TNO-rapport Opwekkingsrendementen lokale technieken onder

Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek / Netherlands Organisation for Applied Scientific Research

Laan van Westenenk 501 Postbus 342 7300 AH Apeldoorn www.tno.nl T +31 88 866 22 12 F +31 88 866 22 48 [email protected]

TNO-rapport 034-APD-2010-00155

Opwekkingsrendementen lokale technieken onder laboratoriumomstandigheden

Datum maart 2010 Auteur(s) Ir. Leo Hendriksen

Jan Afink Tjerk Epema BSc Ing. Harm Schiphouwer Ir. Hans van Wolferen

Opdrachtgever Agentschap NL Projectnummer 034.22125 Aantal pagina's 81 (incl. bijlagen) Aantal bijlagen - Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO.

Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst.

Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan. © 2010 TNO

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 3 / 81

Samenvatting

TNO heeft in opdracht van Agentschap NL, divisie Energie en Klimaat, de deskstudie “Opwekkingsrendementen lokale technieken onder laboratoriumomstandigheden” uitgevoerd. De doelstelling van deze deskstudie is het genereren van een overzicht van energetische prestaties van op de Nederlandse markt beschikbare lokale technieken, toegepast in woningen. Dit project moet bijdragen aan het kunnen leveren van objectieve praktijkgegevens voor het Nationaal Expertisecentrum Warmte (NEW). Het project is als volgt afgebakend:

1. Betrokken technologieën: • HR-combiketels; • zonneboilers; • warmtepompen, elektrisch aangedreven; • micro-wkk’s; • balansventilatie-units (warmteterugwinapparatuur); • warmtepompboilers. Andere technologieën voor woningen, zoals airconditioning, douche warmteterugwinning, PV en collectieve systemen, vallen buiten de scope van dit onderzoek.

2. Het betreft individuele toestellen voor woningen. 3. De toestellen dienen voor de functies:

• verwarmen van ruimten; • verwarmen van tapwater. De functie elektriciteitslevering valt buiten de scope van dit voorstel. Tegen die achtergrond wordt bij micro-wkk’s (die tevens producent zijn van elektriciteit) de levering van warmte als doel gezien. Wel wordt daarbij de impact van de geproduceerde elektriciteit in aanmerking genomen.

4. Bij het analyseren van de testnormen wordt uitgegaan van beproevingsnormen die normaliter voor de Nederlandse situatie/markt van toepassing zijn.

Van elk van de hiervoor genoemde technologieën zijn voor het afgebakende terrein de volgende stappen uitgevoerd: Stap 1: Vaststellen van de basiskenmerken Voor de basiskenmerken van de in aanmerking genomen technologieën zijn de volgende vragen beantwoord:

• Welke testnorm is actueel (naam uitgave, datum inwerkingtreding)? • Wat zijn de testcondities in de betreffende norm met hun toegestane

afwijkingen? • Welke in- /uitgaande energiestromen worden in de betreffende norm

meegenomen? • Welke labels/keurmerken worden er op de Nederlandse markt gehanteerd

(inclusief Europese keurmerken) en welk minimumprestatieniveau is daaraan gekoppeld?

Stap 2: Vaststellen van de mate van representativiteit van de testcondities als praktijkomstandigheden In een kwalitatieve beschouwing is kort aangegeven welke elementen van invloed zijn op de energiestromen rondom het te beschouwen toestel (binnen de systeemgrens) en daarmee op het opwekkingsrendement.

4 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Stap 3: Vaststellen van de prestaties volgens norm en volgens het eenwaardig opwekkingsrendement Van de betreffende technologieën is van de prestatiepeil aangegeven wat per 2009 gangbaar is en wat per 2020 te verwachten is, uitgedrukt in:

• de gangbare eenheid voor de betreffende, thans geldende prestatienorm; • het eenwaardig opwekkingsrendement (door Agentschap.NL zijn hiervoor

definities en formules aangeleverd). De waarden voor 2020 zijn afgeleid uit de mogelijke technologische verbeteringen aan de voor de energieprestatie meest bepalende componenten van het betreffende toestel, die in het huidige concept van de technologie mogelijk zijn. Uitgangspunt is daarbij dat het technologieconcept ongewijzigd blijft. Resultaten In onderstaande tabel zijn de belangrijkste resultaten samengevat.

Techniek Relevante normen Huidig energieprestatie Energieprestatie in 2020 EOR (ow)

HR-ketel NEN-EN 677 (HR) NEN-EN 483 (gesloten) NEN-EN 297 (open)

Rendement 107% (ow) Rendement 111% (ow) 1,03

Zonneboiler NPR 7976 NEN-EN 12976 NEN 5060 NEN-EN 15316-4-3 NEN-EN 12975-2 ISO 9459-5

Jaaropbrengst: max. 6,1 GJ/jr min. 2,0 GJ/jr gem. 4 GJ/jaar

Jaaropbrengst: nagenoeg gelijk

2,451

Warmtepomp (el) NEN-EN 14511 Afh. van meetinstellingen. COP maximaal: lucht/water WP: 4,5 water/water WP: 5,4 brijn/water WP: 4,3

Max. COP van 2009 maximaal: L/W-WP: 1,9 W/W-WP: 2,3 B/W-WP: 1,8

Micro-wkk GASKEUR CV-HRe® NEN-EN 50465 prEN 50465/A1 NEN EN 483/A2 NEN-EN 297/A2

Rendement 125 tot 134% 4 (ow)

Rendement 175 tot 320% 4 (ow)

Minimum: EORW,cv = 0,937 EORE,cv = 0,094 Maximum: EORW,cv = 0,859 EORE,cv = 0,143

WTW-units NEN 5138 Rendement 95% Rendement 98% 0,80 5,22

Combiketel-tap NEN 7120, bijlage A Rendement 56-90 % (ow) Rendement 95-100 % (ow)

0,56 – 0,90

Warmtepompboiler NEN 7120, bijlage A TNO-rapport R2003/060

COP3: 2,2 tot 4,05 Max. COP van 2009 0,9 tot 1,7

Combiwarmtepomp (tap)

NEN 7120, bijlage A TNO-rapport R2003/060

COP: 2,0 tot 2,8 Max. COP van 2009 0,8 tot 1,2

1 Zonne-energie wordt als gratis verondersteld. 2 Warmte uit afvoerlucht wordt als gratis verondersteld (net zoals bij warmtepompboiler). 3 Warmte uit afvoerlucht wordt als gratis verondersteld. 4 Dit is het rendement voor verwarming, gecorrigeerd op de vermeden verliezen aan een gedefinieerde

elektriciteitscentrale.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 5 / 81

Nabeschouwing Energieprestaties van toestellen, gemeten onder laboratoriumomstandigheden, zijn simpel gesteld puntmetingen onder ideale meetomstandigheden. De verkregen resultaten worden vaak toegepast voor de energieprestatie in de praktijk. De energieprestatie in de praktijk is vaak anders. Hierbij zijn drie aspecten van belang:

1. Afwijkende praktijkomstandigheden. 2. Vertaalslag van laboratoriummetingen naar een jaarprestatie van een systeem,

bijv. voor NEN 5128. 3. Meten in de praktijk.

Ad 1 Afwijkende praktijkomstandigheden In de praktijk functioneert het toestel in samenhang met het systeem dat daarop aangesloten is. Hierdoor treedt variatie op in bedrijfsomstandigheden die van invloed kunnen zijn op de energetische prestatie van dat toestel. Deze bedrijfsomstandigheden zijn afhankelijk van het klimaatverloop over een jaar maar ook van de sturing/regeling van het toestel. Daarnaast worden de prestaties van toestellen mede bepaald door invloedsfactoren, zoals het gebruiksgedrag, de verandering in ontwerpomstandigheden, de montage en inregeling bij oplevering. De toestellen maken deel uit van een keten voor klimatisering. De interactie met de andere componenten in die keten kan de effectieve toestelprestatie ook beïnvloeden. En ook de gebruiksperiode en de mate van onderhoud zal van invloed zijn op de prestatie. Gebleken is dat de energieprestatie in de praktijk doorgaans lager is dan verwacht mag worden op basis van de metingen onder laboratoriumomstandigheden. Ad 2 Vertaalslag naar jaarprestatie Resultaten van laboratoriummetingen aan toestellen worden gebruikt om de jaarprestatie van systemen in woningen te berekenen. Hierbij wordt een aantal aannamen gedaan voor o.a. klimaatomstandigheden (referentiejaar), bewonersgedrag en bouwkundige zaken. Daarmee ontstaat nog geen inzicht in de effecten van praktijkomstandigheden op de prestatie. De vraag is dan ook in hoeverre de gehanteerde rekenmethoden t.b.v. deze vertaalslag resultaten opleveren die overeenkomen met praktijkwaarden.

6 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Ad 3 Meten in de praktijk Bij een meting van een toestel onder laboratoriumomstandigheden is precies vastgelegd op welke plek aan of in het toestel gemeten moet worden. In de praktijk is het vaak niet mogelijk om op diezelfde plek te meten, waardoor afwijkende resultaten kunnen optreden. Dit is dan ook een belangrijk aandachtspunt bij metingen in het veld. Bovenstaande drie aspecten zijn ook van belang voor het zogenaamde eenwaardig opwekkingsrendement (EOR) als dat wordt bepaald op basis van laboratoriummetingen. Het EOR geeft namelijk in één getal de overall performance van een systeem gedurende een jaar. De door de opdrachtgever voorgeschreven EOR is een grootheid die nadere aandacht verdient. Zeker als deze gebruikt gaat worden om de resultaten van praktijkmetingen te presenteren. Hieronder worden enige aandachtspunten bij het gebruik van de EOR vermeld: • De EOR is bedoeld als maat voor de prestaties in de praktijk.

Zoals hierboven besproken is voor een aantal toestelfuncties de EOR in dit rapport gebaseerd op de resultaten van laboratoriummetingen bij specifieke beproevingscondities. Deze condities en prestaties zijn in de regel niet representatief voor het jaargemiddelde. Alleen voor de warmtapwaterfunctie van alle typen relevante toestellen is de laboratoriumbeproeving gericht op een (jaar)gebruiksprestatie die alleen voor de betreffende tapvraag van toepassing is.

• De EOR bevat het gebruik van hulpenergie. Op dit punt onderscheidt de EOR zich voor een aantal toestelfuncties van de wijze waarop de energieprestatie van toestelfuncties in bijvoorbeeld de EPN wordt weergegeven. In de EPN wordt het hulpenergiegebruik voor o.a. de verwarmingsfunctie van ketels en micro-wkk’s, voor WTW units en zonneboilers afzonderlijk bepaald. Voor de verwarmingsfunctie van warmtepompen wordt een deel van het hulpenergiegebruik in de COP meegenomen. Alleen voor de warmtapwaterfunctie van alle typen toestellen wordt in de bepalingswijze in de EPN het hulpenergiegebruik opgenomen in het rendement.

• De EOR geeft de prestatie voor de combinatie van verschillende toestelfuncties. De opdrachtgever wenst voor combitoestellen een EOR voor de combinatie van verschillende toestelfuncties. Dit wijkt af van de gescheiden benadering die in zowel beproevingsnormen als de EPN wordt gevolgd. Deze gescheiden benadering heeft het voordeel dat voor situaties met uiteenlopende warmtebehoefte voor verwarming en warmtapwater de afzonderlijke prestatie goed in beeld kan worden gebracht, Voor een gecombineerde EOR zal de verhouding tussen verwarming en warmtapwater de hoogte van de combi-EOR bepalen; vooral als de EOR voor beide functies sterk uiteenloopt, zoals bij combiwarmtepompen. Bij praktijkmetingen aan combitoestellen is het van het grootste belang de energieprestatie voor deze functies afzonderlijk te meten. Anders wordt het vrijwel onmogelijk een zinvol vergelijk te maken met bijvoorbeeld de waarden die in de EPN worden gehanteerd.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 7 / 81

Inhoudsopgave

Samenvatting.................................................................................................................. 3

1 Inleiding .......................................................................................................................... 9

2 HR-ketels ...................................................................................................................... 11 2.1 Actuele testnormen ........................................................................................................ 11 2.2 Energetische prestaties................................................................................................... 15 2.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 16 2.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 17

3 Zonneboilers................................................................................................................. 19 3.1 Actuele testnormen ........................................................................................................ 19 3.2 Energetische prestaties................................................................................................... 29 3.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 31 3.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 32 3.5 Referenties ..................................................................................................................... 32

4 Warmtepompen, elektrisch aangedreven .................................................................. 33 4.1 Actuele testnorm(en)...................................................................................................... 33 4.2 Energetische prestaties................................................................................................... 37 4.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 41 4.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 41

5 Micro-wkk .................................................................................................................... 43 5.1 Actuele testnorm(en)...................................................................................................... 43 5.2 Energetische prestaties................................................................................................... 48 5.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 53 5.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 54 5.5 Opmerkingen ................................................................................................................. 55 5.6 Referentie....................................................................................................................... 55

6 Balansventilatie-units .................................................................................................. 57 6.1 Actuele testnorm(en)...................................................................................................... 57 6.2 Energetische prestaties................................................................................................... 62 6.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 64 6.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 65

7 Tapwaterbereiding: cv-combiketel, warmtepompboiler en combiwarmtepomp... 67 7.1 Actuele testnorm(en)...................................................................................................... 67 7.2 Energetische prestaties................................................................................................... 74 7.3 Eenwaardig opwekkingsrendement ............................................................................... 77 7.4 Afwijkende praktijkomstandigheden ............................................................................. 78

8 Verantwoording ........................................................................................................... 81

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 9 / 81

1 Inleiding

De Nederlandse ambities voor verduurzaming van de gebouwde omgeving vragen op het gebied van klimatisering een versterkte inzet van technologieën, die tot energiebesparing en CO2-reductie leiden. Daarbij is er keuze uit een breed pakket van technologische mogelijkheden, elk met verschillende karakteristieken, mogelijkheden en potentieel. Om voor de gebouwde omgeving daaruit verantwoorde keuzen te kunnen maken voor de korte en middellange termijn, is het van belang dat de effectieve prestaties van de technologieën in de praktijk bekend zijn en voor de toekomst kunnen worden ingeschat. Belangrijk is daarbij ook om over een referentie te beschikken in de vorm van de energetische prestaties van technieken onder laboratoriumomstandigheden. In deze deskstudie heeft TNO een overzicht gegenereerd van energetische prestaties van een aantal op de Nederlandse markt beschikbare lokale technieken, toegepast in woningen. Het gaat hierbij om HR-combiketels, zonneboilers, warmtepompen, micro-wkk’s, balansventilatie-units (warmteterugwinapparatuur) en warmtepompboilers. In hoofdstukken 2 t/m 7 van dit rapport zijn de onderscheiden technologieën in een apart hoofdstuk uitgewerkt. Opgemerkt wordt dat warmtapwaterbereiding in hoofdstuk 7 wordt behandeld, omdat in essentie de methode voor het meten van het taprendement voor alle toestellen hetzelfde is. Het betreft de cv-combiketel, de warmtepompboiler en de combiwarmtepomp. Gezien de aard van deze rapportage zijn conclusies en aanbevelingen achterwege gelaten. Wel is in de samenvatting een nabeschouwing gegeven ten aanzien van de vertaling van laboratoriummetingen in praktijkprestaties en het gebruik van de EOR.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 11 / 81

2 HR-ketels

2.1 Actuele testnormen

2.1.1 Algemeen

Voor het beproeven van CV-ketels zijn door de jaren heen normen verschenen, die aansluiten bij de ontwikkeling van deze toestellen. De eerste cv-ketels waren open toestellen met atmosferische branders, waarvoor NEN-EN 297 is opgesteld. Daarna kwam het gesloten toestel met NEN-EN 483 als bijbehorende norm. Vervolgens kwam de HR-ketel, waarvoor in NEN-EN 677 specifieke eisen zijn geformuleerd. Hieronder is dit schematisch weergegeven. Aanvullend op deze normen is het document “Good laboratory practice for full and part load efficiency measurement for boilers” opgesteld, waarin meetprocedures zijn beschreven. Dit document is ontstaan na round-robin testen in een groot aantal (21) Europese laboratoria, die ook volgens deze methode meten. In GASKEUR-criteria CV-HR: 1997 zijn criteria opgenomen in het kader van certificering ten behoeve van de Gaskeur toestellabelling.

2.1.2 Naam en datum uitgave

Tabel 2.1 Overzicht relevante normen en meetmethodes

Naam Datum uitgave

Opmerkingen

NEN-EN 297 (en): Centrale verwarmingsketels met atmosferische branders - Type B11- en B11BS-ketels met atmosferische branders met een nominale belasting tot en met 70 kW.

1994 Voor open toestellen Aanvullingen: • A2: 1996 • A3: 1997 • A4: 2004 • A5: 1998 • C1: 2006

NEN-EN 483 (en): Centrale verwarmingsketels met atmosferische branders - Type-C-Ketels met een nominale belasting tot 70 kW.

1999 Voor gesloten toestellen Aanvullingen: • A2: 2001 • C1: 2006 • A4: 2007

NEN-EN 677: Centrale verwarmingsketels - Specifieke eisen voor ketels met een hoog rendement en met een nominale belasting tot en met 70 kW

1998 Voor HR-toestellen

Good laboratory practice for full and part load efficiency measurement for boilers

1999 Betreft meetprocedures

NEN-EN 297

open toestel

NEN-EN 483

gesloten toestel

NEN-EN 677

open + gesloten toestel HR-ketels

12 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

2.1.3 Scope

De normen beschrijven een bepalingsmethode betreffende de constructie, veiligheid, toepassingsgeschiktheid en energetische prestatie van cv-toestellen voor de functie ruimteverwarming. NEN-EN 297 is voor open toestellen, NEN-EN 483 voor gesloten toestellen en NEN-EN 677 is gericht op HR-ketels. De energetische prestatie wordt vastgesteld voor de volgende drie condities:

• Vollast (100%): o niet condenserend; o condenserend.

• Deellast (30%): Condenserend Voor HR-ketels, het te beschouwen toestel in onderhavig project, dient in eerste instantie NEN-EN 677 te worden geraadpleegd, vooral voor de meetinstellingen van de energetische prestatie. Voor een aantal aspecten wordt ook naar de andere twee normen verwezen. Zoals al gesteld, betreffen de normen alleen de functie ruimteverwarming. Voor het bepalen van het tapwaterrendement van een combiketel wordt verwezen naar hoofdstuk 7.

2.1.4 Meetcondities

Voorwaarden voor uitvoeren metingen De huidige HR-ketels zijn gesloten toestellen en daarvoor geldt onderstaande tabel uit NEN-EN 483.

Tabel 2.2 Vereiste lekdichtheid gesloten toestellen

Instellingen rendementsmetingen

Tabel 2.3 Instellingen voor de energetische prestatie uit NEN-EN 677.

Meetconditie/belasting Parameter 100% (vollast) 100% (vollast) 30% (deellast) T aanvoer [°C] 80 ± 1K 50 ± 1K volgwaarde T retour [°C] 60 ± 1K 30 ± 1K 30 ± 1K ΔT [K] 20 ± 2K 20 ± 2K T omgeving [°C] 20 ± 1K 20 ± 1K 20 ± 1K

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 13 / 81

Opmerkingen: 1. Bij deellastmetingen is het volgende onderscheid te maken:

a. aan/uit regeling: de meetperiode van 10 minuten bestaat uit 3 min. aan en 7 min. uit.

b. modulerend: ketel wordt op 30% ingesteld en de meting is hetzelfde als bij vollast.

2. Massastroom water bij vollast wordt berekend op basis van het opgegeven temperatuurverschil (20K). Massastroom bij deellast is gelijk aan massastroom bij vollast.

3. Luchtsnelheid om testobject is kleiner dan 0,5 m/s. 4. In het verleden werd de HR-meting (condenserend bij 30 % deellast) ook wel

gemeten volgens de instellingen van NEN-EN 483:

Meetconditie/belasting Parameter 100% 30% T aanvoer [°C] 80 ± 2K 53 ± 2K T retour [°C] 60 ± 2K 47 ± 2K ΔT [K] 20 ± 1K 20 ± 1K T omgeving [°C] 20 ± 1K 20 ± 1K

Stabiliteitscriteria rendementsmetingen Waterzijdig:

• temperatuur: variatie temperatuurmeting maximaal ± 2K; • waterdebiet: variatie maximaal ± 2% ingestelde waarde.

