Systeemrendement van klimaatinstallaties

Transcriptie

1 Nieuwe bepalingsmethode in NEN 2916 Systeemrendement van klimaatinstallaties Sinds 15 december 1995 zijn in de energieparagraaf in het Bouwbesluit eisen opgenomen over de energieprestatiecoëfficiënt (EPC). Een belangrijk onderdeel in het bepalen van de EPC is het systeemrendement van de klimaatinstallatie. In dit artikel is een bepalingsmethode opgenomen voor het vaststellen van dit systeemrendement. Deze bepalingsmethode is integraal opgenomen in de nieuwe ontwerpnorm NEN 2916 Een nieuwe belangrijke parameter bij het bepalen van het systeemrendement is het al dan niet aanwezig zijn van een individuele regeling van de vertrektemperatuur (dit naast de al aanwezige parameters van warmteen koeltransport door middel van en/of lucht). -door ing. P.A. Elkhuizen* Sinds 15 december 1995 is de energieparagraaf in het Bouwbesluit uitgebreid met het onderwerp `energieprestatie' inclusief een verwijzing naar de bepalingsmethoden in de normbladen NEN 2916 en NEN In aanvulling op de eisen aan gebouwonderdelen, stelt het Bouwbesluit een eis aan de energieprestatie van een gebouw als geheel. De energieprestatie van het gebouw (incl. klimaatinstallatie) wordt uitgedrukt in een energieprestatiecoëfficiënt ( EPC). De energieprestatie van een gebouw wordt bepaald door o.a. het energiegebruik voor verwarming en koeling van de ruimten. De grootte van het energiegebruik wordt in eerste instantie bepaald door de behoefte aan verwarming en koeling van het gebouw en de gehuisveste organisatie in het gebouw. De klimaatinstallatie zal de verwarming en koeling moeten leveren om in deze behoefte te kunnen voorzien. Het energiegebruik wordt mede bepaald door het opwekkingsrendement van de klimaatinstallatie (b.v. verwarmings- ketel, koelmachine) en de energieverliezen die optreden in de klimaatinstallatie. Deze energieverliezen worden uitgedrukt in een systeemrendement, dat aangeeft in hoeverre de opgewekte warmte of koude ook effectief in de te klimatiseren ruimten komt en nuttig kan worden gebruikt. Gebouw+organisatie Klimaatinstallatie Opwekker warmte+ koude warmte behoefte koel behoefte (2) (2) systeem rendement verwarming systeem rendement koeling In dit artikel zijn de resultaten beschreven van een studie uitgevoerd door TNO Bouw en Deerns R.I. in opdracht van de Stichting ISSO (en NOVEM). De studie heeft tot doel om het systeemrendement van heden ten dage toegepaste klimaatinstallaties te bepalen en tevens een algemene bepalingsmethode voor systeemrendementen op te zetten. De resultaten van deze studie zijn opgenomen in de nieuwe ontwerpnorm NEN 2916 (gepubliceerd op 15 februari 1998) van het Nederlands Normalisatie-instituut, en ligt nu ter kritiek. opwekkings rendement warmte.441~ Brandstof opwekkings rendement ~ (1) koude TNO Bouw, afdeling Binnenmilieu, bouwfysica en installaties, Delft Schematische weergave van gebouwbehoefte, klimaatinstallatie en opwekking -FIGUUR 1-44 ENERGIEBESPARING

2 SYSTEEMRENDEMENT Hoewel energie niet kan worden vernietigd en er eigenlijk sprake is van exergievernietiging, zal het woord om praktische redenen toch gebruikt worden in dit artikel. Het systeemrendement heeft betrekking op het verwarmen en koelen van een ruimte en dus betrekking op voelbare warmte. Veel van de toegepaste klimaatinstallaties maken gebruik van centraal opgewekte warmte en koude. Om de gewenste binnencondities in de vertrekken te kunnen realiseren moet deze warmte en koude naar de vertrekken worden getransporteerd. Tijdens het transport treden ongecontroleerde verliezen op door energie-uitwisseling met de omgeving. Als zowel verwarming als koeling aanwezig is, kan een deel van de aan