Exergie-analyse toegepast op een warmtepompsysteem

Transcriptie

1 Arnaud Blom 17 april 2009 Technische Universiteit Delft

2 Een dynamische simulatie van een warmtepompsysteem voor woningverwarming. Student: Arnaud Blom Studienummer: TU Delft, Civiele Techniek Afstudeercommissie: Prof.dipl.-ing. J.N.J.A. Vamberský (voorzitter) Hoogleraar TU Delft, Civiele Techniek, sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies Ir. S.C. Jansen (dagelijks begeleider) Promovendus TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties Dr.Eng. E.C. Boelman, MBA Universitair Docent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties Ir. A.C. van der Linden Universitair Hoofddocent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoelen Bouwfysica en Installaties Prof.ir. P.G. Luscuere Hoogleraar TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties april 2009

3 Voorwoord Als afronding van mijn studie aan de TU Delft, faculteit Civiele Techniek, afstudeerrichting Bouwtechniek en Bouwproces, heb ik gekozen voor een afstudeeronderzoek in de richting Bouwfysica en Installaties. Als onderdeel van het Nederlandse LowEx project, dat momenteel met ondersteuning van SenterNovem EOS LT wordt uitgevoerd door de Technische Universiteit Eindhoven, Universiteit Twente en TU Delft, vindt onderzoek plaats naar exergie-analyse in de gebouwde omgeving. Vanuit de TU Delft ligt hierbij de focus op exergetische systeemanalyse. Promovendus Ir. S.C. (Sabine) Jansen is hier bezig met een onderzoek naar de low-ex (laag-exergetische) benadering voor de energievoorziening van de gebouwde omgeving. De laag-exergetische benadering streeft naar een vermindering van de inzet van fossiele brandstoffen door een betere thermodynamische afstemming tussen vraag en aanbod, bijvoorbeeld door lagetemperatuurverwarming of het gebruik van restwarmte. In samenwerking met Sabine Jansen is dit afstudeeronderwerp gekozen. Het heeft als onderwerp de exergetische analyse van een warmtepomp gebaseerd systeem voor woningverwarming. De warmtepomp hierin maakt gebruik van laagwaardige omgevingswarmte. Om snel een indruk te krijgen van de resultaten van het onderzoek kan overwogen worden om alleen de Samenvatting of hoofdstuk 1 (Inleiding) en hoofdstuk 8 (Conclusies en aanbevelingen) te lezen. Bij de totstandkoming van dit rapport is de ondersteuning van de afstudeercommissie, met name van Sabine Jansen en Elisa Boelman, van grote waarde geweest. Ik ben dankbaar voor de geboden mogelijkheden, de positieve werkwijze en de opbouwende kritiek. Daarnaast wil ik mijn familie bedanken voor hun niet aflatende steun. Arnaud Blom april BVoorwoord - 3 -

4 Samenvatting In de gebouwde omgeving wordt veel energie gebruikt voor verwarming. Deze energie wordt nu nog vooral geleverd door hoogwaardige (fossiele) energiebronnen. Bij verbranding van fossiele brandstoffen komt kooldioxide(co 2 ) vrij, daarnaast zijn deze bronnen niet hernieuwbaar. Het streven is om de energievoorziening duurzaam te maken. Dit kan bereikt worden door: beperken van de vraag; meer efficiënte energie-omzettingen; gebruik van duurzame energiebronnen. Een warmtepomp is een apparaat dat laagwaardige omgevingswarmte verplaatst naar een hoger temperatuurniveau onder toevoer van (hoogwaardige elektrische) energie. Er kan bij deze omzetting meer warmte worden verkregen dan er aan elektrische energie wordt toegevoerd. Kort samengevat werkt een compressiewarmtepomp (zie Figuur 3.5) door een vloeistof (koelmiddel) bij lage temperatuur te laten verdampen en bij hoge temperatuur te laten condenseren. Om dit mogelijk te maken moet in het eerste geval de kookpunt temperatuur worden verlaagd tot onder de temperatuur van de warmtebron en in het tweede geval worden verhoogd tot boven de temperatuur aan de afgifte kant. De kookpunt temperatuur kan worden verhoogd door de druk met een compressor op te voeren; dit kost arbeid. Een expansieventiel, zorgt ervoor dat de druk afneemt waardoor de kookpunt temperatuur daalt. Exergie is een grootheid die de kwaliteit of potentie van energie aangeeft. In het geval van een warmtepomp gaat er geen energie verloren, maar er wordt wel hoogwaardige elektrische energie omgezet in warmte-energie (van een lagere kwaliteit). Hoewel er bij dit proces een grotere hoeveelheid omgevingswarmte wordt verplaatst gaat er in de praktijk altijd kwaliteit verloren. De exergie-efficiënte is dus altijd kleiner dan 100%. Exergie-analyse geeft, in tegenstelling tot energie-analyse, inzicht in het kwaliteitsverlies van de energie en daarmee de ruimte voor verbetering. De laag-exergetische benadering streeft naar een vermindering van de inzet van fossiele brandstoffen door een betere thermodynamische afstemming tussen vraag en aanbod, bijvoorbeeld door lage-temperatuurverwarming of het gebruik van restwarmte. In dit afstudeeronderzoek wordt met behulp van een computermodel een warmtepompsysteem beschouwd. Het systeem bestaat uit opwekking d.m.v. een water warmtepomp in combinatie met lage-temperatuur vloerverwarming (emissie) in een SenterNovem referentietussenwoning (gebouwschil). Met behulp van het programma TRNSYS wordt dit systeem gedurende een jaar dynamisch gesimuleerd. Het Nederlandse klimaat dient als uitgangpunt. Het doel van dit onderzoek is om inzicht te krijgen in de exergieverliezen met het oog op mogelijke verbeteringen. De resultaten worden gepresenteerd en geanalyseerd met behulp van een binnen dit afstudeerproject ontwikkeld grafisch gereedschap (Graphical User Interface (GUI)). 1BSamenvatting - 4 -

