Warmtepomp versus WKO: Een vergelijking van energieoplossingen in de gebouwde omgeving

In de huidige context van energiebesparing en verduurzaming van de gebouwde omgeving zijn warmtepompen en Warmte Koude Opslag (WKO)-systemen steeds vaker aan de orde. Beide technieken hebben als doel om de energievoorziening voor verwarming en koeling efficiënter en duurzamer te maken. Toch verschillen ze aanzienlijk qua werking, energieverbruik, infrastructuur en toepassingsmogelijkheden. In dit artikel wordt een gedetailleerde vergelijking gemaakt tussen warmtepompen en WKO-systemen, op basis van technische principes, toepassingsgebieden, energie-efficiëntie en duurzaamheidsaspecten.

Inleiding

De overgang naar een koolstofarme energievoorziening is een kernaspect van het beleid rondom duurzame energie. In Nederland streeft men naar een situatie waarin in 2050 geen aardgas meer wordt gebruikt voor het verwarmen van gebouwen. In dit kader spelen warmtepompen en WKO-systemen een cruciale rol. Ze maken het mogelijk om warmte en koude op te slaan en opnieuw te gebruiken, waarbij het gebruik van fossiele brandstoffen kan worden uitgesloten of sterk beperkt.

In dit artikel wordt eerst uitgelegd wat warmtepompen en WKO-systemen zijn en hoe ze werken. Vervolgens worden de belangrijkste verschillen tussen beide systemen uitgemodelleerd, met aandacht voor het energieverbruik, de benodigde infrastructuur, de efficiëntie, en de toepassing in verschillende types gebouwen. Tot slot wordt bekeken hoe deze technieken kunnen bijdragen aan de duurzame toekomst van de gebouwde omgeving.

Wat is een warmtepomp?

Een warmtepomp is een technische oplossing die energie uit de omgeving (zoals lucht, grond of water) gebruikt om een gebouw te verwarmen of te koelen. Het principe is vergelijkbaar met dat van een koelkast: een warmtepomp trekt warmte uit een lage-temperatuurbron en pompt deze naar een hogere-temperatuurbron. Deze techniek is efficiënter dan directe verwarming of koeling met een gasketel of koelmachine, omdat het gebruikmaakt van energie uit de omgeving, wat leidt tot een hogere energie-efficiëntie.

In de context van WKO-systemen is de warmtepomp een essentieel onderdeel. Zij verwerkt de lage-temperatuurwarmte uit het grondwater om deze op te krikken tot een temperatuur die geschikt is voor verwarming. De warmtepomp verbruikt elektriciteit om deze opkrikking te realiseren, maar het energieverbruik is aanzienlijk lager dan bij conventionele verwarmingssystemen.

De efficiëntie van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coefficient of Performance (COP). Voor verwarming ligt deze COP meestal tussen 3 en 6, wat betekent dat voor elke kWh elektriciteit die wordt gebruikt, 3 tot 6 kWh warmte wordt geleverd. Bij koeling is de COP vaak hoger, omdat de temperatuurverschillen kleiner zijn. In het geval van WKO-systemen kan de COP voor koeling zelfs oplopen tot 30, zoals vermeld in bron [2].

Wat is een WKO-systeem?

WKO staat voor Warmte Koude Opslag. Het is een duurzame techniek waarbij warmte en koude worden opgeslagen in de bodem, zodat deze opnieuw kunnen worden gebruikt in het tegenovergestelde seizoen. Dit wordt gedaan via een systeem van koude- en warmtebronnen die verbonden zijn door een ringleiding. De opslag vindt plaats in een watervoerend zandpakket, meestal op een diepte van 90 tot 250 meter.

Bij WKO wordt in de zomer warmte opgeslagen in de bodem, door het grondwater op te warmen en dit in een warmtebron te steken. In de winter wordt dat opgeslagen warme water gebruikt om gebouwen te verwarmen. Daarbij wordt een warmtepomp ingezet om de temperatuur van het grondwater verder op te krikken tot een niveau dat geschikt is voor verwarming. Tegelijkertijd wordt in de winter koude opgeslagen door het grondwater af te koelen en dit in een koude bron te brengen. Deze koude wordt in de zomer gebruikt om gebouwen te koelen.

WKO-systeem is dus een cyclus: in het warmste seizoen wordt warmte opgeslagen, in het koele seizoen wordt koude opgeslagen. Deze cyclische opslag leidt tot een aanzienlijke energiebesparing, omdat het gebruik van energie voor het opwekken van warmte en koude wordt verminderd. Volgens bron [3] kan een WKO-systeem tot wel 60% aan verwarmingsenergie en 80% aan koelingsenergie besparen.

