Koudeopwekking helft kleiner door betonkernactivering?

Transcriptie

1 Concrete core cooling reduced installed cooling capacity with 50 percent? Koudeopwekking helft kleiner door betonkernactivering? 18 ir. D.O. Rijksen*, dr. ir. C.J. Wisse* * DWA installatie- en energieadvies Kantoorgebouw De Thermo Staete Er zijn veel publicaties over het regelen van betonkernactivering geschreven. De thema's die daarbij centraal staan, zijn energiegebruik en comfort. Het doel dat wordt nagestreefd, is met zo min mogelijk energie een zo goed mogelijk comfort in een ruimte creëren. In dit artikel wordt er een derde dimensie aan toegevoegd: het minimaliseren van het op te stellen koelvermogen op gebouwniveau [4]. Tot nu toe waren nog geen kwantitatieve gegevens over de reductie voor de koudeopwekking op gebouwniveau voorhanden. Dit artikel geeft meetresultaten en ontwerprichtlijnen voor het op te stellen koelvermogen op gebouwniveau. Regelstrategie De reductie kan worden bewerkstelligd door de betonkernactivering 's nachts te koelen. Door de bufferende werking van het beton is de koude overdag beschikbaar. De reductie van het op te stellen vermogen voor koudeopwekking wordt bereikt doordat de luchtbehandelingkast en het afgiftesysteem in de ruimten niet meer gelijktijdig van koude worden voorzien (fi guur1). Aan de linkerzijde van figuur 1 is de koudevraag op een dag te zien van een afgiftesysteem dat niet de mogelijkheid heeft energie te bufferen (bijvoorbeeld klimaatpanelen). Het vermogen dat daarbij opgewekt moet worden, bestaat uit de som van het vermogen voor een luchtbehandelingkast (LBK) en voor het afgiftesysteem. Aan de rechterzijde van figuur 1 is de koudevraag van een afgiftesysteem met energiebuffering te zien. De vraag is of de opgeslagen koude in de betonmassa voldoende is om de warmtelast overdag weg te koelen. DWA heeft in samenwerking met de TU/e onderzoek gedaan naar de haalbaarheid van de gekozen regelstrategie in relatie tot het comfort. Daarnaast is de hoogte van de reductie van het op te stellen koelvermogen gekwantifi ceerd. Hiervoor is gebruik gemaakt van zowel metingen als simulaties. In kantoorgebouw De Thermo-Staete 18

2 Figuur 2 Figuur 4 Gemeten koelvermogen op gebouwniveau en voor de LBK Figuur 3 In situ meting ruimtetemperaturen en luchtvochtigheid (figuur 2) zijn metingen uitgevoerd. De regeling van de betonkernactivering is verdeeld in enkele zones. Een zone bestaat uit een aantal (kantoor)ruimtes. Het gevraagde koelvermogen op zoneniveau en op gebouwniveau is bemeten. Tevens zijn in enkele ruimten de lucht- en stralingstemperatuur, de luchtvochtigheid en de oppervlaktetemperaturen gemeten (figuur 3). Meetresultaten In fi guur 4 is voor een gedeelte van de meetperiode het specifi eke koelvermogen voor het kantoorgebouw en voor de luchtbehandelingkast weergegeven. Door spreiding van de koudevraag, kan worden volstaan met een opgesteld koelvermogen van circa 25 W/m 2 bvo. De luchtbehandelingkast vraagt niet meer vermogen dan het BKA-systeem. In fi guur 5 is de gemeten operatieve ruimtetemperatuur en het koelvermogen dat vanuit het gkw-net aan het beton is afgegeven weergegeven. In deze warme periode steeg de buitentemperatuur tot 30 C. Zoals te zien is in figuur 5, wordt de betonkernactivering alleen 's nachts gekoeld. Overdag wordt de opgeslagen koude afgegeven. Hierdoor warmt het beton langzaam op, waardoor de ruimtetemperatuur ook oploopt. De binnentemperatuur bleef onder de 23,5 C, ondanks het feit dat deze ruimte op het zuiden is gesitueerd, niet is voorzien van buitenzonwering en een interne warmtebelasting van 26 W/m 2 heeft. De variatie van de operatieve ruimtetemperatuur bedraagt ongeveer 2,5K. In fi guur 6 is voor dezelfde periode als in figuur 5 de gemeten oppervlaktetemperatuur en dauwpuntstemperatuur weergegeven. De oppervlaktetemperatuur is de drijvende kracht voor het conditioneren van de ruimte. Het temperatuurverschil tussen de oppervlaktetemperatuur (fi guur 6) en de ruimtetemperatuur (fi guur 5) bedraagt circa 2K. Het laagst gemeten verschil tussen de oppervlaktetemperatuur en de dauwpuntstemperatuur is 2,2K. De oppervlaktetemperatuur van het plafond kan plaatselijk nog iets lager zijn, wat aangetoond is met infraroodopnamen (fi guur 7). Ondanks deze variatie in oppervlaktetemperaturen, ontstaat op basis van de meetgegevens geen gevaar voor condensvorming. Simulaties Voor het onderzoek naar vermogensreductie zijn naast de metingen ook simulaties uitgevoerd. De metingen van het op te stellen vermogen zijn namelijk niet per definitie geldig voor andere situaties. Het simulatiemodel dat is toegepast, betreft TRNSYS [3]. Als input voor de simulaties op zoneniveau is gebruik gemaakt van de gemeten klimatologische omstandigheden, de volumestroom door het BKA-systeem en de waterintredetemperatuur. In figuur 8 is de gemeten en gesimuleerde operatieve ruimtetemperatuur weergegeven. Hierbij is dezelfde (warme) periode gebruikt als voor fi guur 5. Uit figuur 8 blijkt dat de 19

