Zonthermisch systeem en warmtepomp zorgen samen voor een betrouwbare warmtevoorziening
In 2006 vervulden Friedrich Freß en zijn gezin hun droom om een eengezinswoning te bezitten in Maroldsweisach, Franken. Als zelfstandig sanitair-, verwarmings- en aircospecialist hecht hij veel belang aan een efficiënte en milieuvriendelijke warmtevoorziening die past bij zijn energiezuinige woning. Daarom koos hij voor een warmtepomp in combinatie met een zonnesysteem: "Zo wordt mijn huis volledig verwarmd met hernieuwbare energie", zegt Freß tevreden. Met behulp van de unieke meerweg mengverdeler rMIX 3 x 3 L 35 van HG Baunach GmbH & Co. KG werken beide systemen, die qua energiegebruik totaal verschillend zijn, hand in hand en vullen elkaar optimaal aan.
Afb. 1: Voor zijn nieuw gebouwde vrijstaande huis met een verwarmingsoppervlak van 410 vierkante meter was bouwer en HVAC-specialist Friedrich Freß op zoek naar een toekomstgericht en milieuvriendelijk energieconcept.
Freß installeerde de twee systemen zelf samen met twee werknemers van zijn bedrijf Ernst Freß oHG Sanitair. Het in 1948 opgerichte bedrijf is gespecialiseerd in de installatie van alle soorten verwarmingssystemen en heeft uitgebreide ervaring op het gebied van hernieuwbare energie. "Naast zonnesystemen en warmtepompen installeren we ook pelletverwarmingssystemen, houtsnippersystemen, warmtekrachtkoppelingscentrales en biogasinstallaties," vertelt Freß over zijn belangrijkste expertisegebieden. Ondanks zijn grote deskundigheid op dit gebied maakte Freß graag gebruik van de ondersteuning van HG Baunach GmbH & Co. KG tijdens de planningsfase. Freß leerde het bedrijf uit Hückelhoven kennen via een specialistische presentatie aan het gilde van Schweinfurt, dat hem de ideale oplossing bood voor de combinatie van een warmtepomp en een zonnesysteem.
Warmtepomp en zonnesysteem - een goede combinatie?
Fig. 2: Service inbegrepen: Hans-Georg Baunach (links), hoofd van het gelijknamige bedrijf en uitvinder van de rendeMIX, controleert ter plekke of zijn verwarmingsconcept, dat op maat is gemaakt voor Friedrich Freß (rechts), correct werkt.
Afb. 3: Het verwarmingssysteem: Een zonnewarmtesysteem van meer dan 40 vierkante meter met een buffervat van 2000 liter en een warmtepomp voorzien het huis van de familie Freß op een betrouwbare en milieuvriendelijke manier van de benodigde warmte.
"In eerste instantie was alleen de warmtepomp met gecontroleerde ventilatie gepland," vertelt Freß over zijn oorspronkelijke project. Daarna besloot hij een zonnesysteem toe te voegen - deels omwille van het milieu en deels als referentie voor zijn eigen klanten. De belangrijkste vraag waar hij zich tijdens de planningsfase op richtte, was hoe de twee systemen op een verstandige manier te combineren zonder dat ze elkaar storen en elkaars doeltreffendheid verminderen. Want terwijl een warmtepomp een grote volumestroom heeft met een kleine spreiding (5K), werkt het buffervat dat is aangesloten op het zonnesysteem precies omgekeerd met een kleine volumestroom en een grote spreiding. Het thermische zonne-energiesysteem heeft absoluut lage retourtemperaturen nodig voor een efficiënte energieopwekking. Alleen zo kan het een significante bijdrage leveren aan verwarmingsondersteuning in de winter. De warmte die wordt opgewekt door het zonnesysteem wordt gestratificeerd in een buffervat, zodat het warmste water altijd bovenin wordt opgeslagen en het koudste onderin. Op deze manier is er geen vermenging en zijn zowel hoge als lage temperaturen beschikbaar. Als de warmte van de warmtepomp ook zou worden opgeslagen in het buffervat in de configuratie die Freß had gepland, zou dit de gevoelige temperatuurstratificatie tenietdoen: daarom moest worden voorkomen dat de warmtepomp het buffervat, dat wordt ondersteund door een gestratificeerde laadmodule, zodanig zou mengen dat het niet langer mogelijk zou zijn om zonne-energie te gebruiken. Freß was daarom op zoek naar een hydraulisch ontwerp dat de tegenstrijdigheid tussen de twee principes zou opheffen en ze in plaats daarvan zou integreren in een verwarmingsconcept op een hoger niveau. Commercieel verkrijgbare hydraulische systemen konden Freß echter niet bekoren. Hij was daarom des te enthousiaster toen H.G. Baunach hem de rMIX 3 x 3 L 35 meerpoorts mengverdeler voorstelde die hij zelf had ontworpen en gepatenteerd.
