1 Onderzoeksrapport. Onderzoeksrapport. Datum 21 januari Studenten Leif Lachmann Sebastiaan Rodenhuis

1

Onderzoeksrapport

Onderzoeksrapport

Datum 21 januari 2011 Studenten Leif Lachmann Sebastiaan Rodenhuis

2

Onderzoeksrapport

autarkie en duurzame dorpen – informactiecentrum Hunzedorp Leif Lachmann & Sebastiaan Rodenhuis

Afstudeerproject autarkie en duurzame dorpen Informatiecentrum Hunzedorp Datum 21 januari 2011 Studenten L. Lachmann Studentnr. 344305

Hanzehogeschool Groningen Academie voor Architectuur, Bouwkunde en Civiele Techniek

W.S. Rodenhuis

Afstudeerrichting Bouwkunde

Studentnr. 280381

Afstudeerbegeleider Ir. A.R. Ovbiagbonhia

Lezer Ing. R de Vrieze

3

4

Onderzoeksrapport

Voorwoord In dit onderzoeksrapport worden verschillende vraagstukken beantwoord, die betrekking hebben op het verkrijgen van een omgevingsvergunning voor het informatiecentrum Hunzedorp. In dit rapport is de constructie tekstueel en middels tekeningen toegelicht. Verder is er een bouwfysisch rapport, alsmede een rapportage E&W, waarin diepgaand wordt beschreven wat de mogelijkheden zijn omtrent het realiseren van de verschillende voorzieningen zoals elektriciteit, water en vuilwater afvoer met behoud van de autarkische en duurzame gedachten. Vanwege het feit dat het Bouwbesluit verschillende dingen eist van een nieuw te bouwen gebouw en hier gesproken wordt over een niet allerdaags bouwwerk met alternatieve systemen komt het voor dat hier geen vergunning voor toegekend wordt. In de knelpunten rapportage Bouwbesluit worden deze punten uitgelicht en besproken. Aan de hand van dit verslag zal de opdrachtgever dan keuzes kunnen maken en wordt geprobeerd de wetgever aan te sproren het Bouwbesluit duurzamer te maken, zodat de in dit verslag omschreven systemen zonder enige moeite haalbaar zijn.

Groningen, januari 2011 Leif Lachmann Sebastiaan Rodenhuis


Inhoudsopgave Voorwoord

4

Projectorganisatie

8

Samenvatting

9

Technische beschrijving

11

Doelstelling/uitgangspunten

11

Eigenschappen

11

Gebruikte producten

13

Rapportage constructief

15

Inleiding

15

Achterwand

15

Dak

16

Zij- en voorgevel

17

Vloer

18

Bouwfysisch rapport

21

Inleiding

21

EPC berekening

21

Geluidswering van de schil

22

Daglichttoetreding

22

Binnenklimaatbeheersing

23

Uitvoering binnenklimaat

38

5

6

Onderzoeksrapport

Rapportage E&W

41

Inleiding

41

Elektriciteit

42

Stroomvoorziening

42

Stroomverbruik

42

Autonoom PV systeem

44

PV panelen

44

Uitvoering elektrasysteem

51

Netgekoppeld PV systeem

54

Water

56

Watervoorziening

56

Waterverbruik

56

Informatiecentrum

56

Berekening waterverbruik

58

Watertoevoer

60

Warm tapwater

61

Zonneboilerinstallatie

62

Uitvoering watersysteem

66

Waterafvoer

72

Helofytenfilter

72

Uitvoering helofytenfilter

76

Conclusie

79

Elektra

79

Water

79

Waterafvoer

80


Rapportage knelpunten Bouwbesluit

83

Inleiding

83

Bouwfysica

83

Nutsvoorzieningen

83

Bijlage

85

7

8

Onderzoeksrapport

Projectorganisatie Hanzehogeschool Groningen Academie voor Architectuur, Bouwkunde & Civiele techniek Van DoorenVeste, Zernikeplein 11 9747 AS Groningen telefoon: 050 - 595 4573 Begeleider Ir. A.R. Ovbiagbonhia Zernikeplein 11, kamer B1.56 telefoon: 050 - 595 4626 e-mail: [email protected] Lezer Ing. R. de Vrieze Zernikeplein 11, kamer1.59 telefoon: 050 - 595 4013 e-mail: [email protected] Studenten L. Lachmann studentnr: 344305 telefoon: 06 - 46 724 234 e-mail: [email protected] W.S. Rodenhuis studentnr: 280381 telefoon: 06 - 29 584 500 e-mail: [email protected]

