Damien Picard, 07/09/2017 DESIGN OPTIMALISATIE TOOL

Transcriptie

1 Damien Picard, 07/09/2017 DESIGN OPTIMALISATIE TOOL

2 Gegeven 1: gebouw concept door architect voorgesteld Gebouwontwerp 2: ruwe schatting van koel en verwarmingsvermogen / energie Automatiseren 3: Voor gegeven gebouwconcept, welk HVAC is optimaal? Alles hangt van elkaar af! 2/ 18

3 Doelstellingen 1. Tool om voor gegeven gebouw en BDD, optimale HVAC ontwerp voor te stellen 2. Gebouwen (en BDD) door beperkt # parameters voorstellen en flowcharts voor optimale ontwerp opstellen. 3/ 18

4 Inhoud 1. Methodologie 2. Berekening van HVAC systemen 3. Componenten informatie 4. Output van tool 5. Wat kan en wat kan niet? 6. Opstelling van flowcharts 7. Algemeen besluit uit flowcharts 8. Besluit 4/ 18

5 Methodologie Vb scenario: Gebouw met 150 kw verw. en 100 kw koeling: Sce1: Gas ketel (150 kw), koelmachine (100 kw) met 4 pijps ventilo convectoren (150 kw) Sce2: Gas ketel (75 kw), koelmachine (50 kw) met VC (75 kw), WP (75 kw), warmtewisselaar (50 kw), BEO met BKA Sce3: 5/ 18

6 HVAC scenarios Max 2 verw. en 2 koelsystemen Elk productiesysteem gekoppeld aan zijn afgiftesysteem (Niet mogelijk dat beide de gasketel en de WP aan de BKA gekoppeld worden) 1 productiesysteem kan 0, 25, 50, 75 of 100% van de vraag dekken Meest efficient productiesysteem (bv WP) gekoppeld aan laagst (hoogste) verw. (koel ) systeem (bv WP aan BKA gekoppeld). 6/ 18

7 Component informatie Welke info? Kostprijs, onderhoudskost, levensduur Efficiencies bij bepaalde temperaturen, min en max werkingstemperaturen, Bronnen: Kostendata van 18 gebouwen (Boydens + Ingenium) + data van Verheyden (BEO) en IFTech (KWO) Normen: ISSO73 (dimensionering van boorveld), NBN EN 15459:2007 (onderhoudskost en levensduur), NBN EN :2007 (afgiftesysteem rendement) Technische fiches, Annex 48, Eurostats, VEA studies Aandachtpunten: Prijs hangt sterk van nominale werking lage en hoge temperatuur radiatoren worden als 2 verschillende elementen beschouwd Prijs hangt sterk af van wat in rekening is gebracht (bv: bij koelplafond is afwerking van plafond niet meer nodig, sierradiatoren zijn dubbel de prijs van gewone radiatoren, worden pijpen/valven in rekening gebracht?, ) geprobeerd om consequent te zijn Koel en verwarmingsvermogens zijn verschillend 7/ 18

8 Component informatie 8/ 18

9 Component informatie Productiesystemen: Afgiftesystemen: 9/ 18

10 Tool output Gegeven: Verwarming: 150 kw Koeling: Vloeroppervlakte: 2150 m 2 Grondgeleidbaarheid: 1.8 W/m.K BDD: 10 / 18

11 Wat kan en wat kan niet? Wat kan? 1. Tool is geautomatiseerd, op reëele kosten gebaseerd en transparent in zijn vergelijking tussen HVAC systemen 2. Tool neemt veel in rekening: dimensionering van BEO volgens ISSO73, temperatuur afhankelijke efficiënties, energie, onderhouds en vervangingkosten, Wat kan niet? 1. De huidige database bevat maar een beperkte # componenten 2. Gekoppelde kosten zijn niet altijd in rekening genomen (bv: het wegvallen van de afwerking van plafond) 3. Terugkoppeling tussen energie/vermogenvraag en keuze van HVAC systeem is beperkt. 4. BDD van gebouw moet gegeven zijn. 11 / 18

12 Opstelling van flowcharts Doel: uit een zeer beperkte # gebouwparameters een voorstel van optimale HVAC systeem maken. Parameters BDD Aanaam: vorm en aantal vollasturen (VLU) zijn dezelfde voor verwarming als voor koeling. Vermogens varieren (volgens α). 12 / 18

13 Opstelling van flowcharts 1) BEO systeem, BKA toegelaten 2) BEO systeem, BKA NIET toegelaten 3) KWO systeem, BKA toegelaten 4) KWO systeem, BKA NIET toegelaten 13 / 18

14 Flowchart: voorbeeld Gebouw met piekvraag van 150 kw verwarming en 75 kw koeling en zijn jaarlijkse energievraag wordt op 250 MJ / jaar verwarming geschat. Vloeroppervlakte: 3000 m 2. P spe = 150 kw / 3000 m 2 = 50 W/m 2 α = 75 kw / 150 kw = 50% VLU = 250 MJ / jaar / 150 kw = 1666 u Het te installeren HVAC systeem is dus een warmtepomp van 50% x 150kW = 75 kw en een condenserende gasketel van kw = 75 kw, een (passieve) warmtewisselaar van 75 kw x 75 % = kw en een koelmachine van = kw. De warmtepomp en de warmtewisselaar worden aan de BKA gekoppeld, en de gasketel en de koelmachine 14 / 18 aan hoge temperatuurradiatoren (75 kw) en 2 pijpse ventilo convectoren (18.75 kw).

