Regeling van grondgekoppelde warmtepompsystemen in kantoorgebouwen. C. Verhelst, L. Helsen KULeuven, Toegepaste Mechanica en Energieconversie

Transcriptie

1 egeling van grondgekoppelde warmtepompsystemen in kantoorgebouwen C. Verhelst, L. Helsen KULeuven, Toegepaste Mechanica en Energieconversie

2 Inhoudstafel Situering Grondgekoppelde warmtepompsystemen Huidige regeling Modelgebaseerde predictieve regeling Besluit 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 2

3 Situering Eindenergieverbruik gebouwen 40% van totaal primair energieverbruik EU Kantoorgebouwen (1) verlichting 40% (34% - 49%) verwarming 35% (41% - 29%) koeling 8% (6% - 10% ) Toenemende vraag naar koeling (2) : oppervlakte geconditioneerde ruimte x : 27% tertiaire sector & 5% residentiële sector voorspelling 2018: 60% tertiaire & 40% residentiële (1) Opmerking: afhankelijk van E-peil (2) Ecoheatcool /11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 3

4 Situering Koeling belangrijk in kantoorgebouwen Grote warmtewinsten Thermisch comfort belangrijk Hoe minimaal primair energieverbruik? Warmte- en koudevraag reduceren esterende vraag met minimale exergieverliezen WKK: gas warmte + elektriciteit warmtepomp: elektriciteit Q omgeving oppompen tot hogere temperatuur nachtventilatie natuurlijke koeling absorptiekoeling aangedreven met zonne-energie 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 4

5 Principe van de warmtepomp Werking T retour T afgifte T afgifte Q condenser T bron P compressor T bron,terug Q verdamper T bron,in COP max Qafgifte Tafgifte = = P T T min afgifte bron 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 5

6 Toepassing in de praktijk Kleine ΔT egeneratie! hoge T bron Bodem > Lucht lage T afgifte goede warmteoverdracht condensorzijde goede warmteoverdracht verdamperzijde Lage T afgifte >> hoge T afgifte Warmtewisselaars: hoe groter oppervlak hoe beter Transport medium water/water > lucht/lucht Goede convectie door voldoende debiet Elektriciteitsverbruik pompen en ventilatoren! 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 6

7 Grondgekoppelde warmtepompsystemen Overzicht systemen 46% 38% gesloten systeem vertikale grondwarmtewisselaars gesloten systeem horizontale grondwarmtewisselaars 15% open systeem acquifer open systeem oppervlaktewater 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 7

8 Grondgekoppelde warmtepompsystemen Koppeling met bodem w armtevraag winter zomer koelvraag warmteonttrekking warmteafgifte T bodem natuurlijk koelen regeneratie 28/11/2007 8

9 Grondgekoppelde warmtepompsystemen Koppeling met lagetemperatuurafgiftesystemen Groot afgifteoppervlak Verwarmen op lage temperatuur (25 30 C) Koelen op hoge temperatuur (16 19 C) Grote thermische massa Stockage van warmte of koude Verschuiven van het vraagprofiel (nachttarief) Bron: ehau Afvlakken vermogenvraag (kleinere dimensionering installatie) Bron: Echo 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 9

10 Grondgekoppelde warmtepompsystemen Voordelen Energetisch: tot 50% primaire energiebesparing Verwarmen: hoge COP Koelen: natuurlijk koelen Ecologisch Minder CO 2 -uitstoot Aandrijfbaar met groene elektriciteit Comfort: Stralingswarmte en koude Geen thermische verveling Esthetisch 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 10

11 Grondgekoppelde warmtepompsystemen Toepassing Totaal wereldwijd: ruim installaties Koplopers: USA, Zweden, Zwitserland... ook in België Living Tomorrow 3, VMM Leuven Eandis, Wetenschapspark Heverlee... Jaarlijkse groei: 10% Verbeteringspotentieel Lagere investeringskosten Systeemintegratie egeling 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 11

12 Bestudeerd systeem Verwarmen & koelen van kantoorgebouwen Met grondgekoppelde warmtepomp Gekoppeld aan lagetemperatuurafgiftesysteem Q verwarming Q koeling Q koeling P el P el Q extractie Q rejectie Q rejectie 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 12