5 De warmtevraag wordt vaak berekend op basis van een maatgevende stationaire situatie, waarbij de buitentemperatuur -10 C bedraagt. Bij de dynamische simulatie wordt de warmtevraag op elk moment berekend op basis van een variërende: Temperatuur buitenlucht Deze beïnvloedt mede de grootte van de transmissie en ventilatie verliezen. Zonnestraling Hiermee varieert de warmtewinst door zontoetreding. Accumulatie Opwarming geeft een warmteverlies, afkoeling een warmtewinst. In de dynamische berekening is sprake van een warmtestroom door de buitenwand, deze kan afwijken van de stationaire transmissie (zie Figuur 4.13) als gevolg van: straling afkomstig van de vloerverwarming of van interne warmtebronnen; bezonning; dynamisch effect. In een niet-stationaire situatie is het dus, voor TRNSYS, niet mogelijk om onderscheid te maken tussen transmissie en accumulatie. Het is niet bekend of de warmtestroom door het binnenoppervlak van de buitenwand geaccumuleerd wordt of dat transmissie plaatsvindt. Er is een parametrische studie uitgevoerd naar de combinatie van thermische massa van de constructie en nachtverlaging. Vier combinaties worden dynamisch gesimuleerd. Er blijkt dat de nachtverlaging maar zeer kort mag zijn om het aantal uren onderschrijding van 19 C te beperken. De verschillen in afgegeven vermogen door de warmtepomp zijn klein, mogelijke oorzaken hiervan zijn: korte nachtverlaging; thermisch massa in afgiftesysteem (vloerverwarming); simpele regeling (geen stooklijn). De gemiddelde verhouding (warmtestroom uit WP / exergiestroom uit WP) gedurende het stookseizoen, zou zonder nachtverlaging hoger moeten zijn dan met nachtverlaging. In de nacht is het temperatuurverschil tussen binnen en buitenlucht doorgaans groter waardoor de exergiefactor stijgt. De resultaten van de parametrische studie bevestigen dit (zie Tabel 7.3). Tot slot kan geconcludeerd worden dat exergie-analyse van een warmtepompsysteem toegevoegde waarde heeft ten opzichte van energie-analyse. Verliezen in de kwaliteit van energie worden zichtbaar waar de energie-analyse geen verlies laat zien. Dit is goed zichtbaar bij de warmtepomp component en bij de gebouwschil. (zie Figuur 6.2). Er is dus inzicht verkregen in de mogelijkheden voor verbetering aan het systeem. Verbeteringen kunnen worden gezocht in het beperken van de warmtevraag, maar ook in het verlagen van de temperaturen in het systeem. Deze dienen immers zoveel mogelijk aan te sluiten bij de vraag. Het verdient aanbeveling om het warmtepompsysteem uit te breiden met primaire energie omzetting, opslag en distributie. Samenvatting - 5 -

6 Inhoudsopgave VOORWOORD... 3 SAMENVATTING INLEIDING PROBLEEM PROBLEEMANALYSE PROBLEEMSTELLING DOELSTELLING VOORSTUDIE WAT IS EXERGIE? Inleiding Theoretische achtergronden Exergie: het arbeidspotentieel van energie Exergie in de praktijk WARMTEPOMP Inleiding Theoretisch principe warmtepomp Efficiëntie Een warmtepomp in de praktijk WARMTEPOMPSYSTEEM Inleiding Mogelijke warmtebronnen Mogelijke afgiftesystemen Warm tapwater Koeling Regeling Mogelijke configuraties Gekozen warmtepompsysteem WARMTEBALANS WONING GEREEDSCHAP VOOR MODELLERING EN SIMULATIE TRNSYS MODELLERING VAN HET GEKOZEN WARMTEPOMPSYSTEEM INLEIDING SCHEMA VAN HET WARMTEPOMPSYSTEEM MODEL VAN DE WONING De Nederlandse woningvoorraad De gekozen SenterNovem referentiewoning Samenvatting model woning HET WARMTEPOMPSYSTEEM IN TRNSYS Inleiding Klimaatgegevens Warmtepomp component Warmtepomp op basis van percentage van Carnot-COP Gebouw component Samenvatting model TRNSYS BEREKENINGEN Energie stromen Exergie stromen Inhoudsopgave - 6 -

7 5 GEREEDSCHAP VOOR PRESENTATIE SIMULATIE RESULTATEN ANALYSE VAN DE SIMULATIE RESULTATEN INLEIDING ENERGIE-ANALYSE Warmtevraag Energieverlies in vloerverwarming Energiebalans warmtepomp EXERGIE-ANALYSE PARAMETRISCHE STUDIE RELEVANTE PARAMETERS BESCHOUWDE VARIANTEN THERMISCHE MASSA EN NACHTVERLAGING Beschrijving lichte constructie Beschrijving nachtverlaging VERWACHTING RESULTATEN BESPREKING RESULTATEN Inleiding Samenvatting resultaten CONCLUSIES PARAMETRISCHE STUDIE CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN CONCLUSIES AANBEVELINGEN CONTACTGEGEVENS AFSTUDEERCOMMISSIE DEFINITIES BRONVERMELDING BIJLAGEN BIJLAGE A: SENTERNOVEM REFERENTIE-TUSSENWONING BIJLAGE B: MODEL VAN DE REFERENTIE-TUSSENWONING BIJLAGE C: BEPALING LUCHTVOLUMESTROOM DOOR VENTILATIE EN INFILTRATIE BIJLAGE D: MODEL VAN DE WARMTEPOMP BIJLAGE E: TRNSYS MODEL DOCUMENTATION (ENGELS) BIJLAGE F: RESULTATEN PARAMETRISCHE STUDIE NAAR COMBINATIE THERMISCHE MASSA CONSTRUCTIE EN NACHTVERLAGING BIJLAGE G: GUI MANUAL (ENGELS) BIJLAGE H: GUI SCHERMAFDRUKKEN BIJLAGE I: JAARLIJKS ENERGIE- EN EXERGIEVERLOOP BIJLAGE J: CD-ROM Inhoudsopgave - 7 -

8 1 Inleiding Nu er meer aandacht is voor klimaatverandering en verondersteld wordt dat kooldioxide (CO 2 ) uitstoot hier een effect op heeft, wordt gezocht naar manieren om deze uitstoot te verminderen. Dit is mogelijk door: de vraag te beperken, het gebruik van CO 2 -neutrale energiebronnen, en door het toepassen van energie-omzettingen met kleinere verliezen. In de gebouwde omgeving wordt veel energie gebruikt voor verwarming. Deze energie wordt met name geleverd door hoogwaardige energiebronnen. Een warmtepomp is een apparaat dat laagwaardige omgevingswarmte verplaatst naar een hoger temperatuurniveau onder toevoer van (hoogwaardige elektrische) energie. Er kan bij deze omzetting meer warmte worden verkregen dan er aan elektrische energie wordt toegevoerd. Exergie is een grootheid die de kwaliteit of potentie van energie aangeeft. In het geval van een warmtepomp gaat er geen energie verloren, maar er wordt wel hoogwaardige elektrische energie omgezet in warmte-energie (van een lagere kwaliteit). Hoewel er bij dit proces een grotere hoeveelheid omgevingswarmte wordt verplaatst gaat er in de praktijk altijd kwaliteit verloren. De exergie-efficiënte is dus altijd kleiner dan 100%. Exergie-analyse geeft, in tegenstelling tot energie-analyse, inzicht in het kwaliteitsverlies van de energie en daarmee de ruimte voor verbetering. Hoewel exergie-analyse in de praktijk nog nauwelijks wordt toegepast voor verwarmingsystemen in de gebouwde omgeving, wordt er wel steeds meer onderzoek naar gedaan: onder andere in het kader van IEA Annex 49 1, en het Nederlandse LowEx project. In dit afstudeeronderzoek wordt met behulp van een computermodel een warmtepompsysteem beschouwd. Het systeem bestaat uit een water warmtepomp in combinatie met vloerverwarming in een SenterNovem referentie-tussenwoning. Met behulp van het programma TRNSYS wordt dit systeem gedurende een jaar dynamisch gesimuleerd. Het Nederlandse klimaat dient als uitgangpunt. Het doel van dit onderzoek is om inzicht te krijgen in de exergieverliezen met het oog op mogelijke verbeteringen. De resultaten worden gepresenteerd en geanalyseerd met behulp van een binnen dit afstudeerproject ontwikkeld grafisch gereedschap (Graphical User Interface (GUI)). Het onderzoek wordt in dit rapport als volgt beschreven: achtergronden en probleemstelling van het onderzoek doelstelling voorstudie literatuuronderzoek: onder andere het begrip exergie en de werking van de warmtepomp modellering van een geschematiseerd warmtepompsysteem (in TRNSYS) ontwikkeling en werking van het grafisch gereedschap (GUI) voor de presentatie van de TRNSYS simulatie resultaten analyse simulatie resultaten parametrische studie nachtverlaging i.c.m. thermische massa constructie conclusies en aanbevelingen Hoofdstuk 2 Hoofdstuk 3 Hoofdstuk 4 Hoofdstuk 5 Hoofdstuk 6 Hoofdstuk 7 Hoofdstuk 8 1 IEA(International Energy Agency) Annex 49 Low Energy Systems for High Performance Buildings and Communities als opvolger van Annex 37 Low Exergy Systems for Heating and Cooling of Buildings 2BInleiding - 8 -