het systeem toegevoerde energie worden vernietigd als gevolg van bijvoorbeeld nakoeling op vertrekniveau. Al deze energie-uitwisseling en -vernietiging kan worden verdisconteerd in het systeemrendement. Het systeemrendement van een klimaatinstallatie is hierbij te onderscheiden in een systeemrendement voor verwarming en een systeemrendement voor koeling. In feite wordt met het systeemrendement voor verwarming bedoeld: "de verhouding tussen de gebouwbehoefte aan verwarming en de totaal door de klimaatinstallatie geleverde hoeveelheid warmte om in deze behoefte te voorzien". De door de klimaatinstallatie geleverde hoeveelheid warmte wordt omschreven als de systeemlevering. Systeemrendement = gebouwbehoefte/systeemlevering De zelfde filosofie geldt in feite voor koeling. De onderlinge samenhang tussen gebouwbehoefte, systeemlevering en opwekking is weergegeven in figuur 1. Voor een klimaatinstallatie met een systeemrendement van 100% is de systeemlevering (1) gelijk aan de gebouwbehoefte (2). In feite wordt in die klimaatinstallatie geen energie vernietigd. Voor een klimaatinstallatie met een systeemrendement kleiner dan 100% is de systeemlevering groter dan de gebouwbehoefte. Deze toename van de systeemlevering wordt veroorzaakt door: toevoerlucht of ) f.individuclej regeling - energievernietiging door het gelijktijdig verwarmen en koelen; - leidingverliezen (warmteverlies tijdens het transport van /lucht); - ontbreken van een individuele regeling van de vertrektemperatuur. In NEN 2916[2] is de warmtedissipatie van ventilatoren als een onderdeel van het systeemrendement meegenomen. In dit artikel wordt hiervan afgeweken en wordt de warmtedissipatie van ventilatoren beschouwd als een interne warmtelast die ten goede komt aan het gebouw. Een methode voor het bepalen van de gebouwbehoefte voor verwarming en koeling is al opgenomen in NEN 2916[2]. Energievernietiging Een voorbeeld van energievernietiging is een klimaatinstallatie waarbij centraal e ventilatielucht de vertrekken wordt ingeblazen. Met name in het overgangsseizoen kan de situatie optreden dat de warmtetoevoer uit de ventilatielucht groter is dan de op dat moment in het vertrek heersende warmtebehoefte. Het gevolg hiervan is dat de luchttemperatuur in het vertrek hoger zal zijn dan de setpointtemperatuur. Op dat moment zal (indien aanwezig) de lokale unit voor koeling worden ingeschakeld om de vertrektemperatuur naar de gewenste setpointtemperatuur te koelen. Voorbeeld De warmtebehoefte in een vertrek is op een gegeven moment 10 eenheden. Via de centraal voorbehandelde lucht worden er 15 eenheden warmte aangevoerd. Door de oplopende temperatuur in het vertrek zullen er lokaal weer 5 eenheden worden weg. Het radiator, (na)verwarmer in luchtkanaal, convector, stralingsverwarming, vloerverwarming, ventilator(convector), inductie-unit, koelplafond afvoerlucht ". ( of ) C) Basisindeling ten behoeve von de systeemnummers -FIGUUR 2- resultaat hiervan is dat er voor verwarming en koeling eigenlijk 5 eenheden teveel zijn opgewekt. Leidingverliezen Tijdens het transporteren van de energie via het - en circuit zullen energieverliezen optreden naar de omgeving. Vinden deze energieverliezen plaats in een te klimatiseren ruimte die op dat moment een warmtevraag heeft (vraag groter dan energieverlies), dan zal het warmteverlies van de leidingen nuttig voor de ruimten worden gebruikt. Vindt het warmteverlies van de leidingen plaats in een one ruimte of in een te verwarmen ruimte waar op dat moment geen warmtevraag is (b.v. nachtelijke uren), dan is het warmteverlies een reëel energieverlies. Het effect van luchtkanaalverliezen is niet meegenomen. De reden hiervoor is dat deze