3 Figuur 8 Gemeten en berekende operatieve ruimtetemperatuur Figuur 6 De gemeten oppervlakte- en dauwpuntstemperatuur Figuur 7 Variatie oppervlaktetemperatuur BKA-plaat Figuur 9 Het gemeten en berekende koelvermogen (en het verschil daartussen) van een zone Kader1 Adaptieve Temperatuur Grenswaarde-indicator De ATG-indicator is in principe geschikt voor gebouwen met veel of weinig gebruikersinvloed, met te openen ramen of geheel gesloten gevels. De ATG-criteria zijn verschillend voor twee typen gebouwen/klimaat. Deze worden kortweg aangeduid als gebouw/klimaattype Alpha en gebouw/ klimaattype Bèta. Dit onderscheid is gemaakt om tegemoet te komen aan de verschillende mate van adaptatie die door gebouwgebruikers wordt ervaren. Bij type Alpha is sprake van een hoge mate van gebruikersinvloed (kleding is op het weer of binnenklimaat af te stemmen en de temperatuur is te beïnvloeden of een te openen raam is aanwezig). Bij type Bèta is een beperkte mate van gebruikersinvloed aanwezig. Een gebouw met BKA in combinatie met mechanische ventilatie, waarbij de individuele temperatuur niet snel te regelen is, komt het beste overeen met gebouwtype Bèta. Dit is als uitgangspunt gehanteerd. Bij de ATG-methode wordt getoetst binnen welke acceptatiegrenzen de operatieve ruimtetemperatuur ligt (90, 80 of 65 procent-acceptatie). Als grens voor dit onderzoek is 80 procent acceptatie van het thermische binnenklimaat gehanteerd. Het kwaliteitsniveau dat met 80 procent acceptatie gedurende 100 procent van de gebruikstijd wordt gerealiseerd, komt globaal overeen met wat werd nagestreefd met de criteria van de TO- en GTO-methode (maximaal 100 uur overschrijding van 25 C respectievelijk 150 gewogen overschrijdingsuren van PMV = 0,5). De acceptatiegrenzen zijn gedefinieerd als een bandbreedte waarin de operatieve ruimtetemperatuur moet vallen als functie van de referentie-buitentemperatuur. Deze referentiebuitentemperatuur wordt berekend aan de hand van het daggemiddelde van de dag en van enkele dagen daarvoor. gemeten en gesimuleerde waarden goed met elkaar overeenkomen. Het maximale verschil tussen de berekende en gemeten operatieve ruimtetemperatuur bedroeg tijdens de gehele geanalyseerde periode 1,7K. Dit resultaat valt binnen de bandbreedte van de metingen en simulaties die aan de hand van de foutenanalyse berekend is. Het gemeten en berekende koelvermogen op zoneniveau is in fi guur 9 weergegeven. Ook is het verschil tussen deze twee waarden gevisualiseerd. Het piekvermogen van de afname van koude is 55 W/m 2 koeloppervlak. Onder koeloppervlak wordt de oppervlakte van de BKA-platen verstaan dat actief meewerkt in het koelproces. Uit de lijnen van figuur 9 blijkt dat de waarden goed met elkaar overeenkomen. Het grootse verschil tussen de gemeten en berekende koelvermogens bedraagt 3,5 21