9 2 Probleem 2.1 Probleemanalyse Aangenomen wordt dat het klimaat beïnvloed wordt door het gehalte CO 2 in de atmosfeer. Door metingen aan monsters uit de poolkappen is een relatie met de temperatuur op aarde gevonden die een sterke temperatuurstijging verwacht wanneer de huidige ontwikkeling van de concentratie CO 2 wordt geëxtrapoleerd (zie Figuur 2.1). Figuur 2.1: Illustratie van de relatie tussen temperatuur en concentratie CO 2 gedurende jaar [20] Vanwege de groeiende welvaart en wereldbevolking zal de vraag naar energie toenemen. Zolang de huidige energievoorziening grotendeels nog op verbranding van fossiele brandstoffen (zie definities) is gebaseerd zal technologisch sterker ingegrepen moeten worden om de uitstoot van CO 2 hierdoor toch te kunnen beperken. Er is dus behoefte aan duurzame energievoorziening (zie definities).dit kan bereikt worden door: beperken van de vraag; meer efficiënte energie-omzettingen; gebruik van duurzame energiebronnen. Ook in Nederland is de energievoorziening grotendeels (90% [7]) gebaseerd op verbranding van fossiele brandstoffen, waarvan aardgas een groot deel uitmaakt. Het primaire energiegebruik (zie definities) van huishoudens maakt een vijfde deel uit van het totaal (zie Figuur 2.2). Daarvan gaat meer dan de helft naar verwarming. Met de warm tapwater behoefte erbij wordt bijna driekwart van deze energie gebruikt voor verwarmen (zie Figuur 2.3). huishoudens warm (tap) water koken en koelen industrie verlichting diensten overige transport klimaat (verwarming) Figuur 2.2: Energiegebruik per sector in Nederland [8] Figuur 2.3: Energiegebruik per toepassing in huishoudens 1993 [5] 3BProbleem - 9 -

10 Warmtepompen worden in toenemende mate toegepast voor verwarmingsystemen. De efficiëntie van een warmtepompsysteem is doorgaans groter dan van een conventioneel verwarmingsysteem. Het primaire energiegebruik voor verwarming zal dus kunnen afnemen. De energie-efficiëntie van een compressiewarmtepomp is doorgaans groter dan 100%. Dit wordt uitgedrukt in de COP (Coefficient Of Performance): de verkregen warmte-energie gedeeld door de toegevoerde elektrische energie (zie ook definities), de gebruikte omgevingswarmte wordt hierin dus niet meegerekend. Deze energie-analyse geeft echter een te beperkt inzicht in de potentiële verbetering van de efficiëntie, want er is immers geen energieverlies. Energie heeft behalve een kwantiteit ook een kwaliteit, die wordt uitgedrukt in de grootheid exergie. Energieverlies is fysisch onmogelijk maar de bruikbaarheid of kwaliteit ervan kan wel afnemen, dit noemen we exergieverlies. Exergie-analyse van een warmtepompsysteem geeft inzicht in de exergieverliezen en de exergie-efficiëntie. Met deze kennis kunnen verbeteringen worden ontwikkeld om exergieverliezen te beperken en daarmee energie beter te benutten. 2.2 Probleemstelling Op basis van de probleemanalyse kan de achtergrond van het probleem als volgt worden samengevat: Verwacht wordt dat de stijgende CO 2 concentratie in de atmosfeer de temperatuur op aarde doet stijgen. Verwarming in Nederland is grotendeels op verbranding van aardgas gebaseerd, hierbij komt CO 2 vrij. De probleemstelling van dit onderzoek wordt hiermee: 1. Een meer duurzame energievoorziening kan onder andere bereikt worden door toepassing van efficiëntere energie-omzettingen, bijvoorbeeld gebaseerd op een warmtepomp. 2. Energie-analyse en de COP geven geen volledig inzicht in de prestatie van een warmtepompsysteem. Exergie-analyse geeft hier meer inzicht. 3. Dynamische exergie-analyse van een warmtepompsysteem is nog niet algemeen toepasbaar. 2.3 Doelstelling Het dynamisch uitvoeren van exergie- en energieanalyse van een geschematiseerd warmtepompsysteem voor woningverwarming. Een uitspraak doen over de toegevoegde waarde van exergie-analyse van een warmtepompsysteem. Het ontwikkelen van een gereedschap om de resultaten te presenteren 3BProbleem

11 3 Voorstudie 3.1 Wat is exergie? Inleiding In dit hoofdstuk wordt het begrip exergie toegelicht voor zover relevant in het kader van verwarming van de gebouwde omgeving. Enkele theoretische achtergronden worden kort aangehaald, de thermodynamische hoofdwetten vormen de basis voor de energie- en exergie-analyse Theoretische achtergronden Thermodynamische hoofdwetten Thermodynamica wordt omschreven als de leer van de energie-omzettingen. Er is een aantal soorten energie, onder andere: chemisch gebonden energie, potentiële-, kinetische-, inwendige-, warmte-, elektrische energie en arbeid [16]. Relevant in het kader van dit onderzoek zijn de laatste vier van deze soorten. Op basis van waarneming in de natuur kunnen enkele uitspraken met betrekking tot omzettingen van deze vormen van energie worden gedaan, de hoofdwetten van de thermodynamica: Eerste hoofdwet van de thermodynamica: Energie kan niet verloren gaan, noch kan energie uit het niets ontstaan. Deze hoofdwet is ook bekend als: wet van behoud van energie. Tweede hoofdwet van de thermodynamica: Volgens Carnot: Arbeid kan zonder meer in warmte worden omgezet, maar warmte niet zonder meer in arbeid. 4BVoorstudie

