Energiemanagement bij warmtepompen voor centrale verwarming

Energiemanagement bij warmtepompen voor centrale verwarming

Wat is het?

Wanneer in een installatie voor centrale verwarming gebruik gemaakt wordt van een elektrisch aangedreven warmtepomp, kan de werking ervan dynamisch aangepast worden om rekening te houden met externe factoren zoals:

• beschikbaarheid lokaal opgewekte energie
• dynamische tarieven
• afgenomen elektrisch vermogen op (hoofd)meterniveau
• vraagsturing vanuit het elektriciteitsnet

Hoe werkt het?

De primaire functie van een verwarmingssysteem is natuurlijk het verzorgen van het thermisch comfort van de gebouwgebruikers. Die hierboven vermelde factoren hebben op dat doel op zich geen impact. Zo kan het bijvoorbeeld nooit de bedoeling zijn dat eindgebruikers in de kou zitten wanneer een PV-installatie onvoldoende vermogen levert. Het is echter wel mogelijk om met deze externe factoren rekening te houden, zonder de primaire functie van het thermisch comfort voor de gebruikers merkbaar te verstoren. Doordat een gebouw en het distributie- en afgiftesysteem over een zekere thermische opslagcapaciteit beschikken, kan tot op zekere hoogte immers ‘gespeeld’ worden met de momenten waarop de warmteopwekker ingeschakeld wordt het opgenomen elektrisch vermogen van de opwekker (door te ‘moduleren’) Het is ook mogelijk om gebruik te maken van thermische buffering (bv. buffervat) waarin een bijkomende hoeveelheid warmte opgeslagen kan worden, waardoor de flexibiliteit nog vergroot wordt.

Figuur 1: De primaire functie van een warmtepomp voor centrale verwarming is thermisch comfort. Bij de warmteopwekking kan er secundair ook rekening gehouden worden met externe (energetische) factoren. Bron: Shutterstock.

Om aangestuurd te kunnen worden op basis van externe (energetische) factoren, moet  een warmtepomp beschikken over een communicatie-interface die het toestel toelaat te interageren met een energiemanagementsysteem (EMS). Sturing op basis van in-en uitschakelen of moduleren van de elektrische voeding van het volledige toestel is bij warmtepompen (in tegenstelling tot sommige resistieve elektrische opwekkers) immers uit den boze.

Er bestaan verschillende communicatieprotocollen voor dergelijke interfaces. Een van de meest gekende is het ‘SG Ready’ (Smart Grid Ready) protocol. Dit protocol maakt voor de fysieke communicatie interface gebruik van twee digitale inputs die geactiveerd kunnen worden door het openen en sluiten van relaiscontacten. Voor meer informatie over SG ready en andere protocollen, zie de pagina over Protocollen voor energiemanagementsystemen.

Typisch zal een warmtepomp op basis van een signaal dat het van het energiemanagementsysteem ontvangt overschakelen naar een  bedrijfsmodus waarbij de installatie gedurende een bepaalde periode bijvoorbeeld zo veel mogelijk of misschien net zo weinig mogelijk energie zal proberen te gebruiken. Een andere mogelijke modus is dat de warmtepomp zal proberen om het opgenomen vermogen te moduleren volgens de instructies van het energiemanagementsysteem (bv. om de vermogenscurve van een PV-installatie te volgen). Hierbij zal de interne regeling van de warmtepomp niet enkel rekening houden met de vraag vanuit het EMS, maar onder ander ook met technische limieten en instellingen van het toestel zelf (bv. minimale inschakelduur) limieten van het distributie- en het afgiftesysteem de parameters ingesteld in de thermostaat, het domoticasysteem of het gebouwbeheersysteem (al dan niet via een dynamisch programma). Sommige warmtepompen beschikken over de mogelijkheid om een aantal EMS-gerelateerde parameters in te stellen, zoals een aanvaardbare zone rond de ingestelde ruimtetemperatuur (bv. maximaal 0.5 graden afwijking in Figuur 2) of de maximaal toelaatbare temperatuurafwijking (t.o.v. de ingestelde waarde) van een buffervat of een boiler voor sanitair warm water.

Figuur 2: Sommige warmtepompen beschikken over de mogelijkheid om een aantal EMS-gerelateerde parameters in te stellen (hier: toelaatbare afwijking op de ruimtetemperatuur en de temperatuur van een buffervat). Bron: Stiebel Eltron.

