Energie en exergie in de gebouwde omgeving Door Sabine Jansen (TU Delft) 7 April 2015 Homelab 2050, serie 4: Optimaal gebruik van beschikbare energiebronnen
Exergie voor de gebouwde omgeving Statements 1) Energie efficiëntie is een onzin waarde 2) Net zero energy bouwen is niet genoeg (en niet omdat ze netto energieleverend moeten zijn) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 2
Naar een duurzame energievoorziening Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 3
Naar een duurzame energievoorziening Meer mogelijkehden Reduceer Reduceer Slimmere voor benodigde behoefte energie hernieuwbare input systemen bronnen en rest stromen Doen we dit efficient? Slimmere gebouwen & gebruikers Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 4
Naar een duurzame energievoorziening Waarom energie efficientie een onzin waarde is 1 MJ 1 MJ Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 5
Welk apparaat is efficiënter om uw woning te verwarmen? Wat zegt 100% efficiënt dan? warmte 1 η = = 100% COP(" η ") = > 100% 1 elek Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 6
Wat is exergie? Exergie is de maximale hoeveelheid arbeid die je uit een hoeveelheid energie kunt halen door deze in evenwicht te brengen met de omgeving Glas heet water Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 9
Ideale motor vs ideale warmtepomp Carnot rendement Carnot COP Q H rev. cycle Arbeid Q H rev. cycle Q C Q C Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 10
CARNOT Engine 1 e hoofdwet W = Q Q H C Q H rev. cycle Work 2 e hoofdwet (in KELVIN!) Q H = T H Q T C C Q C W rev T T H C = QH * TH Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 11
Van Carnot naar exergie Exergie van koude Exergie van warmte QH QH rev. cycle Work QC QC æ T0 ö Ex = -çç1 - QC è TC ø ö ø lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Work environment environment Ex æ T0 = çç 1 Q H è TH Homelab 2050 sessie 4 rev. cycle Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 12
Exergy factor: exergy/energy Exergy factor = æ T ö Ex = -çç1-0 QC è TC ø Q Ex æ T0 = ç1 QH çè TH Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving ö ø Sabine Jansen H rev. cycle Utrecht, 7 april 2015 13
En product Exergy factor & ideal COP En h= source Ideal heat pump = inversed ideal power cycle HEAT W rev. cycle COLD 4.00 HEAT rev. W cycle 0.25 COLD Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 14
En η = product Energie source versus exergie WASTE IN Process USED WASTE IN Process USED DESTROYED Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 15
Energie versus exergie IN Process WASTE USED In een ideaal proces is er geen exergie vernietiging WASTE IN Process USED DESTROYED ideaal verbeter potentieel Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 16
Toepassen van exergie 1. Beoordelen exergie prestatie van een energiesysteem voor gebouwen 2. Exergieprincipes gebruiken om betere systemen te ontwikkelen Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 17
Voorbeeld case studies Sentenovem referentie (tussen)woning Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 18
De exergie behoefte verwarming cooling 1 cooling 2 T0= 30 0C Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 19
Energie- en exergiebehoefte SN referentiewoning Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 20
Energie- en exergiebehoefte SN referentiewoning Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 21
Exergie prestatie van bestaande energie systemen Cases: 1. HR ketel (elek van het net) 2. Micro wkk (20% elek/ 80% warmte) 3. Warmtepomp (50% van COPcarnot) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 22
Schema case study Sentenovem referentiewoning met micro WKK Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 23
Energie- en exergiebehoefte SN referentiewoning Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 24
Verliezen Case study 2 (micro wkk) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 25
Exergieverliezen componenten 1. HR ketel (elek v/h net) 2. Micro wkk (20% elek/ 80% warmte) 3. Warmtepomp (50% van COPcarnot) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 26
Conclusies exerie prestatie à Beoordeling van Verbeter potentieel à Kwantificeren van verliezen per component à Veel mogelijke winst door slimme installaties, (Energie bril leidt tot extreem isoleren / reduceren van de vraag ) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 27
Naar een duurzame energievoorziening Slimmere gebouwen & gebruikers Homelab 2050 sessie 4 Reduceer behoefte Meer mogelijkehden Reduceer voor benodigde hernieuwbare input bronnen en rest stromen Slimmere energie systemen lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 28
