(Ver)koelen met een warmtepomp, vloerkoeling.

Een van de voordelen van een vloerverwarmingssysteem is dat je naast verwarmen in de winter, kan verkoelen in de zomer.
Dat geeft een aangenaam binnenklimaat. 

Verkoelen met een vloersysteem

Met een vloersysteem kun je minder diep koelen dan met een airco (lucht/lucht) toestel.  Met vloerkoeling ben je, in tegenstelling tot een airco, ook niet aan het ontvochtigen. Maar vloerkoeling geeft wel een flinke comfort verhoging aan het binnenklimaat. Bij vloerkoeling spreken we eerder over verkoelen dan over koelen. 

Verwarmen en vloeroppervlak.

Als het zou moeten kun je met 'vloerverwarming' wel 80 Watt per m² vermogen overdragen voor het verwarmen van een ruimte. Bij een warmtepompinstallatie gaan we echter uit van ongeveer 40 Watt per m² vloerverwarming voor het verwarmen van een ruimte. Dit omdat we de aanvoertemperatuur zo laag mogelijk willen houden voor een zo hoog mogelijk rendement (COP) van het proces.  We kiezen dan vaak ook voor een hart- op hart afstand van de vloerverwarmingsbuizen van 10 cm en nemen bijvoorbeeld 16- of  20 mm dikke slang.  Hoe meer oppervlak van het materiaal (slang) hoe lager de aanvoertemperatuur tijdens verwarmen kan blijven.   Als we gaan verwarmen met vloerverwarming gaan we bijvoorbeeld met 35°C water aanvoer (als het buiten -10°C is) door de vloerbuizen heen met het doel om de kamertemperatuur tot 22°C te kunnen verwarmen.  Tussen onze 'bron' en 'doel' zit dan (35-21=) 14 °C temperatuurverschil. Dat maakt dat dit goed te doen is met bijvoorbeeld 16mm buis, hart op hart 10 cm. We kunnen dan makkelijk 40 Watt per m² vloerverwarming  aan vermogen overdragen voor verwarming van een ruimte.  Verwarmen met vloerverwarming doen we met een delta T van bijvoorbeeld 7°C bij - 10°C buiten temperatuur: 35°C aanvoer en 28°C retour (35 - 28 = 7 = delta T) dit geeft (na een tijdje) een gemiddelde vloertemperatuur van ((35+28):2=) 31,5 °C

Koelen en vloeroppervlak.

Als het gaat over 'verkoelen' van een ruimte, kun je vaak niet meer dan 20 Watt per m² vloeroppervlak onttrekken aan een ruimte!

In principe wil warmte altijd naar koude toe, dat is natuurkunde/theorie. Daarbij volgt hoe groter het temperatuurverschil tussen warmte en koude, hoe makkelijker de warmte naar de koude gaat.  Als we gaan verkoelen met een vloerbuizensysteem gaan we met 18°C water aanvoer door de vloerbuizen heen met het doel om de kamertemperatuur tot 24°C terug te kunnen koelen.  Tussen onze 'bron' en 'doel' zit dan (24 -18 =) 6 °C temperatuurverschil. Bij 16- of 20mm buis, hart op hart 10 cm, kunnen we dan circa 20 Watt per m² warmte onttrekken uit het vertrek.

Lager dan 18°C wateraanvoer door de vloer brengt ons al snel onder het 'dauwpunt'. Dat zou condens op de vloer kunnen betekenen en dat is iets wat we niet willen, vandaar die 18°C als aanvoertemperatuur.

Met andere woorden er is dus beperkt koelvermogen met een vloerbuizensysteem!  Als je meer koelvermogen wil kun je dit bijvoorbeeld oplossen door gebruik te gaan maken van plafondkoeling. In het plafond worden dan ook buizen (net als bij vloerverwarming hart op hart 10 cm) aangebracht. Je maakt dan het overdrachtsvermogen in de ruimte groter. 20 Watt per m² in de vloer en (omdat de delta T onder het plafond net iets groter is) 21 Watt per m² in het plafond en dat maakt samen 41 Watt per m².  Dan kun je behoorlijk verkoelen.  Koelen doen we met een delta T van 3°C, 18 °C aanvoer en 21°C retour. Dit geeft (na een tijdje) een gemiddelde vloertemperatuur van ((18+21):2=)  19,5 °C

Bij verwarmen is 21 °C het doel in een woning, voor koelen (met vloerkoeling) is dit 24°C ruimtetemperatuur!