13 Huidige knelpunten regeling Thermisch comfort met traag afgiftesysteem? warmtepomp Qafgifte P Optimale systeemintegratie? Qbron Wordt de bodemcapaciteit optimaal benut? 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 13

14 Huidige regeling Weersafhankelijke stooklijn: feedforward T buiten T afgifte + T zone T buiten -- Stookcurve setpunt vertrek- of retourtemperatuur Warmtepomp feedback vertrek- of retourtemperatuur Storingen: - interne winsten - externe winsten - ventilatieverliezen - transmissieverliezen 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 14

15 Vaststelling: Moeilijk regelbaar Lagetemperatuurafgiftesystemen Grote thermische massa Traag reagerend luchtsystemen & hoge T-radiatoren T kamer lage T-radiatoren Moeilijk regelbaar vloerverwarming BKA* tijd egeling moet anticiperen! (*) Betonkernactivering 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 15

16 Huidige regeling Weersafhankelijke stooklijn: feedforward T buiten T afgifte + T zone T buiten -- Stookcurve setpunt vertrek- of retourtemperatuur + optimale start- en stoptijd Warmtepomp feedback vertrek- of retourtemperatuur Storingen: - interne winsten - externe winsten - ventilatieverliezen - transmissieverliezen 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 16

17 Huidig onderzoek Optimale regelaar bezettingsprofiel weerstation/ lokale voorspelling systeemidentificatie interne winsten verloop T buiten zonnewinsten dynamisch model egelaar voorspelt warmte- & koudevraag egelaar optimaliseert warmte/koude productie & opslag & distributie Minimaal energieverbruik voor gewenst thermisch comfort 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 17

18 Huidig onderzoek Optimale regelaar: voordelen Bezettingsprofiel Weerstation/ locale voorspelling systeemidentificatie interne winsten verloop T buiten zonnewinsten Dynamisch model verschillende controlevariabelen samen geoptimaliseerd verschillende objectieffuncties mogelijk egelaar voorspelt warmte- & koudevraag egelaar optimaliseert warmte/koude productie & opslag & distributie Minimaal energieverbruik voor gewenst thermisch comfort eenvoudig uitbreidbaar fysische begrenzingen gerespecteerd 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 18

19 Huidig onderzoek Optimale regelaar: uitdagingen Bezettingsprofiel Weerstation/ locale voorspelling systeemidentificatie interne winsten verloop T buiten zonnewinsten Dynamisch model 1) 1) hoe hoe voorspellen? 1) 1) hoe hoe systeem identificeren? egelaar voorspelt 2) 2) wat wat als als voorspellingen fout? warmte- fout? 2) & koudevraag 2) wat wat als als modelfouten? egelaar optimaliseert warmte/koude productie & opslag & distributie Minimaal energieverbruik voor gewenst thermisch comfort 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 19

20 egeling eenvoudig systeem Verwarmen en koelen van één zone Q winsten P WP m 1 T water,1 T vloer T zone T muur T buiten m 2 T boorveld T bodem gebouw + traag afgiftesysteem bodem te regelen variabelen controlevariabelen te voorspellen grootheden 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 20

21 egeling complexer systeem Combinatie snel & traag afgiftesysteem snel afgiftesysteem T water,2 m 3 Q winsten P WP m 1 T water,1 T zone T muur T buiten m 2 T boorveld T bodem gebouw + traag afgiftesysteem bodem 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 21

22 egeling complexer systeem Bivalente productiesystemen F backup snel afgiftesysteem P WP T core T room Q gains T wall T out T bron T bodem gebouw + traag afgiftesysteem bodem 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 22

23 Besluit Kantoren: warmtevraag én koudevraag Grondgekoppelde warmtepompen geschikt! Verwarmen met hoge COP (bodem + LTV) Koelen met hoge COP (bodem + HTK) Verbeteringspotentieel met MPC Anticiperen op toekomstige warmte-/koudevraag Optimale integratie bodem/productie/afgifte Verschillende regelparameters samen geoptimaliseerd Onderzoek naar Systeemidentificatie Systeemoptimalisatie Invloed modelfouten en voorspellingsfouten 28/11/2007 Clara Verhelst - KULeuven 23

24 Dank u voor uw aandacht!