Dynamische productie en opslag van sanitair warm water

Wat is het?

Voor de productie van sanitair warm water (SWW) zijn er ruwweg twee gebruikte methodes: doorstroom en accumulatie. Bij doorstroom of ogenblikkelijke SWW-productie wordt water verwarmd op het moment dat het afgenomen wordt. Installaties die op deze manier werken zijn bijvoorbeeld klassieke gasgeisers, gasketels zonder boiler (ingebouwd of extern) en elektrische doorstromers. Bij accumulatie of opslag wordt gebruik gemaakt van een opslagvolume waarin SWW wordt gebufferd. Voorbeelden van dergelijke installaties zijn onder meer gas- of mazoutketels met een ingebouwde of externe boiler, warmtepompboilers en elektroboilers.

Een van de nadelen van doorstroomtoestellen, is dat een relatief hoog vermogen nodig is om het water ogenblikkelijk tot op de gewenste temperatuur te brengen. Hoe meer water je op korte termijn wil tappen, hoe hoger het nodige vermogen, je spreekt al snel over 15-25 kW en meer. Zeker voor elektrische installaties kan dit een probleem vormen, gezien energie-efficiënte toestellen zoals warmtepompen, vaak niet geschikt zijn om ogenblikkelijk een hoog vermogen te leveren. Toestellen met een elektrische weerstand kunnen dit wel. Er moet dan echter wel rekening mee gehouden worden dat de capaciteit (het beschikbare vermogen) van de aansluiting van een woning op het elektriciteitsnet meestal beperkt is tot 9 of 13 kW (veel minder dan bijvoorbeeld het beschikbare vermogen van een aardgasaansluiting). De afname van hoge vermogens wordt in Vlaanderen bovendien financieel ontmoedigd via de invoering van het capaciteitstarief (zie hiervoor ook de pagina over opvolging van energieverbruik en kosten). Andere nadelen van doorstroomtoestellen zijn onder meer:

de wachttijd tussen het openen van de kraan en de beschikbaarheid van warm water,
de nood aan een minimaal waterdebiet (de ‘tapdrempel’) waarbij het toestel in werking treedt.

Figuur 1: Bij de meeste compacte gasketels wordt SWW geproduceerd op het moment dat het afgenomen wordt (= SWW-productie in doorstroom). Bron: Shutterstock.

Figuur 2: Bij een elektroboiler wordt het geproduceerde SWW opgeslagen in een opslagvolume (= SWW-productie met accumulatie). Bron: Shutterstock.

Bij installaties met accumulatie wordt op voorhand een hoeveelheid SWW geproduceerd en opgeslagen in een opslagvolume (boiler). De nadelen van deze methode zijn onder meer dat de maximale hoeveelheid SWW die afgenomen kan worden, gelimiteerd is door de grootte van het opslagvolume: “op is op”, en het opnieuw op temperatuur brengen kan enige tijd duren. Een opslagvolume verliest ook voortdurend warmte aan de omgeving waarin het opgesteld staat. Voordelen van SWW-productie met opslag zijn dan weer dat in functie van de oplaadtijd een opwekker met een lager vermogen (bv. een warmtepomp met beperkt piekvermogen) kan worden gebruikt om het opslagvolume op te warmen.

Bij klassieke installaties met accumulatie zal, zeker bij elektrische warmteopwekkers, typisch met een relatief groot opslagvolume gewerkt worden, om op ieder moment te kunnen voldoen aan de vraag naar SWW.

Bij een eenvoudige elektroboiler zal bij afname van een voldoende grote hoeveelheid SWW, de temperatuurverdeling in het opslagvolume veranderen. Als die verandering ervoor zorgt dat de temperatuur ter hoogte van de sensor zakt onder een ingestelde waarde, zal de aquastaatregeling ervoor zorgen dat de elektrische weerstand inschakelt. Wanneer de temperatuur ter hoogte van de sensor terug een ingestelde waarde bereikt, schakelt de aquastaatregeling de opwekker terug uit. Merk op dat de temperatuurverdeling in de boiler niet homogeen is: er treedt stratificatie op (zie de pagina over elektroboilers). De aquastaatregeling zal dus pas in werking treden wanneer de koude laag (door toevoeging van koud water onderaan de boiler bij afname van SWW bovenaan de boiler) de temperatuursensor bereikt.