energieverliezen grotendeels terechtkomen in e ruimten waar ook de ventilatielucht wordt ingeblazen. Individuele regeling Indien er in een ruimte een individuele regeling van de vertrektemperatuur aanwezig is, zal de klimaatinstallatie niet meer warmte afgeven dan noodzakelijk De door de klimaatinstallatie geleverde warmte is op dat moment nauwkeurig afgestemd op de warmtebehoefte van dat vertrek (de installatie regelt automatisch terug). Voor de installatieconcepten waar deze individuele regeling niet aanwezig is, zal de vertrektemperatuur in veel gevallen hoger worden dan de setpointtemperatuur. Het gevolg hiervan is dat er door de klimaatinstallatie teveel warmte wordt geleverd. TVVL magazine 4/98 45

3 Klimaatsysteemprincipes Het onderscheid in systeemprincipe kan worden gemaakt op basis van de wijze waarop het vertrek warmte of koeling krijgt aangeboden. Zo kan de warmte die het vertrek nodig heeft aangeboden worden door: - (of soms elektriciteit); - lucht; - en lucht. De benodigde koeling kan het vertrek worden aangeboden door: - ; - lucht; - en lucht. Deze indeling (zie ook tabel 1) is analoog aan die zoals gehanteerd in normblad NEN 2916 [2] 'Energieprestatie van utiliteitsgebouwen'. De principes van de systemen zijn weergegeven in figuur 2. BEPALEN VAN HET SYSTEEMRENDE- MENT Een formule is ontwikkeld die de al eerder genoemde effecten in rekening brengt en waarmee het systeemrendement kan worden bepaald. wordt bepaald met : risys;verw e of one lucht in de winter Systeemnummer 1 -FIGUUR a +ƒ"`" verw wb Hierin is: a verw = de teveel geleverde verwarmingsenergie door leidingverliezen en het ontbreken van een individuele regeling van de vertrektemperatuur. 1:ern de factor voor vernietiging van energie door gelijktijdig verwar- men en koelen. = de factor die aangeeft het aandeel van de warmtebehoefte t.o.v. de totale behoefte van verwarming en koeling Het systeemrendement voor koeling wordt bepaald met : lisys;koel = 1+ a koe, + vern J kb Hierin is: akod = de teveel geleverde koelenergie door leidingverliezen en het ontbreken van een individuele regeling van de vertrektemperatuur. f oorn = de factor voor vernietiging van energie door het gelijktijdig verwarmen en koelen. fkb = de factor die aangeeft het aandeel van de koelbehoefte t.o.v. de totale behoefte van verwarming en koeling Centrale opwekking In tabel 1 staan de getalswaarden weergegeven die moeten worden gehanteerd voor toepassing van de formules bij de verschillende installatieconcepten of systeemnummers. Mengen van een e en een stroom Zoals ook al aangegeven in NEN 2916 [2] is het installatieconcept dat gebaseerd is op het mengen van een e en een stroom om de vereiste inblaastemperatuur te verkrijgen niet in te delen onder een van de acht systeemnummers. Bij het bepalen van het systeemrendement kan worden gehanteerd: fvern - = 0,4 a ver. =0,0 a ko =0,0 Lokale systemen Bij lokale systemen vindt de opwekking van warmte of koude plaats in het vertrek waar ook deze warmte of koude moet worden afgegeven. Tussen opwekking en afgifte van de energie kan nu geen energie meer verloren gaan. Om deze reden geldt voor lokale systemen : fver = 0,0 a verw = 0,0 a ko, 0,0 = SYSTEEMRENDEMENT VOOR DE VER- SCHILLENDE SYSTEEMCONCEPTEN Zoals uit tabel 1 blijkt is het systeemrendement van een klimaatinstallatie afhankelijk van het medium (/ lucht) dat gebruikt wordt voor het warmtetransport en koeltransport en het feit of er al dan niet een individuele regeling van de vertrektemperatuur aanwezig is. In figuur 2 is dit nader toegelicht. Per systeemnummer wordt een verdere beschouwing gegeven met betrekking tot individuele regelbaarheid en het systeemrendement. De waarde van het