Variabele ventilatie luchthoeveelheid op lange termijn goedkoper?

Transcriptie

1 Hogere initiële kosten kunnen terugverdiend worden tijdens levensduur Variabele ventilatie luchthoeveelheid op lange termijn goedkoper? Een binnenklimaatsysteem moet het gebouw voorzien van een goed thermisch comfort en een goede binnenluchtkwaliteit. Daarnaast moet het natuurlijk ook zo energiezuinig mogelijk zijn. Een binnenklimaatsysteem dat uit verwarming, koeling en ventilatie bestaat, is hiervoor geschikt en kan de gezondheid en het comfort van de gebruikers en bewoners van en gebouw ten goede komen. Een cruciale vraag is natuurlijk tegen welke kosten. De installatieen onderhoudskosten van een ventilatiesysteem met een variabele luchthoeveelheid zijn hoger dan die van een systeem met een constante luchthoeveelheid, maar blijken over de hele levensduur van de installatie waarschijnlijk goedkoper. De specificaties van het binnenklimaat met betrekking tot thermisch comfort en luchtkwaliteit worden bepaald door vereisten, aanbevelingen, nationale regelgeving of door de gebruiker van het gebouw. Dit vereenvoudigt het ontwerpproces van een binnenklimaatsysteem. Normaal gesproken worden de minimum- en maximumtemperatuur en de toevoerluchthoeveelheid ingesteld volgens de hoeveelheid aan activiteiten in het gebouw. In Zweden is het vereiste op dit moment 0,35 l/(s m²), waarbij het Tabel 1. Gegevens voor de gesimuleerde gebouwen. De interne belasting verwijst naar de interne warmtewinst exclusief mensen. Warmteoverdracht is de gemiddelde waarde voor het gebouw. RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar

2 Tabel 2. Gegevens voor het flatgebouw. Het gebouw bestaat uit vier verdiepingen met op iedere verdieping twee van elk van de vermelde appartementen. oppervlak verwijst naar het vloeroppervlak (Boverket, 2002). Als er niemand in het gebouw is, is er helemaal geen behoefte aan een luchtstroom wanneer er zich geen situatie voordoet die gezondheidsrisico s in het gebouw met zich meebrengt. Dit kan worden opgelost met een bepaalde minimale luchthoeveelheid of door de ventilatie te starten op een bepaald moment voordat er mensen in de woning of het appartement komen. Aangezien de gebruiker dit moet plannen, is het het meest realistisch om een minimale luchthoeveelheid in te stellen. De systemen die in het onderzoek werden meegenomen, zijn een afvoerventilatiesysteem (E) met luchtinlaten bij de ramen in alle kamers, behalve in keukens of badkamers, en een toevoeren afvoerventilatiesysteem met warmteterugwinning (SEH) door middel van plafondroosters voor de toevoerlucht. Zowel de constante luchthoeveelheid als de variabele luchthoeveelheid werd gesimuleerd. In het geval van een systeem met een variabele luchthoeveelheid, werd ervan uitgegaan dat er voor elk appartement in het flatgebouw een regelklep voor de luchtstroom (twee voor het toevoer- en afvoersysteem) en een bewegingsdetector voor 766 SEK zouden zijn inbegrepen. Dat betekent dat de luchthoeveelheid voor het gehele appartement en niet voor elke kamer in elk appartement werd gevarieerd. Voor de vrijstaande woning werd aangenomen dat de luchthoeveelheid voor de gehele woning op dezelfde manier werd gevarieerd. Er is wel een bewegingsdetector nodig, maar geen kleppen, omdat dat genoeg is om de luchtbehandelingsunit te bedienen en die optie is inbegrepen in de bestaande luchtbehandelingsunits. Gebouwen Geen enkel gebouw was ingericht met koeling. Er werden hydronische radiatoren gebruikt voor de verwarming. De aangenomen gegevens voor de gebouwen worden in tabel 1 weergegeven. De gegevens van het buitenklimaat