Het aansturen van de opwekker kan bij een systeem met een opslagvolume echter ook dynamisch gebeuren: zowel het gebruikte vermogen als de timing van het inschakelen van de opwekker kunnen dan flexibel ingesteld worden, in functie van factoren zoals:

werkelijke vraag,
beschikbaarheid van hernieuwbare energie,
energietarieven,
balanceren van het elektriciteitsnet.

Bij dat regelen moet rekening gehouden worden met randvoorwaarden zoals:

comfort van de eindgebruikers (beschikbaarheid SWW op de gewenste momenten: afstemming met verbruikspatronen),
technische limieten zoals
- de maximaal toelaatbare temperaturen in het opslagvolume
- de minimale inschakeltijd van de opwekker
- de mogelijkheden om het vermogen van de opwekker te regelen (moduleren),
warmteverlies naar de omgeving,
gezondheidsoverwegingen zoals legionellapreventie.

Enkele voorbeelden van toepassingen die beschouwd worden als een dynamische regeling voor SWW-productie en -opslag:

afstemmen van productie op werkelijk verbruik,
optimaliseren van elektrisch zelfverbruik en/of inspelen op energietarieven,
balanceren van het elektriciteitsnet,
vermijden van legionella door periodieke opstook.

Hoe werkt het?

Hieronder worden de toepassingen uit het vorige hoofdstuk verder toegelicht.

Afstemmen van productie op werkelijk verbruik

Deze toepassing bestaat erin het opslagvolume dat op temperatuur gehouden wordt zo goed mogelijk af te stemmen op de werkelijke vraag naar SWW van de eindgebruikers.

Deze afstemming op de verbruikspatronen kan manueel ingesteld worden, bijvoorbeeld via een statisch tijdsschema dat rekening houdt met langdurige afwezigheden (bv. tijdens vakantieperiodes) en gekende repetitieve verbruikspatronen bij normaal gebruik van het gebouw.

Dit schema kan eventueel dynamisch aangepast worden door de eindgebruiker (bv. gebruik makende van een smartphone app). Zo kan men bijvoorbeeld tijdelijk rekening houden met uitzonderlijke verbruikspatronen (bv. bij een afwijkend aantal gebouwgebruikers) of kan het ingestelde tijdsschema beter afgestemd worden op de werkelijke noden.

Er bestaan tot slot ook systemen die de verbruikspatronen automatisch analyseren (bv. tijdstippen en volumes), op basis hiervan de verwachte vraag voorspellen en deze gegevens vervolgens gebruiken om de warmteopwekker aan te sturen. Deze mogelijkheid kan worden toegepast voor gebouwen met een relatief constant en repetitief verbruikspatroon, maar niet in gevallen met een (sterk) variabel patroon.

Figuur 3: Door het analyseren van werkelijke verbruikspatronen, kan de productie van SWW beter afgestemd worden op de vraag. Dit voorbeeld toont het verbruik van SWW over een periode van een dag voor een appartementsgebouw met vijf wooneenheden.

Optimaliseren van elektrisch zelfverbruik en/of inspelen op energietarieven

Bij elektrische warmteopwekkers voor SWW (bv. m.b.v. weerstanden of warmtepompen) kan de aansturing van de opwekker afgestemd worden op de energietarieven en/of de beschikbaarheid van hernieuwbare energie.

De geproduceerde elektriciteit van een PV-installatie kan bijvoorbeeld gebruikt worden om het water in een opslagvolume op te warmen. Zo kan de opgewekte elektriciteit maximaal zelf worden verbruikt en wordt de injectie op het net beperkt.

In principe vereist dit ook dat het vermogen van de warmteopwekker kan worden gestuurd en beperkt tot de echte overschotten. Bijvoorbeeld: als er een overschot is van 1000 W, is het met het oog op een maximaal zelfverbruik niet aangewezen dat een elektrische weerstand ineens 2500 W gaat opnemen. Zowel voor weerstandsverwarming als voor warmtepompen zijn daarvoor aanvullende voorzieningen nodig die bijvoorbeeld de mogelijkheid bieden om het afgenomen vermogen van de warmteopwekker te moduleren.

Figuur 4: Door het verbruik van installaties zoals elektrische warmteopwekkers voor SWW af te stemmen op de opwekking via hernieuwbare energie, kan het zelfverbruik geoptimaliseerd worden. Hier gebeurt dit via een moduleerbare warmteopwekker en een thuisbatterij.

