Warmtepomp en WKO: Duurzame energieoplossingen voor een efficiënte gebouwde omgeving

De overgang naar een koolstofarme energievoorziening vormt een pijler van het Nederlandse beleid voor duurzame ontwikkeling. Met het oog op 2050, wanneer aardgas voor de verwarming van gebouwen niet langer de norm zal zijn, neemt de relevantie van efficiënte en duurzame verwarmings- en koelsystemen exponentieel toe. In dit artikel worden twee van de meest prominente technologieën in deze transitie, de warmtepomp en het Warmte Koude Opslag (WKO)-systeem, grondig geanalyseerd. We zullen hun werkingsprincipes, efficiëntie, toepassingsmogelijkheden en duurzaamheidsaspecten met elkaar vergelijken, gebaseerd op de meest recente inzichten, om een heldere gids te bieden voor woningeigenaren, doe-het-zelvers en professionals in de bouwsector.

Warmtepomp: De efficiënte warmteverschaffer

Een warmtepomp is een technologisch geavanceerd systeem dat warmte uit een beschikbare bron, zoals de lucht, de grond of het grondwater, onttrekt en deze naar een hoger temperatuurniveau "pompt". De effectiviteit van deze warmteoverdracht wordt uitgedrukt in de Coefficient of Performance (COP). De COP geeft aan hoeveel warmte-energie er wordt geleverd per eenheid elektrische energie die wordt verbruikt. Voor een warmtepomp in een woning of klein gebouw ligt de COP voor verwarming doorgaans tussen 3 en 6. Dit betekent dat voor elke kWh elektriciteit die het systeem verbruikt, 3 tot 6 kWh aan warmte wordt geleverd. Tijdens het koelingsproces is de COP vaak hoger, omdat de temperatuurverschillen waar het systeem mee werkt kleiner zijn. Dit maakt een warmtepomp in principe efficiënter dan een traditionele gasketel.

Werking en toepassing

De warmtepomp haalt zijn energie uit een primaire bron, zoals de buitenlucht of de bodem. De opgenomen warmte wordt via een koelcircuit naar het Verwarmingssysteem van het gebouw getransporteerd, waardoor het binnenklimaat comfortabel wordt. Het is belangrijk te begrijpen dat de warmtepomp uitsluitend elektriciteit als energiebron gebruikt. Hoewel dit systeem op zichzelf al een aanzienlijke energiebesparing kan opleveren in vergelijking met fossiele brandstoffen, moet er rekening worden gehouden met het feit dat het, in de meeste gevallen, een aanzienlijk deel van het totale energieverbruik van het systeem voor zijn rekening neemt. Warmtepompen zijn bijzonder geschikt voor de individuele verwarming en koeling van kleinere gebouwen, zoals eengezinswoningen en kleinschalige utiliteitsbouw. Hun infrastructuur is relatief eenvoudig en de installatie kost doorgaans minder tijd en complexiteit dan bij grotere systemen zoals WKO.

WKO-systeem: Opslag van thermische energie in de bodem

Het Warmte Koude Opslag (WKO)-systeem vormt een geavanceerd alternatief dat verder gaat dan enkel warmte te produceren; het slaat thermische energie op voor een later gebruik. Het kernprincipe van WKO is het gebruik van de aarde als een natuurlijk en betrouwbaar thermisch reservoir. Dit wordt mogelijk gemaakt door een netwerk van bronnen, een ringleiding en warmtewisselaars.

Werkingscyclus

De werking van een WKO-systeem volgt een elegante seizoenscyclus. In de zomer wordt overtollige warmte uit het gebouw opgeslagen in een warme bron in de ondergrond. Dit gebeurt door het oppompen van grondwater uit een koude bron, waarna de warmte wordt overgedragen en het water in de warme bron wordt geïnjecteerd. In de winter wordt deze opgeslagen warmte weer gebruikt om het gebouw te verwarmen. Hiervoor wordt het warme water opgepompt en door een warmtepomp verder verhoogd tot een bruikbare temperatuur. Tijdens dit proces koelt het grondwater af en wordt het opgeslagen in de koude bron. De cyclus wordt vervolgens voltooid in de zomer, wanneer de afgekoelde grondwater wordt gebruikt om het gebouw efficiënt te koelen, zonder dat er een compressor actief hoeft te zijn. Dit principe van "passieve koeling" is een van de grootste voordelen van een WKO-systeem. De temperatuur van het water in het WKO-systeem ligt doorgaans rond de 10 tot 14 graden Celsius. Voor verwarming is dit niet direct bruikbaar en wordt er daarom altijd een warmtepomp ingezet om de gewenste temperatuur te bereiken.