12 Energie-analyse is gebaseerd op de eerste hoofdwet. Voor elk systeem of proces is het mogelijk een energiebalans op te stellen. In een stationaire situatie is de ingaande en de uitgaande energiestroom gelijk: Energie ingaand = Energie uitgaand Vergelijking 3.1 In het geval van een niet-stationaire situatie kent de energiebalans van Vergelijking 3.1 ook de post geaccumuleerde energie. Het verschil tussen ingaande en uitgaande energie is gelijk aan de geaccumuleerde energie, ofwel: Energie = Energie + Energie Vergelijking 3.2 ingaand uitgaand geaccumuleerd Het energetisch rendement van een systeem of proces kan als volgt worden berekend: Energiegewenst product Energie Rendement = Vergelijking 3.3 Energie ingaand Dit rendement kan een waarde aannemen tussen nul en één (of gebruikelijker: tussen nul en honderd procent). De eerste hoofdwet en de energie-analyse gaat slechts over hoeveelheden energie en omzettingen daartussen. Alle vormen van energie worden hierbij als equivalent beschouwd. De praktijk leert echter dat niet elke energievorm voor 100% in elke andere vorm kan worden omgezet: dit is de essentie van de tweede hoofdwet. Daarnaast gaat in de praktijk ook altijd iets van de waarde van de ingaande energie verloren waardoor er geen omzetting bestaat die omkeerbaar is. De waarde of kwaliteit van energie kan in een omzetting theoretisch slechts gelijk blijven of afnemen, in de praktijk kan deze dus alleen afnemen. De uitdaging is om processen te ontwikkelen waarbij zo min mogelijk waarde verloren gaat. Arbeid: de hoogst gewaardeerde energievorm De energievorm arbeid kan gedefinieerd worden als: het uitoefenen van een kracht over een afstand. Arbeid kan theoretisch volledig in elke andere vorm worden omgezet, daarom wordt arbeid beschouwd als de meest hoogwaardige vorm van energie. De waarde of kwaliteit van de andere vormen van energie kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid arbeid die er bij omzetting uit kan worden verkregen, ofwel: het arbeidspotentieel. Bij sommige vormen van energie is het arbeidspotentieel gelijk aan de energie hoeveelheid, bij inwendige energie en warmte-energie is het arbeidspotentieel altijd lager dan de energie hoeveelheid. De omzetting van warmte in arbeid en andersom is van groot belang voor energiesystemen in de gebouwde omgeving. De Carnot-cyclus is een thermodynamisch kringproces dat de theoretisch maximale omzetting van warmte in arbeid beschrijft. 4BVoorstudie

13 Carnot-cyclus De Franse Wiskundige Carnot heeft een cyclus ontdekt waarmee het (maximale) arbeidspotentieel van warmte kan worden bepaald, zie links in Figuur 3.1. De cyclus neemt een hoeveelheid warmte (Q 1 ) op uit een reservoir van hoge temperatuur T 1 en geeft een hoeveelheid warmte (Q 2 ) af aan een reservoir van lage temperatuur T 2, terwijl een hoeveelheid arbeid (W) wordt geleverd. De hoeveelheid geleverde arbeid is maximaal wanneer de cyclus omkeerbaar is (W reversibel ). Er kan worden afgeleid [16] dat het rendement van deze reversibele cyclus uitsluitend afhankelijk is van de temperaturen in beide reservoirs: Figuur 3.1: Carnot-Cyclus [21, bewerkt] W reversibel T1 T2 η reversibel = = Vergelijking 3.4 Q1 T1 Het arbeidspotentieel is dus: T T T = Vergelijking W reversibel Q1 = ( 1 ) Q1 T1 T1 Hierin is: Symbool Omschrijving Eenheid η rendement - W arbeid J/s (Joule/seconde) T2 (1 ) T1 Carnot-factor - T 1 temperatuur warm reservoir K (Kelvin) T 2 temperatuur koud reservoir K Q warmtestroom J/s 4BVoorstudie

14 3.1.3 Exergie: het arbeidspotentieel van energie Exergie is gedefinieerd als de maximale hoeveelheid arbeid die verkregen kan worden bij het omkeerbaar in evenwicht brengen van een stof in een bepaalde toestand met de omgeving. Er wordt bij de exergie-analyse in dit onderzoek gewerkt met: de exergie van warmte; de exergie van een hoeveelheid stof, bijvoorbeeld water of lucht. Exergie van warmte Exergie heeft vooral betekenis voor energiesoorten waarbij het arbeidspotentieel niet gelijk is aan de hoeveelheid energie. Van deze soorten is, in het kader van dit onderzoek, vooral de exergie van warmte interessant. De exergie van warmte is gebaseerd op de Carnot-cyclus. Er wordt nu aangenomen dat het koude reservoir de omgeving is; de omgeving is oneindig en de temperatuur ervan is dus onafhankelijk van de toegevoerde warmte door de Carnot-cyclus. Dit kan voorgesteld worden door in Figuur 3.1 en in Vergelijkingen 3.4 en 3.5 grootheid T 2 gelijk te stellen aan T 0. Er zijn twee mogelijkheden voor het warme reservoir: Oneindig reservoir, temperatuur constant: Als ook het warme reservoir oneindig is zal de warmte die wordt afgegeven geen verlaging van de temperatuur in het reservoir veroorzaken. De exergie volgt direct uit Vergelijking 3.5: T T T = (Vergelijking 3.5) Ex Wreversibel = Q1 = ( 1 ) Q1 T1 T1 Eindig reservoir, temperatuur variabel: De temperatuur van het warme reservoir zal in dit geval dalen. De toestand van het systeem verandert (van 1 naar 2). Er kan afgeleid worden [16] dat voor de exergie van een dergelijk systeem geldt: T0 Ex = dex = dwreversibel = ( 1 ) dq Vergelijking 3.6 T 1 1 Nog niet eerder geïntroduceerde symbolen hierin zijn: 1 Symbool Omschrijving Eenheid Ex exergie J/s T 0 referentietemperatuur (temperatuur omgeving) K De tweede mogelijkheid is van toepassing bij verwarmingssystemen in de gebouwde omgeving. 4BVoorstudie

15 Exergie van een hoeveelheid stof Wanneer alleen de thermische component van een hoeveelheid stof wordt beschouwd en wordt aangenomen dat de soortelijke warmte (c p ) onafhankelijk van de temperatuur is, kan met behulp van dq = m c p dt worden afgeleid [14 en 16] dat bij een verandering van de temperatuur (van T 1 naar T 2 )(opwarmen of afkoelen) geldt: ΔEx ΔQ T0 = 1 T2 T 1 T2 ln T 1 T 2 T1 Vergelijking 3.7 Bij afkoeling tot de referentietemperatuur (T 0 ), volgt voor de exergie van een hoeveelheid stof: ΔEx T0 T0 = 1 ln Vergelijking 3.8 ΔQ T0 T T Exergiefactor Kortweg kan voor een hoeveelheid warmte worden gesteld: dex dq To = (1 ) Vergelijking 3.9 T De factor aan de rechterzijde (van Vergelijking 3.9) wordt de exergiefactor genoemd. Dit is de hoeveelheid exergie van een warmtebron. In Figuur 3.2 is voor een referentietemperatuur van 11 C (gemiddelde temperatuur in De Bilt, Nederland) de exergiefactor getekend. Te zien is dat deze naar één nadert voor temperaturen die richting oneindig gaan. Wanneer de temperatuur naar het absolute nulpunt nadert gaat de exergiefactor naar oneindig. De exergiefactor is per definitie gelijk aan nul wanneer de temperatuur gelijk is aan T 0. 2,0 Exergie-factor bij T 0 =11 C Exergie-factor 1,0 0, (T 0 ) Temperatuur [ C] 3000 Figuur 3.2: Absolute waarden voor de exergiefactor bij referentietemperatuur 11 C, getekend voor temperatuur bereik van -273 C (absoluut nulpunt) tot ongeveer 3000 C. 4BVoorstudie

