Nachtverlaging: geen besparing maar kost juist energie met een cv-warmtepomp

Vroeger, bij gebruik van een cv-ketel, kon je met nachtverlaging energie besparen. Maar dat werkt averechts bij een warmtepomp.

Het op temperatuur brengen van een woning, na een nachtverlaging, kost een cv-warmtepomp relatief meer energie dan de woning op temperatuur houden. Daarom staat de cv-warmtepomp bij voorkeur 24/7 te verwarmen.

Maar hoeveel energie kost een nachtverlaging eigenlijk? In dit artikel geven we aan de hand van uitgebreide berekeningen inzicht.

Drie aspecten

Dat nachtverlaging zorgt voor een hoger energieverbruik, dat is vrij makkelijk aantoonbaar en rekenen we in dit artikel voor je uit. Maar het is niet één aspect dat een rol speelt, het zijn er drie.

Het eerste en meest simpele aspect is dat bij een nachtverlaging de cv-warmtepomp een aantal uren niet draait (of op een lager vermogen). Maar je woning heeft, bij een bepaalde buitentemperatuur, per dag een bepaalde hoeveelheid thermische energie nodig om deze op temperatuur te houden. De cv-warmtepomp (en het afgiftesysteem) krijgt door de nachtverlaging minder tijd per etmaal om dit vermogen af te geven. Dáárdoor zal het rendement van de cv-warmtepomp dalen en kost je dit meer elektrische energie.

Het tweede aspect is het verschil in rendement tussen een cv-ketel en cv-warmtepomp. Voor ieder deel thermische energie die je woning nodig heeft om op temperatuur te blijven, kost dit bij de cv-ketel 1,06 deel energie aan gas. Het rendement van een cv-ketel tijdens verwarmen is namelijk circa 94%^[1].

Bij een cv-warmtepomp heb je voor ieder deel warmte maar 0,25 deel elektrische energie nodig. Dat komt omdat het rendement van een cv-warmtepomp circa 400% is. Verwarmen met een cv-warmtepomp is niet voor niets populair, het is gewoon goedkoper dan een cv-ketel.

Het derde aspect is lastiger te berekenen. Bij een nachtverlaging zal een deel van thermische energie die opgeslagen zit in de thermische massa van de woning onttrokken worden. De thermische massa neemt gedeeltelijk de taak over van de verwarming. Het fungeert als een thermische accu. Die onttrokken energie moet na de nachtverlaging weer aangevuld worden. Het opwarmen van de thermische massa kost de cv-warmtepomp meer elektrische energie dan die thermische massa constant op dezelfde temperatuur te houden. Dit komt omdat tijdens het "opwarmen" het rendement van een cv-warmtepomp lager is dan tijdens het "op temperatuur houden".

Nachtverlaging: meer energie leveren in een kortere tijd, altijd een slecht idee

We kunnen het eerste aspect met een simpel voorbeeld verklaren. We gaan daarbij twee denkbeeldige tests uitvoeren.

We hebben een woning die een warmteverlies heeft van 6 kW. De cv-warmtepomp heeft een COP van 4 en we gebruiken radiatoren en die zijn zodanig gedimensioneerd dat de aanvoer cv-watertemperatuur 35°C is en het retourwater is 30°C.

In de eerste test laten we de cv-warmtepomp constant draaien. Het warmteverlies van de woning is 6 kW dus als de cv-warmtepomp constant 6 kW warmte produceert zal precies het thermisch verlies van de woning gecompenseerd worden. Daardoor blijft de temperatuur in de woning constant.

De cv-warmtepomp geeft 6 kW thermisch vermogen af, maar vanwege de COP van 4 is het opgenomen elektrisch vermogen 6/4=1,5 kW.

Gedurende die 24 uur zal het elektrisch energieverbruik 1,5 kW x 24 uur = 36 kWu zijn. (meer info over vermogen en energie)

Nu gaan we een tweede test uitvoeren, alles is gelijk als hiervoor, alleen laten we de cv-warmtepomp niet constant draaien, maar zetten we deze 50% van de tijd aan en 50% van de tijd uit. Dus bijvoorbeeld 1 uur aan, 1 uur uit etc. Maar dat kan ook 12 uur aan en 12 uur uit zijn.