Waarom zou je, als het buiten erg warm is,  je woning naar 20°C terug gaan koelen ?  24°C is prima te doen en t.o.v. buiten voelt dit al aangenaam aan. Als je op tijd gaat koelen is die 24°C haalbaar.  Bedenk daarbij wel dat zonwering aan de buitenkant van de woning nodig is. Als de zon door het raam heen op de vloer straalt heb je geen vloerkoeling maar een zonnecollector in je vloer, daar valt niet tegenop te koelen.  Lager dan 24°C ruimtetemperatuur is lastig haalbaar met alleen een vloersysteem. Onder de 24°C wordt het overdrachtsvermogen nog beperkter.  Wellicht is het met Passief koelen te halen (door op tijd het koelen te starten en lang door te gaan) maar met Actief koelen loop je al snel tegen problemen aan.  

Passief koelen met bodemenergie, het perfecte plaatje.

Met een warmtepomp op bodemenergie kun je goedkoop en probleemloos een woning verkoelen. Uiteraard geld ook hier het eerder genoemde  haalbaar vermogen van 20 Watt per m² vloeroppervlak. Uit de bodem wordt water gehaald van zo'n 10 °C welke over een platenwisselaar wordt gestuurd. Aan de andere kant van de wisselaar loopt het cv-water met 18°C de vloer in. Er zit een mengklep in dit systeem die de retour van het vloerwater gaat mengen met de koudere temperatuur uit de wisselaar, om zodoende precies op 18°C aanvoer uit te komen. Voor dit PASSIEF koelproces is geen compressor nodig. Dat maakt het koelen goedkoop en probleemloos. Wat er eigenlijk gebeurt is dat de warmte uit de woning naar de koude, die door de buizen loopt, wordt overgedragen. De warmte uit de woning komt in de zomer in de bodem terecht.  We noemen dit 'Regenereren'. We brengen in de zomer warmte in de bodem om deze warmte in de winter weer naar boven te halen en zodoende in de winter een beter rendement voor verwarmen te kunnen krijgen. Eigenlijk ben je met een warmtepomp op bodemenergie min of meer verplicht om in de zomer je woning te (ver)koelen. Omdat dit nauwelijks energie kost (er draaien alleen wat circulatiepompjes) is dit geen punt. Je wint hierdoor rendement in de winter en krijgt een aangenaam binnenklimaat in de zomer.  Omdat er geen compressor nodig is noemen we dit PASSIEF koelen. 

Passief koel animatie

In bovenstaande (zich steeds herhalende) animatie zie je dat het koude water uit de bodem, middels driewegklep C, tijdens koelen over koel-wisselaar D wordt gestuurd. Het warmere water wat uit de vloer F komt, wordt middels pomp E en regelklep G over de koel-wisselaar gestuurd. De warmte uit de vloer wordt nu afgegeven aan het koudere water uit de bodem. Hiermee koelt het water in de vloer af naar ongeveer 18 °C (de regelklep stuurt naar deze temperatuur). De warmte uit de woning wordt in de zomer naar de bodem gebracht, we zijn dan de bodembron aan het regenereren. Op deze manier kan er goedkoop worden gekoeld en warmen we de bodem wat op zodat we in de winter de warmte weer kunnen gebruiken om te verwarmen. 

Actief koelen, met een lucht-water-warmtepomp, kan lastig zijn en problemen geven.

Lucht/water warmtepompen zijn vaak ook geschikt voor het koelen van een woning. Alle lucht/water warmtepompen die bij een buitentemperatuur lager dan 7°C nog kunnen verwarmen zijn voorzien van een 'omkeerfunctie'.  In het toestel zit een 4-weg klep welke de 'verdamper' kan wisselen met de 'condensor'. Dit omdat er in die toestellen dan een 'ontdooi functie' moet zitten. 
Hierdoor is meteen het toestel vaak ook geschikt om in de zomer te kunnen koelen.  De woning kant wordt dan de verdamper kant van het toestel, daar wordt energie onttrokken en de wisselaar buiten wordt dan de condensor, daar wordt de warmte die uit je woning wordt onttrokken 'gedumpt'. 