Opdrachtgever PRO-werelddorp Dhr. J. Schuiling Bolsterlaan 19, 7876 GA Valthermond telefoon: 0599 - 663 063 mail: [email protected] web: www.pro-werelddorp.nl


Samenvatting Bij de start van dit project was al meteen duidelijk dat er verschillende problemen opgelost dienden te worden. Het uitgangspunt autarkie zorgde voor de meeste conflicten. Met name het Bouwbesluit werkte niet mee. Omdat autarkie zelfvoorzienend betekent, moet het ook een eigen elektra- en watervoorziening hebben, alsmede een waterzuiveringsinstallatie. Maar het Bouwbesluit schrijft voor dat een nieuw te bouwen gebouw aangesloten moet worden op alle nutsvoorzieningen. Bij ons onderzoek is autarkie toch overeind gebleven en zijn er oplossingen aangedragen die een omgevingsvergunning toch doet goedkeuren. Met dit doel voor ogen dient de wetgeving aangepast te worden om het Bouwbesluit te herzien om deze milieuvriendelijke oplossingen een kans te geven. In dit rapport leest men desalniettemin ook hoe je het beste vanuit twee werelden kunt combineren om zo een ideale situatie te creëren. Geconcludeerd kan worden dat duurzaamheid een begrip is dat verscheidene kanten kent en een discussie is die geen einde kent omdat het te maken heeft met de opvatting van de mens welke bij iedere individu verschillend is.

9

10

Onderzoeksrapport


Technische beschrijving Doelstelling/uitgangspunten Autarkie: het (al dan niet economisch) streven zo min mogelijk afhankelijk te zijn van anderen. Zelfverzorging of zelfvoorziening zijn synoniemen.

Eigenschappen Geen aansluiting op nutsvoorzieningen, waardoor eigen faciliteiten gerealiseerd moeten worden. • Riool: Helofytenfilter voor filteren van water afkomstig van toiletten en afvoeren. Het product is geen drinkwater maar wel helder, reukloos en schoon genoeg voor het lozen op oppervlaktewater. • Elektriciteit: gebruik maken van panelen die accu’s opladen. Echter zit je dan met een 12 of 24 volts systeem. Wanneer het verbruik toeneemt zal er toch overwogen moeten worden om het gebouw aan te sluiten op het stroomnetwerk zodat er zekerheid is. • Drinkwater: het grijze water, afkomstig uit het helofytenfilter, kan gestuurd worden langs een omgekeerde osmose waterzuiveringtoestel, dat het water schoon genoeg kan maken, zodat het voldoet aan de eisen en het drinkbaar is. Dubbel kozijn Omdat er gebruik wordt gemaakt van passieve verwarming en ventilatie is het de bedoeling om de verse lucht voor te verwarmen door het langs de gevel te sturen. Het dubbele kozijn maakt dit mogelijk. De eerste laag is gewoon enkel glas zodat de meeste warmte er doorheen komt. De tweede laag is een HR++ laag zodat er in de winter zo min mogelijk verlies is via de grote gevel. Belangrijk is de luchtafdichting rondom de stukken glas en de aansluiting met de constructie. Toch is het niet zeker of dit idee daadwerkelijk uitgevoerd kan worden omdat de afstand die de verse lucht af moet leggen enorm vergroot wordt als het via de glazen gevel gestuurd wordt. Een specialist zal moeten uitzoeken of het mogelijk is dit uit te voeren zonder hulp van een ventilator of iets dergelijks.