16 Keuze referentietemperatuur De keuze van de referentietemperatuur is bepalend voor de grootte van de exergiefactor en ook voor het exergieverlies en dus voor het exergierendement. Als de referentietemperatuur variabel is, varieert ook de exergiefactor (van warmte op een bepaalde temperatuur). Dit is het geval als de omgevingstemperatuur als referentietemperatuur wordt gekozen, zie Figuur 3.3. Exergie-factor T0,min= -11,8 C T0,max= 30,7 C Exergie-factor 2,0 1,0 0,0-273 Temperatuur [ C] 3000 Exergie-factor 0,1-11, ,7 (T i, gemiddeld) Temperatuur [ C] Figuur 3.3: Exergiefactor bij minimale en maximale omgevingstemperatuur (van een gemiddeld jaar in De Bilt, Nederland), rechts: bereik bij een temperatuur binnen van gemiddeld 20 C. In plaats van de omgevingstemperatuur kan onder sommige omstandigheden ook een andere (constante) temperatuur als referentietemperatuur worden gekozen. Bijvoorbeeld de temperatuur van de bron van een warmtepompsysteem: grondwater op constant 12 C. 4BVoorstudie

17 Entropie De tweede hoofdwet wordt ook omschreven als: De entropie van een gesloten systeem kan alleen gelijk blijven of stijgen. De thermodynamische toestandsgrootheid entropie is een maat voor de wanorde of verspreiding binnen een systeem, deze kan slechts gelijk blijven of toenemen. Hiermee geeft de tweede hoofdwet de richting aan waarin processen op kunnen treden, namelijk waarbij de entropie toeneemt, bijvoorbeeld: van een warme naar een koude stof. Spontane (natuurlijke) processen hebben steeds als uitkomst dat een verschil geminimaliseerd wordt, deze verschillen kunnen onder andere bestaan in: temperatuur, druk, concentratie. Een dergelijk proces kent een proportionele relatie tussen de productie van entropie en de consumptie van exergie, zie Figuur 3.4. Energie Exergie Entropie 1. toevoer van exergie 2. consumptie/verlies van exergie (vgl. 3.12) 3. productie van entropie (vgl. 3.10) 4. afvoer van entropie Figuur 3.4: Stationaire stroming van energie, exergie en entropie door een wand [15, bewerkt] In het geval van een stationaire situatie zijn de relaties tussen energie, entropie en exergie de volgende: De entropie (symbool: S) balans luidt: Entropie = Entropie Entropie Vergelijking 3.10 productie uitgaand ingaand Anergie is het verspreidde en daardoor potentieloze deel van energie, het is niet meer beschikbaar om arbeid te leveren. Anergie is gedefinieerd als het product van entropie en de referentietemperatuur (omgevingstemperatuur): Anergie = Entropie (Gouy-Stodola relatie) Vergelijking 3.11 T 0 Exergieverlies De exergiebalans kan worden afgeleid door de stationaire energie- en entropie/anergie-balans te combineren [15], dan volgt: Exergie consumptie = Exergie Exergie Vergelijking 3.12 ingaand uitgaand 4BVoorstudie

18 3.1.4 Exergie in de praktijk Exergie kan omschreven worden als de kwaliteit van energie. Sinds de jaren 50 van de vorige eeuw wordt deze benaming hiervoor gebruikt. Volgens de wet van behoud van energie kan energie kan niet verloren gaan. De kwaliteit kan echter wel afnemen. Een voorbeeld is de warmtestroom naar buiten door een gevel. In het stationaire geval is de warmte(energie)stroom door de gevel constant. Er vindt een spontaan proces plaats waarbij de toestand van hogere temperatuur binnen in evenwicht wordt gebracht met de temperatuur in de omgeving. Er gaat in feite arbeidspotentieel verloren, er gaat dus exergie verloren. De mogelijkheid om met de energie een ander (of hetzelfde) doel te realiseren is niet meer aanwezig. In dit voorbeeld van de gevel gaat dus geen energie verloren maar wel exergie, dit verlies aan exergie geeft de ruimte voor verbetering van deze gevel aan. 4BVoorstudie

19 3.2 Warmtepomp Inleiding Een warmtepomp is een apparaat dat warmte opneemt bij een lage temperatuur en afgeeft op een hogere temperatuur, onder toevoer van arbeid. Er worden verschillende soorten warmtepompen onderscheiden, op basis van onder andere de volgende fysische processen: Compressie Absorptie Het principe van een compressiewarmtepomp is het meest gangbaar. Het wordt bijvoorbeeld toegepast in een koelkast. Warmte wordt door middel van de warmtepomp uit de kast verplaatst naar de omgeving waarin de kast staat. Hierbij moet arbeid toegevoerd worden in de vorm van elektriciteit. Deze warmtepomp wordt meestal een koelmachine genoemd. Een warmtepomp kan ook gebruikt worden voor verwarming door warmte aan de omgeving (uit lucht, bodem of water) te ontrekken en toe te voeren op een gewenst hoger temperatuurniveau. Dit hoofdstuk gaat dieper in op de theorie van de werking van vooral de elektrische compressiewarmtepomp en de toepassing van deze warmtepomp voor verwarming van de gebouwde omgeving Theoretisch principe warmtepomp Een warmtepomp neemt bij lage temperatuur warmte op welke bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Uit de tweede hoofdwet van de thermodynamica volgt dat dit proces slechts kan plaatsvinden onder toevoer van arbeid (zie rechts in Figuur 3.1). Kort samengevat werkt een compressiewarmtepomp door een vloeistof (koelmiddel) bij lage temperatuur te laten verdampen en bij hoge temperatuur te laten condenseren. Om dit mogelijk te maken moet in het eerste geval de kookpunt temperatuur worden verlaagd tot onder de temperatuur van de warmtebron en in het tweede geval worden verhoogd tot boven de temperatuur aan de afgifte kant. De kookpunt temperatuur kan worden verhoogd door de druk met een compressor op te voeren; dit kost arbeid. Een turbine, maar meestal een smoorofwel expansieventiel, zorgt ervoor dat de druk afneemt waardoor de kookpunt temperatuur daalt. Een turbine kan theoretisch arbeid leveren, een expansieventiel niet. 4BVoorstudie