In bovenstaande schematische weergave zie je de 4 wegklep zitten. Door naar de pijl richting te kijken ontdek je dat de 4 wegklep de condensor en verdamper met elkaar omwisselt.  Energie ontrekken en afgeven draai je daarmee om. 

Vanwaar dat er soms problemen zijn tijdens het actief koelen ?

De lucht/water warmtepomp wordt in de BeNeLux bijna altijd uitgekozen op het verwarmingsvermogen welke bij -10°C buitentemperatuur door het toestel geleverd kan worden. Op dat moment moet de warmtepomp het 'warmteverlies' van de woning kunnen dekken. 

In een zeer goed geïsoleerde nieuwbouwwoning van 150 m² Gebruiks Oppervlak (GO)  komt bijvoorbeeld een modulerende warmtepomp van 6 kW.  Dat vermogen is nodig om in de winter voldoende energie te kunnen leveren om de de woning warm te houden.  Het modulatiebereik van een warmtepomp is vaak 1 op 4 . Dat betekend in dit voorbeeld 1,5 - 6 kW modulatie bereik (toerental compressor).  Het minimaal koelvermogen is logischer wijs iets lager dan het minimaal verwarmingsvermogen. Maar in de praktijk zien we regelmatig dat het minimaal koel vermogen gelijk is aan het minimaal verwarmingsvermogen of soms zelfs hoger. Dat heeft te maken met de zgn. 'enveloppe' van het toestel. Met de 'enveloppe' worden de eigenschappen en daar bij behorende grenzen van het werkingsgebied bedoeld. 

Het minimaal koelvermogen treft u in de handleiding / technische specificaties van uw toestel. 

Stel nu dat het minimaal koelvermogen van de gekozen lucht/water warmtepomp 1,5 kW is. 
Dan is er dus 1500 Watt (is 1,5 kW) : 20 watt per m² = 75 m² vloerverwarming nodig (wat we nu vloerkoeling noemen). 

Als de woning daadwerkelijk alleen beneden vloerverwarming heeft, 42 m² bijvoorbeeld, dan is er dus (75-42=) 33 m² te weinig om energie te onttrekken. De warmtepomp zal dan veel start- en stops gaan maken met korte draaitijden. Sterker nog hij loopt waarschijnlijk steeds tegen lage druk storingen aan omdat er te weinig energie kan worden onttrokken in de verdamper. 

Met 42 m² vloerkoeling kun je (x 20 watt per m²) 840 Watt aan warmte onttrekken. Dat is dus 1500 minus 840 = 660 Watt te weinig.  Deze zal op een andere manier onttrokken moeten worden om het toestel goed te kunnen laten draaien. Je zou op de bovenverdieping een convector die 660 Watt kan koelen kunnen plaatsen. 

Foto: Jaga Strada - Hybird welke kan koelen en verwarmen.

Je kan dan boven ook meteen koelen, sterker je moet in dit geval dan boven ook verplicht koelen. Je kunt ook overwegen om ze op de benedenverdieping bij te plaatsen, maar dan heb je daar teveel koelvermogen. Je krijgt dan de kamertemperatuur lager dan 24°C, maar op dat moment gaat de vloerkoeling nog slechter presteren. Dat is dus een minder goed idee. 
 

Ook een buffervat kan (net als bij verwarmen) helpen. 

Verwarmen met een delta T van 7°C 

De ISSO stelt dat de minimale draaitijd (aan tijd) van een compressor minimaal 10 minuten moet zijn. In een buffer kun je ook energie kwijt. Bij verwarming zorgt de buffer er voor dat, bij toepassing van zoneregelaars, de warmte tijdelijk in de buffer kan worden opgeslagen als de thermostatisch gestuurde afgiftesystemen dicht lopen of deels dichtgelopen zijn. De buffer zorgt ervoor dat het minimaal verwarmingsvermogen tijdelijk kan worden opgeslagen. Vaak is het uitgangspunt van de buffer in een installatie bepaalt op het verwarmen van de woning met een delta T van 7°C. 