Efficiëntie en energiebesparing

De efficiëntie van een WKO-systeem is opvallend, vooral op het gebied van koeling. Door het gebruik van natuurlijke, opgeslagen koude kan de COP voor koeling oplopen tot 30, een waarde die met conventionele koelingen niet te halen is. Op het gebied van verwarming levert een WKO-systeem in combinatie met een warmtepomp een aanzienlijke energiebesparing op. Volgens de beschikbare gegevens kan een WKO-systeem tot 60% aan verwarmingsenergie en tot 80% aan koelingsenergie besparen in vergelijking met traditionele systemen. Deze energiebesparing is voornamelijk te danken aan de uitzonderlijk hoge COP voor koeling en de efficiënte benutting van opgeslagen energie. Het is cruciaal om te begrijpen dat de warmtepomp, ook in een WKO-systeem, een onmisbare rol speelt en verantwoordelijk is voor circa 60% van het totale energieverbruik van het volledige systeem. Een innovatieve ontwikkeling binnen de WKO-technologie is het WKO-triplet. Dit systeem heeft als doel de afhankelijkheid van een warmtepomp te reduceren door warmte op te slaan op hogere temperaturen, zoals 40°C of meer. Hierdoor kan de warmte direct worden gebruikt voor verwarming, wat een verdere vermindering van het energieverbruik oplevert.

Vergelijking: Kunnen de systemen het beste apart of samen werken?

Om de keuze tussen een warmtepomp en een WKO-systeem te vereenvoudigen, is een directe vergelijking onmisbaar. Het belangrijkste verschil zit in hun kernfunctie: de warmtepomp zet energie om, terwijl een WKO-systeem energie opslaat.

• Werking: Een warmtepomp verwerkt warmte uit een bron en pompt deze naar een gebouw. Een WKO-systeem zorgt voor verwarming en koeling via de opslag van warmte en koude in de bodem.
• Energiebron: Een warmtepomp gebruikt elektriciteit als primaire energiebron. Een WKO-systeem gebruikt ook elektriciteit, maar dit is voornamelijk voor de aandrijving van de warmtepomp. Een aanzienlijk deel van de energie wordt geleverd in de vorm van opgeslagen warmte en koude.
• COP: Voor een warmtepomp ligt de COP voor verwarming tussen 3 en 6, en voor koeling tussen 3 en 10. Voor een WKO-systeem is de COP voor koeling, dankzij de passieve koeling, uitzonderlijk hoog en kan oplopen tot 30. Voor verwarming is de COP afhankelijk van de gekoppelde warmtepomp en ligt dus tussen 3 en 6.
• Toepassing: Warmtepompen zijn bij uitstek geschikt voor individuele woningen en kleinere gebouwen. WKO-systemen zijn daarentegen een goede keuze voor grote gebouwen, utiliteitsbouw en appartementencomplexen, waar de benodigde vermogens hoog zijn en de beschikbare ruimte beperkt kan zijn.
• Infrastructuur: De infrastructuur van een warmtepomp is relatief eenvoudig. Een WKO-systeem is complexer en vraagt om uitgebreide bronnen, ringleidingen en warmtewisselaars.

Conclusie

De keuze tussen een warmtepomp en een WKO-systeem is niet eendimensionaal en hangt af van de specifieke omstandigheden van het project. Voor kleinschalige toepassingen, zoals een individuele woning, biedt een warmtepomp een efficiënte, toegankelijke en relatief eenvoudige oplossing voor het verduurzamen van de verwarming. De aanzienlijke energiebesparing en de lagere complexiteit van de installatie maken het tot een aantrekkelijke optie. Voor grotere gebouwen en complexen waar duurzaamheid, energie-efficiëntie en koelcomfort de hoogste prioriteit hebben, is het WKO-systeem de superieure keuze. De mogelijkheid om te besparen op tot 60% verwarmings- en 80% koelingsenergie, gecombineerd met de uitzonderlijk hoge COP voor koeling, rechtvaardigt de investering in de complexere infrastructuur. Het is essentieel te onthouden dat deze systemen, ondanks hun verschillen, elkaar vaak perfect aanvullen. Een WKO-systeem is bijna altijd afhankelijk van een warmtepomp voor het leveren van een bruikbare temperatuur, wat de synergie tussen beide technologieën onderstreept. Door de juiste technologie voor de juiste toepassing te kiezen, kan een significante stap worden gezet richting een duurzame en efficiënte toekomst voor de gebouwde omgeving.

Bronnen

1. De efficiëntie van een warmtepomp en WKO-systemen
2. Het verschil tussen WKO en een warmtepomp
3. Werking van een Warmte- en Koudeopslagsystem (WKO)
4. Warmte- en koudeopslag: een betrouwbare energiebron