Het huis heeft nog steeds een warmteverlies van 6 kW^[2]. Dus in 24 uur moet er 24 x 6 kW = 144 kWu thermische energie afgegeven worden.

Echter, de warmtepomp staat nu maar voor 50% van de tijd aan. Dat betekent dat hij in 12 uur tijd dezelfde 144 kWu thermische energie moet afleveren.

Dat betekent dat de cv-warmtepomp in 12 uur 144 kWu moet afgeven, dus het thermisch af te geven vermogen moet dan zijn: 144 kWu / 12 uur = 12 kW.

Voor het elektrisch energieverbruik lijkt dit niets uit te maken. Want vanwege de COP van 4 zal de cv-warmtepomp bij 12 kW thermisch vermogen 12/4=3 kW elektrisch vermogen gebruiken. En dat gedurende 12 uur is dat een verbruik van 12 uur x 3 kW = 36 kWu. Dat is dus precies hetzelfde als in de eerste test.

Alleen nu komt er een aapje uit de mouw gekropen en die vertelt ons dat het allemaal iets anders ligt.

Wanneer de cv-warmtepomp in deze tweede test draait, zal deze geen 6 kW afgeven, maar 12 kW thermische warmte. En dat betekent dat het afgiftesysteem ook 12 kW warmte moet afgeven.

Wanneer een afgiftesysteem meer vermogen moet afgeven, is er (bij een gelijkblijvend debiet van het cv-water en een gelijkblijvend verschil in temperatuur tussen de aanvoer en retour van in dit voorbeeld 5°C) maar één variabele over om het afgiftevermogen te verhogen. Dat is door de cv-watertemperatuur te verhogen. Dat is van toepassing op ieder afgiftesysteem, dus bij vloerverwarming, convectors en radiators.

De temperatuur van het cv-water heeft een dominante invloed op de vermogensafgifte. Dat kan je zien in een grafiek hieronder die we gemaakt hebben voor een denkbeeldige paneelradiator waarbij we voor diverse cv-watertemperaturen het afgeven vermogen in de grafiek hebben gezet^[3].

Deze grafiek is van toepassing op een kleine radiator, maar de relatie tussen de temperatuur van het cv-water en het afgiftevermogen blijft voor iedere radiator gelijk, dus ook voor veel grotere radiatoren of een veelheid aan radiatoren.

Als je kijkt bij een temperatuur van 35/30°C (aanvoer/retour temperatuur) dan zie je dat het afgiftevermogen hier 100 Watt is.

Willen we nu twee keer zoveel vermogen afgeven, en dat willen we in de tweede test, dan is dat alleen maar mogelijk door de cv-watertemperatuur te verhogen. De benodigde temperatuur blijkt voor 200 Watt 42,5/37,5°C te zijn.

En nu komt de kern van dit verhaal, wanneer een warmtepomp een hogere temperatuur moet afgeven, gaat dit ten koste van het rendement van de warmtepomp. De 2% vuistregel stelt dat iedere graad Celsius verhoging een rendementsdaling geeft van circa 2%.

In test twee moet, om een dubbel vermogen af te geven, de aanvoer watertemperatuur stijgen van 35 naar 42,5°C. Dat is een stijging van 7,5°C. Dus dat betekent volgens de 2% vuistregel, dat het rendement met circa 15% daalt. En dat houdt in dat de elektriciteitsverbruik met 15% stijgt.

In test twee hebben we een nachtverlaging nagebootst van 12 uur (omdat 12 uur lekker rekent). En dat gedurende die tijd ook de cv-warmtepomp uit stond. In de praktijk zal een nachtverlaging iets van 6 uur zijn. Wanneer de nachtverlaging drie graden lager wordt ingesteld, dan zal zeker bij een goed geïsoleerd huis, de cv-warmtepomp de hele nacht uit staan. Want een daling van 3°C gedurende 6 uur niet verwarmen tref je alleen aan bij relatief slecht geïsoleerde woningen.