systeemrendement is hierbij bepaald door de al eerder gegeven formules te gebruiken en de getalswaarden uit tabel 1 hierop toe te passen. Systeemnummer 1 Een voorbeeld hiervan is een radiatorenverwarming in een vertrek met natuurlijke ventilatie of radiatorenverwarming met mechanische ventilatie. Deze mechanische ventilatie kan al dan niet centraal reeds voor zijn (figuur 3). De individuele naregeling van dergelijke systemen kan geschieden met de radiator indien deze voorzien is van thermostatische radiatorkranen of in geval van het systeem met mechanische ventilatie met een naverwarmer in het luchtkanaal waarbij het toegevoerde vermogen is afgestemd op de luchttemperatuur in het vertrek. Indien een individuele vertrektemperatuurregeling aanwezig is zal het systeemrendement voor verwarming voor dit systeem ca. 93% bedragen. Het verlies in rendement wordt hier veroorzaakt door de warmteverliezen van het warmcircuit. Indien er geen individuele vertrektemperatuurregeling aanwezig is zal het systeemrendement voor verwarming voor dit systeem ca. 80% bedragen. Het verlies in rendement wordt hier veroorzaakt door de 46 ENERGIEBESPARING

4 Warmtetransport door middel van Koeltransport door middel van Individuele regeling verwarming Systeem- nummer _ a verw koel Water of en lucht n.v.t. lucht ,08 0,25 0,04 0,08 0,01 0,08 0,25 en lucht 4 0,04 0,08 0,01 n.v.t. 5 0,00 0,30 lucht lucht 6 7 0,10 0,00 0,01 0,00 0,35 en lucht 8 0,10 0,00 0,01 Factoren voor de bepaling van het systeemrendement voor verwarming en koeling bij centrale opwekking -TABEL 1- warmteverliezen van het warmcircuit en door de teveel geleverde warmte door dat het systeem niet tijdig terugregelt. Systeemnummer 2 Een voorbeeld hiervan is een 4-pijps ventilatorconvectorsysteem in een vertrek met natuurlijke ventilatie, een 4- pijps ventilatorconvector- of 4-pijps inductiesysteem met centraal e mechanische ventilatielucht (figuur 4). e of one lucht in de winter Systeemnummer 2 -FIGUUR 4- e lucht Systeemnummer 3 -FIGUUR 5- De individuele vertrektemperatuurregeling is bij deze systemen (zijdig) aanwezig. Doordat er de mogelijkheid bestaat om op vertrekniveau na te koelen is er de potentie aanwezig voor energievernietiging. Naast de energievernietiging zal het systeemrendement ook worden bepaald door de energieverliezen van het - en circuit. De getalswaarde van het systeemrendement voor verwarming en koeling wordt bij deze syste- men mede bepaald door de eigenschap van het gebouw en de gehuisveste organisatie; de factor ƒ.6 of fk b. Systeemnummer 3 Dit is een systeem met mechanische ventilatie. De mechanisch toegevoerde lucht wordt in de winterperiode waarbij er in het vertrek naverwarming plaatsvindt met bijvoorbeeld een radiator. In de zomerperiode wordt de mechanisch toegevoerde lucht. De systemen komen voor in een uitvoering met een constant volume (CAV, topkoeling) of een variabel volume (VAV), figuur 5. Energievernietiging zal kunnen optreden in het overgangsseizoen tussen de winterperiode en de zomerperiode waarbij de teveel koude zal kunnen leveren waardoor de radiator zal naverwarmen. De kans (bij een goed niveau van installatieontwerp) is dermate klein dat dit effect wordt verwaarloosd. De individuele vertrektemperatuurregeling is altijd aanwezig bij de variabelvolumesystemen indien de VAV-boxen worden gestuurd door een temperatuursensor in het vertrek. Bij de constant-volumesystemen is deze aanwezig indien de radiator is uitgerust met een thermostatische radiatorkraan of indien een naverwarmer in het luchtkanaal van de mechanisch toegevoerde lucht is geplaatst waarbij het toegevoerde vermogen is afgestemd op de luchttemperatuur in het vertrek. TVVL magazine 4/98 47