11

12

Onderzoeksrapport

Schoorsteen Om binnen de kaders van het concept te blijven wordt er niet mechanisch geventileerd. Om toch voldoende trek te genereren komt er een grote schoorsteen op het dak zodat natuurlijke trek wordt bevorderd. Om te kunnen garanderen dat er voldoende geventileerd kan worden is gebruik gemaakt van de volgende formule:

Hierin is: Akan = oppervlakte kanaal in m2 1,3 = veiligheidnorm Avl = oppervlakte vloer van gebouw in m2 2,5 m/s = snelheid in meter per seconden

1,3 1000 ⁄ 2,5

Bij het toepassen van deze formule wordt als vloeroppervlak 131,9m2 gebruikt en wordt duidelijk dat er een ventilatiepijp met een oppervlakte van 685,88cm2 nodig is voor dit gebouw. Aan de hand van dit gegeven is gekozen voor vier buizen met een afmeting van Ø150mm. Het oppervlak van één buis is 175,71cm2 waarmee het totaal op 706,84cm2 komt. Dit wordt gedaan omdat er op meerdere plekken wordt afgezogen en er op deze manier beter gestuurd kan worden. Wat betreft de hoogte van de schoorsteen is gekeken wat de NEN 2757 voorschrijft om garantie te bieden voor voldoende trek. De uiteindelijke hoogte is gebaseerd op het volgende stuk tekst die in deze norm voorkomt: “Indien de dakhelling kleiner dan of gelijk is aan 23° en het dakvlak niet grenst aan een hoger opgaand dakvlak met een helling groter dan 23° of gevel, moet worden gecontroleerd of de uitmondinghoogte ten minste 0,5 m bedraagt. Indien hieraan is voldaan, is de stromingsrichting van binnen naar buiten gericht.“ Aan de hand van deze tekst is bepaald dat we de hoogte van de schoorsteen anderhalf meter laten uisteken boven het boeiboord omdat we ook te maken hebben met obstakels zoals de beplanting en zonnepanelen.


Gebruikte producten Strobalen isolatie Veel ervaring is er niet mee, maar strobalen zijn wel degelijk geschikt als isolator. Wel moet rekening gehouden worden met het droog houden van de balen. Het is essentieel dat het stro niet nat mag worden. Daarom is de constructie van buiten ook afgeschermd met een laag EPDM folie. Houtconstructie Het hout dat gebruikt wordt voor de constructie is voorzien van het FSCkeurmerk en is bij voorkeur afkomstig uit beheerde bossen uit Nederland. Fermacellplaat Fermacellplaat is een mengsel van 80% gips en 20% papiervezel. Er is gekozen voor dit materiaal omdat dit een plaat is die, door het Nederlands Instituut voor Bouwbiologie en Ecologie (NIBE), gezien wordt als een bouwbiologisch en bouwecologisch product en de stabiliteit van het gebouw kan ermee gerealiseerd worden. Houtvezel isolatieplaat De productie van deze platen gebeurt zonder toepassing van chemische producten en wordt enkel door het houteigen lignine bij elkaar gehouden. (RC-waarden in bijlage 1). Leem(blokken) Dit materiaal is goed verkrijgbaar in Nederland en geeft een natuurlijke uitstraling. Daarnaast heeft dit product een accumulerende eigenschap welke het leefcomfort verbetert. De eigenschappen van de bouwblokken zijn teven te vergelijken met de welbekende kalkzandsteenblokken.

Bouwpapier Als dampremmende laag wordt gebruik gemaakt van bouwpapier (Pavaflex) omdat dit materiaal zich aanpast qua dampopenheid aan de omgeving en het is een natuurlijk materiaal. EPDM EPDM folie is een hoogwaardig rubber met een lange levensduur. Vergeleken met andere materialen is dit de beste kandidaat voor de desbetreffende doeleinden. Turf Turf is een natuurproduct uit de omgeving. Het wordt enkel gebruikt om de gevel te bekleden, daar waar geen aardewal zit. Vegetatiedak Omdat de achterkant van het gebouw een begroeide zandbult is, is het bijna vanzelfsprekend dat het dak wordt uitgevoerd als vegetatiedak. Het drainagesysteem dat hier onder zit wordt aangesloten op een waterreservoir dat gebruikt gaat worden voor het drinkwatersysteem. Schuimbeton Schuimbeton bestaat grotendeels uit lucht en water. Bovendien wordt zinvol gebruik gemaakt van industriële reststoffen als hoogovenslakken en vliegassen. Na gebruik is schuimbeton volledig herbruikbaar en het energieverbruik bij productie en verwerking blijft beperkt. Met betrekking tot het Bouwstoffenbesluit is vermeldenswaard dat schuimbeton tot categorie 1 bouwstof (dus vrij toepasbaar) wordt gerekend. (Specificaties in bijlage 2).

