Elektrische verwarming op basis van convectie

Wat is het?

Warmte wordt, in het kader van verwarming, op 3 verschillende wijzen overgedragen:

  • Door geleiding, bijvoorbeeld door contact van de voeten met een koude of warme vloer
  • Door convectie, waarbij lucht wordt opgewarmd die nadien (door thermosifonwerking of geforceerd) gaat circuleren, bijvoorbeeld door een convector, een warmeluchtblazer maar ook in belangrijke mate door radiatoren (deze geven een beperkt aandeel straling)
  • Door warmtestraling van een warm vlak naar ons lichaam, zoals we bijvoorbeeld ondervinden van de zon en bijvoorbeeld ook door vloer-, muur, plafondverwarming.

Elektrische ruimteverwarming kan op twee manieren haar warmte overdragen:

  • Hoofdzakelijk d.m.v. convectie, net zoals een radiator of convector met water
  • Hoofdzakelijk d.m.v. straling zoals vloerverwarming en infraroodstraling (IR)

Deze infofiche behandelt de groep die gebruik maakt van convectie. Elektrische verwarming op basis van straling wordt behandeld op de pagina elektrische infraroodverwarming. In de volksmond spreekt men van elektrische verwarming of elektrische weerstandsverwarming. Dat is niet nauwkeurig, want elektrische IR-verwarming werkt ook met een elektrische weerstand.

Voorbeelden van directe1 elektrische verwarming met convectie zijn:

  • Accumulatiekachels, deze kunnen worden opgeladen op een moment dat het elektriciteitstarief gunstig is om op een later moment deze warmte terug af te staan
  • Elektrische vloer- of wandverwarming
  • Elektrische radiatoren en convectoren, met of zonder ventilator
  • Back-upverwarming van een warmtepomp of buffervat is ook een vorm van elektrische verwarming

Figuur 1: Een elektrische convector (Maakt gebruik van een elektrische weerstand). [Bron: Shutterstock]

Figuur 2: Bij elektrische vloerverwarming worden elektrische weerstandelementen voorzien in de vloeropbouw. [Bron: Shutterstock]

Hoe werkt het?

Er wordt warmte geproduceerd door een elektrische stroom door een elektrische weerstand2 te laten vloeien (Joule-effect). Daardoor verwarmt het materiaal rond de weerstand – vb. de olie in een olieradiator of de vloer in het geval van vloerverwarming – en de warmte verspreidt zich dan verder door geleiding, straling of convectie. Sommige toestellen gebruiken een ventilator (geforceerde convectie) om de warmteafgifte te versnellen.

In de meeste gevallen wordt elektrische verwarming aangesloten op het elektriciteitsnet (wisselstroom), maar ze kan ook werken met gelijkstroom (bv. van zonnepanelen of een batterij). De weerstand kan gemaakt zijn van metaal, van een keramisch materiaal of van beide.

  • Voor metalen weerstanden wordt vaak gewerkt met een fijne draad gemaakt van nichroom, een legering van 80% nikkel en 20% chroom. Die heeft als voordeel dat ze goed bestand is tegen oxidatie (door de zuurstof in de lucht) dankzij de vorming van een laagje chroomoxide aan de buitenkant van de geleider.

Figuur 3: Metalen weerstanden in een elektrische convector. Op de foto zijn twee fijne draden te zien (boven elkaar) die zich zigzaggend over de onderkant van de convector uitstrekken. [Bron: Persoonlijke foto]

      • Voor keramische weerstanden wordt meestal een materiaal gebruikt waarvan de elektrische weerstand R toeneemt bij stijgende temperatuur (PTC, Positive Temperature Coefficient).
        • Keramische PTC-weerstanden hebben het voordeel dat ze zelfregelend zijn: Als de temperatuur stijgt, stijgt de weerstand R en daalt de stroom I (de spanning is constant). Er wordt minder warmte geproduceerd omdat de stroom, in het kwadraat, sneller daalt dan de stijging van de weerstand(R x I²).
        • Keramische PTC-weerstanden worden o.a. vaak gebruikt voor verwarmingssystemen in elektrische auto’s.
      • Voor ruimteverwarming wordt vaak een hybride vorm gebruikt: een metalen weerstand omgeven door een keramisch materiaal dat wel warmte geleidt maar geen elektriciteit. Voorbeeld: een nichroom draad omgeven door een laag magnesiumoxide, met daarrond nog een metalen mantel (bv. uit roestvast staal), zie Figuur 4.