Het concept: scheiding als oplossing
Fig. 4: Inerte massa als buffer: Gespecialiseerd installateur Freß legde vloerverwarming door het hele huis met een lusafstand van 10 cm (7 cm in de badkamers). De warmtepomp gebruikt de vloerverwarming als buffer en mengt daardoor de gevoelige stratificatie in het opslagvat niet.
Daarnaast ontwierpen de baas en de ontwikkelingsingenieur van het bedrijf een verwarmingsconcept op maat om tegelijkertijd een hoge zonnebenutting en lange warmtepomplooptijden te bereiken. De oplossing lag in de duidelijke scheiding van de twee systemen, die de enige manier was om beide tot hun recht te laten komen. Het bestaande bufferopslagvat van 2.000 liter werd volledig beschikbaar gemaakt voor zonnegebruik en alleen in het bovenste gedeelte werd een warme zone gecreëerd voor warmwaterbereiding via een verswaterstation. Voor de warmtepomp werd de vloerverwarming ontworpen als een thermisch inerte massa ten opzichte van de buffer. Hiervoor werd de weersafhankelijke regeling op de retourstroom van het gebouw geplaatst, wat tot aanzienlijk langere looptijden leidt: De warmtepomp draait altijd totdat er een temperatuurstijging is in de retourstroom. "Het voordeel van de combinatie van een warmtepomp en vloerverwarming is dat het allebei lagetemperatuursystemen zijn: Beide hebben een grote volumestroom met een lage spreiding en passen daarom perfect bij elkaar," legt Baunach zijn idee uit. Dit voorkomt dat de warmtepomp constant aan- en uitschakelt, wat onnodig energie zou verspillen.
Harmonie en efficiëntie door duidelijke taakverdeling
Afb. 5: Het hart van het verwarmingssysteem: De rMIX 3 x 3 L 35 meerpoorts mengverdeler is het regelcentrum van het verwarmingssysteem: Met zijn hulp vullen het zonnesysteem en de warmtepomp elkaar aan in plaats van elkaars prestaties te verstoren.
Naast het scheiden van de twee systemen was het belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen onderbrekingen zouden zijn binnen de taakverdeling. Om te voorkomen dat de warmtepomp inschakelt terwijl er nog voldoende zonnewarmte in de buffer zit, werd de verwarmingscurve van de regeling van het mengcircuit iets hoger ingesteld dan die van de warmtepomp. Zodra de warmtepomp opstart, wordt de mixer volledig geopend. Een relaisschakeling voorkomt dat de mixer weer sluit door de verhoogde aanvoertemperatuur, wat zou leiden tot een vermindering van de volumestroom en dus een hogedrukuitschakeling. Zodra de warmtepomp is uitgeschakeld, neemt de mengcircuitregeling van het zonnesysteem de mengkraanregeling weer over. De menger wordt gesloten, waardoor de warmte van de gebouwbuffer niet bij de zonnebuffer kan komen. Dit betekent dat de zonnewarmte te allen tijde op het laagste temperatuurniveau kan worden opgeslagen, wat het gebruik ervan maximaliseert. Daarnaast is er een vertragingscircuit geïnstalleerd in de energieregelaar met een zogenaamd traprelais, waardoor de pomp drie minuten kan draaien na de bereiding van warm water. Gedurende deze tijd kan de mengkraan weer openen, omdat de energieregelaar altijd probeert het systeem onmiddellijk na een fase van warmwaterbereiding in de verwarmingsmodus te zetten om het opstarten te minimaliseren.
De rendeMIX als bemiddelaar
Fig. 6+7 :Slimme bedrading: Twee relaisschakelingen zorgen voor gecontroleerd openen en sluiten van de mengkraan.
