Van testlab naar digital twin: hoe TNO warmtepompen slimmer maakt

Van product naar prestatie

Warmtepompen zijn inmiddels een volwassen technologie. Daardoor verschuift de aandacht van de hardware zelf naar de manier waarop systemen functioneren in de praktijk.

Sinds ongeveer 2018 heeft TNO het onderzoek naar warmtepompen steeds sterker gericht op toepassingen in gebouwen. Daarbij staat niet alleen de warmtepomp centraal, maar ook de interactie tussen gebouw, gebruiker, installatie en regelsysteem.

Een belangrijke ontwikkeling was de introductie van dynamische testfaciliteiten waarin echte warmtepompen worden gekoppeld aan virtuele gebouwen. Hierdoor kunnen onderzoekers realistische gebruikssituaties nabootsen en analyseren waarom identieke producten in de praktijk toch verschillend presteren.

Volgens Dr Richard Kemp, Senior Scientist Buildings and Energy Systems bij TNO en HVAC Consultant, ligt de verklaring vaak niet in de hardware. "Kleine wijzigingen in een regelinstelling kan grotere impact hebben op de prestaties dan een verschil van vijf of tien procent tussen twee verschillende warmtepompen gebaseerd op statische prestatiebeoordelingen. Interacties met warmteafgevers en warmwatersystemen spelen hierbij een rol."

Die constatering leidde tot een verschuiving in het onderzoek. Niet langer draait innovatie alleen om betere componenten, maar vooral om slimmere aansturing.

Praktijkprestaties verbeteren

Voor fabrikanten, installateurs en gebouweigenaren is dat een belangrijke les. De prestaties die op een productspecificatieblad staan, komen niet altijd overeen met wat gebruikers daadwerkelijk ervaren.

Om dit beter te begrijpen ontwikkelde TNO een hardware-in-the-loop testomgeving. In deze opstelling draait een echte warmtepomp in een laboratorium terwijl een digitaal gebouwmodel realistische omstandigheden simuleert. Met deze aanpak kunnen verschillende regelstrategieën worden getest zonder afhankelijk te zijn van langdurige veldmetingen. Het onderzoek laat zien dat instellingen, gebouwkenmerken en gebruikersgedrag vaak een grotere invloed hebben op het energieverbruik dan kleine verschillen tussen producten.

Tegelijkertijd staat de sector voor een praktisch probleem. Veel installateurs zijn afkomstig uit de cv-markt en moeten onder hoge tijdsdruk installaties opleveren. Het optimaal afregelen van een warmtepomp vraagt echter tijd en specialistische kennis.

Daarom onderzoekt TNO hoe systemen zichzelf kunnen optimaliseren. Het doel is installaties robuuster en eenvoudiger te maken, zodat goede prestaties minder afhankelijk worden van handmatige instellingen.

Slimme sturing wordt cruciaal

De opkomst van elektrische auto's, zonnepanelen en warmtepompen zorgt voor toenemende druk op het elektriciteitsnet. Netcongestie is daardoor uitgegroeid tot een van de grootste uitdagingen van de energietransitie.

Tegelijkertijd ontstaan nieuwe mogelijkheden voor dynamische energietarieven. Gebruikers kunnen profiteren van lagere tarieven op momenten dat het elektriciteitsnet minder belast wordt.

Volgens Kemp ontstaat hierdoor een nieuwe generatie warmtepompen: "De hardware wordt steeds meer een gegeven. Het verschil wordt gemaakt door hoe slim een systeem kan omgaan met het gebouw, de gebruiker en het energiesysteem."

TNO werkt daarom aan een toolbox van gebouwmodellen, productmodellen en optimalisatietechnieken. Op basis van reeds in gebouwen aanwezige sensoren kan worden bepaald hoe snel een woning opwarmt, hoeveel warmte wordt opgeslagen en wanneer energieverbruik kan worden verschoven. Zo kan een systeem bijvoorbeeld eerder op de dag verwarmen wanneer elektriciteit goedkoop beschikbaar is, terwijl comfort behouden blijft. Daarmee kunnen zowel energiekosten als piekbelasting op het net worden verminderd.

Digital twins als versneller

Een belangrijke bouwsteen in deze ontwikkeling is de digital twin. Daarbij wordt een digitaal model gemaakt van een specifieke woning, installatie of warmtepomp.

De basis bestaat uit een trainbaar gebouwmodel, een productmodel en een optimizer die beslissingen neemt op basis van vooraf gedefinieerde doelen zoals kostenverlaging, comfortverbetering of flexibiliteit. Doordat deze modellen continu worden gevoed met praktijkdata ontstaat een steeds nauwkeuriger beeld van het gedrag van een gebouw en installatie.

Dat opent de deur naar nieuwe toepassingen. Een digital twin kan bijvoorbeeld voorspellen hoeveel flexibiliteit een woning kan leveren aan het elektriciteitsnet. Ook kunnen renovatiescenario's worden doorgerekend voordat investeringen worden gedaan.

Daarnaast biedt de technologie mogelijkheden voor voorspellend onderhoud. Door actuele meetwaarden te vergelijken met het gedrag dat het digitale model verwacht, kunnen afwijkingen vroegtijdig worden opgespoord. Storingen kunnen daardoor sneller worden gedetecteerd en onderhoud kan beter worden gepland.

Het systeem als geheel

Volgens TNO ligt de grootste uitdaging niet bij afzonderlijke producten, maar bij het functioneren van complete energiesystemen. Steeds meer woningen combineren warmtepompen met zonnepanelen, thuisbatterijen, laadpalen en Home Energy Management Systems. De vraag is hoe al deze componenten optimaal kunnen samenwerken.

Juist daar ligt volgens Kemp de kracht van TNO: "Wij ontwerpen geen betere warmtepomp dan een fabrikant. Wat wij wel kunnen doen, is helpen hoe je die systemen slimmer maakt door te begrijpen hoe complete systemen in de praktijk functioneren."

TNO combineert kennis van gebouwfysica, installatietechniek, simulatiemodellen, data-analyse en optimalisatie. Dankzij geavanceerde testfaciliteiten kunnen nieuwe concepten bovendien direct worden gevalideerd onder gecontroleerde omstandigheden.

Waar de grootste impact ligt

Hoewel veel aandacht uitgaat naar nieuwbouw, ligt de grootste verduurzamingsopgave in bestaande woningen. Nieuwe gebouwen kunnen relatief eenvoudig energiezuinig worden ontworpen. De uitdaging zit in de miljoenen bestaande woningen die nog afhankelijk zijn van aardgas.

Volgens Kemp spelen hybride warmtepompen hierin een belangrijke rol. Deze systemen combineren een warmtepomp met een cv-ketel en kunnen vaak zonder grote verbouwingen worden toegepast. "We weten dat hybride warmtepompen in bestaande woningen vaak gasreducties van 75 tot 80 procent kunnen realiseren." Daarmee vormen ze volgens hem een praktische route om snel grote stappen te zetten in CO₂-reductie, zonder direct zware investeringen of grote netverzwaringen te vereisen.

Wil je weten hoe slimme regeling, digital twins of systeemoptimalisatie kunnen bijdragen aan betere warmtepompprestaties? Neem contact met ons op.