Gemeten rendement:

• verschil tussen twee opvolgende meetperioden maximaal 0,003 (=0,3%); • verschil tussen minimale en maximale waarde gedurende vier aaneengesloten

meetperioden maximaal 0,005 (=0,5%). Meetduur:

• minimale meetduur van vier aaneengesloten meetperioden, waarin wordt voldaan aan de stabiliteitscriteria.

Meetnauwkeurigheden De meetnauwkeurigheden zijn zo gekozen dat het berekende rendement een nauwkeurigheid heeft van 2%.

Tabel 2.4 Meetnauwkeurigheid

Parameter Nauwkeurigheid Watertemperatuur ± 0,1K Waterdebiet ± 1% Gasdebiet ± 1% Omgevingstemperatuur ± 0,1K Gastemperatuur ± 0,1K Gasdruk ± 2% full scale

14 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

2.1.5 Gemeten parameters

Ingaande energiestromen: • Warmtestroom water intrede [kJ/s]

o waterdebiet; o watertemperatuur (cv-retour); o waterdruk.

• Energiestroom brandstof [kJ/s] o gasdebiet; o gasdruk; o gastemperatuur; o calorische onderwaarde van gebruikt gas.

• Hulpenergie pomp + elektronica [W], [V], [A] en [cosφ]. • Hulpenergie verbrandingsluchtventilator: [W], [V], [A] en [cosφ].

Uitgaande energiestroom:

• Warmtestroom water uittrede [kJ/s] o waterdebiet; o watertemperatuur (cv-aanvoer); o waterdruk.

Opmerkingen:

1. De enthalpie van de waterstromen wordt bepaald op basis van de temperatuur en druk.

2. De calorische waarde van het gas wordt eenmalig vastgesteld en is geldig voor alle metingen

2.1.6 Berekend rendement

Het rendement wordt berekend volgens:

igasv

waterm

toegevoerd

rdgeproduceenuttigketel Hq

hqQ

Q..10

.

,3

, Δ==η

waarin: ηketel = ketelrendement [-] qm,water = massawaterstroom [kg/s] Δh = enthalpieverschil tussen uitgaande en ingaande waterstroom [kJ/kg] qv,gas = gasvolumestroom [mn

3/s] Hi = calorische onderwaarde van het gas [MJ/mn

3] Opmerkingen:

1. Het berekende deellastrendement is maatgevend voor de HR-kwalificatie. 2. De elektrische hulpenergie wordt niet in het ketelrendement verdisconteerd. 3. In de normen is de volgende formule gegeven voor het vollastrendement

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 15 / 81

ir

p

HVDttm

..10).(.186,4

)10(3

12 +−=η

waarin: η = rendement [-] 4,186 = soortelijke warmte van water [kJ/kg.K] m = hoeveelheid water [kg] t2 = watertemperatuur toestel, uit [°C] t1 = watertemperatuur toestel, in [°C] Hi = calorische onderwaarde van gas op onderwaarde [MJ/mn

3] Dp = warmteverlies testopstelling [kJ] Vr(10) = gasverbruik [mn

3] Deze formule hoort bij de meetmethode, waarbij in de meetopstelling gebruik wordt gemaakt van een watervat. Tegenwoordig wordt in de meeste laboratoria een cv-installatie gesimuleerd, dus zonder vat en waarbij sprake is van aanvoer- en retourtemperatuur.

2.2 Energetische prestaties

2.2.1 Gangbare prestaties in 2009

Het rendement van de huidige HR-ketels is erg hoog. Gemiddeld is het deellastrendement ca. 107% (op onderwaarde), conform de Gaskeur HR-criteria. De functionele eisen voor Gaskeur hoog rendement zijn:

• De rendementseisen zijn gebaseerd op de condities als vermeld in NEN-EN 677.

• Het gemeten waterzijdig vollastrendement, ten behoeve van de verwarmingsfunctie van het toestel, moet minimaal (91 + 10Log Qn) % op onderwaarde bedragen, waarbij Qn de nominale belasting [kW] van het toestel is.

• Het gemeten waterzijdig deellastrendement, ten behoeve van de verwarmingsfunctie van het toestel, moet minimaal bedragen:

o 100% voor HR-100 label; o 104% voor HR-104 label; o 107% voor HR-107 label.

• CO-percentage in de verbrandingsgassen is kleiner dan 0,1%. Gaskeur hoog rendement zegt overigens alleen iets over de ruimteverwarming en niets over het rendement van de warmtapwatervoorziening, zelfs niet als het om een combiketel gaat. Warmtapwaterfuncties hebben namelijk eigen labels om eigenschappen herkenbaar te maken. Dat zijn Gaskeur HR-ww en CW. Een combiketel draagt daarom vaak combinaties van Gaskeurlabels. Hoofdstuk 7 betreft warmtapwaterbereiding.

16 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

2.2.2 Verwachte prestaties in 2020

De nieuwste ketels halen inmiddels het laboratoriumrendement van 111% (ow), te beschouwen als het maximaal haalbare. De verwachting is dat in 2020 dit rendement gangbaar is. De daarna te behalen verbeteringen zeer echter gering. Een aandachtspunt zijn de elektrische verliezen, alhoewel deze verliespost niet in het berekende rendement wordt verdisconteerd, maar juist een positief effect heeft op het laboratoriumrendement. De energieverliezen worden namelijk omgezet in warmte die aan het cv-water wordt afgegeven.

2.2.3 Robuustheid gemeten rendement

Parameters die het rendement kunnen beïnvloeden, zijn de cv-aanvoertemperatuur (90/70, 80/60, etc.) en de belasting (vollast, deellast tot 30%). De invloed van de cv-aanvoertemperatuur blijkt hooguit enkele procenten te bedragen. Bij de invloed van de belasting moet onderscheid worden gemaakt in oude en nieuwere toestellen, waarbij het gaat om regeling van gas/lucht-verhouding. Bij oude toestellen treedt bij deellast luchtovermaat op, waardoor het rendement lager wordt. Dit kan 5% tot 10% bedragen. Bij nieuwere toestellen – deze zijn al enkele jaren gangbaar - blijft de gas/lucht-verhouding goed en heeft deellast nagenoeg geen invloed op het rendement De mogelijkheden om binnen de marges van de toegestane meetinstellingen rendementsverschillen te realiseren zijn beperkt tot naar schatting 1 à 2%. Deze beperking komt doordat van de aanvoer en retour van het cv-water de massastroom hetzelfde is en de temperaturen ‘gekoppeld’ zijn door het opgelegde temperatuurverschil van 20K. Kijkend naar de meetnauwkeurigheden, dan zijn deze zo gekozen dat het berekende rendement een nauwkeurigheid heeft van 2%. Dit betekent dat de rendementen van 100% ±2% en 104% ±2% bij elkaar in de buurt komen evenals de rendementen van 104% ±2% en 107% ±2%.

2.3 Eenwaardig opwekkingsrendement

Voor een individuele HR-ketel is het eenwaardig opwekkingsrendement als volgt gedefinieerd:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηcvHRinelek

cvHRprim

cvnuttigcvW Q

Q

QEOR

,,,,,

,,

In feite is dat het gemeten rendement, waarin ook de elektrische hulpenergie (elektronica, ventilator, cv-pomp) is verdisconteerd.

HR-ketel

Qelek,in,HR,cv

Qprim,HR,cv Qnuttig,cv

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 17 / 81

Voor de berekening van EORw wordt het volgende aangenomen: a. rendement van de cv-ketel is 107% (o.w.); b. elektriciteitsverbruik van de ketel is 100W gedurende 2.000 u/jr

Qelek.in,HR,cv=720 MJ; c. aardgasverbruik is 1.500 m3/jr Qprim,in,cv = 47.475 MJ d. Uit a. en c.: Qnuttig,cv = 50.798 MJ e. rendement elektriciteitsopwekking is 0,42 (o.w.)

Hieruit volgt: 03,1

42,0720475.47

798.50, =

+=cvwEOR

2.4 Afwijkende praktijkomstandigheden

De prestatie van een cv-ketel kan in de praktijk om meerdere redenen lager uitvallen dan gemeten onder laboratoriumomstandigheden:

• Installatiefouten: o slechte of geen hydraulische inregeling; o slechte dimensionering afgiftesysteem i.r.t. warmtebehoefte; o vervuiling installatiecomponenten.

• Bewonersgedrag: o verstelling van de toestelinstellingen; o bediening afgiftesysteem.

• Slecht/geen onderhoud. In algemene zin kan men stellen dat een hogere retourtemperatuur, waarbij weinig of geen condensatie optreedt, leidt tot een lager rendement.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 19 / 81

3 Zonneboilers

3.1 Actuele testnormen

3.1.1 Algemeen

Een zonneboiler is onderdeel van een complex systeem, waardoor het moeilijk is de opbrengst van een zonneboiler vast te stellen. De opbrengst van een zonneboiler is onder andere afhankelijk van het weer en de gebruiker; het ontwerp moet hier op afgestemd zijn. Daarom zijn voor het bepalen van de opbrengst van zonneboilers meerdere normen van belang. In Figuur 3.1 is de onderlinge samenhang weergegeven.

NPR 7976:2009 • Referentie typerend voor

Nederland • Prestatie indicatoren • Extrapolatie methode • Schatting prestaties grote

zonneboilersystemen

NEN-EN 12976-2 Beproevingsmethoden zon-neboilersystemen, waaron-der prestatiebepalingen.

NEN-EN 12975-2 Beproevingsmethoden zonnecollectoren, waar-onder prestatiemetingen.

NEN 5060:2008 Referentie klimaatgegevens

NEN-EN 15316-4-3 F-chart methode

ISO 9459-5 Prestatie bepaling zonneboilersystemen (DST-test)

Figuur 3.1 Gebruikte normen; de NPR 7976:2009 beschrijft de procedure en verwijst naar normen voor

beproevingen, data en berekeningen.

De NPR 7976 beschrijft de Nederlandse referentieomstandigheden en geeft aan hoe op basis van andere normen de opbrengst moet worden vastgesteld. Daarnaast beschrijft het de extrapolatiemethode voor afgeleide systemen en de opbrengstberekeningen voor grote systemen. De NPR verwijst via NEN-EN 12976-2 naar NEN-ISO 9459-5 voor de thermische prestatiebeproeving van systemen. Voor beproeving van zonnecollectoren is er de NEN-EN 12975-2. Op basis hiervan wordt de opbrengst van grote en/of niet fabrieksmatig geproduceerde systemen bepaald. Om niet alle systemen te hoeven testen, is er in de NPR 7976 een procedure opgesteld (F-chart methode, beschreven in NEN EN 15316-4-3) om voor andere typen uit dezelfde productfamilie de opbrengst te kunnen extrapoleren. In paragrafen 3.1.1.1 en 3.1.1.2 worden de naam en datum van uitgave van de normen gegeven resp. de algemene scope van de bepalingsmethode van de opbrengst. In de daarop volgende paragrafen worden de NPR 7976, NEN-EN 12976-2, NEN-ISO 9459-5 en NEN-EN 12975-2 separaat uitgebreider beschreven. NEN 5060:2008 en NEN-EN 15316-4-3 worden niet verder toegelicht in dit rapport. Deze beschrijven respectievelijk de Nederlandse klimaatdata en de zogenaamde F-chart methode benodigd voor de extrapolatie.

20 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

3.1.1.1 Naam en datum uitgave

Tabel 3.1 Relevante normen

Naam Datum uitgave Opmerking

NEN-ISO 9459-5: Zonnewarmte – Huishoudelijke warmwatersystemen - Deel 5: Karakterisering van de systeemprestaties door middel van systeembeproevingen en computersimulatie (DST beproeving). (ISO 9459-5:2007, IDT)

mei 2007

NPR 7976: Bepaling van de energetische opbrengst van zonneboilers voor huishoudelijk gebruik -Omrekenprocedure op basis van de Nederlandse referentieomstandigheden.

oktober 2009 nog niet toegepast in verklaringen; oude versie: april 2001.

NEN-EN 12976-2: Thermische zonne-energiesystemen en componenten - Fabrieksmatig geproduceerde systemen Deel 2: Beproevingsmethoden.

september 2006

NEN-EN 12975-2: Thermische zonne-energiesystemen en componenten - Zonnecollectoren. Deel 2: Beproevingsmethoden.

mei 2006

NEN 5060:2008: Hygrothermische eigenschappen van gebouwen - Referentieklimaatgegevens

december 2008

NEN-EN 15316-4-3: Verwarmingssystemen in gebouwen; Berekeningsmethode voor de systeemenergiebehoefte en het systeemrendement; Deel 4-3: Warmteopwekkers voor ruimteverwarming thermische zonne-energiesystemen

augustus 2007

3.1.1.2 Scope algemeen Zonneboilers bestaan uit diverse onderdelen, waarvan de collector en het opslagvat de belangrijkste zijn. De volgende systemen worden onderscheiden:

• voorverwarmer zonneboiler; • zonneboiler met geïntegreerde naverwarmer; • combisystemen voor tapwater en ruimteverwarming; • gepompte systemen; • thermosyphon systemen.

Hierin kunnen verschillende collectoren worden toegepast: • vlakke plaat collectoren; • vacuümbuis collectoren; • onafgedekte collectoren.

In Figuur 3.2 is de procedure weergegeven voor het bepalen van de opbrengst van fabrieksmatig geproduceerde zonneboilersystemen, die in de huishoudelijke markt veelal worden toegepast.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 21 / 81

Systeemtest DST ISO 9459-5

Systeem- parameters

Opbrengstbepaling voor Nederlandse referentie NPR 7976

Jaaropbrengst getest systeem

Extrapolatie dmv F-chart NPR 7976

Jaaropbrengst productfamilie

Referentie typerend voor Nederland (NPR 7976)• Meteorologische data NEN 5060:2008 • Tappatronen (110 l/dag, 10-60 grC) • Kenmerken van woning en installatie

Eigenschappen van productfamilie voor regeling, leidingen, vat en collector etc. Invoer van collectordata (NEN-EN12975-2) maakt ruimere extra-polatie mogelijk, niet vereist.

Figuur 3.2 Schematische weergave van opbrengstbepaling zonneboilers.

In Nederland wordt de opbrengst van zonneboilersystemen doorgaans bepaald op basis van de zogenaamde DST-test (=Dynamic System Test), beschreven in ISO 9459-5. Hieruit komen een aantal systeemparameters, waarmee voor elke situatie de jaaropbrengst van het systeem te berekenen is. Voor Nederland zijn referentieomstandigheden gedefinieerd, bestaande uit klimaatdata (NEN 5060:2008), tappatroon en kenmerken voor woning en installatie. Hiermee wordt de jaarlijkse zonbijdrage aan de warmtapwatervraag van een standaard woning/gezin berekend. De NPR 7976 beschrijft ook de extrapolatie voor afgeleide systemen en de opbrengstberekeningen van grote systemen.

3.1.2 NPR 7976: 2009

3.1.2.1 Scope De NPR beschrijft:

1. De aangenomen Nederlandse referentieomstandigheden. Op basis van de DST-beproeving van systemen, beschreven in NEN-ISO 9459-5, kan voor willekeurig tappatroon en klimaat de jaarlijkse thermische prestatie berekend worden. Voor Nederland zijn een serie typische referentieomstandigheden gedefinieerd, bestaande uit meteorologische data, tappatronen en typische eigenschappen van in Nederland gebruikte installaties.

2. De gebruikte typische prestatie-indicatoren in Nederland. De belangrijkste indicator is de jaarlijkse energiebesparing Q_sav in GJ/jaar. Deze energiebesparing wordt berekend voor een standaard Nederlandse woning/gezin, zodat verschillende huishoudelijke zonneboilers kunnen worden vergeleken. Voorgeschreven worden de definities van de indicatoren, de rekenmethode en de additionele referenties.

3. Een extrapolatiemethode om de jaarlijkse prestaties van andere systemen in dezelfde productfamilie te berekenen. Een productfamilie is een serie van elkaar afgeleide producttypen, die slechts verschillen in grootte van vatvolume en collectoroppervlakte. Onder strikte voorwaarden kan voor een afgeleid systeem de opbrengst worden berekend, op basis van de testresultaten van een systeem uit dezelfde productfamilie.

4. De schatting van de thermische prestatie van grote zonneboilersystemen. De NPR verwijst samen met NEN-EN 12976-2 naar NEN-ISO 9459-5 voor de thermische prestatie beproeving van systemen. Voor beproeving van zonnecollectoren is er de NEN-EN 12975-2. Op basis hiervan wordt de opbrengst van grote en/of niet fabrieksmatig geproduceerde systemen bepaald. Deze relaties zijn weergegeven in Figuur 3.1.

22 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

3.1.2.2 Meetcondities De NPR 7976 beschrijft geen energetische metingen, maar verwijst naar andere normen. Daarom worden de meetinstellingen, de stabiliteitscriteria, de nauwkeurigheid en de gemeten waarden bij de betreffende normen beschreven. De NPR 7976 geeft wel een extrapolatiemethode. Criteria voor het uitvoeren van een extrapolatie:

1. Primaire criteria zijn de eisen aan de productfamilie: a. Ze moeten bijvoorbeeld uit dezelfde componenten bestaan, gemaakt met

dezelfde materialen. b. Vat- en collectortype moeten hetzelfde zijn.

2. Secundaire criteria geven de grenzen aan de extrapolatie: a. Het apertuuroppervlakte van de collector mag afhankelijk van de

beschikbare collector informatie 2 of 4 keer zo groot gekozen worden of ½ tot ¼ keer zo klein.

b. Het zonverwarmde deel van het vatvolume moet afhankelijk van het apertuuroppervlakte binnen bepaalde grenzen blijven.

c. Het volume van het naverwarmerdeel van het vat moet afhankelijk van het apertuuroppervlakte binnen bepaalde grenzen blijven.

3. Tertiaire criteria geven na berekening aan of de gewenste nauwkeurigheid behaald is: na het uitvoeren van de extrapolatie is een controle voorgeschreven waaruit blijkt of de productfamilie dusdanig was ontworpen dat deze binnen de randvoorwaarden aan het gebruikte F-chart model vallen.

Opmerkingen:

• Bij de extrapolatie worden voor verschillende tapvragen bij verwarming van 10°C naar 60 ºC (vroeger 15ºC - 65ºC) de volgende waarden berekend:

o vermogen van de voorverwarmer zonneboiler P_L [W] gemiddeld op jaarbasis;

o vermogen van de geïntegreerde naverwarmer P_aux [W] gemiddeld op jaarbasis;

o jaarlijkse toegevoerde energie door naverwarmer Q_aux [GJ/a]; o jaarlijks gebruikte elektrische energie voor eventuele pomp en/of

vorstbeveiliging Q_par [GJ/a]; o totaal jaarlijks toegevoerde energie Q_ext [GJ/a]; o jaarlijks bespaarde energie Q_sav [GJ/a] (is het eindresultaat).

• In de oude NPR worden voor het extrapoleren van de testresultaten krappere extrapolatie grenzen gesteld. Deze eisen zijn nu verruimd, omdat met de nieuwe methode onafhankelijk van de beschikbare systeemgegevens nauwkeuriger te extrapoleren is.

• De NPR laat veel vrijheid aan de beoordelaar, al is dit voor de 2009-versie ver teruggebracht. Vooral bij onervaren beoordelaars kan dit leiden tot overschatting van de prestaties, als de fabrikant bepaalde testcondities voorschrijft.

• De nauwkeurigheid van de extrapolatiemethode is bij het opstellen onderzocht: merendeel ligt binnen 10%, met een enkele uitschieter naar 20%. De onnauwkeurigheid van de test moet er nog wel bij opgeteld worden.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 23 / 81

3.1.3 NEN-EN 12976-2

3.1.3.1 Scope Deze Europese norm specificeert methoden voor beproevingen op verschillende vlakken aan fabrieksmatig geproduceerde zonneboilersystemen. Hieronder vallen naast bijvoorbeeld veiligheidsaspecten ook twee prestatiebeproevingen. In Nederland wordt voornamelijk de zogenaamde DST-test uitgevoerd volgens NEN-ISO 9459-5 en de NEN-EN 12976-2 geeft hiervoor de randvoorwaarden.

3.1.3.2 Meetcondities Voorwaarden voor uitvoeren metingen Er zijn geen relevante eisen gesteld. Instellingen rendementsmetingen In Tabel 3.2 en Tabel 3.3 zijn de referenties gegeven, die zowel bij prestatiemetingen als bij computersimulaties gebruikt worden.