Wat we hier duidelijk hebben gemaakt dat nachtverlaging geen goed idee is, en dat is met bovenstaand voorbeeld vrij eenvoudig te doorgronden.

Hoe korter de nachtverlaging, hoe minder elektrische energie dit kost van de cv-warmtepomp, en het beste is dus helemaal geen nachtverlaging.

Tja, een cv-warmtepomp heeft eenmaal andere eigenschappen dan een cv-ketel, vandaar het advies om kamers "boven" ook te verwarmen.

De gevolgen door afkoeling van de thermische massa van de woning

Een huis is gebouwd met materialen. Ieder materiaal heeft een bepaalde thermische massa die als een thermische accu fungeert. Daardoor zal de temperatuur in een woning, tijdens een nachtverlaging, niet snel dalen omdat de thermische massa langdurig warmte afgeeft.

Voor ieder materiaal is bekend wat de soortelijke warmte is en daardoor is ook uit te rekenen hoeveel energie opgeslagen zit in de verschillende materialen van een woning.

In dit artikel willen we inzicht geven dat als de thermische massa tijdens een nachtverlaging afkoelt, dat dit een negatief effect heeft op het rendement van de cv-warmtepomp gedurende het "opwarmen" na de nachtverlaging. Het probleem is echter dat iedere woning anders is, niet alleen wat betreft de afmetingen maar ook de gebruikte materialen.

Daarom hebben we een aanname gemaakt van de soort en hoeveelheid van die materialen. De berekening zelf is heel precies, maar omdat de hoeveelheid en type materiaal bij jou anders zal zijn, is het negatieve effect dat we berekenen ook anders. Maar het gaat in dit artikel om je inzicht te geven en dat kunnen we met een voorbeeld zeker bereiken.

We stellen dat we een woning hebben met zijwanden en vloeren van beton en de voor en achterkant is gemaakt van gasbetonblokken (cellenbeton). We houden alleen rekening met deze materialen aan de binnenkant van de bouwschil, die dus vanuit de woning gezien zich vóór de isolatie bevinden. Een woning heeft natuurlijk veel meer materialen zoals deuren, ramen, etc. De buitenmuren en het dak hebben ook een invloed maar die is door de isolatie gering en voegen voor het inzicht niets toe en laten we daarom weg.

We berekenen alleen maar de gevolgen van de thermische massa op de begane grond. De thermische massa op de eerste verdieping heeft uiteraard ook invloed, maar ook hier willen we het niet onnodig complex maken. Inzicht en het doorgronden van het fenomeen is belangrijker dan de absolute waarden.

Daarnaast laten we vele (maar minder zwaar wegende) aspecten buiten beschouwing. Om er een paar te noemen: we stellen dat de gemiddelde temperatuur van de bouwmaterialen van vloer, muren en plafond identiek zijn en gelijk zijn met de binnenhuistemperatuur, terwijl dit in de praktijk dit ietsje ander is. Ook houden we geen rekening met de warmtegeleidingscoëfficiënt van de materialen (het kost tijd voordat warmte doordringt in een materiaal), ook zal de ventilatie een rol spelen, maar ook die houden we hier buiten de berekening.

Zo, dat waren de disclaimers, dan nu het object waar we aan gaan rekenen. We hebben te maken met een denkbeeldige doos die de benedenverdieping voorstelt. De lengte is 10 meter, de breedte 5 meter en de hoogte is 2,80 m.

De twee zijmuren zijn van beton en hebben de afmetingen 10 x 2,8 m en met een dikte van 10 cm is het volume: 10 x 2,8 x 0,1 = 2,8 m³ en omdat we twee muren hebben is dit samen 5,6 m³

De vloer en plafond is gemaakt van beton en hebben beiden een afmeting van 10 x 5 m en zijn 20 cm dik (0,2 m), dat levert een volume op van: 10 x 5 x 0,2 x = 10 m³. De vloer en plafond samen hebben dus een volume van 20 m³.

De binnenmuur aan de voor- en achtergevel is gemaakt van gasbetonblokken en die muren hebben de afmetingen 5 x 2,8 m en zijn 7 cm (0,07 m) dik en dat levert een volume op van: 5 x 2.8 x 0,07 = 0,9975 m³. De voor en achterzijde samen zijn dus 1,995 m³ en dat ronden we af op 2 m³.

