Wanneer de regeling van de circulatiepomp bij een warmtepomp zorgt voor contradicties
Om de klimaatdoelstellingen te behalen is een verdere uitrol van warmtepompen noodzakelijk, alsook de implementatie van een slimme sturingen. In een dergelijk scenario wordt de thermische traagheid van het totale systeem gebruikt voor het leveren van flexibiliteitsdiensten aan het elektriciteitsnet. Dit artikel bekijkt de impact van de circulatiepompsturing onder dergelijke omstandigheden [1], uitgevoerd op een experimentele opstelling in EnergyVille/KU Leuven.
Het dubbele voordeel van warmtepompen
In 2024 vertegenwoordigde de residentiële sector 26 % van het finale energieverbruik binnen de Europese Unie. Een verdere analyse toont aan dat maar liefst 77.1 % van deze energie gebruikt werd voor woningverwarming en bereiding van sanitair warm water [2].
De dekkingsgraad van 30 – 40 % door aardgas toont direct het groeipotentieel van de warmtepompsector. Bij een koolstofarme elektriciteitsproductie levert de warmtepomp niet enkel een CO2-besparing op, maar ook een mogelijke ondersteuning van het elektriciteitsnet. Door de toenemende integratie van hernieuwbare energie wordt het netbeheer steeds moeilijker. Een actieve sturing van de warmtepomp via slimme regelingen kan grote voordelen opleveren zoals lagere kosten voor de eindklant, vermijden van netinvesteringen door optimale benutting van de netcapaciteit en verdere verduurzaming van de energiesector.
De optimale pompinstelling hangt af van het uiteindelijke doel
Interne regeling versus externe regeling
Om een betrouwbare werking van de warmtepomp te garanderen implementeren fabrikanten interne regelstrategieën. Dit gaat van minimum aan-/uittijden, compressorsnelheidsregeling, legionellacycli, tot circulatiepompsturing. De impact hiervan op zowel de normale werking als energieflexibele werking werd reeds aangetoond in de literatuur [3], [4], [5]. Echter bleef de circulatiepompsturing vaak buiten beschouwing.
Een niet te vergeten aspect is dat interne regelstrategieën normaliter afgeschermd zijn en dat slimme sturingen maar een beperkte toegang hebben. Om gedeeltelijk tegemoet te komen aan de noden van slimme sturingen voorzien fabrikanten interfaces voor het wijzigen van temperatuursetpunten, aan-/uitsignalen, … maar vaak met een beperkte regelvrijheid.
Circulatiepompsturing: varieert de optimale instelling naargelang het doel?
Warmtepompen zijn vaak uitgerust met frequentiegeregelde circulatiepompen om zo het afgeleverde debiet af te stemmen op de actuele warmtevraag. Dit gebeurt meestal door het verschil tussen de aanvoer- en retourtemperatuur te meten en te vergelijken ten opzichte van het gewenste temperatuurverschil dat vaak 5°C bedraagt. Afhankelijk van het emissiesysteem kan dit gewenste verschil ingesteld worden binnen een bepaald bereik. Maar wat in het geval van een 750 l buffervat tussen de warmtepomp en het emissiesysteem?
En kan de ideale instelling verschillend zijn wanneer de eindklant andere doelen heeft, zoals het laagste energieverbruik of de laagste kost bij energieprijsvariaties? Voor de experimentele opstelling in EnergyVille/KU Leuven met een modulerende water-waterwarmtepomp werden de uiterste instellingen vergeleken, namelijk een verschil van 3°C of 10°C tussen de aanvoer- en retourtemperatuur. Figuur 2 toont een overzicht.
Energie-efficiëntie versus flexibiliteit bij vereenvoudigde op- en ontlaadcycli buffervat
Een eerste scenario betreft het opwarmen van het buffervat van 35 °C tot de maximumtemperatuur van de warmtepomp (55 °C). Vervolgens wordt het buffervat terug volledig ontladen tot 35 °C via een constant afgiftevermogen berekend voor 4 buitentemperaturen (-7 °C, 2 °C, 7 °C en 12 °C). Het opwarmen tot de maximumtemperatuur van de warmtepomp kan zich voordoen bij de optimalisatie van eigenverbruik van zelf-opgewerkte zonne-energie of bij schommelende elektriciteitsprijzen.
De pompinstelling van 3 °C kon het buffervat volledig opwarmen bij een nagenoeg constant pompdebiet van 27 l/min. Bij de 10 °C pompinstelling schakelde de warmtepomp vroegtijdig uit omwille van een sterke debietsdaling op het einde van de laadcyclus (Figuur 3) in een poging om de 10 °C tussen aanvoer en retour te behouden. Deze sterke en vooral snelle debietsvermindering liet de compressor niet toe om snel genoeg bij te regelen. De veiligheidstemperatuur van 60 °C werd bereikt en de warmtepomp ging over in veiligheidsmodus.
Echter was de retourtemperatuur wel voldoende laag om de compressor te blijven laten werken, tenminste als de debietsdaling niet zo sterk was geweest. Een reductie van 55 °C naar 52 °C als maximumtemperatuur van het buffervat was nodig om de veiligheidsmodus te vermijden bij de 10 °C pompinstelling. Het verdict? Een daling van 10.35 % in de opgeslagen energie. Dat betekent dat de warmtepomp minder lang kan werken om goedkope energie op te slaan alsook minder lang van het net gekoppeld kan blijven. De COP bij de 10 °C pompinstelling steeg wel met 7.62 %, louter gedreven door de lagere buffervattemperatuur van 52 °C die nodig was om de veiligheidsmodus te vermijden.