20 In een warmtepomp vinden de hiervoor omschreven processen plaats in een gesloten cyclus waarin zich een koelmiddel bevindt. In onderstaande Figuur 3.5 is deze cyclus schematisch weergegeven. Rechts in de figuur is te zien dat de druk van het koelmiddel tussen het expansieventiel en de compressor hoog is aan de kant van de condensor en laag aan de kant van de verdamper. Boven in de figuur is aangegeven dat de fase van het koelmiddel tussen de condensor en de verdamper aan de kant van de compressor dampvormig is en aan de kant van de kant van het expansieventiel vloeibaar. In het midden van de figuur is de stroomrichting van het koelmiddel in de cyclus aangegeven. In de condensor is onder invloed van de hoge druk het kookpunt van het koelmiddel hoger dan de temperatuur van het afgiftesysteem waardoor het condenseert onder afgifte van warmte. In de verdamper is het kookpunt lager dan de warmtebron waardoor het koelmiddel overgaat in de dampfase en daarbij warmte opneemt. Damp Vloeistof warmteafgifte arbeid compressor condensor verdamper expansieventiel Hoge druk Lage druk warmteopname Figuur 3.5: Schematische weergave van een compressiewarmtepomp Een absorptiewarmtepomp heeft in plaats van de compressor een thermisch compressieproces. In deze warmtepomp zijn twee middelen aanwezig, een absorptiemiddel en het koelmiddel. Waar de compressor het dampvormige koelmiddel zou aanzuigen en samenpersen wordt het hier geabsorbeerd in het absorptiemiddel waarbij warmte vrijkomt. Onder toevoer van warmte wordt vervolgens in de regenerator het koelmiddel weer uit het absorptiemiddel gedreven op een hogere druk. De ideale warmtepompcyclus is de omgekeerde Carnot-cyclus. Dit is een theoretisch kringproces dat de theoretisch maximale hoeveelheid arbeid definieert die uit dit proces vrij kan komen als warmte op hoge temperatuur wordt opgenomen en op lage temperatuur wordt afgegeven. Om warmte van een lage naar een hoge temperatuur te verplaatsen is in theorie dezelfde hoeveelheid arbeid nodig, want de Carnot-cyclus is omkeerbaar (zie Figuur 3.1). In het geval van een werkelijke warmtepomp zullen echter verliezen optreden waardoor de toevoer van arbeid in de praktijk groter dient te zijn. De verliezen van de warmtepompcyclus bevinden zich achtereenvolgens in: het expansieventiel: bij expansie in een turbine is het verlies kleiner; de compressor; de warmtewisselaars (verdamper en condensor). 4BVoorstudie

21 3.2.3 Efficiëntie Met behulp van de eerste hoofdwet van de thermodynamica kan een energiebalans worden opgesteld voor een elektrische compressiewarmtepomp (zie Figuur 3.6): Q & = Q & + W Vergelijking 3.13 condensor verdamper elektrisch Q & condensor W elektrisch compressor condensor verdamper Q & verdamper Figuur 3.6: Energiebalans compressiewarmtepomp Het rendement van een warmtepompcyclus wordt uitgedrukt in de Coefficient Of Performance (COP). Deze geeft de verhouding weer tussen de hoeveelheid afgegeven warmte en de hoeveelheid toegevoerde elektrische energie. Voor een koelmachine geldt: COP koelmachine Q& verdamper = Vergelijking 3.14 W elektrisch En voor een warmtepomp geldt: COP warmtepomp Q& Q& verdamper + W condensor elektrisch = = = COPkoelmachin e W W elektrisch elektrisch +1 Vergelijking 3.15 Dit laatste is logisch want de toegevoerde elektrische energie wordt ook omgezet in warmte wat in het geval van verwarmen gewenst is. De COP van de huidige generatie warmtepompen ligt tussen 1 en 5; dit is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen verdamper en condensor. Hoe kleiner dat is, hoe groter de COP. De COP van een warmtepomp kan bepaald worden door metingen van het elektriciteitsgebruik, de massastromen en de temperaturen aan de condensor en/of verdamper. Uit het temperatuurverschil over condensor of verdamper volgt de warmtestroom volgens: Q & = m& c p ΔT Vergelijking BVoorstudie

22 Een bovengrens voor de COP van een warmtepomp is, zoals hiervoor omschreven, het omgekeerde van het Carnot-rendement: 1 COP Carnot = Vergelijking 3.17 η Carnot Hieruit volgt dat: COP Carnot,verwarmen T T warm koud COP Carnot-COP Tw arm [K] Figuur 3.7: Carnot-COP bij T koud = 285K warm = Vergelijking 3.18 T De tweede-hoofdwet-efficiëntie van de warmtepomp, ofwel het percentage van het Carnot COP dat gehaald wordt, volgt uit: WP COP = COP η Vergelijking 3.19 Carnot De tweede-hoofdwet-efficiëntie van de warmtepomp ligt in de praktijk rond 0,45 a 0,55. Symbolen die hierboven genoemd zijn: Symbool Omschrijving Waarde Eenheid COP Coefficient Of Performance - Q & warmtestroom J/s m& massastroom kg/s ΔT temperatuurverschil over condensor of verdamper K c p soortelijke warmte water 4,18 kj/kg K η Carnot Carnot-rendement - T warm thermodynamisch gemiddelde temperatuur condensor K T koud thermodynamisch gemiddelde temperatuur verdamper K η WP warmtepomp efficiëntie - In de COP van de warmtepomp is dan nog niet het energierendement van bijvoorbeeld de benodigde elektriciteitsopwekking voor de compressor inbegrepen. Elektriciteitsopwekking heeft een rendement dat varieert van ongeveer 25%[24] bij een kerncentrale, 40% in een kolencentrale, tot 58%[24] in een Stoom- en Gascentrale (STEG) (Deze werkt op basis van een gecombineerde gas- en stoomturbine.). De Primary Energy Ratio (PER) bevat wel de elektriciteitsopwekking. De PER is de verhouding tussen de hoeveelheid afgegeven warmte en alle primaire energie die daarvoor nodig is. 4BVoorstudie

23 3.2.4 Een warmtepomp in de praktijk Onderdelen en bouw Een warmtepomp bestaat uit een: Compressor De compressor heeft als functie de druk van het dampvormige koelmiddel te verhogen door samenpersing. Deze bestaat uit een motor die een pomp aandrijft. Bij een elektrische compressiewarmtepomp is dit een elektromotor. Expansieventiel, smoorventiel, turbine In dit ventiel expandeert de vloeistof zodat de druk afneemt. Verdamper De verdamper is in feite een warmtewisselaar waarin het koelmiddel warmte kan opnemen en daardoor overgaat in dampfase. Condensor In de condensor gaat het dampvormige koelmiddel onder afgifte van warmte over in vloeibare vorm; dit is ook een warmtewisselaar. Figuur 3.8 hiernaast geeft een schematische weergave van een warmtewisselaar waarin condensatie optreedt. Leidingen De leidingen verbinden de eerste vier onderdelen tot een cyclus. Figuur 3.8: Condensor [22] Koelmiddel Het koelmiddel heeft als eigenschap dat de fase-overgangen snel verlopen. 4BVoorstudie

