Rapport nr. H.0611.S.393. EMCP-productiehallen

Transcriptie

1 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 1/11 Rapport nr. H.0611.S.393. EMCP-productiehallen Verwarming van industriehallen Gecomputeriseerde vergelijking van warmteafgifte van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming - productiehallen - Aannemer: Opdrachtgever: HLK Stuttgart GmbH Pfaffenwaldring 6A Stuttgart EMCP Gartenstraße Groß-Umstadt Stuttgart, 16 juni 2009 Prof.Dr.-Ing. M. Schmidt Dr.-Ing Chr. Beck

2 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 2/11 Inhoudsopgave 1 Definitie van opdracht 3 2 Algemene voorwaarden Productiehal Meteorologische gegevens Warmtebelasting Interne warmtebronnen 6 3 Calculatieresultaten Industriële vloerverwarming Straling plafondverwarming plafond stralingspanelen 8 4 Samenvatting 11

3 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 3/11 1 Definitie van opdracht De verwarming van plafond stralingspanelen moet worden vergeleken met de verwarming van industriële vloerverwarming door als voorbeeld een productiehal te gebruiken. 2 Algemene voorwaarden 2.1 Productiehal Afbeelding 1 toont de geselecteerde productiehal. De vereiste ruimtetemperatuur zal op werkdagen een waarde bereiken van 18 C en 14 C in de weekenden (nachtverlaging). Daarnaast wordt het geval van een nominale temperatuur die moet worden gereduceerd tot 16 C voor de periode tussen uur PM tot uur AM beschouwd. Afbeelding 1: Productiehal

4 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 4/11 De halventilatie via een airconditioningsysteem garandeert een ventilatievoud voor Duitsland van: A) 0,2 l/u of B) 0,5 l/u voor Groot-Brittannië (of Italië) A) 0,3 l/u of B) 0,5 l/u Aan de gereduceerde luchtstroom wordt extra aandacht geschonken, omdat het grote halvolume de luchtstromen en warmtebelasting doet toenemen. Een gereduceerde luchtstroom lijkt mogelijk in moderne productieprocessen die zijn uitgerust met een geschikte emissieafzuiging (uitlaatsysteem). De vloer van de hal is geïsoleerd van de grond. Afbeelding 2 toont de temperatuurverdeling bij de vloer ingeval er geen isolatie is en de verwarming verloopt via de industriële vloerverwarming. De berekeningen hebben laten zien dat de verliezen aan de grond significant toenemen ingeval er geen isolatie is en dat de resterende capaciteit (max. 50% van het vloeroppervlak) niet voldoende is om de hal te verwarmen. Ingeval van industriële vloerverwarming is het temperatuurverschil tussen het verwarmd vloeroppervlak en de grond of de omgevende buitenlucht veel belangrijker dan ingeval van stralingsverwarming aan het plafond. Voor plafond stralingspanelen is de temperatuur van het vloeroppervlak ongeveer 2K hoger dan de luchttemperatuur, maar de temperatuur in verwarmingsleidingen onder de vloer (die dichter bij de grond zitten) is minimaal 50 C (om te verzekeren dat voldoende warmte wordt overgebracht op de ruimte). Dit verhoogt de neerwaartse warmteverliezen van de verwarming onder de vloer. Afbeelding 2: Temperatuurverdeling onder de productiehal voor het geval van een industriële vloerverwarming zonder isolatie

5 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 5/ Meteorologische gegevens De buitenomstandigheden zijn bekend voor twee klimaatzones: A) Duitsland: De klimaatgegevens worden toegepast voor een ontwerptemperatuur van -12 C. B) Groot-Brittannië (of Italië) De klimaatgegevens worden toegepast voor een ontwerptemperatuur van -5 C. Afbeelding 3 toont de grafische presentatie van datasets voor beide klimaatzones. De waarden van de verwarmingsperiode (Tamb < Tsoll) zijn relevant voor de volgende berekeningen. Afbeelding 3: Meteorologische data als een basis voor berekening (testreferentiejaren) voor beide klimaatzones. 2.3 Warmtebelasting De warmtebelastingen voor verschillende gebruiksgevallen worden allereerst bepaald conform de technische voorschriften (DIN EN 12831) voor het steady-state technische geval. In een tweede stap wordt de referentie-energievraag geïdentificeerd. Dit betekent dat de interne warmtebronnen, de groepering van ramen (externe verwarmingsbronnen) en de dagelijkse variaties moeten worden meegenomen De externe en interne warmteopbrengsten worden afgewogen door de berekening van de gevraagde referentie-energie en leiden tot een reductie van deze waarde vergeleken met de steady-state benadering van de berekening van de warmtebelasting.