13

14

Onderzoeksrapport


Rapportage constructief Inleiding Normaal zou er een duidelijke hoofddraagstructuur aanwezig zijn bij een gebouw,maar dit bouwwerk vindt zijn sterkte, stijfheid en stabiliteit uit een ander aspect. Door de achterwand, de zijwanden en het dak uit te voeren als schijven en deze met momentvaste verbindingen aan elkaar te koppelen en te verankeren aan de vloer is het mogelijk dit gebouw te bouwen volgens de normen en wetgeving. Om de constructie stijf genoeg te krijgen, zodat het als schijf kan fungeren, worden er gipsvezelplaten toegepast van 18mm dik, die worden vastgeschroefd op het houten “regelwerk”. Dit houten geraamte bestaat uit kolommen en liggers van gelamineerd hout met een afmeting van 350x45mm (welke nog gecontroleerd dient te worden door een constructeur). Het plaatwerk komt dan aan beide zijden, zodat er ruimte ontstaat waartussen de strobalen opgestapeld kunnen worden. De hele constructie is eigenlijk ontworpen om de druk, die afkomstig is van de aardewal achter het informatiecentrum, op te vangen.

Achterwand De achterwand krijgt het behoorlijk te voorduren aangezien er een constante druk van achter op rust van de aardewal. Zou je deze wand gewoon recht uitvoeren dan zal deze doorbuigen en uiteindelijke bezwijken onder de druk. Om die reden wordt er een kromming in deze wand gemaakt. Op deze manier zullen de normaalkrachten, die de houten constructie kunnen breken, omgezet worden in dwarskrachten, welke door het hout juist wel goed opgevangen kunnen worden. Opbouw achterwand van buiten naar binnen: • Aardewal; • EPDM folie; • Fermacell gipsvezelplaat; • Strobalen; • Pavaflex dampremmende laag; • Fermacell gipsvezelplaat; • Pavatex houtvezelplaat; • Leemblokken.

15

16

Onderzoeksrapport

Dak Op het dak komt een vegetatie(pakket) waarin een goed drainage systeem verwerkt wordt. Dit om het hemelwater op te kunnen vangen voor gebruik als drinken spoelwater. Om die reden is er ook gekozen voor een systeem met lichte vegetatie, zodat het water dat op het dak komt valt niet direct door de planten gebruikt hoeft te worden, maar toegepast kan worden voor eigen gebruik. Opbouw dak van buiten naar binnen: • Beplanting; • Substraat; • Anti worteldoek; • Drainagelaag; • EPDM folie; • Fermacell gipsvezelplaat; • Strobalen; • Pavaflex dampremmende laag; • Fermacell gipsvezelplaat • Pavatex houtvezelplaat; • Leemstuc.


Zij- en voorgevel Voor de zij- en voorgevel wordt eigenlijk dezelfde opbouw gebruikt als de achterwand. Het enige verschil is dat dit in de buitenlucht is waardoor er turfblokken tegen de gevel komen, in plaats van zand. De reden voor dit materiaal is puur om de esthetische waarde te verhogen. Belangrijk is de detaillering rond de kozijnen omdat dit een passief huis is. De grote glazen pui op het zuiden wordt uitgevoerd als dubbele gevel waartussen een ventilatiestroom kan worden gerealiseerd die de koude lucht kan voorverwarmen. Opbouw zij- en voorgevel van buiten naar binnen: • Turfblokken; • EPDM folie; • Fermacell gipsvezelplaat; • Strobalen; • Pavaflex dampremmende laag; • Fermacell gipsvezelplaat; • Pavatex houtvezelplaat; • Leemblokken.