zijn uit Stockholm, Zweden. In tabel 2 worden de oppervlakken van het appartement, de ramen en de verwarmingstransmissie vermeld en het aantal mensen per appartement. De kamers met toevoerapparaten zijn geen keukens of badkamers. Afvoerapparaten bevinden zich in keukens en badkamers. Er werd aangenomen dat het flatgebouw uit vier verdiepingen bestaat met twee eenkamer-, twee tweekamer-, twee driekamer- en twee vierkamerappartementen op elke verdieping. Er werd vanuit gegaan dat er twee afvoerapparaten waren voor elk appartement, behalve voor het vierkamerappartement. Dit appartement had drie afvoerapparaten. Het gewicht van de constructie van het gebouw werd als gemiddeld verondersteld. De vrijstaande woning bestond uit twee verdiepingen, met drie afvoerapparaten op de begane grond Tabel 3. Afdrukgegevens van ProLive voor de twee gesimuleerde gebouwen. De kosten en de LCC slaan op de gehele berekeningsperiode, 40 jaar. De oppervlakken in de noemers van de eenheden zijn de vloeroppervlakken. O P = 60% en = 0,33. RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar

3 Afbeelding 1. Life cycle costs (LCC) en energiekosten (En) per vloeroppervlak voor het flatgebouw. E staat voor afvoerventilatie, S staat voor toevoer- en afvoerventilatie, C staat voor constante luchthoeveelheid, 0 staat voor = 0 en variabele luchthoeveelheid en 0,33 staat voor = 0,33. en twee op de bovenverdieping en twee toevoerverdelers of luchtinlaten op de begane grond en drie op de bovenverdieping. Aangenomen werd dat er vier personen in de woning woonden. Bezetting De bezettingsgraad wordt genoteerd als O P. Dit is de verhouding tussen het werkelijke aantal mensen in het gebouw op een bepaald moment en het aantal mensen waarvoor het gebouw is ontworpen. In het onderzoek werd aangenomen dat O P constant was gedurende het jaar, wat het aantal parameters verkleint. Johansson [5] heeft deze simplificatie geanalyseerd. Het elektriciteitsverbruik van de ventilator werd lichtelijk beïnvloed door het gebruik van een tijdgerelateerde bezettingsgraad, aangezien de stroom van de ventilator niet lineair is aan de luchthoeveelheid. De energie voor de verwarming en koeling wordt zelfs nog minder beïnvloed. O p = 0 betekent dat het gebouw leeg is. O p = 1 betekent dat het gebouw volledig bezet is. Aangenomen wordt dat de beraamde luchthoeveelheid van 0,35 l/(s m²) is vereist wanneer O p = 1 en dat deze lineair wordt verminderd volgens vergelijking 1 wanneer O P daalt. De coëfficiënt stelt de ver- Afbeelding 2. Life cycle costs (LCC) en energiekosten (En) per vloeroppervlak voor de vrijstaande woning. E staat voor afvoerventilatie, S staat voor toevoer- en afvoerventilatie, C staat voor constante luchthoeveelheid, 0 staat voor = 0 en variabele luchthoeveelheid en 0,33 staat voor = 0, RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar 2008

4 Afbeelding 3. Geaccumuleerde life cycle costs (LCC) per vloeroppervlak. E staat voor afvoerventilatie, S staat voor toevoer- en afvoerventilatie, C staat voor constante luchthoeveelheid, V staat voor variabele luchthoeveelheid met = 0,33, D staat voor vrijstaande woning en M staat voor flatgebouw. O P = 60%. houding van de luchthoeveelheid in vergelijking tot 0,35 l/(s m²) bij O P = 0 en q is de luchthoeveelheid in l/(s m²), waarbij het oppervlak verwijst naar de vloer. In het onderzoek werden = 0 en = 0,33 getest. Bij O P = 0 is de luchthoeveelheid 0 voor = 0 en 0,1155 l/(s m²) voor = 0,33. De bezettingsgraad beïnvloedt ook de interne belasting van mensen en de interne belasting, exclusief de belasting van mensen volgens tabel 1. Dan geldt: Resultaten In tabel 3 worden de life cycle costs weergegeven voor de verschillende gesimuleerde gebouwen en ventilatiesystemen bij O P = 60 procent en = 0,33. Hier wordt aangetoond dat er het beste kan worden gewoond in een vrijstaande woning met een toevoer- en afvoerventilatiesysteem met warmteterugwinning en een variabele luchthoeveelheid. In de kosten zijn hydronische verwarming en de aansluiting op blokverwarming inbegrepen. In afbeelding 1 worden de life cycle costs en de energiekosten weergegeven voor de verschillende systemen in het flatgebouw als een functie van O P. Een lagere O P betekent een lagere gemiddelde interne warmtelast die de behoefte aan verwarming vergroot, maar als de luchthoeveelheid tegelijkertijd wordt verkleind, wordt deze verhoging getemperd of omgezet in een verlaging. In afbeelding 2 staan de life cycle costs en energiekosten voor de vrijstaande woning. In afbeelding 3 worden de geaccumuleerde life cycle costs gedurende een tijdsperiode getoond, wat de life cycle costs zijn van een bepaalde berekeningsperiode voor beide gesimuleerde gebouwen. Het duurt iets minder dan tien jaar om van de warmteterugwinning te profiteren en ongeveer vijftien jaar om van de variabele luchthoeveelheid te profiteren. De gemiddelde U-waarde (die de warmteoverdracht beschrijft door het gebouw per oppervlak en temperatuurverschil, en de lengte van het gebouw, die van invloed is op het vloeroppervlak) was gevarieerd voor de vrijstaande woning met de resultaten zoals in afbeelding 4 weergegeven. Gekochte energie zou ook nodig zijn voor huishoudelijke elektriciteit en kraanwater. Dit is echter niet inbegrepen in deze simulatie. Voordeliger Uit dit onderzoek is gebleken dat de ventilatiesystemen met een variabele luchthoeveelheid gebaseerd op de bezettingsgraad voordelig kunnen zijn vanuit een life cycle cost perspectief in zowel flatgebouwen als vrijstaande woningen. De kosten voor een gesimuleerde bewegingsdetectie waren 766 SEK per appartement of woning. Deze kosten zijn normaal voor een handmatig systeem waarbij de gebruiker bijvoorbeeld het aantal mensen kiest bij de hoofdingang. Op dit moment vinden er veel ontwikkelingen plaats ten behoeve van goedkopere sensoren voor bewegingsdetectie. Er zijn aanwijzingen dat de industrie kooldioxidesensoren zal ontwikkelen in deze prijsklasse, wat een alternatief kan zijn dat niet afhankelijk is van de handelingen van de gebruiker. Het zou mogelijk zijn om elke aparte kamer in elk appartement of in de vrijstaande woning te controleren, in plaats van het gehele appartement of de gehele vrijstaande woning, maar dat zou gecompliceerder en duurder zijn. Op die manier kan er lucht worden toegevoerd naar de plekken waar mensen zich in het gebouw bevinden, wat aanleiding geeft tot een discussie over de vorm van de vereisten aangaande de luchthoeveelheid. ProLive simuleert dit nu nog niet, maar kan dit in de toekomst wellicht wel. Er is ook aangetoond dat de toevoeren afvoerventilatie met warmteterugwinning lagere life cycle costs kunnen hebben dan afvoerventilatiesystemen die nog veel meer andere nadelen hebben, waaronder tocht en een slechte regulering van de luchtverplaatsing (Engdahl, 2002). Bepaalde kwesties zijn vereenvoudigd. Een voorbeeld is de constante temperatuurefficiency van de warmteterugwinunit, die in werkelijkheid het voordeel van een lagere luchthoeveelheid zou vergroten vanwege een hogere efficien- RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar

5 Methodologie en rekensysteem De life cycle costs van de verwarmings- en ventilatiesystemen werden gesimuleerd door ProLive, een computerprogramma voor life cycle costs voor binnenklimaatsystemen. De life cycle costs werden zowel berekend met als zonder een variabele luchthoeveelheid voor flatgebouwen en vrijstaande woningen. De bezettingsgraad van een gebouw is een van de belangrijkste parameters voor de toepassing van ventilatiesystemen met een variabele luchthoeveelheid. De bezettingsgraad is niet gemeten. Het is echter wel een parameter in de berekeningen. Er zijn alleen theoretische gebouwen gesimuleerd: één typisch flatgebouw en één typische vrijstaande woning. Veldmetingen waren geen alternatief, omdat het moeilijk zou zijn de life cycle costs te meten, vooral voor ventilatiesystemen met een variabele luchthoeveelheid, die zelden in woningen voorkomen. Eén probleem met betrekking tot het ontwerp van een binnenklimaatsysteem is dat er zeer veel aandacht werd besteed aan de initiële kosten. Een life cycle benadering zou de energieprestaties en economische prestaties van het binnenklimaatsysteem kunnen verbeteren. De life cycle costs van een product zijn de som van alle kosten die worden gemaakt voor het product gedurende de gehele levensduur van het product. Toekomstige kosten worden verdisconteerd tot de waarde van vandaag, de netto contante waarde, door de toepassing van een disconteringsvoet. Het computerprogramma ProLive is ontwikkeld om de life cycle costs te berekenen voor binnenklimaatsystemen in kantoren, scholen en woningen (Johansson, 2005). ProLive kan duizenden combinaties van verwarmings-, koelings- en ventilatiesystemen maken die typisch voor Zweden zijn. Het programma houdt rekening met de initiële kosten voor het kopen en monteren van componenten door de stroomvraag, energiekosten, onderhoudskosten, reparatiekosten en kosten voor ruimteverlies door systeemcomponenten te berekenen. De kosten zijn gebaseerd op Zweedse prijzen van Sektionsfakta (Wikells, 2003), wat een bekende kostendatabase is voor de bouwsector. Het buitenklimaat wordt verkregen met behulp van het computerprogramma Meteonorm (Meteotest, 2003), dat buitenklimaatgegevens voor de gehele wereld kan simuleren. ProLive beschikt over functies om de productiviteit en gezondheidskosten gebaseerd op de binnentemperatuur en de luchthoeveelheid in een model weer te geven, zelfs als de gebruiker correlatiegegevens tussen parameters en de kosten moet opgeven. ProLive gebruikt Zweedse bedragen in SEK exclusief BTW (25% belasting op de toegevoegde waarde). 1 SEK 0,14 US$ 0,11 op In dit artikel is de prijs voor verwarming vastgesteld op 0,6 SEK/kWh en de prijs voor elektriciteit op 0,8 SEK/kWh exclusief BTW. De disconteringsvoet werd vastgesteld op 1% voor elektriciteit, 2% voor verwarming en 3% voor andere kosten, wat een reële prijsstijging voor verwarming en voor elektriciteit representeert. Voor ruimteverlies werd een jaarlijkse waarde van 800 SEK/m² aangehouden. Er is uitgegaan van een korting van 20% van de initiële kosten, voor zowel luchtonderdelen als hydronische onderdelen, in vergelijking tot Wikells (2003). Er werd een berekeningsperiode van 40 jaar gebruikt. De sloopwaarde werd op nul gezet. Er werd 766 SEK berekend voor de bewegingsdetectie, wat gelijk is aan de kosten van een IR-bewegingssensor inclusief montage. Dit kan bestaan uit een handmatig bedienbare schakelaar in elk appartement en de vrijstaande woning. Auteur: Dennis Johansson Research and Development, Swegon AB, Tomelilla, Zweden Building Physics/Building Services, Lund University, Lund, Zweden 36 RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar 2008

