September 2024
Tegenstroomcirculatie kan gebruiker duur komen te staan
Nu Nederland massaal afscheid moet nemen van de cv-gasketel en in veel gevallen moet overschakelen op een individuele warmtepomp, is het zaak dat de installatietechniek ook de beoogde prestaties levert. En dat laatste kan nog wel eens tegenvallen wanneer er geen maatregelen worden genomen om warmteverliezen te voorkomen als gevolg van eenpijps- of tegenstroomcirculatie in het buffervat. Een verschijnsel dat mogelijk vaker voorkomt dan dat nu bekend is.
Het was even schrikken voor Hein-Jan van Veldhoven uit het Brabantse Nuenen toen hij na een weekje vakantie thuiskwam en eens controleerde hoe hoog het energiegebruik van zijn warmtepompinstallatie was tijdens de vakantierust. Op de app van Home Assistant ontdekte hij dat er alleen al voor het op temperatuur houden (tussen 53 en 58 °C) van warm tapwater in het buffervat tijdens zijn afwezigheid een schrikbarende hoeveelheid stroom nodig was. De opwarm- afkoelcyclus duurde bij zijn installatie bijna 9,5 uur. Om voortdurend over voldoende warm tapwater te beschikken, zouden er per etmaal ruim 2,5 cycli nodig zijn. Qua stroomverbruik zou dat neerkomen op maar liefst 5,5 kWh per dag, zonder ook maar een druppel warm water te gebruiken, oftewel 2.038 kWh per jaar. Volgens de specificaties van het label zou het verbruik minstens een factor 3,7 lager moeten liggen.
Van Veldhoven ging vervolgens eens verder rekenen. In de negen maanden dat zijn warmtepompinstallatie in bedrijf was, maakte deze 823 draaiuren. Daarvan zijn er dus 533 uren gespendeerd aan het warm houden en slechts 290 aan daadwerkelijk verbruik. ‘Dat voelt niet echt als een fijne verhouding,’ stelde hij eufemistisch vast.
Dat hij over het presteren van zijn A+++-installatie bijzonder teleurgesteld was, behoeft geen nadere uitleg. Hij betaalde naar eigen zeggen zo’n 70.000 euro, in de veronderstelling een zo zuinig mogelijke installatie aan te schaffen. Maar wat hem vooral tegen de borst stuitte, was dat de door hem aangeschafte warmtepompinstallatie in principe wel degelijk energiezuinig was, maar dat dit door de uiteindelijke realisatie van de installatie vrijwel volledig teniet werd gedaan.
Schematische weergave van de oorspronkelijke situatie bij Van Veldhoven in Nuenen.
Tegenstroomcirculatie
Het probleem is inmiddels door installateur en warmtepompleverancier netjes en naar tevredenheid opgelost. Maar waar is het nu precies fout gegaan bij deze installatie? De oorzaak ligt bij een fenomeen dat in Nederland volgens Vereniging Warmtepompen weliswaar bekend zou moeten zijn, maar niettemin nogal eens over het hoofd wordt gezien. De Duitse warmtepomp- en solarbranche heeft in samenwerking met het Institute for Solar Energy Research Hamelin het probleem en de voorkoming daarvan in meerdere documenten vastgelegd. In Duitsland spreekt men van Einrorhzirkulation, letterlijk vertaald eenpijpscirculatie, maar beter is misschien: tegenstroomcirculatie.
Dit type warmteverlies kan optreden bij alle installatiedelen met warm(tap)water op constante temperatuur, als er aftakkende leidingen zijn die direct – dus zonder de aanwezigheid van een sifon – omhoog lopen. Dat heeft alles te maken met het natuurkundige verschijnsel dat koud water zwaarder is dan warm water. Hierdoor zakt koud water altijd naar beneden.
Doordat de moleculen in het warme water veel bewegen hebben de moleculen ook meer ruimte nodig. Warm water bestaat daarom uit minder moleculen dan een even groot volume koud water. Het warmteverlies treedt op in de verbindingsleidingen van de warmteopslag zodra de vraag naar warm tapwater wegvalt. Het stilstaande water koelt op natuurlijke wijze af. Tegelijkertijd stijgt het warme water uit de opslagtank en het wordt door de thermiek in de leiding ‘gepompt’. Het koelere water stroomt langs de onderste leidingwand terug in de opslagtank.