Een andere mogelijkheid om variaties in het beschikbaar vermogen aan hernieuwbare energie (en de hierboven aangehaalde mismatch) op te vangen, is het bufferen van een deel van de opgewekte elektrische energie in een (thuis)batterij vooraleer deze gebruikt wordt door de warmteopwekker. Zo zou een (opgeladen) batterij in bovenstaand voorbeeld de ontbrekende 1500 W kunnen leveren of zelfs de volledige 2500 W, op een later moment wanneer er geen overschot meer is.

Inspelen op energietarieven kan bijvoorbeeld door de SWW-productie af te stemmen op dynamische (uur)tarieven.

Figuur 5: Door het verbruik van installaties zoals elektrische warmteopwekkers voor SWW af te stemmen op dynamische tarieven kan de elektriciteitsfactuur verlaagd worden.

Balanceren van het elektriciteitsnet

Een andere toepassing van dynamisch gebruik van elektrische opwekkers voor SWW-productie met accumulatie, is het inzetten van deze opwekkers voor het balanceren van het elektriciteitsnet. Het in- of uitschakelen van een voldoende groot elektrisch vermogen, is een van de diensten waarvoor de transmissienetbeheerder Elia vergoedingen kan uitbetalen aan partijen die deze dienst kunnen leveren: de zogenaamde Balancing Service Providers of BSP’s. Dit zijn typisch organisaties die over grote installaties beschikken die dynamisch kunnen produceren of afnemen (bv. gebruik makende van grootschalige installaties voor elektrische opslag). Het is echter ook mogelijk om als BSP een groot aantal kleinere installaties te groeperen (‘aggregeren’) in een virtuele vloot van op afstand aanstuurbare installaties. Deze installaties kunnen dan in- of uitgeschakeld worden om balanceringsdiensten aan te bieden aan de netbeheerder. Een BSP die met een groep van meerdere kleine installaties werkt, wordt ook wel ‘aggregator’ genoemd.

Vermijden van legionella door periodieke opstook

Indien het volledige opslagvolume niet continu op 60°C gehouden wordt, is het aanbevolen om het risico op legionella-ontwikkeling te beperken door dit opslagvolume minstens een maal per week gedurende minstens 1u volledig op te warmen naar 60°C.

Gezien de kans op temperaturen lager dan 60°C meestal groter wordt bij dynamische sturing, is het aanbevolen om een periodieke legionella-opstook mee te nemen in de regeling. Het moment van deze opstook kan zo gekozen worden dat het zo goed mogelijk past binnen de doelstellingen van de dynamische sturing.

Figuur 6: Indien in een opslagvolume regelmatig temperaturen lager dan 60°C voorkomen, bestaat het risico op legionella-ontwikkeling. Door inademen van aerosolen (bv. bij het douchen) kan dit leiden tot de infectieziekte legionellose. Bron: Shutterstock

Wat is de meerwaarde?

In een context waarin de elektrificatie en het aandeel (variabele) hernieuwbare energiebronnen in de elektriciteitsproductie toeneemt, kunnen toepassingen zoals het verhogen van zelfverbruik, het inspelen op energietarieven en het leveren van diensten door BSP’s, voor het balanceren van het elektriciteitsnet en het optimaliseren van de nodige investeringen in de infrastructuur zorgen, zowel op technisch als op financieel vlak. Dat brengt een belangrijke maatschappelijke meerwaarde met zich mee.

Ook op individueel niveau kan meerwaarde gerealiseerd worden. Door de productie van SWW af te stemmen op het werkelijk gebruik, kan de opslag van onnodig grote hoeveelheden energie vermeden worden. Hierdoor kunnen de warmteverliezen en dus ook het energieverbruik van de installatie (en de hiermee verbonden kosten) geminimaliseerd worden.

Het verhogen van het elektrisch zelfverbruik bij lokale opwekking heeft, zeker bij gebouwen met een digitale elektriciteitsmeter, een directe financiële meerwaarde. Dit komt door het verschil tussen de elektriciteitstarieven voor afname en de tarieven voor injectie, die typisch een stuk lager liggen. Ook voor installaties die werken met een elektrische aansluiting met tweevoudige of dynamische tarieven (zie Figuur 5) kan een becijferbare financiële meerwaarde gerealiseerd worden.

De financiële meerwaarde van het balanceren van het elektriciteitsnet zal in eerste instantie ten gunste zijn van de organisatie die als BSP optreedt. Afhankelijk van het verdienmodel van deze organisatie, kan deze meerwaarde al dan niet direct ook de eindgebruiker ten goede komen. Dit kan bijvoorbeeld door het aanbieden van de nodige apparatuur voor sturing en controle van de installatie en eventuele dienstverlening m.b.t. andere mogelijke toepassingen van dynamische productie en opslag.