Figuur 4: Opbouw van een hybride keramisch weerstandselement.

Een hybride weerstand is veiliger dan een metalen weerstand. Het keramische omhulsel zorgt voor een meer gelijkmatige verdeling van de warmte en een lagere oppervlaktetemperatuur, waardoor het risico op brand bij contact met ontvlambare materialen kleiner is. Het geheel gaat ook minder gemakkelijk stuk dan een naakte metalen draad.

De warmte kan tijdelijk opgeslagen worden in het verwarmingstoestel zelf (bv. accumulatieverwarming of in geval van zware vloerverwarming), in een buffervat of in de massa van het gebouw. Er moet daarbij een onderscheid worden gemaakt tussen stuurbare opslag (tot op zeker hoogte accumulatiekachels, een buffervat) en niet stuurbare buffering (vloerverwarming, gebouwmassa) waarbij je geen invloed hebt op het moment dat de warmte terug vrijkomt.

Digitale aansturing

De hoeveelheid warmte die een elektrisch verwarmingstoestel ontwikkelt, wordt bepaald door de grootte van de elektrische stroom. In principe zijn er twee manieren van sturen mogelijk:

  • Een aan-uitregeling met relais. Het relais moet aangepast zijn aan het vermogen en de schakelfrequentie. Met de invoering van het capaciteitstarief in Vlaanderen– dat rekening houdt met het verbruik per kwartier – kan het interessant zijn om de verwarming elk kwartier een paar minuten uit te schakelen, maar dat kan de levensduur van het relais inkorten. Een solid state relais zal hiervan minder last hebben.
  • Een elektronische regeling (bv. periodesturing), waarmee de stroom traploos geregeld kan worden.

Het vermogen van een driefasige elektrische verwarming sturen door maar 1 of 2 van de 3 fasen te voeden, is meestal niet mogelijk. bv.

  • Bij accumulatieverwarming verwarmt elke fase een ander deel van het toestel. Als maar 1 of 2 fasen gevoed worden, ontstaan er temperatuurverschillen die nadelig zijn voor de goede werking en de levensduur.
  • Bij vloerverwarming verwarmt elke fase een andere kamer of deel van een kamer

Elektrische verwarming heeft meestal een ingebouwde regeling (bv. thermostaat en relais) en een beveiliging tegen oververhitting. Soms is het mogelijk om die interne sturing te omzeilen door het toestel in zijn geheel in en uit te schakelen (bv. met een schakelbare tussenstekker). Dan mogen de noodzakelijke instellingen van het toestel wel niet verloren gaan tijdens de stroomonderbrekingen.


Figuur 5: Gebruik van een schakelbaar tussenstopcontact (eenvoudige, parametreerbare klok links, aangesloten systeem rechts) om een analoog gestuurde elektrische convector aan en uit te schakelen. [Bron: Shutterstock links, Persoonlijke foto rechts]

Digitale aansturing van accumulatieverwarming

Een elektrische accumulatiekachel is een flexibele belasting, die in principe kan inspelen op de energietransitie (dynamische tarieven, verhogen van het zelfverbruik als er een PV-installatie is, capaciteitstarief, …). Bij nieuwe toestellen houdt de sturing daar al rekening mee, maar oudere toestellen zijn uitsluitend afgestemd op het exclusief nachttarief (dat in Vlaanderen wordt afgebouwd3). Omdat we niet mogen verwachten dat al die oudere toestellen meteen vervangen zullen worden door nieuwe of door bv. een warmtepomp, zou een aangepaste sturing voor die oudere accumulatiekachels een goede tussenoplossing zijn.