‘Het is een bekend fenomeen, maar voor de woninginstallateur is het vaak nieuw, omdat het bij gastoestellen door hun constructie niet of nauwelijks optreedt,’ zegt onderzoeker Hans van Wolferen. ‘De Nederlandse installatiebranche is opgegroeid met cv-ketels en installateurs zijn gewend om de aansluiting bij de warmtepomp op eenzelfde manier te monteren als zij dat deden bij cv-ketels. En daar kan het in sommige gevallen dus fout gaan.’
‘Installateurs gewend om aansluiting bij warmtepomp op zelfde manier te monteren als bij cv-ketel’
Bij de klassieke gasboiler of combi-boiler treedt dit volgens Van Wolferen zelden op. Dat komt omdat de ketel en het boilervat in veel situaties op gelijke hoogte aan de wand gemonteerd zijn. In die situatie zitten de aansluitingen van het boilervat aan de onderzijde, waardoor een thermisch opsluiting van de warmte optreedt. Omdat installateurs tegenstroomcirculatie bij dergelijke opstellingen niet tegenkomen, staan ze ook niet stil bij de effecten ervan wanneer wél tegenstroomcirculatie zou optreden. Door de zolderopstelling van de meeste van deze toestellen lopen de leidingen naar de onderliggende verdiepingen.
Doorstroom combi-ketels (toestellen met warmhoudfunctie van de warmtewisselaar) zullen naar verwachting van Van Wolferen eveneens zelden of nooit met dit euvel te maken hebben, omdat ook bij deze toestellen de aansluitingen aan de onderzijde zitten.
Anders ligt dat mogelijk bij de combi-warmtepomp, dus warmtepompen gecombineerd met een groot voorraadvat. Omdat er veel verschillen zijn in de uitvoering van dit type, is het volgens Van Wolferen niet uit te sluiten dat er bij sommige uitvoeringen inderdaad sprake kan zijn van tegenstroomcirculatie. Want hoe verschillend de warmtepompen ook mogen zijn qua techniek en ontwerp (water/water, brine/water) in de meeste gevallen staan ze gewoon op de vloer, dit vooral vanwege het veel grotere gewicht van de warmtepomp. Ook het boilervat is in de regel groter en daarmee zwaarder dan bij gasboilers. Het staat óf op de vloer naast de warmtepomp óf boven de warmtepomp. In al deze opstellingen zitten de aansluitingen meestal aan de bovenzijde, omdat ze daardoor voor de monteur veel makkelijker te bereiken zijn. En in die situatie kan dus wel warmteverlies als gevolg van tegenstroomcirculatie optreden.
Van Wolferen: ‘Voor zover ik weet, wordt er in de montage-instructie geen aandacht aan gegeven en worden er evenmin sifons bijgeleverd waarmee het probleem eenvoudig kan worden opgelost. Het is overigens wel opmerkelijk dat dit fenomeen bij de CEN-test niet naar voren komt. Daar worden de toestellen opgesteld conform de instructie, dus zou hetzelfde verlies kunnen optreden.’
Bij eenpijps- of tegenstroomcirculatie: het stilstaande water koelt op natuurlijke wijze af. Tegelijkertijd stijgt het warme water uit de opslagtank en het wordt door de thermiek in de leiding ‘gepompt’. Het koelere water stroomt langs de onderste leidingwand terug in de opslagtank.
Sifon effectiefst
Het Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH) heeft onderzoek gedaan naar oplossingen om warmteverlies door tegenstroomcirculatie te voorkomen. De onderzoekers stelden vast dat warmteverliezen toenemen bij:
• frequente en lange stand-by tijden,
• verhoging van de bewaartemperatuur,
• grote buisdiameters,
• licht naar boven hellende aansluitleidingen,
• leidingmaterialen met lage thermische geleidbaarheid dus hogere isolatiewaarde.
Het effectiefste middel om tegenstroomcirculatie te voorkomen is de toepassing van sifons, stelt ISFH in zijn publicaties. Het hoeft niet de U-vormige sifon te zijn die we kennen van afvoeren; een sifon met Z-profiel is al voldoende. Het koele water in de leiding zit verder naar beneden dan het warme water in de aansluiting van het buffervat en zal daar blijven. De gelaagdheid is stabiel, de niveaus zullen zich niet langer mengen.
De ISFH-onderzoekers hebben ook sifons van verschillend materiaal vergeleken; die van roestvast staal en die van koper. Omdat koper de warmte beter geleidt dan RVS moet een koperen sifon iets langer zijn dan een sifon van RVS, anders transporteert de buiswand de warmte van de aansluiting zelf naar het diepere leidingdeel. Voor koper raden de onderzoekers aan om het verticale stuk van de sifon minimaal 13 keer zo lang te kiezen als de binnendiameter van de buis.