Een mogelijke toepassing waarin rekening gehouden wordt met de beschikbaarheid van lokaal opgewekte energie en/of energietarieven is een woning waar de gebruikers ’s avonds aanwezig zijn reeds op te warmen in de late namiddag gebruik makende van de energie uit een PV-installatie en/of voordelige energietarieven. Zo zullen dynamische elektriciteitstarieven ’s avonds typisch hoger liggen dan in de late namiddag (zie Figuur 3). Het beperken van het afgenomen elektrisch vermogen op gebouwniveau is een toepassing die vooral interessant is wanneer meerdere grote verbruikers (bv. een warmtepomp en een laadpaal voor een elektrisch voertuig) gelijktijdig ingeschakeld zijn en dit voor een grote afname ter hoogte van de elektriciteitsmeter zorgt. In die gevallen kan een EMS ervoor zorgen dat de minst prioritaire verbruiker (volgens de instellingen in het EMS) tijdelijk uitgeschakeld of naar beneden gemoduleerd wordt.

Figuur 3: Voorbeeld van het verloop van een dynamisch elektriciteitstarief voor afname. Indien thermische buffering mogelijk is, kan het inschakelen van de opwekker naar voor verschoven worden om in periodes met lagere tarieven uit te komen (bv. 12h tot 16h en 23h tot 6h in dit voorbeeld)

Figuur 4: Door verschillende grote verbruikers op elkaar af te stemmen kan het afgenomen elektrisch vermogen op gebouwniveau beperkt worden. Daarnaast kan ook rekening gehouden worden met de noden van het elektriciteitsnet buiten het gebouw. Bron: Shutterstock.

Wat is de meerwaarde?

Het aansturen van een warmtepomp op basis van de beschikbaarheid van hernieuwbare energie en/of dynamisch tarieven kan zorgen voor het verhogen van het zelfverbruik bij lokale opwekking en een betere afstemming op voordelige energietarieven. Beiden kunnen zorgen voor een lagere energiefactuur. Ook op ecologisch en maatschappelijk vlak hebben deze toepassingen meerwaarde, omdat de lokaal opgewekte energie vaak hernieuwbaar is (bv. PV-installatie) en niet getransporteerd moet worden. Het inspelen op dynamische tarieven draagt ook bij aan het in balans houden van het elektriciteitsnet. Het aansturen op basis van beschikbaarheid van hernieuwbare energie en/of dynamisch tarieven zal echter niet noodzakelijk resulteren in een lager lokaal energieverbruik, wel integendeel (bufferen van warmte gaat gepaard met verliezen).

Ook het beperken van het afgenomen elektrisch vermogen heeft verschillende voordelen. Het beperken van het afgenomen elektrisch vermogen op kwartierbasis kan in de toekomst een direct financieel voordeel opleveren, wanneer in Vlaanderen het capaciteitstarief ingevoerd wordt. Zie de pagina over opvolging van energieverbruik en -kosten voor meer informatie hierover. Daarnaast kan zo vermeden worden dat bij een aansluiting met een beperkte capaciteit (aansluitvermogen in kVA), er overbelasting en mogelijke uitval van de hoofdzekering zou optreden.

Inspelen op vraagsturing vanuit het elektriciteitsnet kan afhankelijk van de aanbieder van de flexibiliteitsdiensten gepaard gaan met een financiële vergoeding voor de eindgebruiker. Op ecologisch en maatschappelijk vlak kan de meerwaarde bestaan uit het vermijden van nood om dure en vaak ook vervuilende elektriciteitscentrales in te schakelen op momenten met een hoge elektriciteitsvraag.

Benodigde technologie

Voor het dynamisch aansturen van een warmtepomp op basis van externe (energetische) factoren heb je een warmtepomp nodig die over een softwarematige of hardwarematige interface beschikt om te verbinden met een energiemanagementsysteem. Daarnaast heb je natuurlijk ook een compatibel energiemanagementsysteem nodig. Idealiter gebeurt de communicatie via een gestandaardiseerd en open protocol voor energiemanagement (zie ook ‘Meer informatie’, onderaan deze pagina).

Om extra thermische opslagcapaciteit te verkrijgen kan gekozen worden om te werken met een buffervat. Indien een installatie voor lokale opwekking aanwezig is (bv. PV-installatie) kan om de variaties in ogenblikkelijk vermogen op te vangen, bijkomend gekozen worden voor een thuisbatterij (zie ‘Aandachtspunten’ hieronder).