Benodigde technologie

Op hydraulisch vlak is de basisvereiste een installatie waarin een opslagvolume aanwezig is.

Voor afstemming van de SWW-productie op het verbruik op basis van een statisch ingesteld tijdsschema, is een sturing nodig die temperatuursensoren in het opslagvolume kan uitlezen en die de opwekker kan in- en uitschakelen rekening houdend met het tijdsschema en de gewenste temperaturen in bv. bedrijfs- en afwezigheidsmodus.

Voor afstemming van de SWW-productie op het verbruik op basis van werkelijke verbruikspatronen, moet de sturing daarnaast ook rekening kunnen houden met een veranderend (dynamisch) tijdsschema. Systemen die de verbruikspatronen automatisch analyseren, moeten het verbruik van SWW kunnen opmeten, opslaan en verwerken. Directe opmeting kan bijvoorbeeld via een afzonderlijke watermeter op het circuit voor SWW. Indirect zou bijvoorbeeld met de data van temperatuursensoren in het opslagvolume gewerkt kunnen worden (bij afname daalt immers de gemiddelde temperatuur). Bij het interpreteren van temperatuurmetingen moet rekening gehouden worden met stratificatie (verticale variatie van de temperatuur binnen het opslagvolume).

Figuur 7: Om dynamische productie en opslag van SWW toe te laten moet een opslagvolume aanwezig zijn in de installatie (hier: het middelste grote vat). Bron: Ostijn Energietechnieken.

Het opslaan en verwerken van de data kan gebeuren via de sturing van de installatie voor SWW zelf, of via een bovenliggend systeem zoals een energiemanagementsysteem, een gebouwbeheersysteem, een domoticasysteem of een cloudplatform van de fabrikant of een externe dienstverlener. Indien met een bovenliggend systeem gewerkt wordt, kan in theorie ook rekening gehouden worden met data van systemen die buiten de installatie voor SWW vallen, maar wel indicatief kunnen zijn voor het verwachte verbruikspatroon. Denk bijvoorbeeld aan aanwezigheidsdetectie via bewegingssensoren of positiebepaling van gebruikers via een smartphone app.

Voor het afstemmen van de SWW-productie op het verbruik maakt het in principe niet uit welk type opwekker de sturing moet kunnen aansturen. Om de levensduur en efficiëntie te maximaliseren, worden de meeste opwekkers idealiter wel gedurende een langere periode ingeschakeld. Bij elektrische weerstandselementen is de inschakelduur minder kritisch.

Rekening houdend met het capaciteitstarief, kan het wel belangrijk zijn om de inschakelperiodes van elektrische warmteopwekkers af te stemmen op andere elektrische verbruikers in het gebouw. Zo kan het inschakelen van een niet-moduleerbare elektrische weerstand voor SWW-productie (typisch > 2kW) uitgesteld worden tot een periode waarin er geen andere toestellen met groot vermogen (bv. laadpaal, oven, wasmachine) actief zijn. Dit om ervoor te zorgen dat het kwartiervermogen voor afname niet te hoog oploopt (voor meer info over het capaciteitstarief, zie de pagina over opvolging van energieverbruik en -kosten).

Toepassingen rond zelfverbruik en inspelen op dynamische tarieven zijn in principe enkel relevant voor elektrische opwekkers. Naast een energiemanagementsysteem, is idealiter ook een bijkomende elektriciteitsmeter (een zogenaamde submeter) nodig om het elektrisch verbruik (en ogenblikkelijk vermogen) van de elektrische opwekker op te meten. Voor het maximaliseren van het zelfverbruik, is het belangrijk dat de opwekker het afgenomen elektrische vermogen kan moduleren, zeker indien er geen elektrische buffer (bv. thuisbatterij) voorzien is in het gebouw. Afname en injectie worden immers ogenblikkelijk geregistreerd door de digitale meter (ook wanneer er bijvoorbeeld een wolk voor de zon passeert en het ogenblikkelijk vermogen van de PV-installatie daalt). Voor elektrische weerstandelementen bestaan er installaties en externe stuurmodules die snel kunnen moduleren over een groot vermogensbereik.

Figuur 8: Door het modulerend aansturen van een elektrisch weerstandselement, kan snel en flexibel ingespeeld worden op variaties bv. in de productie van een PV-installatie of de afname van andere gebruikers.