Praktische consequentie van pompinstelling onder normale werking
Het gewenste temperatuurverschil tussen het aanvoer- en retourwater wordt vaak eenmalig door de installateur ingesteld. Uitgaande van een hogere energieflexibiliteit voor de 3 °C pompinstelling kan hiervoor dus geopteerd worden. Maar maximaliseert deze instelling op momenten van normale werking (zonder flexibiliteitsdiensten) dan ook de performantie van het systeem?
Om hierop een antwoord de bieden werd de warmtepomp in realtime gekoppeld aan een gesimuleerd gebouw conform de 2020 EPB-eisen [3]. Een stooklijn werden ingesteld op de warmtepomp, het buffervat en de mengkraan achter het buffervat (Figuur 4). De hysteresis op het buffervat werd bewust op +5 °C/-2 °C gehouden om de performantie bij afwezigheid van energieflexibiliteit te maximaliseren.
Het vergelijken van beide pompinstellingen leverde interessante inzichten op. De 10 °C pompinstelling zorgt voor een lagere retourtemperatuur en daardoor gemiddeld genomen een lagere condensortemperatuur. Dit verhoogde de COP met 6.10 % ten opzichte van de 3 °C pompinstelling.
Daartegenover staat wel een toename van maar liefst 68.75% compressorcycli. Figuur 5 levert de nodige verklaringen. Het nastreven van een 10 °C tussen de aanvoer- en retourtemperatuur verbetert de thermische gelaagdheid in het buffervat. De circulatiepomp zorgt voor een snelle reductie van het waterdebiet waardoor vooral de bovenste lagen van het buffervat geladen worden. Hierdoor wordt de uitschakeltemperatuur van het buffervat redelijk snel behaald en schakelt de warmtepomp terug uit.
Bij de 3 °C instelling zorgt het hoge debiet voor een eerder gemengde tank met een minder uitgesproken thermische gelaagdheid. Het hoge debiet belet het snel opladen van de bovenste lagen. Hierdoor vindt de warmtepomp met het buffervat een thermisch evenwicht tussen de afgeleverde energie en de onttrokken energie en wordt de uitschakeltemperatuur van het buffervat net niet bereikt. Door de hogere COP bij de 10 °C pompinstelling en een aantal compressorcycli dat nog binnen toelaatbare grenzen ligt zou deze instelling geadviseerd kunnen worden onder normale werking.
Praktische gevolgen en toekomstperspectieven
De optimale pompinstelling hangt dus af van het uiteindelijke doel. Is een grote mate van energieflexibiliteit gewenst, dan kan een 3 °C instelling aangeraden worden. Wordt er louter naar het energieverbruik gekeken, dan kan best de 10 °C instelling gekozen worden. Aangezien de pompinstelling meestal eenmalig wordt ingesteld dwingt een eerder permanente keuze met compromis zich op.
Met toekomstige slimme sturingen via energiemanagementsystemen alsook het ruime scala aan hydraulische systemen zou het interessant zijn als fabrikanten een bredere set aan pompinstellingen zouden aanbieden
Met toekomstige slimme sturingen via energiemanagementsystemen alsook het ruime scala aan hydraulische systemen zou het interessant zijn als fabrikanten een bredere set aan pompinstellingen zouden aanbieden. Bijvoorbeeld een realtime aanpasbaar temperatuurverschil voor de pompsturing. Of een pompsturing zonder temperatuurverschil maar met een constant debiet of nog beter een extern aanstuurbare pomp. Daarnaast dient rekening gehouden te worden met mogelijke regelinstabiliteit. Bij een aantal experimenten werd interferentie tussen de compressorsturing en pompsturing opgemeten. Hierbij ontstonden sterke oscillaties omdat de compressorsnelheid verhoogde om de uitgangstemperatuur te bereiken, terwijl de pompsturing net zorgde voor een sterke verlaging van het debiet om het temperatuurverschil te kunnen behouden.
Referenties
[1] M. Evens, A. Mugnini, and A. Arteconi, “Experimental Evaluation of Circulation Pump Control Impact on Performance and Energy Flexibility in Heat Pumps with Thermal Storage under Rule-Based and Model Predictive Control Strategies,” in Proceedings of the 15th IEA Heat Pump Conference 2026, 2026, pp. 2439–2450.
[2] Eurostat, “Energy consumption in households.”
[3] M. Evens and A. Arteconi, “Influence of Internal Control Simplifications in Heat Pump System Modelling for Energy Flexibility Evaluations,” in Proceedings of Building Simulation 2021: 17th Conference of IBPSA, IBPSA, 2021.
[4] M. Evens and A. Arteconi, “Design energy flexibility within a Comfort and Climate Box – An experimental evaluation of the internal heat pump control effects,” Appl. Therm. Eng., vol. 254, no. 123842, 2024.
[5] T. Pean, R. Costa-Castello, E. Fuentes, and J. Salom, “Experimental Testing of Variable Speed Heat Pump Control Strategies for Enhancing Energy Flexibility in Buildings,” IEEE Access, vol. 7, pp. 37071–37087, 2019.