Voor verwarmen wordt de bufferinhoud als volgt bepaalt:

Stel dat het minimaal verwarmingsvermogen van het toestel ook 1,5 kW is, dan is bij 1,5 kW en een delta T van 7K  (zie tabel hierboven) 0,18 m³ per uur debiet nodig. 0,18 m³ per uur is gelijk aan 180 liter per uur. 
Voor 10 minuten (1/6 deel van een uur) is dus een waterhoeveelheid nodig van 180 : 6 = 30 liter. 
Bij een geheel na-geregeld systeem (zoneregeling) welke dicht kan lopen is dit dan meteen de benodigde bufferinhoud bij deze voorbeeld warmtepomp. 

Het kan ook sneller, met een kengetal:  Voor verwarmen is 20 liter per kW (minimaal) vermogen systeem inhoud nodig.

1,5 kW minimaal vermogen  x 20 liter  = 30 liter systeeminhoud is nodig (dit is gebaseerd op een delta T van 7k).

Stel nu dat er geen zoneregelaars zijn, dat tijdens verwarmen altijd de 42 m² vloerverwarming volledig is geopend, er altijd water door heen kan stromen. Als er 16 mm slang in de vloer zit met een hart op hart afstand van 10 cm, dan zit er (zie tabel hieronder) 42 m² x 1,1 liter = 46,2 liter water in de vloer. Dan is er dus geen buffer nodig voor verwarmen. 

Waterinhoud in de vloer:

Koelen met delta T van 3k

Bij koelen werken we met een delta T van 3k te weten 18 °C aanvoer en 21°C retour. De gemiddelde vloertemperatuur is dan 19,5 °C.  Om die lagere delta T tijdens koelen waar te kunnen maken is meer water debiet nodig (meer flow).  

1,5 kW minimaal koelvermogen en een delta T van 3k geeft een debiet van 0,43 m³ per uur. (430 liter per uur  / zie tabel)

Echter! we willen de buffer tijdens koelen niet te koud maken, want dan komen we later met dit te koude water onder het dauwpunt in de vloer. Steeg bij verwarmen de temperatuur met 7k (7°C) tijdens het bufferen, bij koelen willen we de temperatuur in de buffer met slechts 1k beïnvloeden, slechts 1k in temperatuur laten zakken om zodoende niet onder het dauwpunt in de vloer te komen. Ook bij koelen gaan we uit van een minimale compressor aan tijd van 10 minuten ! Daarna kan deze eventueel even uit om later weer voor minimaal 10 minuten tijd aan te gaan. De buffer koelt dus iets af tijdens de 10 minuten draaitijd, vervolgens is de compressor minimaal 10 minuten uit. Het circulatiepompje in het syteem blijft echter door draaien, waardoor de retourtemperatuur uit de vloer (21°C) er voor zorgt dat de buffer weer wat in temperatuur wordt opgetild. Om zodoende bij de volgende 'aantijd' weer koude te kunnen bufferen. 

Voor bepaling van de KOELBUFFER gaan we anders te werk: 

Eerder op deze pagina hadden we deze situatie:

Woning met 42 m² vloerverwarming (vloerkoeling) en een minimaal koelvermogen van de warmtepomp van 1,5 kW.

Met 42 m² vloerkoeling kun je (x 20 watt per m²) 840 Watt aan warmte onttrekken. Dat is dus 1500 minus 840 = 660 Watt te weinig.  Deze zal op een andere manier onttrokken moeten worden om het toestel goed te kunnen laten draaien. We gaan dit nu oplossen met een buffervat:  De 660 Watt, we noemen dit resterend vermogen, gaan we onttrekken in de buffer, we bufferen dan eigenlijk wat koude, maar koelen de buffer (tijdens het bufferen) niet verder af dan 1°C.

We nemen deze formule:

qv is volumestroom in m³/seconde
p is soortelijke massa water 998 kg/m³
c is soortelijke warmte water 4,19 J/kg.k
dT is delta T

660 Watt : (998 x 4,19 x 1) =
660 Watt : (4181,62) = 0,157833566 m³ per seconde
x 600 seconden ( is de 10 minuten draaitijd) = 94,7 liter

De bufferinhoud wordt dus, afgerond naar boven, 100 liter.