De thermische massa bestaat dus uit 25,6 m³ beton en 2 m³ gasbeton.

Het soortelijke gewicht van beton stellen we in dit voorbeeld op 2400 kg/m^3[4] en van cellenbeton is dit 750 kg/m^3[5].

De soortelijke warmte van beton stellen we op 880 J/(kg.K)^[4] en van cellenbeton op 1000 J/(kg.K)^[5].

Mocht je hier niet bekend mee zijn, dan moet je dat als volgt lezen: wil je één kilogram beton met 1 Kelvin (of graad Celsius) in temperatuur laten stijgen dan is daarvoor 880 J voor nodig (Joule is de eenheid van energie). Andersom is ook waar: als 1 kg beton 880 Joule thermische energie afgeeft zal de temperatuur met één graad Celsius dalen.

Tijdens een nachtverlaging zal de temperatuur in de woning dalen. Hoe veel dit is, zal onder andere afhangen van de thermische massa en de isolatie van de woning. Die is dus voor iedere woning verschillend. We stellen de temperatuurdaling na een nachtverlaging op 0,8 graad Celsius.

Dat betekent dat de temperatuur van de thermische massa ook met 0,8 graad is gedaald. Willen we na de nachtverlaging die thermische massa weer opwarmen naar de gewenste temperatuur in de woning, dan moet het beton een gasbeton ook met 0,8 graad opgewarmd worden.

De volgende stap is om te berekenen hoeveel thermische energie we nodig hebben om het beton en het gasbeton op te warmen?

De formule daarvoor is:

Q = m x c x delta-t

Q is de benodigde energie in Joule, m is de massa (het gewicht) in kg, c is de soortelijk warmte van het materiaal in J/(kg.K) en delta-t is het temperatuurverschil (hier 0,8).

De massa van het beton is 20 m³ x 2400 kg/m³ = 48000 kg.

De massa van het gasbeton is 2 m³ x 750 kg/m³ = 1500 kg.

Voor het opwarmen van het beton is benodigd: 48000 x 880 x 0,8 = 33792000 J.

Voor het opwarmen van het gasbeton is benodigd: 1500 x 1000 x 0,8 = 1200000 J.

Maar ook de lucht opwarmen in de betreffende ruimte kost energie. De soortelijke warmte van lucht is circa 1005 J/(kg.K). De inhoud van de lucht in de woning is 10 x 5 x 2,8 = 140 m³ (we smokkelen hier een beetje want de hoogte is eigenlijk geen 2,8 meter vanwege de materiaaldikte van de betonvloeren). Het gewicht van lucht is circa 1,29 kg/m³. Dus de lucht in de woning weegt 140 x 1,29 = 180,6 kg.

Om de lucht 0,8 graad in temperatuur te laten stijgen is benodigd: 180,6 x 1005 x 0,8 = 145202 J.

Zo dan hebben we nu alle benodigde energie berekend, te samen hebben we nodig: 33792000 + 1200000 + 145202 = 35137202 Joule.

De vraag is nu, hoe snel moet de warmtepomp deze extra energie toevoeren aan de woning, of anders geschreven, hoe snel moet de woning na de nachtverlaging op temperatuur zijn? We nemen hiervoor anderhalf uur "opwarmtijd".

Dus de cv-warmtepomp moet in anderhalf uur 35137202 Joule extra thermische energie produceren. Dat kunnen we omrekenen naar Watt, want 1 Joule = 1 Ws (Wattseconde). Dus 35137202 Joule = 35137202 Ws. Als we dat door 5400 seconden delen (anderhalf uur) dan krijgen we 35137202 / 5400 = 6507 Watt.

De cv-warmtepomp moet dus anderhalf uur lang 6507 Watt extra thermisch vermogen produceren (we vragen ons nu even niet af of de cv-warmtepomp wel dit extra vermogen kan leveren).

Goed, niet alleen de cv-warmtepomp moet 6507 Watt extra vermogen produceren, maar het afgiftesysteem moet dit extra vermogen ook afgeven.