Tabel 3.2 Referentiecondities systeem

24 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 3.3 Referentiegegevens klimaat

Opmerking: Als er variatie in de installatie wordt toegelaten, moet het systeem onder de meest ongunstige omstandigheden worden beproefd. Stabiliteitscriteria rendementsmetingen Hierbij wordt verwezen naar Tabel 3.2 en Tabel 3.3. Meetnauwkeurigheden Voor het uitvoeren van de energetische beproevingen worden de voorwaarden gesteld in de NEN-ISO 9459-5.

3.1.3.3 Gemeten parameters Hiervoor wordt verwezen naar paragraaf 3.1.4.3, want in Nederland wordt voornamelijk de zogenaamde DST-test uitgevoerd volgens NEN-ISO 9459-5 en de NEN-EN 12976-2 geeft hiervoor alleen de randvoorwaarden.

3.1.3.4 Berekende parameters Hiervoor wordt verwezen naar paragraaf 3.1.4.4, want in Nederland wordt voornamelijk de zogenaamde DST-test uitgevoerd volgens NEN-ISO 9459-5 en de NEN-EN 12976-2 geeft hiervoor alleen de randvoorwaarden.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 25 / 81

3.1.4 NEN-ISO 9459-5

3.1.4.1 Scope Dit deel van ISO 9459 beschrijft een buiten laboratoriumtest voor huishoudelijke zonneboilers. Deze methode is ook geschikt voor in-situ metingen en binnenmetingen, mits geschikte tapprofielen en instralingspatronen worden toegepast. De systeem-prestatie wordt bepaald met een blackbox-benadering, waardoor metingen aan componenten niet nodig zijn. ISO 9459-5 geeft verder nauwkeurige instructies voor het verwerken van de meetdata tot prestatie-indicatoren en rapportage. Het blackbox-model geeft een parameter identificatie door meetdata met uitkomsten van mathematische modelberekeningen te vergelijken voor dynamische situaties. Om betrouwbare resultaten te genereren moet onder verschillende weersomstandigheden wordt gemeten. Op basis van uurlijkse klimaatdata wordt met behulp van de systeemparameters de jaaropbrengst voor de verschillende referenties berekend. Dit deel van ISO 9459 kan worden toegepast op de volgende systemen:

• systemen met gedwongen circulatie; • thermosyphon systemen; • integral collector storage systemen (ICS systeem, thermisch zonne-

energiesysteem waarbij de collector ook functioneert als warmteopslag) onder voorwaarde dat de afmetingen van het systeem binnen de volgende grenzen moeten vallen:

o collector apertuuroppervlakte tussen 1 en 10 m2; o vatvolume tussen 50 en 1.000 liter; o het vatvolume bedraagt tussen de 10 en 200 liter per vierkante meter

apertuuroppervlakte.

3.1.4.2 Meetcondities Voorwaarden voor uitvoeren metingen Er zijn geen relevante eisen gesteld. Instellingen rendementsmetingen

• Installatie van het systeem moet gebeuren volgens instructie van de fabrikant, waar nodig benoemd in het testrapport.

• Collector is gericht op de evenaar binnen ± 10º, zodanig dat invloeden van de omgeving verwaarloosd kunnen worden.

• Collectorleidingen moeten zo lang zijn als maximaal toegelaten, genoemd in de installatiehandleiding. Als dit niet genoemd wordt, moet de totale leidinglengte minimaal 15 meter ± 0.1 m bedragen.

• Een eventuele thermostaatkraan in het systeem moet uitgeschakeld worden. Stabiliteitscriteria rendementsmetingen

• Aanvoerwatertemperatuur: o de aanvoerwatertemperatuur mag niet meer dan 10K verschillen van

de gemiddelde omgevingstemperatuur van het vat; o tijdens tappingen moet de temperatuur tussen 5 en 25 ºC zijn; o tijdens elke test sequence moet de temperatuur constant zijn binnen 3K

met maximale temperatuurverandering van 2 K/uur; o pieken aan het begin van de tapping zijn toegestaan.

26 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

• Luchtsnelheid rond de collector (hiervoor zijn verschillende opties, afhankelijk van systeem en testcyclus):

o wel meten, maar bij verwerking negeren; o windsnelheid hoger dan 3 m/s; o windafhankelijkheid van collector bepalen (meetdata met Vwind <1,5

m/s en >3 m/s), verplicht voor onafgedekte collectoren; o indien nodig mag hier een windgenerator voor gebruikt worden.

• Omgevingstemperatuur van het opslagvat: voor binnen opgestelde opslagvaten moet de omgevingstemperatuur constant zijn binnen ± 5K.

• Conditionering: voor en na elke testcyclus moet het systeem in een stabiele situatie gebracht worden, door het vat een aantal malen door te pompen met leidingwater.

• Weersomstandigheden: o verschillende weertypen qua zoninstraling in windsnelheden zijn

nodig; o geschikte data wordt uit de totale dataset geplukt en gebruikt voor

verder berekening. Meetnauwkeurigheden

• Pyranometer moet voldoen aan klasse II van WMO classificatie en ISO 9060. • Temperatuursensor moet voldoen aan de nauwkeurigheid in Tabel 3.4.

Tabel 3.4 Nauwkeurigheid temperatuurmeting

• Tapdebiet: ± 1,0%. • Elektrisch energiegebruik moet gemeten worden met een nauwkeurigheid beter

dan ± 1,0% van de aflezing of met een nauwkeurigheid van ± 15 Wh als dit nauwkeuriger is.

• Tijd: ± 0,2%. • Luchtsnelheid moet gemeten worden met een meetsysteem dat uurlijkse

gemiddelden kan genereren met een nauwkeurigheid van ± 0,5 m/s. De opstartsnelheid van het instrument moet lager zijn dan 0,5 m/s.

3.1.4.3 Gemeten parameters • omgevingtemperatuur collector [ºC]; • omgevingtemperatuur vat [ºC]; • windsnelheid [m/s]; • zoninstraling [W/m2]; • infrarood instraling [W/m2]; • hulpenergie [W]; • aanvoertemperatuur vat [ºC]; • retourtemperatuur vat ºC; • tapdebiet [l/min].

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 27 / 81

3.1.4.4 Berekende systeemparameters Uit de gemeten waarden van verschillende cycli worden met behulp van een aanbevolen computermodel de in Tabel 3.5 gegeven systeemparameters berekend.

Tabel 3.5 Systeem parameters

Met behulp van hetzelfde computermodel wordt op basis van de parameters en de gebruikscondities de netto jaarlijkse energieopbrengst Qnet [MJ/jaar] berekend.

3.1.5 NEN-EN 12975-2

3.1.5.1 Scope Deze Europese norm beschrijft beproevingen voor de deugdelijkheid, betrouwbaarheid en veiligheid van zonnecollectoren en bevat daarnaast drie beproevingsmethodes voor thermische prestatiebeoordeling. De drie prestatiemetingen verschillen nogal in karakter, bovendien is er verschil in het beproeven van afgedekte en onafgedekte collectoren. Deze norm is niet geschikt voor ICS systemen, wel geschikt voor concentrerende en met zon meedraaiende collectoren. In Nederland wordt vanwege het klimaat vaak binnen gemeten met behulp van een zonnesimulator en worden buiten voornamelijk quasi dynamische tests uitgevoerd.

3.1.5.2 Meetcondities Voorwaarden voor uitvoeren metingen Er zijn geen relevante eisen gesteld. Instellingen rendementsmetingen

• collectordebiet: 0,02 kg/s per m2 collectorapertuur, tenzij anders voorgeschreven;

• concentrerende collectoren: zonne-volgsysteem van de fabrikant gebruiken; • hemispherische instraling op het collectoroppervlakte: > 70 W/m2; • verschillende weertypen qua zoninstraling en windsnelheden zijn nodig;

28 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

• als de afhankelijkheid van windsnelheid wordt gemeten, moet deze zo nodig gegenereerd worden om afhankelijk van het type collector aan de voorwaarden te voldoen;

• geschikte data worden uit de totale dataset geplukt en gebruikt voor verdere berekening.

Stabiliteitscriteria rendementsmetingen

• collectordebiet: o gedurende elke periode ± 1 % van de ingestelde waarde; o mag tussen de periodes niet meer dan ± 10 % van elkaar verschillen.

Meetnauwkeurigheden

• pyranometer: moet voldoen aan klasse I uit ISO 9060; • thermische instraling bij binnenmeting: ± 10 W/m2; • temperatuur van de collectorvloeistof: ± 0,1K; • verandering in temperatuur: resolutie van het signaal ± 0,02K; • omgevingstemperatuur: ± 0,5K; • luchtsnelheid: ± 0,5 m/s; • collector apertuuroppervlakte: ±0,3% bij (20 ± 10) ºC onder bedrijfsdruk; • tapdebiet: ± 1,0% van het gemeten debiet; • tijd: ± 0,2%; • collectorinhoud: ± 10 %.

3.1.5.3 Gemeten parameters • collectoroppervlakte [m2]; • omgevingtemperatuur collector [ºC]; • diffuse zoninstraling[W/m2]; • totale zoninstraling [W/m2]; • hoek van inval [ºC]; • infrarood instraling [W/m2]; • windsnelheid [m/s]; • collectordebiet [l/min]; • ingangtemperatuur collector [ºC ]; • retourtemperatuur collector [ºC].

3.1.5.4 Berekende collectorparameters • maximaal rendement η_0 [-]; • warmteverliescoëfficiënt a_1 [W/m2.K]; • temperatuurafhankelijk warmteverliescoëfficiënt a_2 [W/m2.K2], al dan niet

uitgebreid met windafhankelijke en/of hoekafhankelijke verliescoëfficiënten. De collectorparameters worden bepaald met behulp van de kleinste kwadratenmethode en een voorgeschreven aantal meetpunten bij verschillende gemiddelde collectorvloeistoftemperaturen. Bij dynamische beproevingen worden de collectorparameters bepaald met behulp van multiple linear regression (MLR) analyse uit een aantal dagen aan geschikte meetdata. De complete methode is uitgewerkt in de norm; dus voor nadere details wordt hiernaar verwezen.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 29 / 81



De prestatie van een zonneboilersysteem wordt uitgedrukt in GJ/jaar. Gangbare opbrengsten zijn:

• grootste jaaropbrengst: 6,1 GJ/jaar; • kleinste jaaropbrengst: 2,0 GJ/jaar; • gemiddelde jaaropbrengst: 4 GJ/jaar; • per systeem voor een tapvraag van 110 l/dag = 8,4 GJ/jaar.

Opmerkingen:

• De gangbare prestaties van fabrieksmatig geproduceerde zonneboilers zijn afgeleid van de productenlijst met subsidie gerechtigde zonneboilersystemen. Bron: http://www.senternovem.nl/duurzamewarmte/productenlijst/index.asp; november 2009.

• Het betreft waarden van alle beschikbare systemen, groot en klein, slecht en goed ontworpen.

• De jaaropbrengst is natuurlijk afhankelijk van de kwaliteit, maar ook van de collector oppervlakte, de vatinhoud en de tapvraag. Simpel gezegd: des te groter (en dus duurder) het systeem, des te hoger de opbrengst. Wat betreft het collectorformaat, zitten hier (nog) nauwelijks grenzen aan. Het vatvolume wordt wel beperkt door de beschikbare ruimte hiervoor. Meer bepalend zijn (nog) de prijs en het allerbelangrijkste is de tapvraag. Hoe hoger de tapvraag hoe groter de jaaropbrengst. Over het algemeen wordt het formaat zo gekozen dat de zonneboiler voorziet in 50 tot 60 % van de benodigde warmte voor tapwater.

In Nederland gehanteerde keurmerken en/of labels met daaraan gekoppelde energetische prestatie.

• ZONNEKEUR (Nederlands). Dit is een kwaliteitsmerk van Stichting Energie Prestatie Keur (EPK), een onafhankelijke organisatie die het gebruik van energiezuinige, schone en doelmatige verwarmingstoestellen, warmwatertoestellen en andere duurzame-energierelevante installatieproducten, zoals zonne-energie en warmteterugwinapparatuur, stimuleert. Het ZONNEKEUR-label geeft informatie over kwaliteitsaspecten, waarin de opbrengst, de functionaliteit, de veiligheid, en de duurzaamheid worden gevat. Verder kan het ZONNEKEUR worden gebruikt om aan te tonen dat een installatie voldoet aan de criteria voor de Energie Premie Regeling (EPR) voor zonneboilers. De criteria voor het ZONNEKEUR zijn gebaseerd op de norm NEN-EN 12976. Echter zijn aanpassingen aangebracht in verband met de nationale regelgeving en omdat de eisen van het Zonnekeur moeten aansluiten bij de eisen van de overige EPK-labels, met name bij de eisen van het Gaskeur NZ. Een zonneboiler maakt onderdeel uit van een leidingwaterinstallatie en dient daarom ook aan NEN 1006 te voldoen. Verder is opgenomen dat de energetische opbrengst moet worden berekend volgens de NPR 7976.

30 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

• Solar Keymark (Europees). Eist dat het zonneboilersysteem en de collector voldoen aan EN 12976 resp. EN 12975 en eist daarbij een kwaliteitmanagementsysteem van de fabrikant. Elke twee jaar worden product en kwaliteitmanagementsysteem gecontroleerd.


Technologische verbeteringen, die kunnen leiden tot betere energetische prestaties in 2020 zijn:

• (thermochemische) seizoensopslag; • toepassing van zongedreven koeling.

Huidige zonneboilertechniek is min of meer uitontwikkeld en bestaande componenten zullen geen grote verbeteringen laten zien. Ontwikkeling zit in het verlagen van de prijs per GJ en eenvoudigere installatie. Opbrengstvermeerdering hangt samen met het vergroten van de installatie. Opbrengst van een zonneboiler is onder andere afhankelijk van het volume van het vat, de collectoroppervlakte en daarnaast de warmtevraag en het weer; het ontwerp moet hier op afgestemd zijn. Voor een optimaal systeem moeten collectoroppervlakte en vatvolume (en het daarvan afhankelijke warmteverlies) op elkaar afgestemd zijn. Er zijn dus ontwikkelingen aan systemen nodig om een groter deel van de warmtevraag te dekken. Nederlanders accepteren geen grote opslagvolumes, maar stijging van de energieprijs kan er voor zorgen dat seizoensopslag normaal wordt. De thermische opbrengst van de zonnecollectoren kan dan de totale warmtevraag van woning/gebouw gaan dekken. Zonneboilers worden ook steeds meer gebruikt voor het (bij-)leveren van warmte aan ruimteverwarming. Vraag en aanbod lopen hierbij niet in fase (‘s zomers aanbod, ’s winters warmtevraag) en dus is seizoensopslag nodig. Momenteel wordt dit voornamelijk toegepast bij goed geïsoleerde woningen zoals passiefhuizen, waarbij de warmtevraag laag is. Huizen worden echter steeds beter geïsoleerd, waardoor de implementatiegraad van zonneboilers voor ruimteverwarming kan gaan toenemen. Voor 100% lokale opwekking zal het beschikbare dakoppervlak uiteindelijk de beperkende factor worden. Hierbij wordt nog opgemerkt dat er een afweging gemaakt gaat worden tussen opwekking van warmte en elektriciteit met PV-panelen.


Zolang binnen de gestelde marges wordt gemeten, verschilt het resultaat van de DST-meting (de gemeten opbrengst in GJ/jaar) maximaal de gestelde nauwkeurigheid van ± 5%.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 31 / 81


Voor een zonneboiler is het eenwaardig opwekkingsrendement voor warmtapwater als volgt gedefinieerd:

wotransptwZBinelek

twZBprim

twnuttigtww

QQ

Q

QEOR

,,,,

,,

,,

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

η

Een zonneboiler wordt doorgaans zodanig gedimensioneerd dat zo’n 50% van de energievraag door de zon opgewekt wordt, de zogenaamde zonnefractie. Daarnaast heeft een gemiddeld systeem nog wat elektriciteit nodig voor de pomp en aansturing. Voor de energievraag Qnuttig, tw kan de referentiewaarde voor de warm tapwatervraag volgens NPR 7976 ingevuld worden: 110 l/dag verwarmd van 10-60 ºC geeft opgeteld 8,4 GJ/jaar (zie ook paragraaf 3.2.1). Hiervan levert de gemiddelde zonneboiler dus ongeveer de helft, dus 4,2 GJ/jaar. De hulpenergie is 200W en de gebruikstijd is volgens NPR 7976:2009 2.000 uren/jaar, wat resulteert in een verbruik van Qelek,in,ZB,tw = 1,44 GJ/jaar. Het rendement van de elektriciteitsopwekking is gesteld op 42% op onderwaarde. Bij de berekening van de EORw,tw wordt de zonne-energie als gratis verondersteld, zodat Qprim,ZB,tw = 0. Hiermee komt de EORw,tw van een zonneboiler voor een standaard gezin uit op een waarde van 2,45.

( ) 45,200

48

42,044,1

,,,,

,,

,, =

++=

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+

=,

QQ

Q

QEOR

wotransptwZBinelek

twZBprim

twnuttigtww

η

Opmerking: 1. Door de zonne-energie als gratis te beschouwen is het voor EORw,tw van de

zonneboiler niet relevant welk deel van de energievraag door de zonneboiler wordt opgewekt. Alleen de elektrische hulpenergie en het rendement van de elektriciteitsopwekking zijn van belang.

2. Wordt de zonne-energie als niet gratis beschouwd, zodat Qprim,ZB,tw = 4,2 GJ/jaar dan is EORw,tw = 1,1. Wordt in dit geval de bijdrage van de zonneboiler hoger dan daalt de EORw,tw. Is bijvoorbeeld de bijdrage 6,1 GJ/jaar, dan is EORw,tw = 0,9.

Qelek,in,ZB

Zonneboiler

Qtrans,wo

Qprim,ZB Qnuttig,tw

32 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155


Bij huishoudelijke zonneboilers voor warmtapwater zorgen de volgende factoren en/of omstandigheden ervoor dat de opbrengst in de praktijk afwijkt van die in het laboratorium gemeten:

• Gebruik, dat zich uitdrukt in het tappatroon. Afhankelijk van de gezinssituatie en comfortklasse kan dit voor eenzelfde woning een factor 10 verschillen. Het is daarnaast de vraag of de eigenaar van een zonneboiler, ook een gemiddelde warm tapwatervraag heeft.

• Slecht geïnstalleerd. Bij 44% is de leidingisolatie binnenshuis niet optimaal. • Geen/slecht onderhoud. Voor installateurs blijken zonneboilers een moeilijke

materie en zonneboiler worden vaak niet meegenomen in onderhoudsinspecties. Belangrijke aandachtspunten zijn het functioneren van de pomp en het waterniveau. In ongeveer 20% van de gevallen is het waterniveau te laag of te hoog. [Zegers et al]

Opmerking: Uit monitoring in de praktijk blijkt dat de opbrengst van een zonneboiler gemiddeld 10% lager is dan de opbrengst van een gesimuleerde referentiezonneboiler onder dezelfde condities (warmwaterverbruik, zoninstraling) [Zegers et al].

3.5 Referenties

[1] http://www.senternovem.nl/duurzamewarmte/productenlijst/index.asp; november 2009

[2] Zegers, ir. F.T.S.; ir. J.M. Warmerdam; ing. P.W.F. Deege. OVERZICHT

PRAKTIJKMETINGEN HUISHOUDELIJKE ZONNEBOILERS 1989-2005. Ecofys in opdracht van SenterNovem, februari 2006.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 33 / 81

4 Warmtepompen, elektrisch aangedreven

4.1 Actuele testnorm(en)

4.1.1 Algemeen

Sinds 2004 wordt de NEN-EN 14511 toegepast, die de EN 255 vervangt. Deze laatste genoemde norm is echter na 2004 nog wel enkele jaren toegepast. In paragraaf 4.2.1 zijn derhalve ook gemeten COP’s opgenomen van beide normen.


Naam Datum uitgave

Opmerking

NEN-EN 14511: Luchtbehandelingsapparatuur, koeleenheden met vloeistof en warmtepompen met elektrisch aangedreven compressoren voor ruimteverwarming en voor koeling.

2004; nieuwe versie februari 2008

Vervangt de oude norm EN 255, die in de praktijk nog enkele jaren is toegepast.