24 Typen warmtepompen Er bestaan verschillende typen warmtepompen, deze zijn in Tabel 3.1 weergegeven: Tabel 3.1: Typen warmtepompen op basis van media Medium condensor (afgifte bij verwarming) Medium verdamper (bron bij verwarming) water water water lucht lucht water lucht lucht Merken en specificaties Hieronder volgt een samenvatting van enkele jaargemiddelde specificaties van elektrisch aangedreven water-water compressiewarmtepompen zoals die door verschillende merken geleverd worden. Tabel 3.2: COP van enkele warmtepompen bij twee afgifte temperaturen. Bron: grondwater [Test, 2007] Warmtepomp COP bij 35 C COP bij 55 C Vaillant Geotherm 4,7 3,1 Alpha Innotec 4,7 2,8 Stiebel Eltron 4,7 2,7 Dimplex 4,3 2,6 Junkers 4,2 2,6 Waterkotte 4,3 2,8 Viessmann 4,0 2,4 Nibe Fighter 4,5 3,1 Techneco 5,9 3,5 In Figuur 3.9 is te zie hoe de Techneco warmtepomp presteert bij verschillende temperaturen. Figuur 3.9: Temperaturen en vermogen van de Techneco Vulcan 06HT warmtepomp [Techneco, bewerkt]. 4BVoorstudie

25 3.3 Warmtepompsysteem Inleiding In dit hoofdstuk volgt een overzicht van componenten of subsystemen waaruit een warmtepompsysteem is opgebouwd. Een warmtepompsysteem bestaat altijd uit tenminste de volgende componenten: warmtebron, warmtepomp en warmte-afgiftesysteem (zie ook Figuur 3.10). Voor elk van deze componenten zijn er meerdere mogelijkheden, deze worden beschreven in de volgende paragrafen. Op basis van deze mogelijke componenten kan een aantal alternatieve warmtepompsystemen bedacht worden. Voor de analyse wordt een warmtesysteem uit deze alternatieven gekozen. Warmtebron Warmtepomp Afgiftesysteem Figuur 3.10: Schematische weergave van een warmtepompsysteem(warmtepomp al dan niet in woning) Mogelijke warmtebronnen Als warmtebron van de warmtepomp zijn er verschillende mogelijkheden. Allereerst is er het eerder genoemde onderscheid tussen lucht en water. Mogelijke warmtebronnen zijn: Lucht o Buitenlucht o Retour-ventilatielucht Water o Grondwater o Aquifer o Zeewater o Rivierwater o Meerwater Bij de meeste van deze bronnen, met uitzondering van de aquifer, is het natuurlijk temperatuurverloop tegengesteld aan de warmtevraag: s winters hebben deze bronnen een lage temperatuur terwijl dan juist de warmtevraag het grootst is, s zomers is dit juist omgekeerd. Dit is minder het geval bij retour-ventilatielucht. Eventueel zijn combinaties van deze bronnen mogelijk in een warmtepompsysteem. 4BVoorstudie

26 3.3.3 Mogelijke afgiftesystemen Het afgiftesysteem in de woning kan gebaseerd zijn op: Lucht o Luchtverwarming Water o Vloerverwarming o Wandverwarming o Betonkern-activering o Radiatoren Eventueel zijn combinaties van deze afgiftesystemen mogelijk Warm tapwater Een warmtepomp kan gebruikt worden voor de productie van warm tapwater. Het tapwater dient tot 60 C verwarmd te worden om Legionella besmetting tegen te gaan. Bij een groot temperatuurverschil over de warmtepomp daalt de COP. Daarnaast blijkt in de praktijk dat in verhouding een warmtepomp met een groot vermogen toegepast moet worden, wanneer een snelle opwarmtijd gewenst is Koeling Bij een warmtepompsysteem is er de mogelijkheid om de warmtepomp te gebruiken als een koelmachine. Hierdoor kan een woning enkele graden onder omgevingstemperatuur gekoeld worden in de zomer. De behoefte aan aparte koelmachines kan hierdoor verminderen. In de praktijk worden hiervoor de afgifte- en de bronkringloop verwisseld ten opzichte van de verdamper en de condensor aan de warmtepomp met behulp van kleppen (zie Figuur 3.11Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.). Figuur 3.11: Schematische weergave van een compressiewarmtepomp / koelmachine in de praktijk [29, bewerkt] 4BVoorstudie

27 3.3.6 Regeling Om de temperatuur van de binnenlucht in een woning te regelen, is (automatische) sturing van de warmtestroom noodzakelijk. In het algemeen zorgt een regelaar ervoor dat op basis van het verschil in gemeten waarde en streefwaarde van een bepaalde grootheid binnen een dynamisch systeem, er automatisch sturing plaatsvindt met als doel dit verschil te minimaliseren. Deze sturing kan simpel een aan of uit signaal zijn (bijv. schakelende thermostaat), of proportioneel (bijv. modulerende thermostaat). Bij een proportionele sturing is de grootte van het stuursignaal afhankelijk van de grootte van het verschil tussen gemeten waarde en streefwaarde. Een schakelende thermostaat regelt de temperatuur door de verwarmingscomponent van het systeem, en daarmee de warmtestroom, aan of uit te schakelen (sturen). Bij deze regelaar wordt de verwarmingscomponent aangeschakeld wanneer de gemeten temperatuur een bepaalde in te stellen streefwaarde voor de temperatuur onderschrijdt. Wanneer de gemeten temperatuur de streefwaarde overschrijdt, wordt de verwarming uitgeschakeld. Om te voorkomen dat er oscillatie ontstaat wordt gebruik gemaakt van hysterese. Dit wil zeggen dat de staat (aan of uit) binnen een bandbreedte afhankelijk is van het voortraject. Door deze scheiding van de aan- en uitschakel temperaturen kan het aantal schakelingen door de thermostaat beperkt worden. Voorbeeld In een woning wordt veelal gebruik gemaakt van een schakelende thermostaat om de temperatuur te regelen. De ingestelde streefwaarde voor de temperatuur is in dit voorbeeld 20 C. Als een bandbreedte van ±1 C wordt aangehouden, bedraagt de ondergrens 19 C en de bovengrens 21 C. Als de gemeten temperatuur daalt, dan zal de thermostaat de verwarming aanschakelen bij temperaturen gelijk en lager dan 19 C, wanneer deze stijgt gaat de verwarming uit bij 21 C en hoger. Zie Figuur 3.12 hieronder voor een grafische weergave van de werking van deze thermostaat. Aan (1) Status (Aan /Uit) Uit(0) T ondergrens 19 C T bovengrens 21 C Temperatuur [ C] Figuur 3.12: Hysterese in een schakelende thermostaat Naast de aan / uit sturing door een schakelende thermostaat is proportionele regeling van de warmtestroom mogelijk door sturing van het debiet van het koelmiddel in de warmtepomp. Met behulp van een modulerende compressor kan de warmtepomp in deellast werken. Er dient bedacht te worden dat de COP hierbij niet constant blijft. Deze vorm van regeling blijft buiten beschouwing in dit afstudeeronderzoek. 4BVoorstudie