4 Figuur 10 Standaard kantoorgebouw (afmetingen in [ m ] ) Figuur 11 Koelen met BKA buiten bedrijfstijd LBK om (regelstrategie 1) of aanvullend op koelvermogen LBK (regelstrategie 2) W/m 2 koeloppervlak. Uitgangspunten voor ontwerprichtlijnen Voor het berekenen van ontwerprichtlijnen die breder toepasbaar zijn, is een kantoorgebouw samengesteld uit standaard afmetingen. In fi guur 10 zijn de afmetingen en benamingen van de verschillende zones weergegeven. De verdeling van de vloeroppervlakten over de verschillende ruimten is afkomstig uit ISSO-publicatie 33 [1]. Voor dit gebouw is het op te stellen koelvermogen met TRNSYS berekend. Dit is voor verschillende oriëntaties gedaan. Als uitgangspunt is de meest ongunstigste oriëntatie genomen (onder ongunstig wordt de hoogst mogelijke warmtebelasting verstaan). Voor de beoordeling van het comfort is de Adaptieve Temperatuur Grenswaardeindicator (ATG) [2] gehanteerd. Gebouw-/klimaattype Bèta, in combinatie met de grenslijn van 80% acceptatie is hiervoor als norm aangehouden, zie kader. Als co-referentie zijn de klassieke GTO-uren berekend. Om het op te stellen koelvermogen te reduceren, is als uitgangspunt gehanteerd dat het BKA-systeem s nachts wordt gekoeld en de ventilatielucht op de dag. Dit is gevisualiseerd als regelstrategie 1 (fi guur 11). Als het gewenste comfortniveau niet gehaald wordt, dan wordt het BKA-systeem op de dag ook gekoeld. Hierbij is het resterende deel van de koude beschikbaar voor het BKA-systeem (regelstrategie 2). Als met deze strategie nog onvoldoende gekoeld wordt, dan is het ventilatievoud van 2 naar 4 verhoogd. Dit is alleen bij vertrekken toegepast die een gevel hebben die op het zuiden is georiënteerd. Resultaten Het glaspercentage en de interne warmtebelasting zijn gevarieerd voor het standaard kantoor. In tabel 1 zijn de benodigde op te stellen koelvermogens voor verschillende situaties weergegeven. Onderin tabel 1 (blz 22) is een samenvatting van de uitgangspunten opgenomen. Om het comfort te halen, is een ventilatievoud van 4 nodig bij een glaspercentage van 50% en een interne warmtelast van 40 W/m 2.go in kantoorruimten. Deze (maximale) ventilatievoud geldt alleen bij vertrekken die een gevel hebben die op het zuiden is georiënteerd. In figuur 12 is de berekende operatieve ruimtetemperatuur van een kantoorvertrek voor de zomerperiode weergegeven. Het betreft de situatie met een interne warmtelast in de kantoorruimte van 40 W/m 2.go en 30% glas in de gevel. De lijnen in figuur12 geven de grenswaarden aan waar binnen de operatieve temperatuur dient te liggen voor 80% acceptatie van het binnenklimaat. Voor het realiseren van dit binnenklimaat wordt regelstrategie 2 (figuur 11) en een ventilatievoud van 2 toegepast. Als regelstrategie 1 in deze situatie wordt toegepast, dan wordt de bovengrens in een vertrek gedurende 22