De meerpoortsmengverdeler rMIX 3 x 3 L 35 is het regelcentrum van het verwarmingssysteem en de bemiddelaar tussen het zonnesysteem en de warmtepomp. Het armatuur wordt rechtstreeks op het buffervat aangesloten, waar het voor een ideale stratificatie en dus benutting van de zonnewarmte zorgt. Het nieuwste product van Baunach met laadvermogen heeft drie ingangen naar de buffervat, waardoor een optimale ontlading in twee zones mogelijk is. Zolang de middelste aansluiting nog wordt voorzien van een voldoende hoge temperatuur, heeft de menger geen toegang tot de bovenste ingang, waar de warmtepomp is aangesloten op de buffer. Zodra de mixer zich opent naar de bovenste ingang, sluit de onderste ingang en wordt de volledige retourstroom van de vloerverwarming naar het onderste deel van de buffer geleid. Als ook het middelste deel van de buffer wordt ontladen, gaat de mixer volledig open en zuigt nu de volledige vloerstroom door de warmtepomp, die dan kan opstarten. De relaisschakeling voorkomt dat de te hoge aanvoertemperatuur de mixer doet sluiten. De warmtepomp draait totdat de vloerretour van het gebouw een temtemperatuurstijging wordt gemeten. Als de mixer dan weer wordt losgelaten, sluit hij en blijft de warmte van de warmtepomp in het gebouw. In de daaropvolgende koelfase gaat de mengkraan weer langzaam open, waarbij elke kWh zonne-energie wordt benut, voordat hij weer volledig opengaat en de cyclus opnieuw begint.
Een soepel partnerschap
Fig. 8: Veilige warmwatervoorziening voor huishoudelijk gebruik: Een Sonnenkraft verswatermodule zorgt voor een veilige en comfortabele warmwatervoorziening. Deze werkt volgens het doorstroomprincipe: de gewenste hoeveelheid vers water wordt op verzoek verwarmd via een warmtewisselaar. De bijbehorende warmwatertemperatuur wordt ingesteld met de thermostaatknop. (Alle afbeeldingen en grafieken: Baunach)
"De oplossing is zowel eenvoudig als ingenieus," zegt Freß enthousiast. De rendeMIX maakt het mogelijk om twee systemen te combineren en zorgt voor een extreem efficiënt verwarmingssysteem. Met behulp van deze mengverdeler met meerdere poorten kan Freß zijn Vaillant warmtepomp en het zonne-energiesysteem zonder problemen tegelijkertijd gebruiken. Op deze manier wordt zijn hele huis - met een verwarmingsgebied van 410 vierkante meter - nu voorzien van regeneratief opgewekte warmte. Bij de planning van het benodigde tapwater ging Freß uit van een totale dagelijkse behoefte van 200 liter, die nu van de lente tot de herfst door de zon wordt verwarmd. Een verswatermodule zorgt altijd voor vers warm water, waardoor legionella wordt vermeden. In de winter draagt het zonnesysteem nog steeds bij aan de verwarming op een laag temperatuurniveau. De warmtepomp treedt alleen in werking als het zonnesysteem niet voldoende warm water of vloertemperatuur kan leveren. Het collectoroppervlak van het zonnesysteem is met meer dan 40 vierkante meter hiervoor groot genoeg. De dakcollectoren van de Oostenrijkse fabrikant Sonnenkraft zijn optimaal georiënteerd op het zuiden op het 45° hellende dak, waardoor een hoge zonneopbrengst wordt gegarandeerd. De Vaillant warmtepomp, type VWS 22 /1P, heeft een warmtevermogen van 22,6 kW. Met 25 % aandrijfenergie haalt hij de overige 75 % uit de zonne-energie die in de omgeving is opgeslagen. Bodem, grondwater en buitenlucht worden gebruikt als warmtebronnen. In een circulair proces - bekend als het Carnot-proces - wordt de warmte die aan de omgeving wordt onttrokken op een hoger temperatuurniveau gebracht en zo gebruikt voor verwarmingsdoeleinden. "Mijn keuze voor een warmtepomp was vanaf het begin duidelijk. Naar mijn mening is het de beste en meest toekomstgerichte manier om voor verwarming en watercomfort te zorgen en maakt het een milieubewuste, kosteneffectieve verwarming mogelijk die me onafhankelijk maakt van energieleveranciers," legt Freß zijn redenen uit.
Gelukkig einde
Gebouweigenaar en vakman Freß is zeer tevreden met de oplossing voor zijn verwarmingssysteem: "De rendeMIX loste al mijn problemen in één klap op door intelligent gebruik van de zonneopbrengsten mogelijk te maken dankzij de speciale hydraulische verbinding van de stromingstrajecten," vat Freß samen. Bovenal was hij blij met het uitgebreide advies van Baunach, wat - zoals hij als expert weet - helaas niet altijd vanzelfsprekend is. De experts uit Hückelhoven leverden niet alleen hun unieke product, maar ontwikkelden ook het hele verwarmingsconcept, inclusief een ingekleurd hydraulisch en elektrisch plan, spraken met de fabrikant van de warmtepomp en overtuigden zich ter plekke van de juiste werking van het systeem, dat sindsdien vlekkeloos werkt.
Zonthermisch systeem en warmtepomp zorgen samen voor een betrouwbare warmtevoorziening
Download het technische artikel als PDF