5 is gelijk gesteld aan die van systeemnummer 1, n.l. 93% resp. 80% afhankelijk van de aanwezigheid van een individuele vertrektemperatuurregeling. Het systeemrendement voor koeling zal de 100% benaderen aangezien de energieverliezen van het circuit, of een bepaalde mate van energievernietiging, bij deze systemen niet aanwezig is. Systeemnummer 4 Dit is bijvoorbeeld een 4-pijps inductieof een 4-pijps ventilatorconvectorsysteem gecombineerd met e mechanische ventilatielucht in de winterperiode en e mechanische ventilatielucht periode (figuur 6). Dergelijke systemen lijken veel op systeemnummer 2. Aanvulling hierop is dat er de mogelijkheid bestaat om energievernietiging te laten plaatsvinden indien de teveel koude naar het vertrek toevoert waardoor de lokale unit moet gaan naverwarmen. De kans hierop (bij een goed niveau van installatieontwerp) is echter dermate klein dat dit effect wordt verwaarloosd. Om die reden zijn de systeemrendementen voor verwarming en koeling van systeemnummer 4 gelijk gesteld aan de systeemrendementen van systeemnummer 2. e lucht Systeemnummer 4 -FIGUUR 6- e lucht in dè winter Systeemnummer 5 Bij een dergelijk systeem wordt de volledige warmtebehoefte verzorgd door centraal e lucht. Bij deze systemen is er alleen een individuele vertrekregeling aanwezig voor systemen met een variabel volume. Het naregelen met behulp van een radiator of een naverwarmer bij een dergelijke klimaatinstallatie valt niet meer onder systeemnummer 5 maar onder systeemnummer 1 (figuur 7). De constant volume systemen worden alleen toegepast indien de centraal gerealiseerde temperatuur van de mechanische toevoerlucht kan worden geregeld op de vertrektemperatuur van een representatief vertrek. zal bij dergelijke systemen indien een individuele vertrektemperatuurregeling aanwezig is de 100% benaderen. Is deze individuele vertrektemperatuurregeling niet aanwezig zal aan het systeemrendement voor verwarming dalen tot ca. 77%. Systeemnummer 6 Een dergelijk systeem is bijvoorbeeld het 2-pijps inductiesysteem of het 2-pijps ventilatorconvectorsysteem beide gecombineerd met centraal e mechanische ventilatielucht (figuur 8). De individuele vertrektemperatuurregeling is bij deze systemen (zijdig) aanwezig. Voor het verwarmingsseizoen kan de individuele regelbaarheid alleen worden gerealiseerd indien er met het wordt nageregeld. Hierdoor vindt er een behoorlijke mate van energievernietiging binnen dit systeem plaats. Voor het koelseizoen is er een individuele vertrektemperatuurregeling aanwezig doordat de lokale koelunit kan worden nageregeld. wordt bepaald door deze energievernietiging en de factor f, b (eigenschap van gebouw+organisatie). wordt bepaald door de energievernietiging, het energieverlies van het circuit en de factor fkb (eigenschap van gebouw +organisatie). Systeemnummer 7 Bij dit systeem wordt er alleen gebruik gemaakt van lucht als transportmedium. Een dergelijk systeem kan worden toegepast als een eenkanaal-systeem of als een tweekanaal-systeem (figuur 9). Voor het tweekanaalsysteem wordt een e luchtstroom gemengd met een stroom waardoor een zeer grote mate van energievernietiging plaatsvindt (gedurende vrijwel het gehele jaar). De systeemrendementen voor verwarming en voor koeling zijn voor dit rweekanaalsysteem zeer laag. Voor het eenkanaalsysteem kan de lucht worden of worden. Hierdoor bestaat er geen mogelijkheid om energie te vernietigen. De individuele vertrektemperatuurregeling kan bij deze systemen alleen worden verkregen door het toepassen van een variabel-volumesysteem (VAV). Indien deze regelbaarheid wordt gerealiseerd wordt met een naverwarmer valt het systeem direct onder systeemnummer 3. en voor koeling zal indien er een individuele vertrekregeling aanwezig is de 100% benaderen. Is deze individuele vertrektemperatuurregeling niet aanwezig dan daalt het systeemrendement voor verwarming naar 74%. Systeemnummer 5 -FIGUUR 7- Systeemnummer 8 Bij dit systeem wordt gebruik gemaakt van centraal voorbehandelde mechanische ventilatielucht. In de winterperiode wordt de ventilatielucht. 48 ENERGIEBESPARING