4.1.3 Scope

Algemeen De norm beschrijft een meetmethode voor een elektrisch aangedreven warmtepomp voor de functie ruimteverwarming en koeling. In dit project wordt alleen naar de functie ruimteverwarming gekeken. Voor het bepalen van het tapwaterrendement van een combiwarmtepomp wordt verwezen naar hoofdstuk 7. Brontype Er worden drie typen bron onderscheiden:

• bodem, met brijn (water/glycol-mengsel) als tussenmedium; • grondwater; • buitenlucht.

Afgifte De warmtepomp kan zijn warmte via de condensor overdragen aan twee media:

• water; • lucht.

Opmerking: Er zijn ook nog warmtepompen, die werken met directe expansie in de bodem (verdamper in de bodem) of gas aangedreven warmtepompen (gasmotoraangedreven warmtepompen of absorptiewarmtepompen). Voor de directe expansiewarmtepomp is een eerste norm in ontwikkeling CEN/TC 113 WI:2007. De gasaangedreven warmtepompen kunnen worden beproefd volgens de NEN-EN 12309-2. De directe expansiewarmtepomp is pas sinds kort in Nederland geïntroduceerd.

34 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Aangezien een definitieve norm nog niet bestaat en de speciaal benodigde bronunit voor de warmtepompproefstand nog niet is ontwikkeld, wordt dit type warmtepomp bij TNO nog niet beproefd. De EHPA (European Heat Pump Association) heeft in samenwerking met het DACH-verband (samenwerkingsverband tussen Duitsland (D), Oostenrijk (A) en Zwitserland (CH) op het gebied van warmtepomptesten) een voorlopige beproevingsrichtlijn voor directe expansiewarmtepompen opgesteld. Aan de afgiftezijde (condensorzijde) worden de beproevingscondities gebaseerd op de standaard EN 14511 temperatuurcondities. Aan de bronzijde (verdamperzijde) wordt gemeten bij drie verschillende brontemperaturen, 10°C, 4 °C en -1°C. Op welke wijze voor de beproevingen de bodem als bron wordt gesimuleerd is in de richtlijn niet beschreven. Het zal echter vrijwel zeker om een met water/glycol-mengsel doorspoeld bad gaan waarin de verdamperbuizen opgerold in ondergedompeld liggen.

4.1.4 Meetcondities

Voorwaarden voor uitvoeren metingen In principe is iedere elektrische warmtepomp geschikt om te worden beproefd, zolang de warmtepompproefstand de benodigde broncapaciteit en de afgegeven warmtecapaciteit kan verwerken. De beperking kan enerzijds liggen in de haalbare volumestromen aan de bron- en afgiftezijde en indien dit geen probleem is anderzijds in puur de haalbare warmteverwerking. In de praktijk ligt het maximaal haalbare te beproeven verwarmingsvermogen rond de 30 kW. Instellingen rendementsmetingen

• Temperatuurinstellingen

Tabel 4.1 Temperatuurinstellingen voor de “standard rating conditions” met water als afgiftemedium.

Type WP Verdamper, in [°C]

ΔTverdamper [K] Condensor, uit [°C] ΔTcondensor [K]

buitenlucht: 7 lucht - water

afvoerlucht: 20

niet aangegeven

35 of 45 5

water: 10 water - water

brijn: 0

3 35 of 45 5

Tabel 4.2 Temperatuurinstellingen voor de “standard rating conditions” met lucht als afgiftemedium.

Type WP Verdamper, in [°C] ΔTverdamper [K] Condensor, in [°C]

water: 15 water - lucht

brijn: 0

3

20

buitenlucht: 7 recirc. lucht: 20

afvoerlucht: 20 recirc. lucht: 20

lucht - lucht

afvoerlucht: 20

niet aangegeven

buitenlucht: 7

• Volumestromen: bij B0/W35 en B0/W45 zo inregelen, dat de temperatuurverschillen zo goed mogelijk 5K over de condensor en 3K over de verdamper bedragen. De overige metingen worden uitgevoerd bij dezelfde volumestromen als ingeregeld bij de desbetreffende afgiftetemperatuur.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 35 / 81

• Omgevingstemperatuur: 20°C. Stabiliteitscriteria rendementsmetingen Algemeen:

• Meetinterval: 30 sec. • Meetperiode: stabiele periode van 30 min.

Afwijking temperatuur:

• Verdamper intrede: o water/brijn: ±0,2K; o lucht: ±0,3K

• Condensor intrede: ±0,3K. • Gemiddelde waarde over deze periode en de gewenste waarde: ±0,5K.

Volumestroom:

• Vloeistof (water en brijn): ±2%. • Lucht: ±5%.

Iedere testconditie wordt meerdere keren doorlopen om zeker te zijn dat de gevonden testresultaten reproduceerbaar zijn. Een bijzondere meetsituatie betreft het testen van lucht/water warmtepompen bij lagere brontemperaturen. Bij enkele graden boven het vriespunt en temperaturen daaronder moet de verdamper periodiek ontdooien. De beproevingsperiode voor een dergelijke situatie verandert dan van 30 minuten naar precies één verwarmingsperiode plus één ontdooiperiode van de warmtepomp.

4.1.5 Gemeten parameters en nauwkeurigheid

Ingaande energiestroom: • Thermisch opgenomen energie door verdamper (bronwarmte) [Wthermisch]. • Elektriciteitsgebruik [Welektrisch].

Uitgaande energiestroom: • Thermisch afgegeven energie door condensor [Wthermisch].

De grootheden, die tijdens de metingen worden bepaald zijn in Tabel 4.3 en Tabel 4.4,

Tabel 4.3 Grootheden bij toestellen met water of brijn als bronmedium.

Grootheid Eenheid Nauwkeurigheid

Condensor intrede temperatuur °C ± 0,1 K

Condensor uittrede temperatuur °C ± 0,1 K

Verdamper intrede temperatuur °C ± 0,1 K

Verdamper uittrede temperatuur °C ± 0,1 K

Omgevingstemperatuur °C ± 0,5 K

Condensordebiet m3/h ± 1%

Verdamperdebiet m3/h ± 1%

Elektrisch vermogen kW ± 1%

Extern drukverschil condensor Pa ± 5%

Extern drukverschil verdamper Pa ± 5%

36 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 4.4 Grootheden bij toestellen met buitenlucht als bronmedium.

Grootheid Eenheid Nauwkeurigheid

Condensor intrede temperatuur °C ± 0,1 K

Condensor uittrede temperatuur °C ± 0,1 K

Verdamper intrede temperatuur °C ± 0,2 K

Verdamper uittrede temperatuur °C ± 0,2 K

Omgevingstemperatuur °C ± 0,2 K

Verdamperdebiet m3/h ± 5%

Condensordebiet-lucht m3/h ± 5%

Condensordebiet-water m3/h ± 1%

Nattebol-temperatuur aanzuiglucht verdamper °C ± 0,3 K

Elektrisch opgenomen vermogen kW ± 1%

Extern drukverschil condensor Pa ± 5%

4.1.6 Berekende COP

Voor de berekening van de COP bij de functie ruimteverwarming geldt:

elektrisch

condensorthermisch

PP

COP ,=

waarin: Pthermisch condensor = thermisch afgegeven vermogen [W]; Pelektrisch = totaal opgenomen elektrisch vermogen [W] van de warmtepomp;

dus van de compressor, de pomp(en) t.b.v. de inwendige weerstand van het warmtepomptoestel, de regeling en de beveiliging;

Doorgaans wordt Pelektrisch als één energiepost gemeten en dat heeft gevolgen voor het in rekening brengen van de pompenergie. In de COP dient alleen het aandeel pompenergie in rekening gebracht te worden, dat benodigd is voor het overwinnen van de interne weerstand van het warmtepomptoestel. Hierbij zijn twee situaties te onderscheiden:

1. Warmtepomp met geïntegreerde circulatiepomp. In dit geval pompt de geïntegreerde pomp niet alleen het medium door de warmtepomp, maar ook door het afgiftesysteem. Dat laatste dient buiten de COP-berekening te worden gelaten door het bij het gemeten elektrische vermogen van de warmtepomp Pelektrisch,gemeten in mindering te brengen. Deze energiepost Ppomp,extra is te berekenen door het meten van het drukverschil Δp over het afgiftesysteem en het debiet q:

3,0,qpP extrapomp

×Δ=

Hiermee wordt: Pelektrisch = Pelektrisch,gemeten – Ppomp,extra

2. Warmtepomp zonder geïntegreerde circulatiepomp. Dit is het omgekeerde van situatie 1, want in dit geval pompt een externe pomp het medium door zowel de warmtepomp als het afgiftesysteem. De eerste energiepost dient bij de COP-berekening te worden verdisconteerd door het op te tellen het gemeten elektrische vermogen van de warmtepomp Pelektrisch,gemeten. Deze energiepost Ppomp,intern is te berekenen door het meten van het drukverschil Δp over de warmtepomp en het debiet q:

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 37 / 81

3,0int,qpP ernpomp

×Δ=

Hiermee wordt: Pelektrisch = Pelektrisch,gemeten + Ppomp,intern


4.2.1 Gangbare prestaties vanaf 2006

In onderstaande tabellen zijn geanonimiseerde meetresultaten opgenomen van metingen in 2006 en daarna; dus van de laatste vier jaren. Aangezien de ontwikkelingen bij warmtepompen niet zo snel is gegaan, heeft het geen zin nog specifiek onderscheid te maken in de meetjaren. Tabel 4.5 betreft COP’s van lucht/water-warmtepompen, gemeten volgens NEN-EN 14511. Voor twee toestellen is ook de COP bepaald volgens de oude norm EN 255. Deze waarde staat er tussen haakjes achter. Tabel 4.6 en 4.7 betreffen resp. water/water-warmtepompen en brijn/water-warmtepompen, waarbij de COP is gegeven, gemeten volgens zowel NEN-EN 14511 als EN 255. Dit geeft enerzijds een beeld van de gangbare energetische prestaties en anderzijds een vergelijking tussen de oude en nieuwe norm.

Tabel 4.5 Geanonimiseerde meetresultaten lucht/water-warmtepomp (tussen haakjes de COP volgens EN 255)

Meetcondities Type A7/W45 A2/W35 A2/W45 A-7/W45 A7/W35 monovalent 3 2,77 (3,05) 2,33 1,95 3,7 bivalent 2,98 1,98 3,73 ?-valent 3,4 3,4 (3,6) 2,8 4,1 bivalent 3,43 2,91 4,56 monovalent 3,41 2,5 2,19 4,39

Tabel 4.6 Geanonimiseerde meetresultaten water/water-warmtepomp

NEN-EN 14511 EN 255 10W/35W 10W/45W 15W/45W 10W/35W 10W/50W 15W/50W 4,68 3,81 4,26 5,12 3,59 4,02 4,72 3,83 4,28 5,2 3,62 4,07 5,41 4,28 4,85 5,98 4,11 4,65 5,1 4,08 4,56 5,62 3,99 4,48 5,0 3,98 4,46 5,51 3,84 4,32 4,8 3,79 4,35 5,22 3,58 4,1 5,06 4,19 4,65 5,49 4,03 4,43 5,16 4,31 4,66 5,5 4,08 4,53 4,75 3,86 4,28 5,2 3,7 4,15 4,55 3,77 4,18 4,93 3,63 4,05 5,42 4,31 4,85 5,55 3,99 4,56

38 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 4.7 Geanonimiseerde meetresultaten brijn/water-warmtepomp

NEN-EN 14511 EN 255 0B/35W 0B/45W B-5/45W 0B/35W 0B/50W B-5/50W

4,0 3,21 4,37 3,04 2,72 3,95 3,2 4,3 3,01 2,7 4,09 3,13 2,78 4,47 3,04 2,67 4,15 3,24 2,82 4,48 3,17 2,71 3,97 3,12 2,72 4,36 3,03 2,61 4,18 3,5 3,06 4,5 3,38 2,93 4,33 3,48 3,02 4,61 3,21 2,76 4,10 3,28 2,89 4,41 3,17 2,79 3,99 3,2 2,9 4,33 3,15 2,82 3,92 3,18 2,85 4,13 3,03 2,7 3,87 3,2 2,87 4,16 3,05 2,73

Opmerkingen: 1. Uit de tabellen blijkt dat de COP bij 0/35 en 10/35 gemeten volgens EN 255 hoger is

dan gemeten volgens NEN-EN 14511. De verklaring is als volgt: Bij EN 255 wordt de conditie B0/W35 gemeten met bronzijdig 3K (0°C voor en -3°C na de verdamper) en afgiftezijdig 10K (25°C voor en 35°C na de condensor. Bij EN 14511 wordt de conditie B0/W35 gemeten met bronzijdig 3K (0°C voor en -3°C na de verdamper) en afgiftezijdig 5K (30°C voor en 35°C na de condensor. Dit heeft twee effecten op de COP (en geleverd verwarmingsvermogen): • De gemiddelde condensatietemperatuur is bij de EN 255-meting 30°C en bij de

EN 14511-meting 32,5°C. Door de hogere temperatuurlift bij de EN 14511-meting is de COP lager.

• De volumestroom is bij de EN 14511-meting grofweg tweemaal zo hoog als bij de EN 255-meting, waardoor het drukverschil ca. vier keer zo hoog is. Bij het verrekenen van het pompvermogen in het totale elektriciteitsverbruik van de warmtepomp zorgt zowel de hogere volumestroom als het hogere drukverschil voor een veel hoger pompverbruik. Ook hierdoor is de COP-waarde bij de EN 14511-meting lager dan bij de EN 255-meting.

Eenzelfde verklaring kan worden opgezet voor het COP-verschil bij de hoge temperatuurbeproeving. Hierbij is de situatie min of meer andersom, doordat de EN 255 van 40/50°C uitgaat en de EN 14511 van 40/45°C. Dit betekent dat de gemiddelde condensatietemperatuur bij EN 14511-beproeving 2,5K lager is (een COP voordeel. ) Vanwege de hogere afgiftevolumestroom is echter het pompverbruik hoger.

1. Er komen sinds enkele jaren ook warmtepompen op de Nederlandse markt, die over het algemeen slechter presteren (bijv. uit China).

De Stichting Energie Prestatie Keur (EPK) beheert sinds 2008 het Warmtepompkeur, dat voorheen Kwaliteitskeur Warmtepompen heette. Dit keurmerk geeft de garantie dat de gebruikseigenschappen, de documentatie en de energieprestaties van het product, waarvoor het betreffende keurmerk is afgegeven, voldoen aan de eisen die vooraf zijn opgesteld en onafhankelijk beoordeeld door het College van Deskundigen. In tabel 4.8 staan de beproevingscondities en minimale COP-eisen waaraan de warmtepomp moet voldoen.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 39 / 81

Tabel 4.8 Beproevingscondities en minimale COP eisen.

Warmtepomp type Beproevingsconditie volgens NEN-EN 14511

Minimale COP

Bodem/water

T1 (B0/W45) T2 (B0/W35)

3,00 3,50

Grondwater/Water

T1 (W10/W45) T2 (W10/W35)

3,75 4,40

Buitenlucht/water

T1 A7(6)/W45 T2 A2(1)/W351) T3 A-7(-8)/ W451)2)

2,75 2,85 1,90

1) Beproeving bij de condensorflows, die bij A7/W45 zijn gehanteerd. 2) Lucht-water warmtepompen die gecombineerd worden met een gasketel kunnen in hybride-bedrijf bij

lagere buitentemperaturen (rond 0°C) worden uitgeschakeld en komen bij lagere buitentemperaturen niet meer in bedrijf. Voor deze situatie vervalt de beproevingsconditie A-7(-8)/ W45.


Een verbetering van de COP van een warmtepomp kan op twee manieren tot stand komen:

1. Technologische ontwikkeling aan het toestel: • directe expansie in de bodem; • verbetering van de warmtewisselaars; • betere deellastprestaties; • optimaal gebruik maken van de hoge temperatuurwarmte in het persgas.

2. Gunstiger toepassing: • zeer laag temperatuur verwarmingssysteem, bijvoorbeeld

betonkernactivering. Opgemerkt wordt dat een verbetering van de COP veelal een verhoging van de kosten betekent, wat nadelig is voor de implementatie. De verwachting voor 2020 is dat de hogere COP’s anno 2009 gangbaar zullen zijn in 2020 en dat de hogere COP’s 0,5 punt zullen stijgen.


Meetinstellingen Het data-acquisitiesysteem, dat de meetopstelling aanstuurt en de meetdata verzamelt, controleert tijdens de metingen automatisch of aan de stabiliteitseisen wordt voldaan. Zodra alle van belang zijnde meetgegevens binnen de toegestane toleranties zijn, worden de meetgegevens opgeslagen. Indien binnen de vereiste meetperiode van 30 minuten één meetwaarde buiten de tolerantie valt wordt de meting opnieuw gestart. Pas indien de volle 30 minuten stabiel is gemeten worden de meetwaarden opgeslagen en schakelt het meetsysteem automatisch over naar de volgende opgegeven meetconditie. Na iedere meetconditie wordt eerst de gehele temperatuurinstelling van zowel de bron- als afgifteproefstand verstoord en moeten de regelingen de volgende conditie weer geheel opnieuw inregelen. De toleranties in temperatuur zijn met 0,2K resp. 0,3K zo klein, dat het niet loont om met de temperatuurinstellingen van de warmtepompproefstand, deze worden aangestuurd vanuit het data-acquisitiesysteem, te experimenteren om tot een beter testresultaat te komen. Alleen al het binnen toleranties komen van de bron- en afgiftetemperatuur duurt per testconditie gewoonlijk tussen de één en twee uur.

40 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

De circulatiepompen geven wel enige speelruimte. In de COP wordt gerekend met Pelektrisch, dat is opgebouwd uit het aandrijfvermogen van de compressor en circulatiepompen plus het vermogen dat wordt opgenomen door de regeling en de beveiligingen. Bij de definitie van de COP volgens de EN 14511 moet alleen het vermogen, dat nodig is om het medium door de verdamper/condensor te pompen, in de berekening worden betrokken. Dat kan op twee manieren, zie ook paragraaf 4.1.6:

1. Bij warmtepompen met geïntegreerde circulatiepompen dient het elektrisch opgenomen vermogen, benodigd om het medium door het afgiftesysteem te pompen, in mindering worden gebracht op het gemeten totale elektrische vermogen van het warmtepomptoestel.

2. Bij warmtepompen zonder geïntegreerde circulatiepompen dient het elektrisch opgenomen vermogen, benodigd om het medium door het warmtepomptoestel te pompen, opgeteld te worden op het gemeten totale elektrische vermogen van het warmtepomptoestel.

In beide gevallen wordt de volgende formule gehanteerd:

3,0qpPpomp

×Δ=

waarin: Ppomp = te verdisconteren opgenomen elektrisch vermogen door de pomp [W]; Δp = drukverschil [Pa]; q = volumestroom [m3/s]; 0,3 = maat voor elektrisch pomprendement. De factor 0,3 voor het elektrisch pomprendement is aan de hoge kant, zodat in het recente verleden door wel of niet met de gewone (=niet zuinige) geïntegreerde circulatiepompen te meten ca. 0,1 COP-punt kon worden gewonnen. Bij de sinds kort aangeboden energiezuinige pompen maakt het, naar verwachting, weinig uit of er met de eigen circulatiepompen van de warmtepomp of met de proefstandpompen wordt beproefd. Hier doet zich echter een ander probleem voor, een van praktisch aard. Het is onlangs meermalen gebleken dat de moderne energiezuinige circulatiepompen defect raken indien ze in serie draaien met de pomp van de proefstand. Dit in serie draaien is echter veelal onvermijdelijk, omdat anders de uit de norm voortgekomen vereiste debieten niet kunnen worden gerealiseerd. Om deze reden wordt voor de beproevingen ook een energiezuinige pomp uit de warmtepomp uitgebouwd.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 41 / 81


Voor een warmtepomp is het eenwaardig opwekkingsrendement voor verwarming als volgt gedefinieerd:

wotranscvWPinelek

cvWPprim

cvnuttigcvW

QQ

Q

QEOR

,,,,

,,

,,

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

η

Als verondersteld wordt dat de energie uit de bron gratis is, dan is Qprim,wp,cv=0 en is voor een elektrische warmtepomp de EORw,cv de COP-waarde vermenigvuldigd met het rendement van de elektriciteitsopwekking. Voor een COP van 3, 4 en 5 is EORw,cv resp. 1,26, 1,68 en 2,1.