We doen een aanname en stellen dat de woning voor het "op temperatuur houden" 3200 Watt thermische vermogen nodig heeft en daarbij een aanvoer/retour cv-watertemperatuur nodig heeft van 35/30°C.

Tijdens het opwarmen moet het afgiftesysteem 6507 / 3200 = circa 2 keer meer vermogen afgeven. In het begin van dit artikel hebben we beschreven dat als we het vermogen van het afgiftesysteem willen verdubbelen (bij gebruik van paneelradiatoren) dat de temperatuur van het cv-water 7,5°C moest stijgen. En dat leverde vanwege de 2% vuistregel een rendementsverlies op van circa 15%. Dus ook een 15% hogere energierekening.

Deze rendementsdaling komt nog bovenop de rendementsdaling die we eerder in het artikel hebben besproken vanwege de kortere tijd die de cv-warmtepomp heeft om de benodigde warmte aan de woning af te geven.

We hebben het al hiervoor vermeld, deze berekening is om je een inzicht te geven, door de vele aspecten die we niet mee hebben genomen en dat ieder huis anders is, zal de werkelijk rendementsdaling anders liggen. Maar hopelijk is wel duidelijk geworden dat nachtverlaging bij een cv-warmtepomp niet een goed idee is.

Snel opstoken niet verstandig

Vaak hoor je dat "snel opstoken" niet verstandig is bij een cv-warmtepomp (als het al lukt vanwege het beperkte vermogen van een cv-warmtepomp). Maar hier heb je het bewijs.

Want stel dat we het "opstoken" na de nachtverlaging eens opnieuw uitrekenen en dit uitsmeren over een twee keer zo lange (3 uur) en een twee keer zo korte tijd (45 minuten).

Bij 45 minuten (2700 seconden) is het extra vermogen 35137202 / 2700 = 13014 Watt, dat is dus 13014/3200=ca. 4 keer meer vermogen dan normaal, daar hoort een cv-watertemperatuur bij van circa 56/51°C dat is dus 21°C warmer, dus een rendementsverlies van circa 42%.

Bij 3 uur (10800 seconden) is het extra vermogen 35137202 / 10800 = 3253 Watt, dat is dus 3253/3200=ca. 1 keer meer vermogen dan normaal, daar hoort een cv-watertemperatuur bij van circa 42,5/37,5°C dat is dus 7,5°C warmer, dus een rendementsverlies van circa 15%.

Je ziet dus, hoe sneller je wil opstoken, hoe meer rendementsverlies dit oplevert, hoe meer je de tijd er voor neemt, hoe minder rendement je verliest dus hoe minder hoog je energierekening zal zijn.

Nooit opstoken, maar altijd gedurende het stookseizoen de temperatuur 24/7 constant houden met de cv-warmtepomp is dus het voordeligst.

Opstoken nieuwbouwwoning

Nu zal je ook begrijpen waarom eigenaren van een nieuwbouwwoning vaak moord en brand schreeuwen als ze naar hun elektriciteitsmeter kijken. Je hoort dan "nou die warmtepomp zou zuinig zijn, maar het kost ons klauwen met geld".

De reden is dat niet alleen de woning die eerst bijvoorbeeld 2°C was moeten opstoken naar 21°C, maar een nieuwbouwwoning zit ook nog eens barstensvol met vocht. En vocht laten verdampen (en dat is de enige manier om er van af te komen) kost énorm veel energie, circa 2256000 Joule per liter water.

Een nieuwbouwwoning bevat circa 3500 liter water dat nog moet verdampen. Als dat allemaal met de verwarming verdampt moet worden dan zou dat 3500x2256000/3600/1000=2193 kWu thermisch energie voor nodig zijn. Bij een COP van 4 van een cv-warmtepomp is dat nog altijd 548 kWu elektriciteit. Dat is dus alleen maar voor het "droogstoken", daar komen natuurlijk ook de normale verwarmingskosten nog bij.

Het eerste jaar zal de energierekening van een nieuwbouwwoning dan ook altijd flink hoger zijn dan de jaren daarna.