  Ook plafond koeling behoort tot de mogelijkheid, voor nog meer comfort en betere koeling.