De prestatie van een warmtepomp kan in de praktijk om de volgende redenen lager uitvallen dan gemeten onder laboratoriumomstandigheden:

• Installatiefouten: o te kleine bron; o slecht/niet inregelen van het brondebiet, waardoor deze te laag is; o verkeerde instelling van de regeling; o lagere brontemperatuur; o hogere afgiftetemperatuur, bijvoorbeeld door een te klein

afgiftesysteem; • Bewonersgedrag:

o verstelling van de instelling. • Slecht/geen onderhoud.

De impact van de verschillende praktijkomstandigheden is niet aan te geven. Daarnaast kan een warmtepomp naar ontevredenheid functioneren door slechte bouwkundige omstandigheden, zoals slechte schilisolatie en slechte luchtdichtheid van de gebouwschil. Als het warmteverlies te groot is, levert de warmtepomp onvoldoende vermogen om de woning op temperatuur te houden. De energieprestatie van het toestel op zich hoeft hierdoor niet lager te zijn.

Qelek,in,WP,cv

Warmtepomp

Qtrans,wo

Qprim,WP,cv Qnuttig,cv

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 43 / 81

5 Micro-wkk


5.1.1 Algemeen

Momenteel zijn geen Nederlandse of Europese testnormen voor micro-wkk beschikbaar. Er is wel een norm voor o.a. het beproeven van micro-wkk op basis van een brandstofcel (NEN-EN 50465) en ook wordt aan een Europese norm gewerkt (prEN 50465/A1). De meest actuele testmethode is beschreven in een GASKEUR-richtlijn. Het vervolg van dit hoofdstuk is dan ook gericht op de EPK GASKEUR CV-HRe®. Daarnaast zijn twee normen van belang, die metingen aan cv-ketels beschrijven: NEN-EN 483/A2 en NEN-EN 297/A2. Hiervoor wordt ook verwezen naar hoofdstuk 2.


Tabel 5.1 Overzicht relevante normen

Naam Datum uitgave

Opmerking

GASKEUR-criteria: Criteria voor EPK GASKEUR / HRe®-label voor gasgestookte centrale verwarmingstoestellen met gecombineerde opwekking van warmte voor ruimteverwarming en elektriciteit. CV- HRe®: 2007, toestellen met een nominale belasting tot 70 kW (Hi) en een elektrisch geleverd vermogen tot en met 2 kW.

2007 Geeft de meest actuele testmethode

NEN-EN 50465: Gastoestellen - Brandstofcel gasverwarmingsapparatuur - Brandstofcel gasverwarmingsapparatuur van nominale warmte input minder of gelijk aan 70 kW.

2008 Betreft het beproeven van micro-wkk op basis van een brandstofcel

prEN 50465/A1: European product standard for combined heating power systems using gas fuel.

onbekend Wordt aan gewerkt

NEN-EN 483/A2: Centrale verwarmingsketels - Type C branders met een nominale belasting tot en met 70 kW.

2001 Betreft meting aan CV-ketels

NEN-EN 297/A2: Centrale verwarmingsketels met atmosferische branders - Type B11- en B11BS ketels met atmosferische branders met een nominale belasting tot en met 70 kW.

2006 Betreft meting aan CV-ketels

44 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

5.1.3 Scope EPK GASKEUR CV-HRe®

Er zijn criteria geschreven in het kader van het GASKEUR-reglement, ter verkrijging van het GASKEUR HRe®-label voor centrale verwarmingstoestellen met een hoog rendement en ingebouwde of gekoppelde voorziening voor opwekking van elektriciteit. Deze criteria zijn van toepassing op gasgestookte centrale verwarmingstoestellen:

• welke zijn voorzien van een voorziening, waarmee naast warmte tevens elektriciteit wordt opgewekt;

• welke CE gecertificeerd zijn; • met een belasting van ten hoogste 70 kW (Hi); • met een geleverd elektrisch vermogen van ten hoogste 2 kW; • met een hoog rendement; • voor systemen met water als warmtetransporterend medium; • al dan niet voorzien van een warmtapwaterbereider.

De rendementbeproevingen in deze criteria zijn mede gebaseerd op die vermeld zijn in de Europese Norm voor condenserende verwarmingstoestellen, NEN-EN 677 toestellen, echter met meer vrijheidsgraden ten aanzien van de regeling van het toestel. Daarnaast zijn deze criteria gebaseerd op de EU Directive 2004/8/EC (Directive Cogeneration), die uitgangspunten aangeeft voor de beproeving van toestellen met een gemeenschappelijke opwekking van warmte en elektriciteit. Uitgangspunt in deze Directive is dat de energiebesparing, die verkregen wordt door lokale opwekking van elektriciteit, in relatie moet worden gebracht met de vermeden verliezen die aan een centrale elektriciteitsopwekking plaatsvinden. De besparing wordt hierbij uitgedrukt in een Primary Energy Saving (PES) factor, waarin de besparing door lokale opwekking van elektriciteit wordt bepaald ten opzichte van de meest moderne gebruikelijke technieken voor de gescheiden opwekking van warmte en elektriciteit. De in rekening te brengen referentierendementen voor een elektriciteitcentrale en van het "moderne" verwarmingstoestel zijn Europees geharmoniseerd. Het rendement voor verwarming met een "modern" HR-toestel is hierbij op 90% (ow) gezet. In Nederland wordt echter gebruik gemaakt van HR-toestellen met een aanzienlijk hoger rendement voor verwarming. Een rendement van 107% (ow) is gebruikelijk. Gebruik van de PES waarde (met een vergelijkingsbasis van 90% verwarmingsrendement) zou daardoor een te optimistisch beeld geven ten opzichte van de in Nederland gebruikelijke techniek van de HR-107 ketel. Besloten is daarom om een nieuw rendement te definiëren, waarbij de goede HR (107) prestaties tot uitdrukking komen en waarin in de geest van de Directive Cogeneration de vermeden warmteverliezen aan de elektriciteitcentrale zijn verdisconteerd in het rendement voor verwarming. Het nieuwe rendement wordt aangegeven met HRe, daarmee aanduidend dat er sprake is van een hoog rendement voor zowel de verwarming als voor de opwekking van elektriciteit.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 45 / 81

5.1.4 Meetcondities EPK GASKEUR / HRe®

Voorwaarden voor uitvoeren rendementsmetingen De richtlijn stelt de volgende algemene eisen:

• Het toestel dient te voldoen aan de GASKEUR-criteria van het GASKEUR-basislabel voor gasgestookte centrale verwarmingstoestellen CV:2002, Toestellen met een nominale belasting tot 900 kW (Hi). Afwijkingen van de criteria van het basislabel zijn expliciet in deze criteria aangegeven.

• Het toestel dient geheel conform het Bouwbesluit installeerbaar te zijn zonder enige beperkende voorwaarden.

• Inschakeling van de wkk-functie dient uitsluitend te gebeuren op basis van een warmtebehoefte voor verwarming en/of warmtapwater. De eis is niet van toepassing bij een gebruik als noodstroomvoorziening.

Daarnaast worden constructieve eisen gesteld ten aanzien van:

• materiaalkeuze; • condensafvoer.

Instellingen rendementsmetingen Volgens de GASKEUR-richtlijn worden 4 metingen uitgevoerd, weergegeven in Tabel 5-2.

Tabel 5.2 ` Meetcondities

Paragraaf richtlijn

Type test Belasting wkk

Belasting bijstook

Watertemperatuur

8.2.1 Vollast bivalent, niet condenserend

nominaal nominaal 60/80

8.2.2 Vollast bivalent, condenserend

nominaal nominaal 30/50

8.3.2.1. Vollast wkk nominaal --- 30/-- a 8.3.2.2. Deellast wkk 20% b --- 30/-- a

a De aanvoertemperatuur wordt bepaald door het afgegeven vermogen en de volumestroom. b De belasting wordt bepaald volgens onderstaande formule. Ook voor de eventuele schakelfrequentie van het toestel zijn regels gegeven.

CH,CHP,

CCHP,Hnom,D P

QP0,2Q

××=

waarin:

DQ Gemiddelde belasting (Hi) tijdens de deellast meting (kW)

Hnom,P Waterzijdig vermogen tijdens de bivalente meting volgens 8.2.1. (kW)

CCHP,Q Belasting (Hi) voor de gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit tijdens het continu in vollastbedrijf zijn van de wkk volgens 8.3.2.1 (kW)

CH,CHP,P Waterzijdig vermogen tijdens het continu in vollastbedrijf zijn van de wkk (kW) volgens 8.3.2.1 (kW)

46 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

De instelling van de volumestroom over het toestel dient gebaseerd te zijn op een temperatuurverschil van 20K over de wkk plus bijstookinrichting bij inzet van de nominale belasting. De volumestroom, die ingezet moet worden tijdens de vollastmeting en de deellastmeting van de wkk, is afhankelijk van het al dan niet gebruik van een modulerende pomp. De regelstrategie van de fabrikant wordt hierin gevolgd. De beproevingen worden uitgevoerd met een hiertoe geschikte meetopstelling, waarmee rendementen met de vereiste nauwkeurigheid gemeten kunnen worden, overeenkomstig de methode van NEN-EN 297/A2, respectievelijk NEN-EN 483/A2, afhankelijk van het toesteltype (open of gesloten). De metingen worden uitgevoerd met het referentiegas onder de nominale voordruk voor de desbetreffende toestelcategorie als vastgelegd in NEN-EN 437 en onder de condities als aangegeven in artikel 7.1. Stabiliteitscriteria rendementsmetingen Algemeen conform de eisen in NEN-EN 297/A2, respectievelijk NEN-EN 483/A2. Deze beide normen beschrijven de metingen aan cv-ketels. Aanvullend hierop:

• spanning tijdens metingen: 230 V ± 2Volt; • frequentie tijdens metingen: 50Hz ± 0,1Hz.

Meetnauwkeurigheden Algemeen conform de eisen in NEN-EN 297/A2, respectievelijk NEN-EN 483/A2. Deze beide normen beschrijven de metingen aan cv-ketels. Zie hoofdstuk 2. Aanvullend hierop:

• meetnauwkeurigheid van spanning : ± 1%; • meetnauwkeurigheid van stroom: ± 1%; • meetnauwkeurigheid van elektrisch vermogen: ± 2%.

5.1.5 Gemeten parameters EPK GASKEUR / HRe®

Ingaande energiestromen: • Belasting: hoeveelheid energie, die per tijdseenheid in de vorm van gas wordt

toegevoerd aan het gasverbruiktoestel, gebaseerd op de calorische onderwaarde.

• Hulpenergie: niet expliciet voorgeschreven in deze richtlijn. Uitgaande energiestromen:

• Vermogen: hoeveelheid energie, die per tijdseenheid door het toestel wordt overgedragen aan het warmtetransportmedium (cv-water) en het elektriciteitsnet.

• Waterzijdig vermogen: vermogen, dat waterzijdig wordt overgedragen. • Opgewekt elektrisch vermogen: elektrisch vermogen, dat wordt opgewekt

zonder aftrek van hulpenergie. • Geleverd elektrisch vermogen: elektrisch vermogen dat door het toestel aan het

net wordt geleverd. Het geleverd elektrisch vermogen bestaat uit het opgewekt elektrisch vermogen onder aftrek van het vermogen voor elektrische hulpenergie.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 47 / 81

5.1.6 Berekende waarden EPK GASKEUR / HRe®

De belangrijkste resultaten zijn: • Bivalent rendement onder nominale, niet condenserende omstandigheden

[% onderwaarde]. Dit is de verhouding tussen de som van het opgewekt elektrisch vermogen plus het waterzijdig vermogen en de belasting.

• HRe® rendement [% onderwaarde]. Dit is het rendement voor verwarming, gecorrigeerd op de vermeden verliezen aan een gedefinieerde elektriciteitcentrale.

Daarnaast wordt ook nog berekend:

• PES (Primary Energy Saving). Dit is de jaarlijkse besparing door de wkk-inzet, uitgedrukt in primaire energie in % ten opzichte van een gedefinieerde elektriciteitcentrale en een gedefinieerd verwarmingstoestel.

• Elektriciteit-warmteverhouding bij vollast wkk-bedrijf. Uit de metingen worden tevens het thermisch en elektrisch omzettingsgetal (εe en εth) bij vollast en deellast van micro-wkk bepaald. De bepaling van het HRe® rendement verloopt als volgt:

x100%2

ηP

Q

P

ηP

Q

P

η REFE,

DE,CHP,DCHP,

DH,CHP,

REFE,

CE,CHP,CCHP,

CH,CHP,

HRe

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−+

−=

waarin: ηHRE HRe® rendement (%). PCHP,H,C Waterzijdig vermogen tijdens het continu in vollastbedrijf zijn van de wkk,

volgens 8.3.2.1 [kW]. PCHP,H,D Waterzijdig vermogen tijdens het deellastbedrijf van de wkk volgens

8.3.2.2 [kW] PCHP,E,C Elektrisch opgewekt vermogen wkk tijdens het continu in vollastbedrijf

zijn van de wkk, volgens 8.3.2.1 [kW]. PCHP,E,D Elektrisch opgewekt vermogen wkk tijdens het deellastbedrijf van de wkk,

volgens 8.3.2.2 [kW]. QCHP,C Belasting (Hi) voor de gecombineerde opwekking van warmte en

elektriciteit tijdens het continu in vollastbedrijf zijn van de wkk, volgens 8.3.2.1 [kW].

QCHP,D Gemiddelde belasting (Hi) voor de gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit tijdens deellastbedrijf van de wkk, volgens 8.3.2.2 [kW].

ηE,REF Referentierendement voor elektriciteitopwekking. Het referentierendement voor elektriciteitopwekking is gebaseerd op Directive 2004/8/EC, aanvulling 2007/74/EC en bedraagt 0,456 (Hi ofwel ow). Deze waarde geldt niet voor de berekening van hulpenergie. Hiervoor geldt de waarde, zoals in het basislabel is opgenomen.

48 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Het door GASKEUR gebruikte referentierendement is hoger dan het rendement voor verbruikte elektriciteit dat in de EPN wordt gebruikt (39% bw, 43,3%) maar lager dan het margerendement voor aan het net teruggeleverde elektriciteit (50% bw, 55,5% ow).



De micro-wkk is in 2009 nog geen gangbaar toestel en daardoor is er ook nog geen sprake van gangbare prestaties. De energetische prestatie is o.a. afhankelijk van de volgende factoren:

• thermisch en elektrisch omzettingsgetal, εe en εth (gemiddeld); • referentierendement elektrisch ηE,REF.

Als voor het elektrisch referentierendement de waarden volgens GASKEUR worden gebruikt, dan volgt:

Omzettingsgetal (ow/bw) HRe rendement ow bw εth εe Minimum 125 112,5 98/88 10/9 Maximum 134 120 90/81 15/13

Het minimum komt overeen met de minimumeisen volgens het HRe®-label. Het maximum komt overeen met categorie C uit de potentieelstudie micro-wkk [1] Een gemeenschappelijk kenmerk van micro-wkk is de begrenzing van het elektrisch vermogen tot 1 à 2 kWe. Deze begrenzing is opgelegd door de capaciteit van het elektriciteitsnet en van de individuele woonhuisaansluiting. Als gevolg hiervan is het thermisch vermogen van de micro-wkk beperkt (zie Tabel 5-3).

Tabel 5.3 Thermisch vermogen micro-wkk als functie van elektrisch aandeel en elektrisch vermogen

Elektrisch vermogen [kW] 1 Totaal nuttig [% ow] 105 Elektrisch aandeel

[% ow] Thermisch vermogen

[kW] 10 9,50 15 6,00 20 4,25 25 3,20 30 2,50 35 2,00 40 1,63

Hieruit blijkt dat het vermogen van de micro-wkk aanzienlijk lager is dan gangbare ketelvermogens. Daarom kan micro-wkk niet (zonder bijstook) als doorstroomtoestel voor warmtapwater worden ingezet. Ook in de meeste verwarmingsinstallaties is een hoger

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 49 / 81

ontwerpvermogen vereist. Daarom worden de nu ontwikkelde toestellen uitgevoerd als bivalent systeem: een micro-wkk plus gewone HR-ketel in één omkasting. In Nederland gehanteerde label is de HRe®-label volgens GASKEUR. GASKEUR is een kwaliteitsmerk van de Stichting Energie Prestatie Keur (EPK), een onafhankelijke organisatie die het gebruik van energiezuinige, schone en doelmatige verwarmingstoestellen, warmwatertoestellen en andere duurzame-energierelevante installatieproducten, zoals zonne-energie en warmteterugwinapparatuur, stimuleert. De kwaliteitskeurmerken zijn toegankelijk voor alle leveranciers op de Nederlandse markt en zijn erkend door de Raad voor de Accreditatie, waaruit blijkt dat het keurmerk op een onafhankelijke en deskundige wijze wordt verleend. De uitvoering van de procedures ter verlening van de kwaliteitskeurmerken wordt behartigd door Kiwa Gastec Certification. De volgende eisen voor GASKEUR / HRe®-label worden gesteld:

• Het bivalent rendement onder nominale, niet condenserende omstandigheden is minimaal 91 + 10logQn in % op onderwaarde.

• Het HRe® rendement is minimaal 125% op onderwaarde. • De PES waarde is minimaal 20%. • De elektriciteit-warmteverhouding is bij vollast wkk-bedrijf tenminste 0,1.


Voor de toekomstige ontwikkelingen en de te verwachten prestaties is hier geput uit de potentieelstudie micro-wkk [1]. Energetische prestaties De verwachting is dat in 2020 de categorieën B en A toegepast zullen worden (zie ook Tabel 5-5) en hiervoor geldt:

Omzettingsgetal (ow) HRe rendement ow bw εth εe Categorie B 175 160 80 25 Categorie A 320 285 70 35

Mogelijke technologische ontwikkelingen Het concept micro-wkk, gelijktijdige productie van warmte en elektriciteit op woningniveau, kan met verschillende technologieën worden ingevuld. Echter de potentiële energiebesparing op woningniveau is sterk afhankelijk van de prestaties en eigenschappen van de toegepaste technologie. Voor de zichtperiode tot 2030 wordt hier een indicatie gegeven van de verwachte technologieën en van de kansrijke opties en de bijbehorende prestaties. In Nederland is de Stirlingmotor het dichtst bij marktintroductie, maar ook leveranciers van gasmotoren en brandstofcellen hebben in de afgelopen jaren ontwikkelprogramma’s afgestemd op de Nederlandse markt. In Europa en wereldwijd zijn naast deze opties ook andere concepten voor micro-wkk in ontwikkeling, zoals (micro)gasturbines, ORC (Organic Rankine Cycle) en stoomcellen. De verschillende technologieconcepten maken momenteel nog een sterke ontwikkeling door. In vergelijking met de potentieelstudie micro-wkk van juli 2006 [1] zijn er significante verbeteringen van de elektrische rendementen tot stand gebracht. Voor het