Werking van WKO en warmtepomp: Een vergelijking

Warmtepomp

De werking van een warmtepomp is relatief eenvoudig en kan onafhankelijk zijn van een WKO-systeem. De warmtepomp trekt warmte uit een bron (zoals buitenlucht, grond of water), verwerkt deze en pompt de warmte naar een gebouw. Dit proces verbruikt elektriciteit, maar het energieverbruik is aanzienlijk lager dan bij directe verwarming met een gasketel. De warmtepomp kan zowel in de verwarmingsmodus als in de koelmodus werken.

Voor verwarming moet de warmtepomp de temperatuur van de warmtebron verhogen tot een niveau dat geschikt is voor verwarming (meestal rond de 40-50°C). Dit is mogelijk met een warmtepomp, maar het proces verbruikt wel energie. De COP is hier lager dan bij koeling.

WKO-systeem

Het WKO-systeem is een complexer systeem dat een cyclische werking heeft. Het maakt gebruik van een warmtepomp, maar het is niet beperkt tot de directe verwarming of koeling van een gebouw. In plaats daarvan is het een opslagsysteem dat warmte en koude opslaat in de bodem voor later gebruik. Dit betekent dat in de zomer grofweg 80% van de koelingsenergie kan worden bespaard, omdat de koude wordt opgeslagen in de bodem en in de winter gebruikt. Tijdens de winter wordt de opgeslagen warmte gebruikt voor verwarming.

De werking van WKO is afhankelijk van een netwerk van koude- en warmtebronnen, verbonden via een ringleiding. De warmte- en koudebronnen zijn onderling verbonden en vormen een soort energie-accu die warmte en koude kan opslaan. In het geval van Wageningen University & Research zijn er drie ondergrondse temperatuurstraten gerealiseerd, die als koude- en warmteopslag fungeren.

Samenvatting: Werking

Energie-efficiëntie en energieverbruik

Warmtepomp

De energie-efficiëntie van een warmtepomp is afhankelijk van de COP, zoals eerder vermeld. Voor verwarming ligt de COP tussen 3 en 6. Dit betekent dat voor elke kWh elektriciteit die wordt gebruikt, 3 tot 6 kWh warmte wordt geleverd. Voor koeling is de COP vaak hoger, omdat de temperatuurverschillen kleiner zijn.

Een warmtepomp is dus efficiënter dan een gasketel, maar het energieverbruik is nog steeds aanzienlijk. In het geval van een WKO-systeem is een warmtepomp vaak nodig om de temperatuur van het grondwater verder op te krikken. Dit betekent dat de warmtepomp in een WKO-systeem circa 60% van het totale energieverbruik van het systeem bestrijkt, zoals vermeld in bron [2].

WKO-systeem

Het WKO-systeem is in principe efficiënter dan een warmtepomp alleen, omdat het gebruik maakt van opgeslagen warmte en koude. In de zomer wordt koude opgeslagen in de bodem en in de winter gebruikt. In de winter wordt warmte opgeslagen en in de zomer gebruikt. Dit leidt tot een aanzienlijke energiebesparing.

Volgens bron [3] levert een WKO-systeem een energiebesparing op van 60% voor verwarming en 80% voor koeling. Dit komt vooral omdat de koude direct uit de bodem kan worden gebruikt, zonder dat extra energie nodig is. Voor verwarming is echter wel een warmtepomp nodig, die verantwoordelijk is voor ongeveer 60% van het totale energieverbruik van het systeem.

Een interessante ontwikkeling binnen het WKO-systeem is het WKO-triplet. Dit systeem voorkomt het gebruik van een warmtepomp door de warmte op te slaan op hogere temperaturen (40°C of meer). Hierdoor is het mogelijk om de warmte direct te gebruiken voor verwarming, zonder dat een warmtepomp nodig is. Dit vermindert het energieverbruik aanzienlijk en maakt het systeem verder verduurzaam.

Samenvatting: Energie-efficiëntie

Toepassing in de praktijk

Warmtepomp

Warmtepompen zijn vooral geschikt voor individuele woningen en kleine gebouwen. Ze zijn relatief eenvoudig in te richten en kunnen snel worden aangeschaft en geïnstalleerd. De installatie vereist een warmtebron (zoals grondwater, lucht of water) en een warmtepompapparaat. Voor grotere woningen of appartementencomplexen is het soms nodig om meerdere warmtepompen in te richten of een centrale warmtepompinstallatie te gebruiken.