Verbeteren met exergie: Exergie principes Beperk exergie vernietiging door: 1) Match kwaliteitsniveaus van energie (ofwel: gebruik meest dichtbije temperatuur) 2) Gebruik gratis energiestromen (ivm prestatie warmtepompen) 3) Optimaliseer thermische opslag a. b. Verschillende temperatuur niveaus (= vermijd mengen) produceer exergie Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 29
Exergie principes Beperk exergie vernietiging door: 1) Match kwaliteitsniveaus van energie (ofwel: gebruik meest dichtbije temperatuur) 2) Gebruik gratis energiestromen (ivm prestatie warmtepompen) 3) Optimaliseer thermische opslag a. b. Verschillende temperatuur niveaus (= vermijd mengen) produceer exergie Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 30
Exergie principes Beperk exergie vernietiging door: 1) Match kwaliteitsniveaus van energie (ofwel: gebruik meest dichtbije temperatuur) 2) Gebruik gratis energiestromen (ivm prestatie warmtepompen) 3) Optimaliseer thermische opslag 4) Gebruik hoogwaardige bronnen exergetisch efficiënt à warmtepomp, WKK (Mits!!), PV 5) Vermijd bepaalde processen: à verbranding, grote temperatuur verschillen, menging 6) Bekijk de hele keten! Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 31
Essentiele systeem componenten 1) Warmtepomp 2) WKK (mits!) 3) Zeer lage temperatuur verwarming / zeer hoge temperatuur koeling 4) slimme thermische opslag 5) Voorverwarmen ventilatielucht (mits) 6) Intelligente regelingen Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 32
De rol van de warmtepomp Warmtepomp kan als enige apparaat van een beetje hoogwaardige energie à veel laagwaardige energie maken: HEAT W rev. cycle environment Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 33
Hoe kleiner de temperatuur shift hoe hoger de COP [bron: Meggers et al 2012) Reden voor Lage temperatuur (vloer)verwarming! Belang van goede bron temperatuur Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 34
Lucht-water warmtepomp www.dutchheatpump.nl
Warmtepomp met bodemwisselaar en vloerverwarming http://www.rudnhn.nl Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 39
Warmtepomp met lage temperatuur warmtenet? Bron: Lage temperatuur warmtenet? http://www.rudnhn.nl Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 40
Match temperatuurniveaus warmtenetten? Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 42
Match temperatuurniveaus warmtenetten? Wkk? Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 43
WKK Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 44
Energie efficientie is een onzin waarde En wat kunnen we verwachten van exergie? 1) Beter inzicht in waar de verliezen zitten 2) Meer kansen om verbeteringen te vinden 3) Minder kansen om fouten te maken Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 45
Exergie helpt betere systemen te ontwikkelen Maar: Significant verbeteren is moeilijk Maximaal haalbare exergie efficientie.. Ca 25-40% (vanwege onvermijdbare veliezen in meerdere stappen) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 46
Energie en exergie voor de gebouwde omgeving Statements 1) Energie efficiëntie is een onzin waarde 2) Net zero energy bouwen is niet genoeg (en niet omdat ze netto energieleverend moeten zijn) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 48
Netto nul GEBOUW KWALITEIT (+ gebruiker) PRODUCTIE ENERGIE COMPONENTEN (landelijk net) (in je woning) Primaire energie bronnen Energie op de meter Energie behoefte Direct eigen gebruik Terugverkopen aan het net Maar wat als er geen backup is van fossiele brandstof? Waar wordt de energie opgeslagen (Woning? Wijk?) Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 49
Opslag WKO Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 50
Opslag Op zoek naar compacte opslag van warmte.. - Voelbare warmte - Latente warmte (PCM) - Thermochemische opslag - Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 51
Net zero. Wat is beter? Of maakt het niet uit? Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 52
Net zero. Wat is beter? Of maakt het niet uit? Materialen embodied energy? Materialen? circulariteit? Hoe zit het met ruimtegebruik? Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 53
Toekomstige energiesystemen 1) Energie efficiëntie is een onzin waarde Exergie is een tool om verliezen te minimaliseren en bronnen optimaal te benutten 2) Net zero energy bouwen is niet genoeg (en niet omdat ze netto energieleverend moeten zijn) Integreer het gebouw in netwerk EN opslag oplossingen Exergie is geen einddoel: Denk aan wat echt schaars is: materiaal en ruimte Homelab 2050 sessie 4 lezing: Exergie in de gebouwde omgeving Sabine Jansen Utrecht, 7 april 2015 54
Vragen? Sabine Jansen S.C.Jansen@tudelft.nl