6 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 6/ Interne warmtebronnen Na een vooraf gedefinieerd gebruiksprofiel, worden de interne warmteopbrengsten (incidentele opbrengsten door mensen en machines afgegeven tijdens het werken) van het gebruik van de productiehal als volgt bepaald (geldig voor werkdagen): Tussen AM en PM: 100% Tussen PM en PM: 20% van de maximale opbrengst Tussen PM en PM: 100% 3 Calculatieresultaten 3.1 Industriële vloerverwarming Afbeelding 4 is een schematische tekening van de regeling van de vloerverwarming, gepresenteerd door de klant. De vloerverwarming wordt gevoed door een constante stroom van het verwarmingsmedium. De mediumtemperatuur wordt bepaald door de buitentemperatuur en de temperatuur in de ruimte. Afbeelding 4: Schematische tekening van de regeling van de vloerverwarming

7 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 7/11 Tabel 1 geeft de waarden voor de referentie warmte vraag aan met isolatie onder de vloer. Daar tegenover demonstreert tabel 2 de resultaten voor het geval met nachtverlaging in de productiehal. De referentie energievraag wordt in de hal gereduceerd, omdat tijdens de nachtelijke uren de vereiste temperatuur in de ruimte lager is. De tabellen 3 en 4 presenteren de simulatieresultaten (praktijksituatie) voor vloerverwarming in beide gevallen. Productie kwh MWh Infiltratie Duitsland ,2 Duitsland ,5 Engeland ,3 Tabel 1: Berekende energievraag met warmte-isolatie voor ideale verwarming. Productie kwh MWh Duitsland, n=0,2 1/u Duitsland, n=0,5 1/u Engeland, n=0,3 1/u Tabel 2: Berekende energievraag met warmte-isolatie en nachtverlaging voor ideale verwarming. Duitsland, n=0,2 1/u Duitsland, n=0,5 1/u Engeland, n=0,3 1/u Tabel 3: Berekende energievraag (extra inspanning) voor vloerverwarming met warmte-isolatie en zonder nachtverlaging. Duitsland, n=0,2 1/u ,67 Duitsland, n=0,5 1/u 319, ,59 Engeland, n=0,3 1/u 225, ,77 Tabel 4: Berekende energievraag (extra inspanning) voor vloerverwarming met warmte-isolatie en met nachtverlaging.

8 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 8/11 Het is duidelijk dat de extra inspanning zonder nachtverlaging ligt binnen het bereik van 1,33 tot 1,45, d.w.z. dat 30% tot 40% meer energie werd geleverd als nodig zou zijn om de hal te verwarmen in het ideale geval. Voor het geval van nachtverlaging neemt de relatieve waarde toe van 1,59 naar De reden is de afname van de referentie energievraag gemeten bij de initiële status. Als resultaat daarvan neemt de relatieve index extra inspanning toe ondanks het afnemen van de absolute waarden. Het voorbeeld van een productiehal in Duitsland, n = 0,2, gebruikend, wordt de volgende verklaring gegeven: Referentie energievraag zonder nachtverlaging: 158 MWhr Energievraag industriële vloerverwarming zonder verlaging: 211 MWhr Berekende extra inspanning: 1,33 of 33% Referentie energievraag met nachtverlaging: Energievraag industriële vloerverwarming met verlaging: 109 MWhr 182 MWhr Vandaar de berekende extra inspanning: 1,67 of 67% Dit betekent dat de potentiële besparing door de nachtverlaging van 50 naar 75 MWhr slechts gedeeltelijk kan worden gerealiseerd door het verwarmingssysteem. De absolute reductie van de energievraag bedraagt in dit geval 29 tot 57 MWhr. 3.2 Stralingsplafondverwarming plafond stralingspanelen De gevallen van stralingsplafondverwarming worden bekeken voor twee verschillende regelingssystemen: Regelsysteem 1: De massastroom wordt constant geregeld door een regelklep. De geregelde variabele is de waarde van de ruimte temperatuur. De gemanipuleerde variabele is een regelsignaal met de waarden 0 en 1.

9 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 9/11 Het instelpunt van de regelaar wordt op deze manier vastgezet om het zakken van de temperatuur onder het instelpunt te voorkomen. Zo wordt, gedurende verschillend lange perioden, de temperatuur in de hal gehandhaafd op een hoger temperatuurniveau dan nodig zou zijn. Dat impliceert een extra inspanning vergeleken met de referentievraag van een ideaal verwarmingsysteem dat is uitgerust met een ideale regelaar. Regelsysteem 2: Analoog aan de vloerverwarming wordt de massastroom constant gehouden in de gemodificeerde variant van de plafond stralings panelen. De mediumtemperatuur hangt ook af van de luchttemperatuur en de buitentemperatuur. De waarden voor de referentie energievraag verkregen uit de tabellen 1 en 2 (paragraaf 3.1) worden gebruikt voor de plafond stralingspaneelverwarming, onafhankelijk van het verwarmingssysteem. De simulatieresultaten (praktijksituatie) van de stralingsplafondverwarming zonder en met nachtverlaging voor het regelsysteem 1 worden getoond in de tabellen 5 en 6. Duitsland, n=0,2 1/u ,15 Duitsland, n=0,5 1/u 315, ,14 Engeland, n=0,3 1/u 220, ,18 Tabel 5: berekende energievraag (extra inspanning) voor stralingsplafondverwarming met warmteisolatie zonder nachtverlaging, regelsysteem 1 Duitsland, n=0,2 1/u ,36 Duitsland, n=0,5 1/u ,28 Engeland, n=0,3 1/u ,34 Tabel 6: berekende energievraag (extra inspanning) voor stralingsplafondverwarming met warmteisolatie met nachtverlaging, regelsysteem 1 De waarden voor de extra inspanning liggen tussen 1,15 en 1,18. Ingeval van de regeling met nachtverlaging nemen de waarden toe tot 1,28 1,34. De reden is de kleinere referentie energievraag.