Het gebruik van warmtepompen is bijzonder geschikt in situaties waarin er geen directe opslag van warmte en koude nodig is. Ze zijn efficiënt voor het verwerken van warmte uit de omgeving en het pompen naar een gebouw. Echter, in situaties waarin er sprake is van een seizoensgebonden vraag naar verwarming en koeling, kan het gebruik van een warmtepomp alleen minder efficiënt zijn.

WKO-systeem

WKO-systeem is vooral geschikt voor grotere gebouwen, zoals utiliteitsgebouwen, appartementencomplexen en bedrijven. Het systeem vereist een uitgebreide infrastructuur, bestaande uit meerdere bronnen, ringleidingen en warmtewisselaars. De installatie is complexer en kost meer tijd en geld dan bij een warmtepomp.

De voordelen van een WKO-systeem liggen in de mogelijkheid om warmte en koude op te slaan voor later gebruik. Dit leidt tot een aanzienlijke energiebesparing en maakt het systeem geschikt voor situaties waarin er sprake is van een seizoensgebonden vraag naar verwarming en koeling. Het systeem is dus bijzonder geschikt voor gebouwen met een hoge energievraag, zoals universiteiten, ziekenhuizen en kantoorgebouwen.

Samenvatting: Toepassing

Duurzaamheid en toekomst

Warmtepomp

De duurzaamheid van een warmtepomp is afhankelijk van de bron van de elektriciteit die wordt gebruikt. Als de elektriciteit afkomstig is van groene bronnen, zoals wind- of zonnestroom, is de warmtepomp een duurzame oplossing. In dat geval verlaagt het gebruik van een warmtepomp het gebruik van fossiele brandstoffen en leidt het tot een aanzienlijke CO2-reductie.

Echter, als de elektriciteit niet duurzaam is, is de duurzaamheid van een warmtepomp minder aantrekkelijk. In dat geval is de CO2-uitstoot van een warmtepomp groter dan bij een conventionele verwarmingssysteem. Daarom is het belangrijk om een warmtepomp te combineren met groene elektriciteit om de duurzaamheid te maximaliseren.

WKO-systeem

Het WKO-systeem is inherent duurzamer dan een warmtepomp alleen. Het maakt gebruik van opgeslagen warmte en koude, wat leidt tot een aanzienlijke energiebesparing. Daarnaast is het systeem in staat om groene elektriciteit te gebruiken, zoals vermeld in bron [3], waarbij Wageningen University & Research gebruikmaakt van eigen groene stroom.

Een interessante ontwikkeling binnen het WKO-systeem is het WKO-triplet. Dit systeem voorkomt het gebruik van een warmtepomp door de warmte op te slaan op hogere temperaturen (40°C of meer). Hierdoor is het mogelijk om de warmte direct te gebruiken voor verwarming, zonder dat een warmtepomp nodig is. Dit vermindert het energieverbruik aanzienlijk en maakt het systeem verder verduurzaam.

Samenvatting: Duurzaamheid

Conclusie

Zowel warmtepompen als WKO-systemen zijn efficiënte oplossingen voor het verduurzamen van de energievoorziening voor verwarming en koeling. Ze hebben echter verschillende kenmerken, toepassingsgebieden en efficiëntie.

Warmtepompen zijn geschikt voor individuele woningen en kleine gebouwen. Ze zijn relatief eenvoudig in te richten en hebben een aanzienlijke energie-efficiëntie. Echter, in situaties waarin er sprake is van een seizoensgebonden vraag naar verwarming en koeling, kan het gebruik van een warmtepomp alleen minder efficiënt zijn.

WKO-systeem is geschikt voor grotere gebouwen, zoals utiliteitsgebouwen, appartementencomplexen en bedrijven. Het systeem maakt gebruik van opgeslagen warmte en koude, wat leidt tot een aanzienlijke energiebesparing. Het systeem is dus bijzonder geschikt voor gebouwen met een hoge energievraag. Daarnaast is het systeem inherent duurzamer dan een warmtepomp alleen.

In de toekomst kunnen beide technieken een rol spelen in de overgang naar een koolstofarme energievoorziening. Het is belangrijk om te bepalen welke oplossing het beste past bij de specifieke situatie en energievraag.

Bronnen

1. Warmtepomp of WKO – wat kies jij?
2. Verwarming en koeling zonder warmtepomp met WKO-triplet
3. Warmte en koude opslag
4. Warmtetechnieken – Warmteopslag