Of via kengetal: 
Resterend vermogen in kW x 145 = buffer inhoud
Dan komen we op 0,660 kW x 145 = 95,7 liter  (afgerond een 100 liter buffer)
 

We gaan er van uit dat tijdens het koelen het gehele vloerverwarmingssysteem (dan koelsysteem) open is. Door alle slangen stroomt tijdens koelen 'koud' water.  Hadden we voor verwarmen, met een geheel geopend vloersysteem, net geen buffer nodig. Voor koelen hebben we dat in dezelfde woning wel , zo blijkt uit bovenstaand.

Resumé: 

Actief koelen met een vloersysteem (bij een lucht/water warmtepomp) pas starten als de ruimtetemperatuur boven de 24 °C komt! 

Kengetal van de buffer: Resterend vermogen (wat niet kan worden onttrokken in de vloer) x 145 liter = bufferinhoud ! 

De curve van de warmtepomp wordt ingesteld op een regeltemperatuur van 18°C aanvoer tijdens koelen.  Als de warmtepomp voor de allereerste keer in het seizoen gaat koelen, zal het vloeroppervlak redelijk warm zijn. Op dat moment kan er goed energie worden onttrokken. Is de vloer eenmaal op 19,5 ° C dan wordt het iets lastiger om energie te onttrekken, zolang de ruimte temperatuur 24 °C of hoger is gaat het prima en halen we de 20 Watt per m² bij toepassing van voldoende slang in de vloer (16 of 20 mm  hart op hart 10 cm). De warmtepomp onttrekt tot de 18°C aanvoer is bereikt energie in de vloer en in de buffer. Na 10 minuten zal deze waarschijnlijk gehaald zijn en dan stopt de compressor (in ons bovenstaand voorbeeld) het circulatiepompje, wat het water rond pompt, blijft echter draaien. Daardoor zal de temperatuur langzaam weer oplopen in het systeem, de warmte in de vloer en woning blijft in het koude water binnendringen, hierdoor wordt de buffer weer opgetild in temperatuur. Zodat we dadelijk met de compressor in de vloer en in het buffervat opnieuw energie kunnen onttrekken zonder problemen te veroorzaken. Met de koude in de buffer kunnen we dus, als de compressor al gestopt is, toch iets langer door koelen. 

Een 2e (wat sneller)  actief koelen voorbeeld ter verduidelijking:

Woning met een modulerende lucht/water warmtepomp, vermogen voor verwarming 4 – 12 kW.
Minimaal koelvermogen van het gekozen toestel: 3,2 kW  

In deze woning is  70 m² vloerverwarming altijd open tijdens koelen.  

70 m² x 20 Watt per m²  = 1400 Watt vermogen om te koelen beschikbaar (bij een ruimte temperatuur van 24°C)

Resterend is dan 3200 Watt (minimaal koelvermogen) – 1400 Watt (in de vloer)  = 1800 Watt (1,8 kW)

Volgens kengetal volgt dan als buffer voor koelen:  1,8 kW (resterend vermogen) x 145 liter is een buffer van 261 liter. 

Of officieel met de formule:

1800 Watt  : (998 x 4,19 x 1) = 
1800 Watt : (4181,62) = 0,430455182  m³ per seconde debiet.
x 600 seconden (10 minuten) = 258,27 liter.

Bij koelen is dus vaak een grotere bufferinhoud nodig dan bij verwarmen.

Nogmaals ter verduidelijking dit geld voor ACTIEF koelen met bijvoorbeeld een lucht/water warmtepomp.
 

Bij bodem energie (Passief Koelen) kan een regelklep over de wisselaar nemen wat het aan vermogen nodig heeft, dan is er geen minimaal koelvermogen. Voor koelen is dan geen buffer nodig!
 

Noot: Ook bij PVT panelen als bron voor de warmtepomp kun je alleen ACTIEF koelen. Er is immers in de zomer geen koude op je panelen. Bij actief koelen kijk je dus altijd naar het 'minimaal koelvermogen' wat de warmtepomp minimaal moet doen om te kunnen werken binnen zijn werkgebied (enveloppe). Als het nodig is plaats je een buffervat, alleen op die manier is een lange levensduur van je toestel mogelijk. De levensduur van een compressor is sterk afhankelijk van het totaal aan start- en stops welke deze heeft gemaakt. 

Meer over buffervaten: https://warmtepomp-tips.nl/warmtepomp/buffervat/