28 3.3.7 Mogelijke configuraties Voor een woning of groep woningen zijn de volgende configuraties van een warmtepompsysteem mogelijk: Individuele warmtepomp in de woning; Collectieve warmtepomp centraal; Individuele en collectieve warmtepomp. WP WP WP WP WP Figuur 3.13: Schematische weergave drie mogelijke configuraties (WP = Warmtepomp) Er zijn voor zowel een enkele woning als een groep woningen ook alternatieven denkbaar met meerdere warmtepompen waarbij de temperatuur in stappen opgevoerd wordt. Deze alternatieven worden buiten beschouwing gelaten. 4BVoorstudie

29 3.3.8 Gekozen warmtepompsysteem In deze paragraaf wordt bepaald hoe het warmtepompsysteem, dat wordt beschouwd, eruit ziet. De mogelijkheid voor warm tapwater en koeling wordt buiten beschouwing gelaten. Afgiftesysteem Warmtepomp Warmtebron Lucht lucht-lucht Lucht o Luchtverwarming lucht-water o Buitenlucht o Retour-ventilatielucht Water water-water Water o Vloerverwarming water-lucht o Grondwater o Wandverwarming o Aquifer o Radiators o Zeewater o Rivierwater o Meerwater Figuur 3.14: Keuze componenten warmtepompsysteem De keuze van de componenten wordt bepaald door het afgiftesysteem. Bij lage temperatuurverwarming is een groot oppervlak voor convectie noodzakelijk. Dit is vrijwel alleen te realiseren met vloer- of wandverwarming. Daarnaast maken vloer- en wandverwarming gebruik van de warmte accumulerende werking van het beton, daardoor hebben deze mogelijkheden de voorkeur boven luchtverwarming. Voor verwarming van een woning zijn de warmtebronnen met een constante temperatuur zoals aquifer en grondwater het meest geschikt. Bij de andere bronnen is het natuurlijk temperatuurverloop ongunstig ten opzichte van de warmtevraag van de woning. Het warmtepompsysteem dat beschouwd wordt, heeft een water-water warmtepomp en vloerverwarming als afgiftesysteem. Als warmtebron wordt een constante temperatuur (12 C) aangenomen, bijvoorbeeld uit grondwater of een aquifer. Regeling vindt plaats door middel van een schakelende thermostaat. De gekozen configuratie is een individuele warmtepomp per woning, omdat de bepaling van de warmtevraag niet voor meerdere woningen afzonderlijk wordt gedaan. Een collectief systeem met meerdere woningen en een centrale warmtepomp komt dan neer op het vergroten van de schaal van het systeem en dat biedt geen meerwaarde in dit onderzoek. Daarnaast wordt distributie in dit afstudeeronderzoek buiten beschouwing gelaten. 4BVoorstudie

30 3.4 Warmtebalans woning In de Figuur 3.15 hieronder zijn de warmtestromen uit de warmtebalans van een woning schematisch weergegeven. 8/9 3 Transmissie 1. Ramen 2. Wanden 3. Dak 4. Beganegrondvloer Warmtewinst 5. Zontoetreding 6. Interne warmteproductie (verlichting, apparatuur, personen) 7. Verwarming Ventilatie 9. Infiltratie 10. Accumulatie Figuur 3.15: Schematische weergave warmtebalans woning, pijlrichting op basis van situatie bij verwarming. De warmtevraag van een woning volgt uit: Q & verwarming = Q& + Q& Q& Vergelijking 3.20 transmissie ventilatie warmtewinst Op basis van de instelling voor de gewenste temperatuur van de binnenlucht wordt het benodigde vermogen voor verwarming bepaald. In het geval van een statische berekening wordt hierbij vaak uitgegaan van een maatgevende situatie, wanneer de buitentemperatuur -10 C bedraagt. Bij een dynamische berekening wordt de warmtevraag op elk moment berekend op basis van een variërende: Temperatuur buitenlucht Deze beïnvloedt de grootte van de transmissie en ventilatie verliezen. Zonnestraling Hiermee varieert de warmtewinst door zontoetreding. Accumulatie Opwarming geeft een warmteverlies, afkoeling een warmtewinst. Wanneer niet aan deze warmtevraag wordt voldaan, en de balans dus niet in evenwicht is, kan de temperatuur in de woning niet gehandhaafd worden. 4BVoorstudie

31 3.5 Gereedschap voor modellering en simulatie TRNSYS Het warmtepompsysteem wordt gesimuleerd gedurende één jaar. Hiertoe wordt het systeem gemodelleerd in het computerprogramma TRNSYS. Algemeen TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program)[26] is een computerprogramma voor het uitvoeren van dynamische simulaties op modellen van (energie)systemen en gebouwen. De modulaire en open opbouw van het programma maakt het mogelijk om wijzigingen aan te brengen zodat componenten toegevoegd of aangepast kunnen worden. Componenten In het model van het warmtepompsysteem zijn de volgende componenten (TRNSYS: Typen) relevant: Klimaatgegevens (Type 109: Data Reader and Radiation Processor) Omdat het warmtepompsysteem toegepast wordt in de Nederlandse situatie worden meetgegevens van een Gemiddeld Meteorologisch Jaar (TMY) in De Bilt gebruikt. Warmtepomp (Type 668: Water to Water Heat Pump ) TRNSYS en de TESS-Libraries bevatten verschillende soorten warmtepompen, waaronder een water-water warmtepomp. Deze werkt op basis van (gemeten) prestatiegegevens. Gebouw (Type 56: Multi-Zone Building) Een model van een woning kan worden gedefinieerd in de gebouwcomponent. In deze component is vloerverwarming te modelleren door middel van actieve lagen. Regeling (Type 2: On/Off Differential Controller) Verschillende regelaar componenten zijn beschikbaar waaronder een schakelende thermostaat met hysterese, maar ook proportionele regelaars. Handmatige berekeningen (Equation Solver) In deze component kunnen vergelijkingen worden gedefinieerd op basis van de uitvoergrootheden van andere componenten. Resultaten (Type 65: Online Graphical Plotter with Output File) Simulatie waarden van uitvoergrootheden kunnen worden getoond in grafieken of worden geëxporteerd voor gebruik in een ander programma. 4BVoorstudie

32 Een component wordt ingesteld door middel van: Parameters Invoer grootheden Op basis van deze instellingen volgen na berekening: Uitvoer grootheden Een afbeelding van het warmtepompsysteem model is weergegeven in Figuur De componenten zijn weergegeven als iconen met een beschrijving eronder. Figuur 3.16: Afbeelding van het warmtepompsysteem model in TRNSYS Verbindingen en relaties Componenten kunnen onderling verbonden worden met een pijl. Een pijl kan meerdere relaties tussen uit- en invoer grootheden van de betreffende twee componenten bevatten. Een uitvoer grootheid kan meerdere relaties met verschillende invoergrootheden hebben, een invoergrootheid kan maar één relatie hebben. Simulatie Voor simulaties kan onder andere ingesteld worden: Tijdstap: bijvoorbeeld 1 uur Tijdsduur: bijvoorbeeld 8760 uur (1 jaar) 4BVoorstudie