Eveneens te overwegen voor toepassing in het voorraadvat zijn de speciaal voor dit doel ontwikkelde convectieremmen. Ze verminderen ook de warmtegeleiding in de buis en werken op dezelfde manier als een korte sifon. Een nadeel is wel dat ze pas echt goed werken bij lage temperaturen van rond de 40 °C, dus als het warmteverlies als gevolg van tegenstroomcirculatie minder ernstig is.
Dat de leidingen goed en volledig aansluitend geïsoleerd moeten worden, verdient uiteraard geen betoog. In dit verband wordt ook aanbevolen geen leidingen toe te passen met een grotere diameter dan strikt nodig. Dikkere binnendiameters vergroten immers de circulatie bij een eenpijpssysteem, dikkere wanddiktes verhogen de verliezen als gevolg van warmtegeleiding langs de wand. Aandachtspunten zijn vooral de warmwateraansluitingen. Daar is niet alleen de temperatuur het hoogst, maar zijn ook de stilstandtijden het langst.
Reactie van de Vereniging warmtepompen
In een reactie zegt Marco van der Helm, directeur van Vereniging Warmtepompen: ‘Hoewel Einrohrzirkulation geen probleem is dat direct met het product warmtepomp te maken heeft, maar met het correct aansluiten ervan, is er ons veel aan gelegen om ook op dit punt een correcte installatie van de warmtepomp en toebehoren te laten plaats vinden.’
Op de vraag of er in de opleidingen voor warmtepomp-installateurs expliciet op het risico van tegenstroomcirculatie wordt gewezen, antwoordt Van der Helm dat de Vereniging Warmtepompen de inhoud van alle opleidingen van de leden niet inhoudelijk kent.
‘Echter, fabrikanten beperken zich in hun opleidingen in alle gevallen niet tot alleen productspecifieke kennis, maar hebben een focus op het goed functioneren van hun product binnen de totale installatie. Dat is uiteraard het gedeelde belang van fabrikanten en installateurs. Verder is er op dit moment een proces gaande van aansluiting van de opleidingen van fabrikanten bij de Vakmanschapstructuur zoals die door Techniek Nederland en WIJ techniek opgezet is. Dit alles om nog meer tot een integraal en uniform kennisniveau te komen. Daarbij staan de verschillende eindtermen centraal. Overigens is het optreden van tegenstroommcirculatie een bekend fenomeen. De verschijnselen kunnen zowel bij boiler- als buffervaten voorkomen als die niet op de juiste manier zijn aangesloten. Dit geldt zowel voor warmtepomp-, zonneboiler- als cv-ketel-installaties – of installaties met een andere opwekker – in combinatie met een boiler- of buffervat.’
Van der Helm wijst erop dat buffervaten over het algemeen doorstromend zijn tijdens het verwarmingsseizoen en dus weinig stilstand kennen. Daardoor zijn de gevolgen van het niet correct aansluiten relatief klein. Bij boilervaten voor tapwater is de mogelijke impact groter, omdat het aandeel stilstand in tijd aanzienlijk groter is. ‘Bij veel combitoestellen zitten de aansluitingen voor tapwater aan de onderzijde van het vat, ook als de aansluitingen naar de rest van de tapwaterinstallatie buiten het toestel aan de bovenzijde naar buiten komen. Het is echter iets wat controle van de installateur vraagt en niet zonder meer kan worden aangenomen. Bij losse boilervaten zijn aansluitingen aan de onderzijde minder vanzelfsprekend.’
Van der Helm sluit niet uit dat de kennis hierover nog meer aandacht nodig heeft en dat dit met name mogelijk minder bekend is bij de woningbouwinstallateur. Ook kan het dat het onderwerp in de breedte te weinig aandacht heeft gehad in de installatiebranche. ‘Mede daarom is dit fenomeen recent door Isso ook opgenomen in de herziende publicaties 72 voor individuele bodemwarmtepompinstallaties en 98 voor luchtwaterwarmtepompinstallaties. Ook zou dit passend zijn voor overige publicaties waar het aansluiten van boiler- en buffervaten aan de orde komt. Uiteraard is het een gemeenschappelijk belang van fabrikanten en installatiebedrijven om de eindgebruiker een installatie op te leveren die aan alle verwachtingen voldoet. Daarom zal de Vereniging Warmtepompen de komende tijd hier ook aandacht aan besteden in haar communicatie naar leden en meer algemeen via haar social media kanalen.’
Tekst: Mari van Lieshout
Illustratie: Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.