Compressoren in warmtepompen kunnen, afhankelijk van het type warmtepomp eveneens hun afgenomen vermogen moduleren, maar daarbij zal het bereik waarbinnen dit kan, lager zijn (typisch zal de compressor immers een relatief hoog minimumvermogen hebben). Bovendien zal de interne regeling van een warmtepomp mogelijks niet toelaten dat al te fel gemoduleerd en/of in- en uitgeschakeld wordt, om de levensduur van het toestel te waarborgen.

Hoewel het lijkt alsof een (moduleerbaar) elektrisch weerstandselement daardoor a priori interessanter is dan (de compressor in) een warmtepomp voor het optimaliseren van zelfverbruik, mag niet vergeten worden dat het rendement van een elektrisch weerstandselement niet meer dan 100% kan bedragen (1 kWh elektriciteit levert maximaal 1 kWh warmte), terwijl dit bij een warmtepomp veel hoger ligt. Een COP (Coefficient Of Performance of prestatiecoëfficiënt) van bijvoorbeeld 3 betekent dat er met 1 kWh elektriciteit, 3 kWh warmte geproduceerd kan worden (doordat warmte uit de omgeving gehaald wordt).

Aandachtspunten

Om toepassingen van dynamische productie en opslag van SWW te kunnen realiseren moet een voldoende groot opslagvolume beschikbaar zijn. Ook is belangrijk dat er ‘gespeeld’ kan worden met de temperatuur in dat opslagvolume. Bij installaties waarbij de temperatuur in het opslagvolume continu binnen dicht bij elkaar liggende minimum- en maximumgrenzen moet gehouden worden, zijn de mogelijke toepassingen dan ook beperkt.

Indien mogelijk, wordt bij het ontwerp en de dimensionering van installaties voor SWW (zie ook ‘meer info’) dan ook rekening gehouden met (toekomstige) toepassingen voor dynamische sturing en opslag.

Toepassingen zoals verhogen van zelfverbruik en het inspelen op dynamische tarieven, zullen in de meeste gevallen interactie vereisen tussen meerdere installaties (bv. productie en opslag SWW, PV-installatie, energiemanagementsysteem) en externe systemen (bv. online prijsgegevens, cloudplatformen, …). Om tot een werkend geheel te komen, is het belangrijk om op voorhand na te gaan of deze systemen voldoende met elkaar kunnen interageren. Interactie op systeemniveau wordt ook wel interoperabiliteit genoemd. Zie de sectie ‘Meer informatie’ voor een link naar een publicatie die meer uitleg geeft bij deze thematiek.

Een ander aandachtspunt is dat er voor bepaalde toepassingen een afweging zal moeten gemaakt worden tussen het voordeel van de flexibiliteit en het energieverlies dat gepaard gaat met het bufferen van warmte. Zo zou geoptimaliseerd kunnen worden op zelfverbruik of afname tegen gunstige tarieven door een opslagvolume tot op een hogere temperatuur te laten opwarmen, maar zal het totale energieverbruik hierdoor wel stijgen (door hogere warmteverliezen).

Indien voor de productie van SWW meerdere opwekkers gebruikt worden, zoals bv. een zonneboiler aangevuld met een warmtepomp of gasketel, is het belangrijk dat de regeling met alle aspecten rekening houdt en steeds de meest energie-efficiënte en/of economisch rendabele opwekker als eerste aanspreekt.

Figuur 9: Onafhankelijk van de gekozen toepassing(en) voor dynamische productie- en opslag, is het belangrijk dat de meest energie-efficiënte en/of economisch rendabele opwekker (hier: een zonneboiler) steeds primair ingezet wordt voor de productie van SWW. Bron: Shutterstock.

Meer informatie

Meer informatie over premies waaronder de premie ‘Sturing Elektrische Warmte’ voor de implementatie van dynamische productie en opslag van SWW met elektrische opwekkers:

Premies – SmartHeating

Pagina met verschillende conceptfiches ‘Sanitair Warm Water’ waaronder een overzichtsfiche met meer informatie over de verschillende systemen voor de productie en distributie van SWW:

Projectresultaten – Instal2020

Meer informatie over het ontwerp en de dimensionering van installaties voor SWW:

https://coock-sww.be/

Meer informatie over diensten voor het balanceren van het elektriciteitsnet door Balancing Service Providers (BSP’s):

Het evenwicht behouden (elia.be)

Een publicatie met algemene informatie over interoperabiliteit, compatibiliteit en openheid.

Publicaties en artikels – Smart Buildings In Use

Dynamische productie en opslag van sanitair warm water