50 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

rapport uit 2006 is gebruik gemaakt van een expertconsultatie van de Werkgroep Micro-wkk (zie bijlage I van de potentieelstudie micro-wkk [1]). De verwachte prestaties van de Stirlingmotor, gasmotor en brandstofceltechnologie zijn daarin geïnventariseerd voor het ontwikkeltraject tot 2010 en een prognose voor de periode daarna. Deze resultaten zijn geactualiseerd met nieuwe inzichten (expert opinions). Tot 2010 In de periode tot 2010 zullen naar verwachting voornamelijk Stirlingmotoren worden geplaatst. Voor de in 2010 beschikbare Stirlings kan gesteld worden dat met een relatief beperkte inspanning, bijvoorbeeld door het vergroten van de warmtewisselaar, het jaargebruiks-totaalrendement gelijk wordt aan dat van de HR-ketel. Uitgaande van de marktconsultatie uit 2005 is het elektrisch rendement eerder gesteld op 14%, gebaseerd op een gemiddelde van de in 2005 op de markt en in testlaboratoria beschikbare installaties. Inmiddels zijn de eerste testresultaten van de Stirling micro-wkk binnen en deze overtreffen ruimschoots het gemiddelde elektrische rendement uit 2005. Het gemeten elektrische jaargebruiksrendement van deze Stirling motoren is 17%. Uit de opgave van de leverancier van de Solo (9,5 kWe Stirling met εe =24%) blijkt dat het elektrisch rendement niet sterk afhankelijk is van de temperatuur. Na 2010 Stirling motoren Er zijn verschillende typen Stirlingmotoren in ontwikkeling. De vrije-zuiger Stirling wordt momenteel in verschillende configuraties verder ontwikkeld. Indicatief voor het maximale elektrische rendement van een Stirlingmotor is het Carnot rendement, circa 65% (bij Th=1073K & To=363K). Door verbeteringen in de Stirling generator en door verbeteringen in de warmteoverdracht van de brander kan de Stirlingmotor een elektrisch rendement behalen van 30%-35%. Ook worden verbeteringen in prestaties verwacht door gewichtafname en een betere regeling. Gewichtafname betekent vermindering van de opwarmtijd, waardoor de Stirling sneller op zijn maximale vermogen komt en het start/stop-verlies wordt verkleind. Door in de regeling tussen kamerthermostaat en micro-wkk te streven naar langere bedrijfsperiodes, vermindert het aantal start/stops en verbetert het jaarrond (elektrisch) rendement Gasmotoren Ook voor de micro-gasmotoren (met λ=1) wordt verwacht dat het totaalrendement met beperkte inspanning gelijk kan worden aan dat van de HR-ketel. Het in offertes gegarandeerde stationaire elektrisch rendement van de grotere motoren (±1MWe) ligt boven de 45% (ook voor gasmotoren geldt een maximum van 65% op basis van de Carnot-cyclus). Verschillende redenen zijn er om aan te nemen dat kleinere motoren dit hoge elektrische rendement (voorlopig) niet zullen halen. Wel zijn er nu al op toerental modulerende 20kWe gasmotoren op de markt met een εe > 30%. Er zijn geen technische gronden op basis waarvan een micro-gasmotor met een elektrisch jaargebruiksrendement van 25%-30% onmogelijk is. Wel kan, zonder geschikte SCR-katalysator, de hogere NOx-emissie een remmende rol spelen bij de doorbraak van de micro-gasmotor.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 51 / 81

Brandstofcellen Er zijn verschillende typen brandstofcellen in ontwikkeling. De belangrijkste twee zijn de SOFC (Solid Oxide Fuel Cell.) en de PEM (Proton Exchange Membrame). Deze systemen worden zowel geschikt gemaakt als totaalsysteem met aardgas als door waterstof gevoede systemen. Een SOFC kan direct gebruik maken van aardgas. Hij werkt op hoge temperaturen en kan door zijn relatief lange opstartduur momenteel slechts een beperkt aantal start/stops maken. De ontwikkeling van een PEM-brandstofcel-systeem op aardgas (met een reformer die aardgas omzet naar waterstof) is in volle gang. Verwacht wordt dat brandstofcellen vanaf 2015 ingepast zullen worden in micro-wkk’s. Het elektrische rendement van de brandstofcel ligt tussen de 30% en 60%. Voor SOFC’s op aardgas worden elektrische rendementen verwacht tot 50%. PEM-brandstofcellen kunnen elektrische rendementen van meer dan 60% halen, op basis van waterstof uit duurzame bronnen als zon, wind en biomassa. Voor PEM-brandstofcellen op aardgas dient er rekening te worden gehouden met een eventuele reformstap van aardgas naar waterstof. Hierdoor loopt het netto rendement terug naar ca. 43%. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 5-1.

BCηth= 43%

ηe = 57%

Reformer

η = 75%

ηe overall = 43%

η th overall = 52%

100

43

32+20

Warmteproductie reformer 20

75

Figuur 5-1 Voorbeeld van rendementen in totaalsysteem van brandstofcel met externe reformer

Het totaalrendement is een aandachtspunt voor brandstofcellen, maar aangenomen wordt dat ook de warmte van de reformer in de toekomst kan worden ingezet voor ruimteverwarming, waardoor ook brandstofcellen een totaalrendement zullen behalen gelijk aan de HR-ketel. Samenvattend Tabel 5-4 geeft een overzicht van de huidige stand van zaken en een doorkijk naar de verwachte mogelijkheden van micro-wkk in de toekomst.

52 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 5.4 Huidige en verwachte rendementen van micro-wkk

< 2010 2020 Stirling Gasmotor Brandstofcel Stirling Gasmotor Brandstofcel

ηe (range) (ow) 14%

(12-20) 20%

(18-25) 35%

(30-40) 20-30 % 20-30 % 30-50 %

ηoverall (ow) 105% 95% 85% 105% 95-105% 85-95% Pe 1 1 1 1 1 1 Pth 6,1 3,8 1,4 2-4 2-4 1-2

Het voorgaande geeft een indicatief inzicht in het ontwikkelingspotentieel van drie typen micro-wkk technologieconcepten. Om de energiebesparing niet uitsluitend te koppelen aan een bepaald type technologie of een bepaald model en de daarmee samenhangende warmte/kracht verhouding, zijn er categorieën ontwikkeld op basis waarvan de energiebesparing op nationaal niveau is berekend. Zie Tabel 5-5.

Tabel 5.5 Grenswaarden behorend bij energieprestatiecategorie micro-wkk

Gemiddeld elektrisch

jaargebruiksrendement (ow)

Gemiddeld jaargebruiks-totaalrendement

(ow) Categorie A 30% - 40% 105% Categorie B 20% - 30% 105% Categorie C 10% - 20% 105% Categorie D 0% - 10% 105%

De grenzen van de categorieën zijn zo vastgelegd, dat de verwachte technologie-ontwikkeling van micro-wkk over de gekozen tijdsperiode goed beschreven kan worden. Categorie D zal in de praktijk niet voorkomen en voldoet niet aan de minimumeisen van het HRe®-label. De ontwikkeling van Stirling is leidend in de rendementswikkeling tot 2030. Vanaf 2015 wordt ook een aandeel van met name brandstofcel micro-wkk’s verwacht. In de periode tot 2010 liggen de elektrische rendementen, zoals eerder aangegeven in de technologiebeschrijving, in categorie C. In de periode van 2010 tot 2015 zullen micro-wkk toestellen beschikbaar komen in het overgangsgebied tussen C en B, met een elektrisch rendement van ca. 20%. Vanaf 2015 zijn er categorie B toestellen beschikbaar. Vanaf 2020 komen de categorie A toestellen op de markt. Bovendien zullen in deze periode van 2020 tot 2030 de categorie C toestellen vervangen worden door categorie A toestellen.

5.2.3 Robuustheid gemeten HRe® rendement

Parameters die het HRe®-rendement kunnen beïnvloeden, zijn de cv-aanvoertemperatuur (90/70, 80/60, etc) en de belasting (vollast, deellast tot 30%). Kijkend naar cv-ketels, dan blijkt dat de invloed van de cv-aanvoertemperatuur hooguit enkele procenten bedraagt. Bij de invloed van de belasting moet onderscheid worden gemaakt in oude en nieuwere toestellen, waarbij het gaat om regeling van gas/lucht-verhouding. Bij oude toestellen treedt bij deellast luchtovermaat op, waardoor het rendement lager wordt. Dit kan 5% tot 10% bedragen. Bij nieuwere toestellen – deze zijn al enkele jaren gangbaar - blijft de gas/lucht-verhouding goed en heeft deellast nagenoeg geen invloed op het rendement.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 53 / 81


Voor micro-wkk is het eenwaardig opwekkingsrendement voor warmtelevering voor verwarming EORW,cv resp warm tapwater EORW,tw als volgt gedefinieerd:

wotranscvmwkkinelek

cvmwkkprim

cvnuttigcvW

QQ

Q

QEOR

,,,,

,,

,,

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

η

en:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηtwmwkkinelek

twmwkkprim

twnuttigtwW Q

Q

QEOR

,,,,,

,,

Voor micro-wkk is het eenwaardig opwekkingsrendement voor elektriciteit t.g.v. verwarming EORE,cv resp warm tapwater EORE,tw als volgt gedefinieerd:

wotranscvmwkkinelek

cvmwkkprim

cvmwkkuitelekcvE

QQ

Q

QEOR

,,,,

,,

,,,,

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

η

en:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηtwmwkkinelek

twmwkkprim

twmwkkuitelektwE Q

Q

QEOR

,,,,,

,,,,

De huidige toestellen voor micro-wkk op basis van de stirling technologie verzorgen alleen de verwarmingsfunctie. Zoals hiervoor vermeld worden ze als bivalent toestel geleverd: binnen één behuizing bevinden zich een micro-wkk en HR-gasketel. De hieronder gegeven EOR-waarden hebben alleen betrekking op de verwarmingsfunctie van de micro-wkk.

Micro-wkk

Qelek,in,mwkk Qtrans,wo

Qprim,mwkk Qnuttig,cv

Qnuttig,tw

Qelek,uit,mwkk

54 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 5.6 EOR voor micro-wkk

Omzettingsgetal (ow/bw)

EOR (ow)

εth εth EORW,cv EORE,cv Minimum 98 / 88 10 / 9 0,937 0,094 Maximum 90 / 81 15 / 13 0,859 0,143

Het minimum komt overeen met de minimumeisen volgens het HRe®-label. Het maximum komt overeen met categorie C uit de potentieelstudie micro-wkk [1] Hierbij is uitgegaan van de volgende aanvullende gegevens: • 4 W stand-by verbruik voor de elektronica; • 6 W elektrisch verbruik van de ventilator en gasklep tijdens branderbedrijf; • 75 W pompvermogen tijdens branderbedrijf (nadraaitijd verwaarloosd ivm relatief

lange aantijden van de micro-wkk); • 5 kW thermische vermogen van micro-wkk; • 35.000 MJ warmtevraag voor ruimteverwarming, te leveren door de micro-wkk.


Hieronder is aangegeven welke bedrijfscondities invloed hebben op het thermisch en elektrisch omzettingsgetal van de micro-wkk. Deze omzettingsgetallen geven aan welk deel van de brandstof wordt omgezet in warmte resp. elektriciteit.

• Watertemperaturen. Hogere temperatuur – lager thermisch omzettingsgetal (vergelijkbaar met gewone ketel). Of een hogere watertemperatuur invloed heeft op het elektrisch omzettingsgetal is niet duidelijk.

• Modulatie. Naar verluidt daalt bij Stirlingsystemen het elektrisch omzettingsgetal als de branderbelasting wordt verlaagd. Om die reden worden deze systemen slechts in bescheiden mate in vermogen teruggeregeld.

• Gemiddelde aan-tijd. Naar verluidt hebben o.a. Stirlingmotoren en sommige typen brandstofcel enige aanlooptijd voor de elektriciteitslevering begint. Hierdoor treedt een start/stop-verlies op. Voor toestellen met een dergelijke gevoeligheid is een relatief lange aan-tijd per schakeling gewenst. Als een gebruikelijke thermostaat wordt toegepast, die het toestel iedere 10 minuten inschakelt, levert dit naar verhouding korte aan-tijden op (orde 2 minuten) waardoor het start/stop-verlies relatief groot kan worden. Omdat micro-wkk een relatief laag vermogen heeft zal, ook zonder terugregelen van het vermogen, een relatief lange aan-tijd per schakeling verkregen worden. Bij de verdere productontwikkeling zal dit een aandachtspunt zijn voor fabrikanten.

Daarnaast kan veroudering van invloed zijn op toestelprestaties. Hiervan zijn door de geringe aantallen en korte looptijd van de proefprojecten nog geen gegevens bekend.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 55 / 81

5.5 Opmerkingen

Zoals al gesteld is micro-wkk nog geen gangbaar toestel en staat het aan het begin van zijn marktintroductie. Hiervoor zijn en worden praktijkprojecten uitgevoerd. In Tabel 5-7 is een overzicht gegeven. Referentie: http://www.micro-wkk.nl/index.php?id=2105

Tabel 5.7 Overzicht praktijkprojecten

Jaartal Beschrijving praktijkproject

2003 - 2005 Veldtest met 12 brandstofcel micro-wkk’s in NL, in totaal 35 in EU van Vaillant

2003 - 2004 Veldtest met 10 vrije zuiger Stirling micro-wkk’s van Enatec

2005 - 2007 Veldtest met 50 eenheden kinematische Stirling van Whispergen Mark IV

2006 - 2007 Weilandproef met de Whispergen Mark V

2007 Veldtest Stirling micro-wkk’s van Remeha in samenwerking met stichting Slim met Gas

2007 - 2008 Delta test 5 Mark V-toestellen

2008 Gasterra en Essent testen het gebruik van HRe-ketels voor koeling

2008 Woningbouwcorporatie Rentree plaatst in Deventer 5 micro-wkk’s van Remeha i.s.m. Essent

2008 Veldtest Stirling micro-wkk’s van Vaillant i.s.m. stichting Slim met Gas

2008 Test micro-wkk o.b.v. brandstofcel door Gasterra en Essent

2008 - 2009 Gasterra, Eneco en de gemeente Ameland gaan 100 HRe-ketels plaatsen

2009 In Apeldoorn worden 200 HRe-ketels geplaatst door GasTerra, Liander en Nuon

5.6 Referentie

[1] Technisch energie- en CO2-besparingspotentieel van micro-wkk in Nederland (2010-2030) - update 2008 Arjen de Jong (Cogen), ECN, Ecofys, TNO, CE Delft, Gasunie E&T Cogen, mei 2008

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 57 / 81

6 Balansventilatie-units


6.1.1 Algemeen

Voor Nederland geldt sinds 1999 NEN 5138, waarvan in 2004 een nieuwe versie is verschenen. Daarnaast zijn er nog internationale meetmethoden, die door verschillende landen worden gehanteerd. De belangrijkste drie zijn:

• NEN-EN 308 Warmtewisselaars - Beproevingsprocedures voor het vaststellen van prestatie-eisen van warmteterugwinningsapparatuur.

• NEN-EN 13141-7:2008 Ontw. :Ventilatie van gebouwen - Prestatiebeproeving voor componenten/producten voor woningventilatie - Deel 7: Prestatiebeproeving van mechanische toe- en afvoer ventilatiesystemen voor eengezinshuizen.

• LUWA 20: Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassungen für Lüftungsgeräte. De belangrijkste verschillen tussen deze meetmethoden betreffen de ingaande luchttemperaturen en de luchtvolumestromen. Er is niet één algemeen geldende norm voor alle Europese landen.


Naam Datum

uitgave NEN 5138: Warmteterugwinning in gebouwen - Bepalingsmethoden voor energetisch rendement van warmteterugwinapparaten voor individuele ventilatiesystemen

December 2004

6.1.3 Scope

Algemeen Deze norm NEN 5138 geeft een bepalingsmethode voor de waarde van het rendement van warmteterugwinapparaten (WTW) in ventilatiesystemen voor woon- en utiliteitsgebouwen, betrokken op een representatief klimaatjaar (Test Reference Year De Bilt) en uitgaande van een standaard gebruikersgedrag. De bepalingsmethode is ontwikkeld op basis van de randvoorwaarden, zoals deze van toepassing zijn voor woonhuisventilatiesystemen. De energetische prestatie van het WTW kan, afhankelijk van de gewenste toepassing, op twee manieren worden bepaald. Voor de berekeningen van de energieprestatie van woningen en gebouwen volgens NEN 2916 en NEN 5128 is het resultaat van de beproeving bij één bedrijfsconditie, die als een jaargemiddelde is aangemerkt, voldoende. Bij deze bedrijfsconditie treedt geen condensatie van waterdamp op en dus geen bevriezing. Het rendement dat bij deze bedrijfscondities is bepaald, wordt in deze norm aangegeven als ηWTW.

58 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Voor een verdergaande vergelijking van de prestaties van toestellen is het resultaat, dat is bepaald bij één bedrijfsconditie, niet toereikend omdat het gedrag van de warmteoverdracht in het toestel wordt beïnvloed door condensatie en eventueel bevriezing. Dit gedrag is toestelafhankelijk. Gedurende een jaar zal door klimaatomstandigheden in een bepaalde periode condensatie en bevriezing optreden. Om een goed inzicht te verkrijgen van de prestaties van een WTW is een rendement als gemiddelde van de prestaties, bepaald bij verschillende bedrijfscondities die kenmerkend zijn voor de verschillende seizoenen, van belang. Dit (gewogen) rendement wordt in deze norm aangegeven als ηtoestel. In deze norm zijn bedrijfscondities opgenomen die voor de bepaling van ηWTW en ηtoestel van toepassing zijn. Recuperatief/regeneratief De methode is ontwikkeld voor recuperatieve warmteterugwinapparaten, waarbij het warmteoverdrachtsproces stationair plaatsvindt via warmte-uitwisselende vlakken die de beide luchtstromen scheiden en waarbij de stromingsrichting van de luchtstromen altijd dezelfde is. Deze methode is eveneens toepasbaar voor regeneratieve warmteterugwinapparaten, waarbij de warmteoverdracht plaatsvindt door intermitterende accumulatie van warmte in het warmtewisselend pakket, mits de luchtstromen niet omkeerbaar zijn en de kortsluiting van beide luchtstromen beperkt blijft in overeenstemming met het niveau van de interne lekfractie bij recuperatieve warmteterugwinapparaten. Luchtcapaciteit Toestellen met een maximale luchtcapaciteit tot 2.500 m3/h kunnen als compleet toestel met deze norm worden bemeten. Indien de luchtcapaciteit groter is dan 2.500 m3/h kan in overleg met het onderzoekslaboratorium een schaalmodel of een segment van het eigenlijke toestel worden gebruikt voor het onderzoek. De resultaten van het onderzoek worden daarna vertaald naar het eigenlijke toestel.

6.1.4 Meetcondities

Voorwaarden voor uitvoeren metingen: • de interne lekstroom ≤ 2% van 60% van de maximum opgegeven

luchtvolumestroom; • de externe lekstroom ≤ 5% van 60% van de maximum opgegeven

luchtvolumestroom; • de Rc-waarde van de isolatie van de omkasting moet minimaal 1 m2·K/W

bedragen; • temperatuur in de opstellingsruimte ligt tussen 15 °C en 25 °C.

Instellingen rendementsmetingen Het jaargebruiksrendement van het WTW ηWTW voor berekening van de energieprestatie wordt bepaald bij één bedrijfconditie.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 59 / 81

Het jaargebruiksrendement van het WTW ηtoestel voor toestelvergelijking wordt bepaald bij negen bedrijfscondities: drie verschillende temperaturen van de toevoerlucht (-3°C, 5°C en 10°C) en drie verschillende luchtvolumestromen (40%, 60% en 90% van max. debiet). Zie Tabel 6-1.

Tabel 6.1 Meetomstandigheden voor bepalen van het rendement ηWTW en ηtoestel.

ηWTW ηtoestel 1 2 3 Toevoerlucht θ=(5±0,5)°C

RV=(70±5)% Inlaat: (-25±2)Pa Uitlaat: (55±6)Pa (60±5)% van max. debiet

θ=(-3±0,5)°C RV=(70±5)% Inlaat: (-25±2)Pa Uitlaat: (55±6)Pa (40±5)% van max. debiet (60±5)% van max. debiet (90±5)% van max. debiet

θ=(5±0,5)°C RV=(70±5)% Inlaat: (-25±2)Pa Uitlaat: (55±6)Pa (40±5)% van max. debiet (60±5)% van max. debiet (90±5)% van max. debiet


Afvoerlucht θ=(18±0,5)°C RV=(46±5)% Inlaat: (-40±4)Pa Uitlaat: (20±2)Pa (60±5)% van max. debiet




Stabiliteitscriteria rendementsmetingen Algemeen:

• meetinterval van 15 sec.; • meetperiode van 10 min.

Ingaande luchtstromen:

• temperatuur variatie temperatuurmeting maximaal ± 0,5K; • vochtigheid variatie absolute vochtigheid maximaal ± 0,5 g/kg; • luchtdebiet variatie luchtdebiet maximaal ± 1 kg/h.

Gemeten rendement:

• verschil tussen twee opvolgende meetperioden maximaal 0,3% (absoluut); • verschil tussen minimale en maximale waarde gedurende vier aaneengesloten

meetperioden maximaal 0,5% (absoluut); Meetduur:

• minimale meetduur van vier aaneengesloten meetperioden, waarin wordt voldaan aan de stabiliteitscriteria.

60 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Instellingen metingen vorstbeveiliging Door meting gedurende tenminste 24 uur wordt vastgesteld vanaf welke temperatuur de vorstbeveiliging ingrijpt en er onbalans in de luchtstromen ontstaat.