5 Conclusies Het op te stellen vermogen voor koudeopwekking kan bij toepassing van BKA tot maximaal 50 procent worden gereduceerd. Bij een lage warmtebelasting kan als uitgangspunt een regelstrategie wordt toegepast waarbij er een volledige ontkoppeling van het koelen van betonkernactivering en ventilatielucht is. Als de warmtelast hoger wordt, zal het gewenste comfort hiermee niet gehaald worden. Dan is het noodzakelijk de betonkernactivering ook overdag te koelen. Als de koellast nog hoger wordt, is het noodzakelijk de ventilatievoud op te voeren. De mate van reductie hangt af van de hoogte van de koellast en van de hoeveelheid te koelen ventilatielucht. De ondergrens van het op te stellen vermogen voor koudeopwekking wordt bepaald door de luchtbehandelingkast. Bij toepassing van de ATG-methode als comfortcriterium bij een systeem met BKA en mechanische ventilatie wordt ruimschoots aan het GTO-criterium voldaan. Door het reduceren van het op te stellen koelvermogen behoeft minder in de koudeopwekinstallatie te worden geïnvesteerd. Naast de koudeopwekker met de bijbehorende distributievoorzieningen, kunnen ook de elektrotechnische voorzieningen kleiner worden gedimensioneerd. Bij de toepassing van BKA kan het tijdstip waarop het gebouw wordt gekoeld, worden verschoven. Hierdoor wordt buiten de piekuren elektriciteit gebruikt voor het koelproces. Daarnaast kan het elektrische aansluitvermogen lager worden. Dit leidt tot lagere vastrechtkosten. De onderhoudskosten worden lager en de koudeopwekinstallatie kan met een hoger totaalrendement gaan functioneren. Deze aspecten leveren een exploitatievoordeel op ten opzichte van afgiftesystemen die geen bufferende werking hebben. Figuur 12 Met regelstrategie 2 ligt de berekende operatieve ruimtetemperatuur binnen de grenswaarden van het comfortcriterium (kantoor met BKA-systeem, 30% glas in de gevel, 40 W/m 2.go warmtelast en 30 W/m 2 opgesteld koelvermogen) Figuur 13 Met regelstrategie 1 ligt de berekende operatieve ruimtetemperatuur buiten de grenswaarden van het comfortcriterium (kantoor met BKA-systeem, 30% glas in de gevel, 40 W/m 2.go warmtelast en 30 W/m 2 opgesteld koelvermogen) 39 uren overschreden (fi guur 13). Het aantal GTO-uren valt nog steeds binnen de norm en bedraagt 74. Hieruit blijkt dat de ATG-criteria voor de hier geschetste situatie duidelijk strenger zijn dan de GTO-methode. Reductie koelvermogen Voor de varianten uit tabel 1 zijn Referenties 1 ISSO Kengetallen en vuistregels 1996 (september), ISSO publicatie 33, ISBN ISSO Thermische behaaglijkheid, eisen voor de binnentemperatuur in gebouwen 2004 (maart), ISSO publicatie 74, ISBN TRNSYS ( ) versie TRNBuild versie Simulation Studio 2006, versie Rijksen, D.O. Reductie vermogen koudeopwekking door toepassing betonkernactivering 2007 (april), DWA installatie- en energieadvies tevens simulaties uitgevoerd met een afgiftesysteem zonder bufferende werking. Het uitgangspunt voor het comfortcriterium is bij dit systeem gelijk aan het BKA-systeem. De reductie voor het op te stellen koelvermogen is berekend door het verschil te nemen in het benodigde vermogen voor een afgiftesysteem met en zonder bufferende 23

6 Samenvatting Betonkernactivering kan het op te stellen vermogen voor koudeopwekking voor een gebouw sterk reduceren. Dit komt door de bufferende werking van de betonmassa. Tot nu toe waren er geen kwantitatieve gegevens over de reductie van het koelvermogen beschikbaar. DWA installatie- en energieadvies heeft in samenwerking met de Technische Universiteit Eindhoven onderzoek gedaan naar systemen met mechanische ventilatie. Dit artikel geeft meetresultaten en breed toepasbare ontwerprichtlijnen. Summary By concrete core cooling the installed cooling capacity for a building can be reduced a lot. This is achieved through the cold storage of energy inside the concrete massive of the floor. Till now, quantitative information regarding the reduction of cooling capacity was not available. DWA installatie-en energieadvies, has made in cooperation with the Technical University Eindhoven, a research study for systems with mechanical ventilation. This article present the results of measuring and a width range of applicable design guid-lines. Figuur 14 Procentuele reductie van het op te stellen koelvermogen, afhankelijk van de interne warmtelast en het glaspercentage werking. In tabel 2 is het koelvermogen weergegeven dat minder behoeft te worden opgesteld bij toepassing van BKA in combinatie met mechanische ventilatie. Uit de gegevens van tabel 2 blijkt dat bij toepassing van BKA tot 30 W/m 2.bvo minder koelvermogen hoeft te worden opgesteld. Bij een glaspercentage van 30% is de reductie bij een lagere warmtelast (20 W/m 2.go ten opzichte van 40 W/m 2.go) echter lager. Dit komt door het feit dat het koelvermogen van de luchtbehandelingskast (25 W/m 2.bvo) de ondergrens van het op te stellen vermogen bepaalt. De procentuele reductie van het op te stellen koelvermogen is ook berekend (figuur 14). De maximale reductie die behaald kan worden, bedraagt 50%. Halvering van het op te stellen vermogen voor koudeopwekking is onder bepaalde omstandigheden inderdaad mogelijk. De gegevens uit fi guur 14 kunnen als een eerste indicatie door ontwerpers worden toegepast. In het voorontwerp of het defi nitieve ontwerp dient met een (gevalideerd) simulatieprogramma het definitieve op te stellen koelvermogen berekend te worden. Doordat er minder koelvermogen opgesteld hoeft te worden ontstaan een aantal voordelen. Naast lagere investeringskosten voor de koude-opwekinstallatie worden ook de exploitatielasten lager. Als hier in het ontwerptraject geen rekening mee wordt gehouden, leidt dit enerzijds tot een te hoge investering. Anderzijds kan een te grote installatie die onnodig veel in deellast functioneert, suboptimaal werken. Nadere informatie DWA installatie- en energieadvies Duitslandweg 4 Postbus AG Bodegraven T: (0172) F: (0172) E: dwa@dwa.nl I: 25