6 Afbeelding 4. Life cycle costs (LCC) en jaarlijks energieverbruik (En) voor verwarming en ventilatoren voor de gesimuleerde vrijstaande woning wanneer de U-waarde en de lengte van het gebouw werden gevarieerd. E staat voor afvoerventilatie, S staat voor toevoer- en afvoerventilatie, C staat voor constante luchthoeveelheid, V staat voor variabele luchthoeveelheid bij = 0,33. cy bij lagere luchthoeveelheden. Een ander voorbeeld is de constante bezettingsgraad gedurende een tijdsperiode. Deze varieert bovendien zowel gedurende de dag, wat niet zoveel invloed lijkt te hebben, en gedurende het jaar, wat waarschijnlijk meer invloed heeft. Dergelijke gemeten gegevens ontbreken echter. Met een bewegingsdetectiesysteem zou het mogelijk zijn om bijvoorbeeld verlichting of ander gebruik van huishoudelijke elektriciteit te beheren. Het is waarschijnlijk wel normaal dat mensen de lichten uitdoen wanneer ze zich niet binnen bevinden, maar er wordt aangenomen dat er met behulp van bezetting per woning 200 W en O P = 60%, 3,7 kwh/(m² jaar) kan worden bespaard op huishoudelijke elektriciteit voor de gesimuleerde vrijstaande woning. Aan de andere kant zal de behoefte aan verwarmingsenergie stijgen, aangezien de interne warmtebelasting een bepaalde hoeveelheid warmte oplevert. Er is nog meer onderzoek nodig op het gebied van de meest duidelijke parameter van dit onderzoek, de bewegingsparameter. Dennis Johansson Research and Development, Swegon AB, Tomelilla, Zweden Building Physics/Building Services, Lund University, Lund, Zweden dennis. johansson@swegon.se REFERENTIES Boverket 2002, Boverkets byggregler BFS 1993:57 med ändringar till och med 2002:19, Karlskrona, Zweden, in Zweeds Engdahl, F. 2002, Air - for Health and Comfort An anlysis of HVAC Systems Performance in Theory and Practice, Doctoral thesis, Dep. of Building Physics, Lund University, Zweden, Report TVBH-1013 Johansson, D. 2005, Modelling Life Cycle Cost for Indoor Climate Systems, Doctoral thesis, Building Physics, Lund University, Lund, Zweden, Report TVBH-1014, Meteotest 2003, Meteonorm handbook, manual and theoretical background, Zwitserland, Wikells Byggberäkningar AB (2003), Sektionsfakta-VVS, Wikells byggberäkningar AB, Växjö, Zweden, , in Zweeds Samenvatting In dit artikel worden de ventilatiesystemen en de luchthoeveelheden van de ventilatiesystemen in vrijstaande woningen en flatgebouwen besproken. Elk ventilatiesysteem kan een constante luchthoeveelheid (CAV) hebben of een variabele luchthoeveelheid (VAV). Met een variabele luchthoeveelheid wordt een woning gekoeld met lucht, verwarmd met lucht, wordt de luchthoeveelheid verminderd bij een lagere bezettingsgraad en wordt er alleen geventileerd als daar behoefte aan is. Ventilatie met een variabele luchthoeveelheid gebaseerd op de vraag naar lucht alleen wordt soms DCV (Demand Controlled Ventilation) genoemd. Ventilatiesystemen met een variabele luchthoeveelheid gebaseerd op de vraag naar lucht kunnen worden gebruikt om het energieverbruik te verminderen voor het verwarmen en koelen van de toevoerlucht en het verplaatsen van de toevoer- en afvoerlucht. In dit artikel worden de LCC (life cycle costs) voor verschillende ventilatiesystemen in woningen gepresenteerd, zowel met als zonder variabele luchthoeveelheid gebaseerd op de bezetting. In woningen in Zweden wordt er bijna geen variabele luchthoeveelheid toegepast, behalve voor afzuigkappen die op verschillende luchthoeveelheden kunnen worden afgesteld. Dit is een kleiner deel van de totale luchthoeveelheid en het idee is niet om de luchthoeveelheid te verlagen bij een lage bezettingsgraad. RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING 101e Jaargang najaar