Tabel 6.2 Meetcondities bij vorstproef

Luchtstroom Volumestroom [% van max. debiet]

Temperatuur [°C]

Vochtgehalte [g/kg]

Toevoer (60 ± 5)% op aangeven fabrikant

x bij RV=(70 ± 5)%

Afvoer (60 ± 5)% 18 ± 0,5°C x + 2 Meetnauwkeurigheden

Tabel 6.3 Meetnauwkeurigheid

Parameter Nauwkeurigheid Temperatuur ±0,1K Onderlinge afwijking in hetzelfde vlak max. 0,2K Relatieve vochtigheid ±2% absoluut Luchtvolumestroom ±3% van gemeten waarde Druk in gebied < 25Pa In gebied 25Pa tot 250Pa

±1Pa ±2,5Pa


Tijdens rendementmetingen: • In alle vier luchtstromen:

o temperatuur θ in °C; o relatieve vochtigheid RV in %; o luchtvolumestroom in m3/h; o statische druk in Pa.

• Opgenomen elektrisch vermogen van de ventilatoren en eventueel bijbehorende elektronische voorschakelapparatuur in W.

Tijdens vorstbedrijf:

• Hetzelfde als bij rendementmetingen • Hulpenergie voor het in bedrijf houden van de WTW in MJ

6.1.6 Berekende rendementen

Rendementen

onbalanscorm

mWTW q

qx ;

11;

22;

2111

2122 ηθθθθη −

−−

=

onbalanscorWTWWTWWTW

toestel

x;

3,2,1,

42

ηηηη

η −++

=

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 61 / 81

waarin: ηWTW = het rendement van het WTW; ηtoestel = het gewogen jaarrendement van het WTW; ηcor;onbalans = forfaitaire aftrek voor vorstbeveiliging met luchtonbalans; zie Tabel 6-4; qm;22 = de massastroom van de toevoerlucht na WTW, in kg/s; qm;11 = de massastroom van de afvoerlucht voor WTW, in kg/s; θ21 = de temperatuur van de toevoerlucht voor het WTW, in °C; θ22 = de temperatuur van de toevoerlucht na het WTW, in °C; θ11 = de temperatuur van de afvoerlucht voor het WTW, in °C; ηWTW,1 = het berekende rendement bij buitentemperatuur -3°C, waarbij geldt dat ηcor;onbalans = 0; ηWTW,2 = het berekende rendement bij buitentemperatuur +5°C, waarbij geldt dat ηcor;onbalans = 0; ηWTW,3 = het berekende rendement bij buitentemperatuur +10°C, waarbij geldt dat ηcor;onbalans = 0.

Er is sprake van onbalans als 95,011;

22; <m

m

qq

.

Tabel 6.4 Forfaitaire waarde voor het corrigeren van het rendement ηWTW bij vorstbeveiligingen op basis van luchtonbalans

Minimale buitentemperatuur, waarbij WTW blijft functioneren [°C]

Forfaitaire waarde aftrekpost ηcor;onbalans [-]

≤-6 0 -5 0,005 -4 0,010 -3 0,015 -2 0,020 -1 0,025 0 0,30 1 0,035 2 0,040 3 0,050 4 0,060 5 0,080

Hulpenergie vorstbeveiliging Qhulp;vorst = (Qhulp;vorst;el/ηel + Qhulp;vorst;cv/ηopw;verw) x ηel

waarin: Qhulp;vorst = benodigde energie voor het in bedrijf houden van het WTW tijdens

vorstbedrijf, in MJ; Qhulp;vorst;el = elektrische energie voor het in bedrijf houden van het WTW tijdens

vorstbedrijf, in MJ; Qhulp;vorst;cv = energie, die door de verwarming van het gebouw geleverd wordt, voor

het in bedrijf houden van het WTW tijdens vorstbedrijf, in MJ; ηopw;verw = rekenwaarde voor het opwekkingsrendement voor verwarming; ηel = getalswaarde van het rendement van de elektriciteitsvoorziening;

62 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155



De rendementsmetingen aan WTW-apparatuur worden bij TNO uitgevoerd en de laatste jaren worden nagenoeg alleen recuperatieve WTW-units getest met een tegenstroomwarmtewisselaar. Hierbij wordt op verzoek van de opdrachtgever alleen ηWTW vastgesteld, omdat deze waarde gebruikt kan worden voor de EPN. Het gemeten rendement van deze recuperatieve WTW-units is de laatste jaren gemiddeld 95% en het opgenomen elektrische vermogen van de ventilatoren en eventueel bijbehorende elektronische voorschakelapparatuur is ca. 50W. In Tabel 6-5 zijn meetresultaten weergegeven.

Opmerking: In 2008 is een regeneratieve WTW-unit (in de vorm van een warmtewiel) beproefd. De meetresultaten zijn: ηWTW = 93,6% bij een opgenomen elektrische hulpenergie = 77,4 W. De externe lekstroom is 1,7% en de interne lekstroom is 10,7%. Dit betekent dat de interne lekstroom groter is dan de eis, zodat de gemeten ηWTW niet voor de EPN gebruikt mag worden.

Door de Stichting HR-ventilatie, waarbij de meeste fabrikanten en leveranciers zijn aangesloten, is gesteld dat een WTW-unit hoog rendement (HR) is als ηWTW ≥ 90%. Dit in navolging van de HR-ketel, die ook een rendement van minimaal 90% (op bovenwaarde) heeft. In 2006 werd door de Stichting Energie Prestatie Keur (EPK) het Ventilatiekeur geïntroduceerd. Dit keurmerk geeft de garantie dat de gebruikseigenschappen en de energieprestaties van het product, waarvoor het betreffende keurmerk is afgegeven, voldoen aan de eisen die vooraf zijn opgesteld en onafhankelijk beoordeeld door het College van Deskundigen. Het keurmerk geeft meer zekerheid en duidelijkheid over de prestatie en betrouwbaarheid van het product en diens leverancier. De belangrijkste eis van het Ventilatiekeur is een warmteterugwinrendement van tenminste 90%.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 63 / 81

Tabel 6.5 Geanonimiseerde meetresultaten

Meting jaar

Norm jaar ηwtw Pel

Pel incl. vorstbeveiliging

Opmerking

% W W

2000 1999 92,8 44,0

2000 1999 97,1 40,0

2000 1999 93,7 68,0

2000 1999 95,9 48,0

2000 1999 96,3 51,0

2000 1999 96,7 64,0

2002 1999 96,3 43,7

2002 1999 96,2 49,7

2002 1999 81,2 62,4 kruisstroom

2003 1999 97,3 55,7

2003 1999 99,6 293,5

2003 1999 94,3 48,5

2004 1999 95,2 48,6

2004 1999 95,2 45,3

2005 2004 97,1 45,5 48,2

2005 2004 97,3 95,0 98,0

2006 2004 95,2 53,5 53,6

2006 2004 95,9 48,0 48,1

2006 2004 83,8 165,3 168,9 kruisstroom

2006 2004 95,1 58,8

2006 2004 95,1 85,0

2006 2004 95,1 58,8

2006 2004 94,1 49,5

2007 2004 95,1 72,4 73,9

2007 2004 95,1 61,3 62,7

2007 2004 95,2 94,5 98,0

2007 2004 95,2 48,0 51,0

2008 2004 93,6 77,4

2008 2004 95,9 54,7 55,3

2009 2004 95,2 90,8

Opmerking bij tabel: Voor normjaar 1999 geldt een luchtdebiet van 150 m3/uur en voor normjaar 2004 een luchtdebiet van 60% van het maximum.


Een veel hoger rendement van de WTW is niet mogelijk. Een maximum van 98% lijkt de theoretische bovengrens door het verkleinen van de lekstromen en het beter aanstromen van de warmtewisselaar. Het opgenomen elektrisch vermogen kan verlaagd worden door:

• energiezuiniger ventilatoren; • verlaging interne luchtweerstand; • verbetering vorstbeveiliging.

64 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155


Het rendement ηWTW is als volgt gedefinieerd:

11;

22;

2111

2122

m

mWTW q

qx

θθθθ

η−−

=

waarin: qm;22: de massastroom van de toevoerlucht na WTW, in kg/s; qm;11: de massastroom van de afvoerlucht voor WTW, in kg/s; θ21: de temperatuur van de toevoerlucht voor het WTW, in °C; θ22 : de temperatuur van de toevoerlucht na het WTW, in °C; θ11: de temperatuur van de afvoerlucht voor het WTW, in °C; Voor de meetinstellingen geldt:

• temperatuur: ±0,5K; • massastroom: ±5% (absoluut); • vochtgehalte: ±5 g/kg.

De invloed van de bandbreedte van deze meetinstellingen op het rendement is rekenkundig niet vast te stellen, omdat de temperatuur van de toevoerlucht na het WTW (θ22 ) mee verandert met een andere instelling aan de inlaatzijden. Dit dynamisch effect is niet te berekenen. Op basis van ervaringen, opgedaan tijdens de uitgevoerde metingen, kan het volgende worden gesteld:

• De bandbreedte van het rendement is ca. ±5% (absoluut). Gebleken is dat een in eerste instantie gemeten rendement van 88% op te waarderen is tot 95% door gebruik te maken van de toegestane marges van de meetinstellingen.

• De invloed van de massastromen is veruit het grootst.


In dit geval gaat het om warmteterugwinning uit ventilatielucht, zodat voor de EOR geldt:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηinelek

inprim

warmtenuttigW Q

Q

QEOR

,,

,

Voor het berekenen van EORw gelden de volgende aannamen:

a. de luchtvolumestroom is 150 m3/uur = 180 kg/uur; b. de temperatuur van de afvoerlucht voor het WTW is 18°C; c. de temperatuur van de toevoerlucht voor het WTW is 5°C; d. het rendement van het WTW is 95% (bij 5°C en 18°C); e. het elektrisch vermogen voor de ventilatoren is 50W; f. de soortelijke warmte van lucht is 1,0 kJ/kg.K; g. het rendement van de elektriciteitsopwekking is 0,42 op onderwaarde; h. uit b. t/m d. volgt dat de temperatuur van de toevoerlucht na het WTW is

17,35°C.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 65 / 81

Uit a., b. en f. volgt Qprim,in = 180 kg/uur x 1,0 kJ/kg.K x (18-5)K = 2.340 kJ. Uit a., f. en h. volgt Qnuttig,warmte = 180 kg/uur x 1,0 kJ/kg.K x (17,35-5)K = 2.223 kJ. Uit e. volgt: Qelek,in = 0,05kW x 3600sec = 180 kJ.

80,0

42,0180340.2

223.2=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+=WEOR

Opmerkingen: 1. Belangrijke aannamen voor de berekening van EORw zijn de temperaturen van de

ingaande luchtstromen (5°C en 18°), want daarvoor geldt ook het aangenomen rendement van 95%. Gebleken is dat als de temperatuur van de koude lucht daalt op een bepaald moment het rendement substantieel lager wordt. Dit wordt veroorzaakt door condensatie in de warmtewisselaar, waardoor de luchtstroming verandert en daardoor ook de warmteoverdracht.

2. In EORW is geen rekening gehouden met het feit dat een groot deel van de ventilatorenergie van de toevoerventilator als warmte in de toevoerlucht komt en daardoor van invloed is op Qnuttig, warmte.

3. Voor de warmtepompboiler wordt de energie uit de afvoerlucht als gratis verondersteld. Als dat voor het WTW-apparaat ook geldt, dan is Qprim,in=0 en wordt EORw=5,2.


NEN 5138 betreft de beproeving van het WTW-apparaat onder laboratoriumomstandigheden. In de praktijk is de situatie als volgt:

1. Het WTW-apparaat is een onderdeel van een gebalanceerd ventilatiesysteem, met als andere belangrijke onderdelen luchtkanalen, kleppen en roosters.

2. Het gebalanceerde ventilatiesysteem is door een installateur in de woning aangebracht en in werking gesteld.

3. Het gebalanceerde ventilatiesysteem wordt door de bewoners jarenlang ‘gebruikt’.

Deze drie genoemde aspecten kunnen zorgen voor een afwijkend rendement in de praktijk, met als belangrijkste reden afwijkende luchtvolumestromen door het WTW-apparaat. In praktijkonderzoek vastgestelde oorzaken hiervoor zijn:

• Slechte inregeling volumestromen, met als gevolg onbalans en afwijkende luchtvolumestromen.

• Hogere luchtweerstand door: o Installatiefouten

ontwerpfouten (bijv. te kleine diameters gekozen); onnodig veel bochten; onnodig veel flexibele slangen en te lange slangen; kleinere doorgang door vervorming kanaal; obstakels in de luchtkanalen. Bijvoorbeeld doordat gestort

beton in een luchtkanaal loopt. (luchtkanalen zijn niet goed met elkaar verbonden).

o Slecht onderhoud: niet reinigen van de filters en warmtewisselaar.

66 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

o Gebruikersgedrag: roosters verstellen; roosters afplakken.

De effecten van de genoemde invloedsfactoren kunnen in praktijkprojecten worden vastgesteld op basis van specifieke metingen.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 67 / 81

7 Tapwaterbereiding: cv-combiketel, warmtepompboiler en combiwarmtepomp


7.1.1 Algemeen

Het opwekkingsrendement van een toestel voor warmtapwaterbereiding is het jaargebruiksrendement van het toestel, waarbij de nuttige warmtelevering rechtstreeks over het toestel wordt bepaald en het brandstofverbruik ook de stilstandsverliezen inclusief een eventuele waakvlam omvat. Uitgangspunt is het gemeten opwekkingsrendement van één compleet toestel, bepaald bij een of meer tappatronen. Er worden twee methoden onderscheiden:

1. De Nederlandse methode, ontwikkeld voor Gaskeur en beschreven in bijlage A van Ontw. NEN 7120:2009.

2. De Europese methode, beschreven in NEN-EN 13203-2. In het kader van dit project richt de rapportage zich alleen op de Nederlandse methode. De NEN 7120 is de opvolger van NEN 5128 en de bepalingsmethode voor het opwekkingsrendement van warmtapwatertoestellen is niet veranderd. Als aansluiting op de algemene bepalingsmethode heeft TNO voor warmtapwaterbereiding met warmtepompen een beproevingsrichtlijn opgesteld. Hierbij is gekozen voor een benadering waarmee zoveel mogelijk wordt aangesloten bij bestaande regelgevingen (EPN), keuren (kwaliteitskeur warmtepompen), garanties (GIW) en die gebruikt kan worden voor subsidieregelingen. In GASKEUR-criteria CW-HRww:2003 zijn criteria opgenomen in het kader van certificering ten behoeve van de Gaskeur toestellabelling. De in dit document beschreven beproevingsmethode voldoet aan de in bijlage A van NEN 7120 gegeven omschrijving. In 2008 is ook de NEN-EN 255-3 uitgegeven, maar deze wordt in Nederland nog niet toegepast.

68 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155


Tabel 7.1 Overzicht relevante normen en rapport

Naam Datum uitgave

Ontw. NEN 7120:2009, Bijlage A: Bepaling opwekkingsrendement warmtapwatertoestellen.

2009 Is in ontwikkeling. Vanaf 1-1-2011 wordt deze wettelijk verplicht via het Bouwbesluit.

TNO-rapport R2003/060: Beproevingsrichtlijn tapwater warmtepompen

2003 In Ontw. NEN 7120 wordt verwezen naar een door TNO opgestelde beproevingsrichtlijn, die een gedetailleerde methode geeft voor het beproeven van warmtepompen

NEN-EN 13203-2 2006 Gasgestookte huishoudelijke warm-water-toestellen - Toestellen met een belasting tot 70 kW en een opslagcapaciteit voor water tot 300 l - Deel 2: Prestatiebeoordeling van het energieverbruik

NEN-EN 255-3: 2008 “Luchtbehandelingsapparatuur, koel-eenheden voor vloeistof en warmtepompen met elektrisch aangedreven compressoren - Verwarmingsgebruik - Deel 3: Beproeving van en eisen voor het merken voor huishoudelijke warm waterpompen”.

Is onlangs vrijgekomen, maar wordt in Nederland echter (nog) niet toegepast.

7.1.3 Scope bijlage A Ontw. NEN 7120:2009

Bijlage A van Ontw. NEN 7120:2009 geeft een bepalingsmethode voor de waarde van het opwekkingsrendement van warmtapwatertoestellen in woningen. Het opwekkings-rendement van een toestel voor warmtapwaterbereiding is het jaargebruiksrendement van het toestel, waarbij de nuttige warmtelevering rechtstreeks over het toestel wordt bepaald en het brandstofverbruik ook de stilstandsverliezen inclusief een eventuele waakvlam omvat. Bij deze Nederlandse methode is het opwekkingsrendement bepaald bij één of meer van in totaal vijf gegeven toepassingsklassen van warmtapwatergebruikspatronen. Elke toepassingsklasse wordt gekarakteriseerd door tappatroon, warmtapwaterhoeveelheid en -comfort. Een gegeven opwekkingsrendement behoort dus bij een bepaalde toepassings-klasse. Bij deze methode is het hulpenergiegebruik reeds in het opwekkingsrendement inbegrepen. Voor installaties met een gescheiden warmteopwekking en opslag van warm tapwater (indirect verwarmd voorraadvat) heeft het opwekkingsrendement betrekking op de hele keten van ketel-warmteoverdrachtvoorraadvat(en). Voor combiketels heeft het opwekkingsrendement betrekking op het jaargebruiks-rendement, waarin zowel de zomer- als de wintercondities zijn verdisconteerd. Voor bivalente toestellen die als compleet product geleverd en beproefd worden, zoals een elektrische warmtepomp met een geïntegreerd elektrisch bijstookelement, een gasgestookte warmtepomp met een geïntegreerde bijstookketel of een micro-wkk met een geïntegreerde bijstookketel, heeft het opwekkingsrendement betrekking op het jaargebruiksrendement van het gehele bivalente toestel.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 69 / 81

Het vastgestelde opwekkingsrendement wordt gebruikt voor de reële waardering in de berekening van de energieprestatiecoëfficiënt. Deze rapportage richt zich op combiketels, warmtepompboilers en combiwarmtepompen.

7.1.4 Meetcondities

In essentie is de meetmethode voor alle warmtapwatertoestellen hetzelfde: het toestel wordt aan een standaard 24-uurs tappatroon onderworpen (dat is de nuttige warmtelevering) en de benodigde energie wordt gemeten. De verhouding tussen nuttige warmtelevering en de hiervoor benodigde energie is het opwekkingsrendement. Omdat de warmtapwatertoestellen verschillende specifieke eigenschappen hebben is de praktische meetmethode op een aantal aspecten hierop toegespitst. Hierna wordt vooral onderscheid gemaakt in cv-combiketels en warmtepompen. Voorwaarden voor uitvoeren rendementsmetingen De instellingen van het toestel worden ingesteld overeenkomstig de manier waarop het toestel in de praktijk wordt gebruikt. Het toestel moet zo worden ingesteld dat het toestel en/of eventuele bijstook op ieder moment in bedrijf kunnen komen, indien hier op basis van temperatuurniveaus in het toestel behoefte aan is. Instellingen rendementsmetingen De algemene meetcondities voor de bepaling van het opwekkingsrendement zijn de volgende.

• tapwaterinlaatdruk: 0,2 MPa (overdruk); • tapwaterinlaattemperatuur: 10°C; • omgevingstemperatuur opstellingsruimte: 20°C; • de maximaal gevraagde temperatuur bij uittrede toestel bedraagt 55°C; bij deze

metingen valt de leidinglengte buiten de systeemgrens; • indien toestellen zijn voorzien van een zogenoemde warmhoudschakeling,

wordt deze ingesteld overeenkomstig de manier waarop het toestel in de praktijk wordt gebruikt.

Voor warmtepompen gelden de volgende extra condities:

• de meting wordt uitgevoerd inclusief eventuele bijstookvoorziening; Daarbij voor warmtepompen die retourlucht als bron gebruiken:

• het debiet van de bron wordt ingesteld op de door de fabrikant/leverancier opgegeven waarde;

• de broncondities worden ingesteld afhankelijk van het type bron, zie Tabel 7-2:

Tabel 7.2 Broncondities

Bron Temperatuur [°C] Relatieve vochtigheid [%] Buitenlucht 7 87 Omgevingslucht (binnenopstelling) 15 71 Ventilatielucht 20 57 Grondwater 10 n.v.t. Brijn (gesloten bodemwarmtewisselaar) 5 n.v.t.