10 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 10/11 De simulatieresultaten (praktijksituatie) van de stralingsplafondverwarming zonder en met nachtverlaging voor het regelsysteem 2 worden getoond in de tabellen 7 en 8. Duitsland, n=0,2 1/u ,24 Duitsland, n=0,5 1/u 334, ,21 Engeland, n=0,3 1/u 223, ,19 Tabel 7: Berekende energievraag (extra inspanning) voor stralingsplafondverwarming met warmteisolatie zonder nachtverlaging, regelbedieningsysteem 2 Duitsland, n=0,2 1/u ,36 Duitsland, n=0,5 1/u 265, ,32 Engeland, n=0,3 1/u ,40 Tabel 8: berekende energievraag (extra inspanning) voor stralingsplafondverwarming met warmteisolatie met nachtverlaging, regelsysteem 2 De waarden van de extra inspanning zonder nachtverlaging liggen tussen 1,19 en 1,24. Tijdens de regeling met de nachtverlaging nemen de waarden toe tot 1,32-1,40. Dit laat zien dat de regelstrategie (stabiele regeling) een lagere waarde van de extra inspanning produceert. Daarom is deze oplossing uit energieoogpunt voordelig. Het regelsysteem 2 met ongeveer 5% extra inspanning biedt voordelen met betrekking tot het thermisch comfort, omdat het alleen op deze manier mogelijk is de hal gelijkmatig te verwarmen.

11 Verwarming van industriehallen: vergelijking van plafond stralingspanelen en industriële vloerverwarming pagina 11/11 4 Samenvatting De projectresultaten tonen dat de verwarming van industriehallen met industriële vloerverwarming alleen adequaat gereduceerd kan worden door isolatie onder de vloer om de warmtestroom die in de grond verdwijnt te reduceren. In dit voorbeeld van een industriehal (50 m x 100 m) kon de vereiste warmtestroom alleen worden gereduceerd door deze isolatie, zodat het vrije oppervlak (aanname 50%) voldoende was voor de verwarming via de industriële vloerverwarming. Voor verschillende gevallen (zonder nachtverlaging, met nachtverlaging) geven de berekeningen de vereiste extra inspanningen aan voor beide systemen: industriële vloerverwarming en verwarming door plafond stralingpanelen. De extra inspanning (verbruiksgetal) is de relatie van de werkelijk vereiste vraag (warmte-energie) tot de theoretisch ideale waarde (referentie energievraag). De volgende tabellen 4 en 7 presenteren de resultaten voor het geval met nachtverlaging in verschillende klimaatzones (Groot-Brittannië, Duitsland). Duitsland, n=0,2 1/u ,67 Duitsland, n=0,5 1/u 319, ,59 Engeland, n=0,3 1/u 225, ,77 Tabel 4: Berekende energievraag (extra inspanning) voor industriële vloerverwarming met warmteisolatie en met nachtverlaging Duitsland, n=0,2 1/u ,36 Duitsland, n=0,5 1/u 265, ,32 Engeland, n=0,3 1/u ,40 Tabel 7: Berekende energievraag (extra inspanning) voor stralingsplafondverwarming met warmteisolatie met nachtverlaging, regelsysteem 2 De resultaten tonen dat de energievraag voor vloerverwarming 20%-25% hoger is dan in het geval van stralingsplafondverwarming. Verder biedt het de mogelijkheid sneller te reageren op veranderingen van de interne en externe belastingen vanwege de kleinere inertie van het verwarmingssysteem door stralingsplafondpanelen. Dit reduceert de perioden met binnentemperaturen boven de gewenste temperatuur. Een snellere reactie op gereduceerde interne warmteopbrengsten (bv. uitzetten van de machines) is ook mogelijk. Het rapport bevat 11 pagina s. Het is niet toegestaan het integraal te kopiëren zonder toestemming van het testlaboratorium. De testresultaten verwijzen enkel en alleen naar de testobjecten en de huidige testopstelling.