15 Algemene besluiten uit flowcharts Algemeen: Ondanks zijn hogere verwarmingsvermogen (100 W/m 2 voor vloerverwarming, 40 W/ m 2 voor BKA), is vloerverwarming (VV) meestal minder voordelig dan BKA wegens de hogere kostprijs (35 / m 2 voor VV, 22 / m 2 voor BKA) en een lagere koelvermogen (30 W/ m 2 voor VV, 50 W/ m 2 voor BKA). Een koelplafond wordt zelden de beste oplossing wegens de hoge kost (100 / m 2 ) en het lage verwarmingsvermogen (40 W/ m 2 ) en dit ondanks het hoog koelvermogen (100 W/ m 2 ). Reversibele ventilo convectoren (4 pijps, VC4P) zijn enkel economisch interessant wanneer de nodige koel en warmtebehoefte gelijkaardig zijn (rekening houdend dat het koelvermogen van de VC4P typisch maar 60% is van het verwarmingsvermogen). Als er bijvoorbeeld een veel groter verwarmingsvermogen dient geïnstalleerd te worden dan het koelvermogen, plaatst men best radiatoren en een paar niet reversibele ventilo convectoren (2 pijps, VC2P) om te koelen. BEO systemen moeten groter gedimensioneerd worden wanneer ze koeling (ipv verwarming) gedomineerd zijn. Een optimaal ontwerp zal dus meestal een verwarming gedomineerd geothermisch systeem verkiezen. Het is economisch niet rendabel om lage temperatuursventilo convectoren of lagetemperatuursradiatoren te koppelen aan een condenserende gasketel en/of koelmachine wegens hun hogere investeringskost en eerder beperkte invloed op het productierendement. KWO systemen vertonen een belangrijk schaalvoordeel: hoe groter het gebouw, des te interessanter wordt het systeem. KWO voor gebouwen met een geïnstalleerd vermogen kleiner dan 75 kw zijn bijna nooit interessant. 15 / 18

16 Algemene besluiten uit flowcharts (Hybride) Grondgekoppelde geothermische systemen (BEO) met BKA (Hybride) BEO systemen zijn economisch niet rendabel voor gebouwen met een te lage energievraag, namelijk < 1000 VLU, en zijn bijna altijd rendabel als het gebouwen ten minste 1800 VLU heeft. Als de koude en warmtevraag van het gebouw zo is dat de grond jaarlijks in thermische balans is, zal een (hybride) BEO systeem altijd de laagste NPC hebben. Enkel gebouwen met een laag specifiek vermogen P spe (max 40 W/ m 2 voor verwarming, 50 W/ m 2 voor koeling) kunnen volledig door BKA worden geconditioneerd. Gebouwen met een hogere P spe moeten dus een 2 de afgiftesysteem hebben. Het is meestal goedkoper en efficiënter dat dit 2 de afgiftesysteem een snel reagerende systeem is dat aan een condenseerde gasketel en/of aan een koelmachine wordt gekoppeld. De meest economische hybride BEO systemen met BKA hebben typisch een BEO systeem dat maximum 50% van de koude en maximum 50% van de warmtevraag dekken. (Hybride) Grondgekoppelde geothermische systemen (BEO) zonder BKA Als BKA niet mag gebruikt worden en in de plaats hiervan koelplafonds of vloerverwarming wordt toegepast, worden BEO systemen duurder en kan BEO enkel rendabel zijn voor energie intensieve gebouwen (meer dan 1800 VLU). De meest economische hybride BEO systemen zonder BKA hebben typisch een BEO systeem dat maximum 25% van de koude en 25% van de warmtevraag dekt. 16 / 18

17 Algemene besluiten uit flowcharts Nota: KWO systemen zijn meestal verplicht om de thermische balans in de grond te bewaren. Enkel gebouwen met een verhouding tussen koude en warmtevraag (α) tussen 75% en 100% zijn daarom hier beschouwd. (Hybride) KWO systemen met BKA Vanaf 125 kw is het bijna altijd economisch rendabel om een (hybride) KWO systeem met BKA te installeren. De meest economische hybride KWO systemen met BKA hebben typisch een KWO systeem dat minimaal 50% van de warmtevraag en 75% van de koudevraag dekt. (Hybride) KWO systemen zonder BKA KWO systemen zonder BKA worden pas interessant vanaf een geïnstalleerd vermogen van minimaal 125 kw en een hoge energievraag (meestal VLU > 1800 maar kan ook > 1400). 17 / 18

18 Besluit Tool opgesteld als hulpmiddel om optimaal HVAC systeem te vinden Gebaseerd op reëele kostdata, normen en technische fiches Flowcharts opgesteld op basis van 4 gebouwparameters voor optimaal HVAC systeem Damien Picard damien.picard@kuleuven.be Voor meer details: Doctoraat: Modeling, optimal control and HVAC design of large buildings using ground source heat pump systems 26 September 2017, 16u30, Kasteel Arenberg, LEUVEN / 18