De sturing van een accumulatiekachel verloopt in 2 stappen:

  1. Berekening van de hoeveelheid warmte die opgeslagen moet worden.

Dit gebeurt met behulp van een buitenvoeler. De buitentemperaturen waarbij niet 100% moet worden opgeladen, worden ingesteld in functie van de warmteverliezen van de woning en de wensen van de gebruiker (zie Figuur 6). Er wordt rekening gehouden met eventuele restwarmte die nog aanwezig is.

Figuur 6: Accumulatieverwarming gewenste lading i.f.v. de buitentemperatuur

  1. Berekening van het tijdstip van opladen.

Oudere accumulatiekachels spelen in op het exclusief nachttarief. Er wordt zo lang mogelijk gewacht, om dan aan vol vermogen te laden, zodat de gewenste ladingstoestand bereikt wordt naar het einde van de tariefperiode. Via een ‘dagweerstand’ kan de gebruiker overdag extra warmte krijgen.

Bij nieuwere kachels kan de gebruiker een laadprofiel instellen (bv. een deel kort voor het opstaan, een deel kort voor thuiskomst ’s avonds, niet tijdens de avondpiek, …). Er bestaan ook kachtels met ‘smart grid ready’-contacten, die door een energie-managementsysteem aangestuurd kunnen worden.

Bij de nieuwe generatie accumulatiekachels is de sturing ingebouwd in de kachel. Bij de oude generatie hoort een zogenaamde ‘oplaadautomaat’, die in het elektrisch verdeelbord geïnstalleerd wordt en die alle kachels in de woning aanstuurt. Voor een aangepaste sturing is een nieuw type ‘oplaadautomaat’ nodig.

De directe elektrische systemen zullen veelal geconnecteerd zijn met een ruimtethermostaat om zo de afgifte op een slimme manier te regelen met gebruik van de weersgegevens en de aanwezigheid van gebruikers. Voor meer informatie zie de fiche ruimtethermostaten.

Aandachtspunten

Directe elektrische convectieverwarming is met name geschikt voor ruimtes die gedurende een kortere tijd gebruikt worden (badkamer, toilet) of als bijverwarming. Aangezien het systeem snel opwarmt zal het comfort direct worden ervaren. Dit is gelijk ook een nadeel gezien het systeem direct de warmte afgeeft waardoor een slimme sturing lastiger is voor dit type verwarming gezien het geen mogelijkheid heeft tot tijdelijke opslag. Een elektrisch verwarmingssysteem dat een buffermogelijkheid heeft, is daarom interessanter om slimmer te sturen gezien de flexibiliteit. Denk hierbij aan de accumulatiekachel of een elektrische vloerverwarming.

Een ander aandachtspunt is het beperkte afgiftevermogen dat geïnstalleerd mag worden in een woning. Volgens de installatie-eisen voor directe elektrische ruimteverwarming (bij renovaties met stedenbouwkundige vergunning) is in Vlaanderen een maximaal afgiftevermogen toegelaten tot 15 W/m² bruto vloeroppervlak. Deze eis geldt zowel voor het plaatsen van lokale als voor centrale verwarming.

In alle gevallen is dit type verwarmingssysteem niet echt geschikt voor grotere ruimtes gezien de hoge werkingskosten van het systeem en/of het beperkte afgifte vermogen zeker rekening houdend met de installatie-eisen.

Meer informatie

Elektrische verwarming: installatie-eisen (huidig) | Vlaanderen.be

 

 

________________________________________________________________________________

1 Strikt genomen zijn warmtepompen ook elektrische verwarming, maar dan met een multiplicatie-effect

2 In het Nederlands heeft ‘elektrische weerstand’ 2 betekenissen:

  • de natuurkundige grootheid R (eenheid Ω)
  • een component met weerstand R.

3 Exclusief nachttarief verdwijnt: hoe en waarom in 4 vragen | Fluvius