70 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Het taptoestel wordt onderworpen aan een standaard tapprogramma, bestaande uit maximaal 49 tappingen gedurende 24 uur en waarbij de taptemperaturen 40°C of 55°C zijn . Het tappatroon wordt door de opdrachtgever aangegeven, waarbij kan worden gekozen voor tappatroon volgens klasse ‘aanrecht’, 1, 2, 3 of 4. Zie Tabel 7-3. De klassenindeling loopt parallel aan de indeling in klassen CW volgens Gaskeur CW/HRww:2003. CW staat voor Comfort Warm water.

Tabel 7.3 Klassenindeling en CW-comfortklassen

Toepassingsklasse Gaskeur-CW-comfortklasse Tapvolume bij 60°C in dm3 ‘Aanrecht’ CW-1 61,2

1 CW-1+ 89,2 2 CW-2 117,2 3 CW-3 149,2 4 CW-4 181,2

Stabiliteitscriteria rendementsmetingen De meting is alleen geldig als gedurende de uitvoering van het tapprogramma de taptemperatuur bij de diverse taptemperaturen van 40°C en 55°C niet onder de vereiste temperatuur komt. Meetnauwkeurigheden

Parameter NauwkeurigheidTemperatuur ± 0,1°C Temperatuurverschil ± 0,2K Volumestroom water ± 2% Volumestroom lucht ± 5% Opgenomen elektrische energie ± 1% Oplossend vermogen energiemeting 1Wh Tijd ± 0,1 sec. Relatieve vochtigheid ± 5% Tijdconstante temperatuuropnemer < 1 sec.

Het opwekkingsrendement wordt bepaald met een onnauwkeurigheid van ten hoogste vijf procentpunten.


In algemene zin wordt het volgende gemeten: • Ingaande energiestroom:

o gasverbruik, in geval van cv-combiketel; o opgenomen elektrische energie, inclusief hulpenergie (bijv. pomp,

ventilator, regeling).

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 71 / 81

• Uitgaande energiestroom, dat is geleverde warmte in de vorm van warm tapwater. Hiervoor geldt de volgende formule:

θΔ××= 18,4mQgewenst

waarin: Qgewenst = de hoeveelheid die moet worden getapt [kJ] m = de hoeveelheid getapt water van de gewenste temperatuur [kg] Δθ = het verschil θgewenst en θkoud (=10°C)

Zoals al eerder gesteld is de meetmethode toestelspecifiek gemaakt voor de verschillende warmtapwatertoestellen, in dit geval het cv-combitoestel en de warmtepomp.

7.1.5.1 CV-combitoestel De bepalingsmethode is beschreven in bijlage A van Ontw. NEN 7120:2009. De basis is het bepalen van het tapwaterzijdig opwekkingsrendement, waarbij het toestel wordt onderworpen aan een standaard 24-uurs tappatroon. Voor het bepalen van het jaarrendement zijn twee bepalingsmethoden onderscheiden:

1. Bepaling op basis van zomer- en winterrendementsmeting. Het toestel wordt onderworpen aan een meting die gelijk is aan die voor het tapwaterzijdig opwekkingsrendement, waaraan toegevoegd enkele metingen om de start/stop- en de cv-gebonden stilstandsverliezen te bepalen. De eerste meting levert het zomerrendement op, want het energiegebruik is volledig toe te schrijven aan warmtapwaterbereiding aangezien er geen cv-functie is. Op basis van de toegevoegde metingen wordt het winterrendement berekend.

2. Bepaling op basis van forfaitaire omrekening. Indien het gebruiksrendement op tapwater een waarde heeft van ten minste 0,40 op bovenwaarde (warmtapwatertoestel klasse CW) mag het jaargebruiksrendement van de tapwaterfunctie rekenkundig worden bepaald uit het winter- en zomerrendement (inclusief alle hulpenergie). Voor de forfaitaire omrekening zijn resultaten uit methode 1 gebruikt.

Gebleken is dat methode 1 een lastige meetmethode is en veel tijd vergt en daardoor kostbaar is. In de huidige praktijk wordt eigenlijk alleen methode 2 gehanteerd.

7.1.5.2 Warmtepomp TNO heeft voor warmtapwaterbereiding met warmtepompen een beproevingsrichtlijn opgesteld. Hierin zijn de beproevingen aan warmtepomptoestellen in 5 fasen verdeeld. Belangrijk hierbij is de zogenaamde tapkarakteristiek, dat een grafische weergave is van het verloop van de warmtapwatertemperatuur bij het met een constante volumestroom thermisch leegtappen van een bij aanvang thermisch geheel gevulde boiler. De 5 fasen zijn:

1. Fase 0: tapkarakteristiek bij maximale temperatuurinstelling. De opwarmtijd, het energiegebruik tijdens de opwarming en de tapkarakteristiek van de warmtepomp worden bepaald. Deze fase is optioneel en wordt uitgevoerd als de instellingen anders zijn dan de instelling bij normaal bedrijf.

2. Fase 1: opwarmperiode. De opwarmtijd van de tapwater warmtepomp wordt bepaald, waarbij het boilervat vanuit koude toestand (=10°C) wordt opgewarmd.

3. Fase 2: bepaling netto stilstandverlies. Gemeten wordt de hoeveelheid energie, die nodig is om het boilervat voor een periode van minimaal 24 uur op temperatuur te houden.

72 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

4. Fase 3: bepaling COP. Hierbij wordt het toestel onderworpen aan een standaard 24-uurs tappatroon.

5. Fase 4: tapkarakteristiek De tapkarakteristiek wordt bepaald bij de instellingen waarmee fasen 1 t/m zijn doorlopen.

Het voert in dit kader te ver om deze 5 fasen nader uit te schrijven en derhalve wordt verwezen naar het TNO-rapport.

7.1.6 Berekend opwekkingsrendement

7.1.6.1 CV-combiketel Aangezien in de praktijk alleen methode 2 wordt toegepast, wordt in deze paragraaf ook alleen deze methode behandeld. Het tapwaterzijdig opwekkingsrendement is:

owel

eltoeovtoeprim

ntg Q

Q

Q

;

;;; 6,3

η

η×+

=

waarin: ηtg = het tapwaterzijdig opwekkingsrendement, op onderwaarde [-]; Qn = de gemeten energie opgenomen in het tapwater [MJ]; Qtoe;el = het gemeten opgenomen elektriciteitsgebruik, incl. eventuele

hulpenergie [kWh]; Qprim;toe;ov = het gemeten opgenomen primaire energiegebruik, excl. elektrische

hulpenergie voor overige dan elektrische toestellen, op onderwaarde [MJ];

ηel;ow = het rendement van de elektriciteitsvoorziening, omgerekend naar onderwaarde.

Voor een combitoestel geldt:

ηopw;tap = ηtg;bw;jaar waarin: ηopw;tap = het opwekkingsrendement bij het gegeven tappatroon (de klasse) op

bovenwaarde [-]; ηtg;bw;jaar = het jaarrendement van de tapwaterfunctie op onderwaarde ηtg;jaar ,

berekend volgens methode 2, omgerekend naar bovenwaarde. In methode 2 is gesteld dat als voor gastoestellen het gebruiksrendement op tapwater een waarde heeft van ten minste 0,40 op bovenwaarde (warmtapwatertoestel klasse CW) mag het jaargebruiksrendement van de tapwaterfunctie, ηtg;jaar, met behulp van de volgende formule worden bepaald uit het winter- en zomerrendement (inclusief alle hulpenergie):

W

W

Z

Z

WZjaartg DD

DD

ηη

η+

+=;

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 73 / 81

waarin: ηtg;jaar = het jaargebruiksrendement van de tapwaterfunctie voor combitoestellen, op

onderwaarde; DZ = het aantal dagen in de zomerperiode (= 153); DW = het aantal dagen in de winterperiode (= 212); ηZ = het ‘zomerrendement’ inclusief alle hulpenergie, op onderwaarde; ηW = het ‘winterrendement’ inclusief alle hulpenergie, op onderwaarde. In de bepaling op basis van de forfaitaire omrekening gelden als rekenwaarden voor het zomer resp. winterrendement (inclusief alle hulpenergie):

ηZ = ηtg en ηW = ηtg + Kf × (ηcv-nom − ηtg ) waarin: Kf = een forfaitaire correctiefactor; ηZ = het zomerrendement inclusief alle hulpenergie, op onderwaarde; ηW = het winterrendement inclusief alle hulpenergie, op onderwaarde; ηtg = het tapwaterzijdig opwekkingsrendement, op onderwaarde, inclusief alle

hulpenergie; ηcv-nom = het vollastrendement onder nominale condities van de cv-functie, op

onderwaarde. Voor combitoestellen geldt Kf = 0,5.

7.1.6.2 Warmtepomp Het opwekkingsrendement COPtap van een warmtepomp voor warmtapwaterbereiding wordt bepaald als de verhouding tussen nuttig door de tapwater warmtepomp geleverde warmte, bepaald onder toepassing van het standaard tapprogramma van de desbetreffende klasse bij uitgeschakelde cv-functie (indien aanwezig), en de hoeveelheid opgenomen (elektrische) energie, die specifiek noodzakelijk is ten behoeve van de functie warm tapwater bereiding.

( ) 222

2

sttt

ttap PttE

QCOP×−−

=

waarin: Qt2 = de warmte-inhoud van het getapte warmwater in MJ Et2 = de hoeveelheid elektrische energie, die nodig is tijdens de tapperiode van

minimaal 24 uur in MJ tt2 = de periode, waarin tappingen zijn uitgevoerd in uren tt = minimale tapperiode van 24 uur Ps2 = netto stilstandverlies, d.w.z. het gemiddelde opgenomen vermogen van de

warmtepomp dat nodig is om de boiler op bedrijfstemperatuur te houden zonder dat er getapt wordt. Bij warmtepompen met ventilatielucht als bron dient deze grootheid zowel inclusief als exclusief ventilatorenergie te worden bepaald.

Zoals gesteld is het opwekkingsrendement uitsluitend geldig voor de gemeten klasse. Voor gastoestellen en warmtepompen geeft de bepalingsmethode voor de energie-prestatie forfaitaire correctiefactoren, waarmee een rekenwaarde voor het rendement voor een lagere klasse kan worden afgeleid uit het gemeten rendement voor een hogere klasse. Voor warmtepompen is het niet toegelaten het rendement gemeten bij een lagere klasse te gebruiken als (conservatieve) rekenwaarde voor een hogere klasse. De reden is dat bij gebruik in een hogere klasse de vergrote inzet van de (elektrische) bijstookvoorziening kan leiden tot een significante daling van het rendement.

74 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155



7.2.1.1 CV-combitoestel In GASKEUR-criteria CW-HRww:2003 zijn criteria opgenomen in het kader van certificering ten behoeve van de Gaskeur toestellabelling. Het jaargebruiksrendement dient ten minste te bedragen:

• ten behoeve van het CW-label o voor cv-combitoestellen: 45%; o voor cv-combitoestellen, die tevens het GASKEUR/HR-label dragen: 67%;

• ten behoeve van het HRww-label o voor combitoestellen met een winterwachttijd ≤ 15 sec.: 75%; o voor combitoestellen met een winterwachttijd > 15 sec.: 75% verhoogd met

1%-punt voor elke 3 sec. winterwachttijd meer dan 15 sec, tot 80%. Voor combitoestellen met een jaargebruiksrendement ≥ 80% geldt geen eis t.a.v. de toestelwachttijd onder wintercondities; onder zomercondities geldt de eis van ten hoogste 15 sec. Voor toestellen met het Gaskeur–label gelden de volgende opwekkingsrendementen. De bovenste twee regels hebben betrekking op losse toestellen, zoals geisers en gasboilers. De onder drie regels hebben betrekking op combitoestellen.

Tabel 7.4 Opwekkingsrendement gasgestookte warmtapwatertoestellen en combitoestellen

Label

Opwekkingsrendement (bw)

Opwekkingsrendement (ow)

gas gestookt warmtapwatertoestel CW 0,40 0,44 gas gestookt warmtapwatertoestel HRww

0,625 0,69

gas gestookt combitoestel CW 0,50 0,56 gas gestookt combitoestel HR/CW 0,60 0,67 gas gestookt combitoestel HRww 0,675 0,75

Deze rendementen omvatten het hulpenergiegebruik. Bij combitoestellen wordt het stand-by verbruik geheel toegerekend aan de verwarmingsfunctie. Deze rendementen gelden uitsluitend bij een taphoeveelheid conform de comfortklasse waarbij het toestel is beproefd. Bij een lagere taphoeveelheid zal het rendement in de regel lager uitvallen. De NEN 5128 geeft een benaderingswijze voor deze reductie. Naast labels geeft Kiwa-Gastec ook kwaliteitsverklaringen af voor toestellen die beter presteren dan het label. Momenteel zijn er verschillende combitoestellen waarvoor een opwekkingsrendement van 80 % op bovenwaarde / 90 % op onderwaarde wordt bereikt.

7.2.1.2 Warmtepomp Gemiddelde waarden voor COPtap zijn: Toestel COPtap WP-boiler 2,2 tot 4,05 Combitoestel, met water als bron 2,2 tot 2,8 Combitoestel, met brijn als bron 2,0 tot 2,5 Tabel 7-5 en Tabel 7-6 geven geanonimiseerde TNO-meetresultaten voor COPtap.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 75 / 81

Tabel 7.5 Geanonimiseerde meetresultaten COPtap met vloeistof als bron

Tapklasse Meetjaar

Type bron 1 2 3 4

Boilerinhoud [ltr]

2002 2,06 250

2,11 250 2004 Water 2,4 200

Brijn 2,18 200 Water 2,48 200 Brijn 2,13 200

2005 Water 2,43 180 Water 2,09 180 Brijn 2,25 Water 2,68 Brijn 2,41 Water 2,39 165 Water 2,23 150 Brijn 2,02 150 Water 2,38 150 Brijn 2,05 150

2006 Brijn 2,2 175 Brijn 2,2 175 Water 2,3 160 Brijn 2,11 160

2007 Water 2,16 Brijn 1,92 Water 2,2 200 Brijn 1,9 200 Water 2,32 290 Brijn 1,98 290 Water 2,64 160 Brijn 1,69 163

2008 Brijn 2,27 Water 2,21 160 Water 2,17 180 Brijn 1,98 180 Water 2,11 180 Brijn 2,03 180 Brijn 2,76 150 Water 3,1 3,06 150 Water 2,66 2,71 150

2009 Water 2,48 162 Water 2,63 162 Water 2,65 162

76 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

Tabel 7.6 Geanonimiseerde meetresultaten COPtap voor warmtepompboilers

Tapklasse Incl. ventilatorenergie Excl. ventilatorenergie

Meetjaar 3 4 3 4 2000 1,76 1,94 2,17 2,34

2,34 2001 1,89 2,08 2,20 2,35

2,31 2002 1,76 2,37

2,39 2,42 1,79 1,86 2,54 2,86 3,32 3,51 2,87

2004 4,05 2005 3,63 2006 3,27

3,26 2007 2,83 2009 2,18 2009 2,61 2009 2,63 2009 2,74

De Stichting Energie Prestatie Keur (EPK) beheert sinds 2008 het Warmtepompkeur, dat voorheen Kwaliteitskeur Warmtepompen heette. Dit keurmerk geeft de garantie dat de gebruikseigenschappen en de energieprestaties van het product, waarvoor het betreffende keurmerk is afgegeven, voldoen aan de eisen die vooraf zijn opgesteld en onafhankelijk beoordeeld door het College van Deskundigen. Aspecten waarop de tapwater warmtepomp in het kader van de prestatie-eisen wordt beoordeeld zijn:

• Opwekkingsrendement COPtap • Aanwarmtijd • Gelijkmatige warm tapwater temperatuur • Stilstandverlies

De EPK eist de volgende minimale COPtap. Bron Minimale COPtap

Buitenlucht 1,90 Ventilatielucht 1,90 Grondwater 2,10 Brijn 1,90 De hulpenergie, die specifiek wordt aangewend voor de functie warm tapwater bereiding, wordt in de

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 77 / 81

berekening van de COPtap betrokken. Hulpenergie, die primair voor een andere functie wordt aangewend, wordt niet aangemerkt als opgenomen energie van de tapwater warmtepomp. Dit is onder andere het geval bij tapwater warmtepompen, die gebruik maken van ventilatielucht als warmtebron. Op vergelijkbare wijze als voor combitoestellen gelden deze rendementen uitsluitend bij een taphoeveelheid conform de comfortklasse waarbij het toestel is beproefd. Bij een lagere taphoeveelheid zal het rendement in de regel lager uitvallen. De NEN 5128 geeft een benaderingswijze voor deze reductie.


7.2.2.1 CV-combitoestellen Naar verwachting zal het opwekkingsrendement volgens de Gaskeur methode kunnen oplopen tot maximaal 85-90% op bovenwaarde ofwel 95-100% op onderwaarde.

7.2.2.2 Warmtepomp De verwachting voor 2020 is dat de hogere COP’s anno 2009 gangbaar zullen zijn in 2020 en dat de hogere COP’s 0,5 punt zullen stijgen. Een betere energetische prestatie is mogelijk door:

• Hogere brontemperatuur, bijv. uit afvalwarmte • Betere warmteoverdracht tussen het op te warmen tapwater en de condensor,

bijv. door geen tussenmedium te gebruiken. • Vermindering van het warmteverlies van het voorraadvat. • Verlaging van temperatuur van het tapwater in combinatie met een

doeltreffende anti-Legionella voorziening.

7.2.3 Robuustheid gemeten energieprestatie

Het opwekkingsrendement wordt bepaald met een onnauwkeurigheid van ten hoogste 5%, wat bij een COP van 3,5 overeenkomt met ca. 0,2 COP-punt. Van de mogelijkheden om binnen de marges van de toegestane meetinstellingen rendementsverschillen te realiseren zijn geen ervaringen.


7.3.1 CV-combitoestel

Voor een individuele HR-ketel is het eenwaardig opwekkingsrendement als volgt gedefinieerd:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηtwHRinelek

twHRprim

twnuttigtwW Q

Q

QEOR

,,,,,

,,

78 / 81 TNO-rapport | 034-APD-2010-00155

De EORW,tw is identiek aan het opwekkingsrendement op onderwaarde, zoals bepaald volgens de methode van Gaskeur-CW (zie 7.2.1.1).

7.3.2 Warmtepomp

Voor de warmtepomp is het eenwaardig opwekkingsrendement als volgt gedefinieerd:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

ηtw,WP,in,elek

tw,WP,prim

tw,nuttigtw,W Q

Q

QEOR

Als verondersteld wordt dat de energie uit de bron gratis is, dan is Qprim,wp,tw=0 en is voor een elektrische warmtepomp de EORw,tw de COP-waarde voor warmtapwater, zoals bepaald volgens 7.2.1.2, vermenigvuldigd met het rendement van de elektriciteitsopwekking.


De energetische prestatie in de praktijk kan afwijken/lager zijn dan die gemeten onder laboratoriumomstandigheden. Mogelijke oorzaken zijn:

• Installatiefouten: o onnodig lange leidingen; o slecht/niet inregelen van het brondebiet, waardoor deze te laag is; o verkeerde instelling van de regelingen.

• Bewonersgedrag o tapgedrag, bijv. onnodig de warmwaterkraan openen bij korte tapping

van koud water (komt nogal eens voor bij een eengreepsmengkraan); o verstelling van de toestelinstellingen.

Warmtepomp

Qelek,in,WP,cv/tw Qtrans,wo

Qprim,WP,cv/tw Qnuttig,cv

Qnuttig,tw

HR-ketel

Qelek,in,HR Qtrans,wo

Qprim,HR Qnuttig,cv

Qnuttig,tw

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 79 / 81

• Slecht/geen onderhoud. Dit speelt vooral bij warmtepompboilers, waarbij de volumestroom van de ventilatielucht in de tijd kan afnemen door vervuiling van filters.

TNO-rapport | 034-APD-2010-00155 81 / 81

8 Verantwoording

Naam en adres van de opdrachtgever:

Agentschap NL

Namen en functies van de projectmedewerkers:

Jan Afink, Tjerk Epema, Harm Schiphouwer en Hans van Wolferen

Datum waarop, of tijdsbestek waarin, het onderzoek heeft plaatsgehad:

december 2009 – maart 2010

Ondertekening: Goedgekeurd door:

Ir. L.J.A.M. Hendriksen Ing. R.A. Brand projectleider afdelingshoofd

Documents

TNO-rapport Opwekkingsrendementen lokale technieken onder