6 e lucht in de winter Systeemnummer 6 -FIGUUR 8- e lucht Systeemnummer 7 -FIGUUR 9- e lucht Systeemnummer 8 -FIGUUR 10- In de zomerperiode wordt de ventilatielucht (figuur 10). Op vertrekniveau zal er worden na met bijvoorbeeld een inductieunit, ventilatorconvector of een koelplafond. Degelijke systemen lijken veel op de systemen die vallen onder systeemnummer 6. De individuele vertrektemperatuurregeling is bij deze systemen (zijdig) aanwezig. Voor het verwarmingsseizoen kan de individuele regelbaarheid alleen worden gerealiseerd indien er met het wordt nageregeld. Hierdoor vindt er een behoorlijke mate van energievernietiging binnen dit systeem plaats. Voor het koelseizoen is er een individuele vertrektemperatuurregeling aanwezig doordat de lokale koelunit kan worden nageregeld. De systeemrende- menten voor verwarming en voor koeling worden gelijk gesteld aan die behorend bij systeemnummer 6. Het systeemrendement voor verwarming wordt bepaald door deze energievernietiging en de factor Lb-(eigenschap van gebouw+organisatie). Het systeemrendement voor verwarming wordt bepaald door de energievernietiging, het energieverlies van het circuit en de factor fkb (eigenschap van gebouw +organisatie). Alle gehanteerde systeemrendementen zijn afgeleid voor een goede kwaliteit van het installatieontwerp. Om in de installatiepraktijk de zelfde niveaus van systeemrendementen te kunnen behalen is het gewenst om goede ontwerprichtlijnen voor klimaatinstallaties te ontwikkelen. CONCLUSIE Zoals uit tabel 1 blijkt is het systeemrendement van een klimaatinstallatie afhankelijk van het medium (/ lucht) dat wordt gebruikt voor het warmtetransport en koeltransport en het feit of er al dan niet een individuele regeling van de vertrektemperatuur aanwezig is. Deze regeling moet wel per vertrek aanwezig zijn. Door afwezigheid van een dergelijke regeling kan het systeemrendement globaal met 15% dalen. Deze invloed is al groter dan het verschil tussen een VR- of een HRketel. Duidelijk is dat het systeemrendement in een energiezuinig gebouw een steeds belangrijkere factor wordt in het energiegebruik. In dit artikel is een beschouwing gegeven over het systeemrendement van klimaatinstallaties inclusief een formule om de getalswaarde van het systeemrendement te bepalen. Een soortgelijke aanpak kan worden gebruikt bij het bepalen van het systeemrendement indien gelijkwaardigheid moet worden aangetoond bij het overleggen van de EPC-berekening. PROJECT De resultaten zoals beschreven in dit artikel komen voort uit een project uitgevoerd door TNO Bouw te Delft en Deerns Raadgevende Ingenieurs te Rijswijk. De algehele projectbegeleiding stond onder verantwoordelijkheid van de Stichting ISSO te Rotterdam. De financiering van het project is tot stand gekomen dankzij de financiële bijdragen van NOVEM, ISSO, TVVL en VNI. utom3 LITERATUUR 1. Elkhuizen, Ing. P.A. e.a, TNO-rapportnummer 98-BBI-R0382: Ontwikkeling van een bepalingsmethode systeemrendementen ten behoeve van normblad NEN 2916; afleiding van getalswaarden., Delft, februari NEN 2916: Energieprestatie van kantoorgebouwen; bepalingsmethode, 2E druk, mei ISSO-publicatie 43: Concepten voor klimaatinstallaties, Rotterdam, Nobel, ir. K.C.J., Rendement van klimaatsystemen, TVVL-Magazine 8/95, 1995 TVVL magazine 4/98 49