Aandachtspunten

Het verhogen van het zelfverbruik (lokaal opgewekte energie die ogenblikkelijk verbruikt wordt) met behulp van een warmtepomp voor ruimteverwarming, aangestuurd vanuit een EMS, brengt een aantal uitdagingen met zich mee. De momenten waarop er een warmtevraag is, zijn typisch ook deze waarop het geproduceerde vermogen van een PV-installatie relatief laag is, en de variabiliteit van dit vermogen hoog (bv. bij bewolkt weer). De meeste warmtepompen zullen hun opgenomen elektrisch vermogen kunnen moduleren, maar de grenzen waarbinnen dit mogelijk is en de snelheid waarmee het vermogen kan variëren, zijn te beperkt om voldoende te kunnen reageren op een sterk fluctuerend vermogen van een PV-installatie. Daarnaast moet er ook rekening mee gehouden worden dat warmtepompen een minimale inschakeltijd hebben, en de warmtepomp dus soms ingeschakeld zal blijven als het vermogen van de PV-installatie laag is.

Figuur 5: Het verhogen van zelfverbruik van een PV-installatie met behulp van een warmtepomp voor ruimteverwarming brengt een aantal uitdagingen met zich mee. Bron: Shutterstock.

Ook op gebied van de communicatie tussen de warmtepomp en het EMS kunnen er beperkingen zijn die het verhogen van zelfverbruik bemoeilijken. Immers, niet alle combinaties van warmtepomp en EMS zullen een geavanceerde sturing op vermogen toelaten. Zo wordt er bij het SG Ready protocol anno 2022 geen informatie uitgewisseld over het beschikbaar elektrisch vermogen en kan de warmtepomp hier dan dus ook geen rekening mee houden.

Om de mismatch in ogenblikkelijk elektrisch vermogen tussen een installatie voor lokale opwekking (bv. PV-installatie) en een warmtepomp (deels) op te vangen, zou gebruikt gemaakt kunnen worden van een installatie voor elektrische opslag (bv. een thuisbatterij).

Voor de zelfvoorzieningsgraad (het aandeel van de benodigde energie die lokaal opgewekt wordt) bij gebouwen met een PV-installatie zal het aansturen van een warmtepomp vanuit een EMS zorgen voor een toename, maar gezien in de winterperiodes de dagen korter zijn en de zon lager staat, zal de PV-opbrengst in de meeste gevallen onvoldoende zijn om de energievraag van de warmtepomp volledig af te dekken.

Bij het aansturen van een warmtepomp op basis van dynamische tarieven, is de variabiliteit iets minder groot (bv. bij dynamische tarieven die elk uur veranderen) en speelt het beschikbaar vermogen een minder belangrijke rol waardoor het inspelen erop in principe minder complex is dan bij het optimaliseren van zelfverbruik.

Er zijn warmtepompen die rechtstreeks gestuurd kunnen worden op basis van dynamische tarieven via een geïntegreerd EMS. Bij een dergelijke implementatie is de warmtepomp echter ‘blind’ voor andere elektrische verbruikers, opwekkers en opslagsystemen waardoor de aansturing mogelijks niet optimaal verloopt (bv. leegtrekken thuisbatterij i.p.v. afname tegen laag tarief) en toepassingen zoals het beperken van het opgenomen elektrisch vermogen ter hoogte van de aansluiting (bv. met oog op het capaciteitstarief) moeilijker worden. Idealiter gebeurt de aansturing voor het inspelen op dynamische tarieven dus vanuit een energiemanagementsysteem (EMS) op gebouwniveau.

Bij het bufferen van warmte in een opslagvolume of gebruik makende van de thermische inertie van het gebouw, moet er rekening mee gehouden worden dat warmte-opslag ook gepaard gaat met energieverliezen. In het laatste geval spelen de isolatiegraad en de luchtdichtheid van de gebouwschil een belangrijke rol. Om de verliezen te beperken, kan de opslagperiode beperkt worden door de opwekking zo dicht mogelijk te verschuiven naar de periode waarin er een warmtevraag verwacht wordt en kan de toelaatbare temperatuurverhoging beperkt worden. Er zal natuurlijk steeds een afweging gemaakt moeten worden tussen de meerwaarde die gerealiseerd wordt met het (naar voor) verschuiven van de opwekking en de toenemende verliezen die gepaard gaan met langdurigere warmteopslag.

Meer informatie

• Document dat meer uitleg geeft bij de begrippen interoperabiliteit, compatibiliteit en openheid : Publicaties en artikels – Smart Buildings In Use
• Protocollen voor energiemanagement – SmartHeating