17

18

Onderzoeksrapport

Vloer Om een goede fundering te krijgen voor het informatiecentrum, wordt een laag schuimbeton van 70cm gebruikt. In zijn meest elementaire vorm bestaat schuimbeton uit cement, water, fijne toeslagstoffen, schuimmiddel en lucht. De precieze samenstelling is afhankelijk van de toepassing en de volumieke massa varieert daarbij tussen 400 en 1600 kilo per kubieke meter. Naast het geringe gewicht en de geringe wateropname zijn producteigenschappen als sterkte, thermische isolatie en duurzaamheid minstens even belangrijk voor de groeiende populariteit van dit product. De 70cm is een aanname omdat nog niet duidelijk is waar het gebouw geplaatst zal worden en er dus geen locatieonderzoek uitgevoerd kan worden. Ook al heeft schuimbeton een goede waterkerende werking, toch is gekozen om over de fundering een laag EPDM folie te plaatsen om te voorkomen dat optrekkend vocht vanuit de grond de constructie in trekt. Hierop wordt de Pavatex houtvezel isolatieplaat geplaatst. Opbouw vloer van buiten naar binnen: • Gestabiliseerde zandbodem; • Schuimbeton fundering; • EPDM folie; • Pavatex houtvezelplaat; • Vloerafwerking.


19

20

Onderzoeksrapport


Bouwfysisch rapport Inleiding Voor het verkrijgen van een omgevingsvergunning worden er bouwfysische eisen gesteld aan het bouwwerk. Om aan te tonen dat de nieuwbouw voldoet aan die eisen, worden in dit hoofdstuk de belangrijkste punten aan de orde gebracht. Het gaat hierom de EPC-berekening, geluidwering van de schil, daglichttoetreding en binnenklimaatbeheersing.

EPC berekening Vanaf 1 januari 2011 is de EPC eis waaraan gebouwen met een woonfunctie aan moeten voldoen aangescherpt van 0,8 naar 0,6. De EPU eisen voor utiliteitsfuncties zijn per 1 januari 2009 aangescherpt en zijn in 2011 niet gewijzigd. Voor een bijeenkomstfunctie is de EPU eis 2,0. Het informatiecentrum heeft een bijeenkomstfunctie en zou daarmee onder de EPU berekening vallen. Een EPU berekening gaat veel dieper in op installaties en verschillende klimaatzones dan een EPC berekening, terwijl het informatiecentrum in feite een gebouw is met één zone en is ontworpen met de gedachte installaties zoveel mogelijk te mijden. Ook kan het gebouw in de toekomst qua opbouw, indeling en (waarschijnlijke) situering gemakkelijk in een woonhuis veranderen. Daarom hebben wij ervoor gekozen om een EPC berekening in plaats van een EPU berekening voor het informatiecentrum te maken. Een EPC of EPU berekening gaat ervan uit dat het gebouw verwarmd wordt met conventionele methoden en is niet toegerust voor het gebruik van passieve zonenergie als warmtebron. Het gevolg hiervan is dat voor de verwarming een kwaliteitsverklaring nodig is die niet geleverd kan worden. Ook is het daardoor onbekend wat bijvoorbeeld het ‘’opwekkingsrendement van het verwarmingstoestel’’ is. Voor het invullen van dit soort gegevens en het maken van de EPC berekening hebben wij de hulp ingeschakeld van de docent bouwfysica, Dhr. G. Ribberink. Als kwaliteitsverklaring voor het ‘’verwarmingssysteem’’ kunnen wij alleen het onderzoeksrapport van de vorige afstudeergroep gebruiken welke als titel heeft: ‘’Afstudeerproject Aardehuis; onderzoeksrapport Aardehuis Hunzedorp’’. Uit dit rapport zijn ook de waarden voor de warmteweerstand van de schil, deuren en ramen gehaald. Dit is mogelijk omdat wij de wanddiktes alsmede de gebruikte materialen niet veranderd hebben. De gebruikte zonnecollectoren TZ58/1800-30R zijn niet getest door TNO en hebben daardoor geen kwaliteitsverklaring. TNO heeft wel en kwaliteitsverklaring afgegeven voor de ‘’Rivusol S200 30T’’ zonnecollectoren. De opbrengst, appertuur oppervlakte en prestatie onder verschillende omstandigheden van deze geteste collector zijn vrijwel gelijk aan die van de door ons gebruikte TZ58/1800-30R collectoren.

21

22

Onderzoeksrapport

De EPC berekening (bijlage 3), de specificaties van de TZ58/1800-30R collectoren (bijlage 4), alsmede de specificaties van de ’Rivusol S200 30T’’collectoren (bijlage 5) te vinden in zijn toegevoegd. Hier is ook de door TNO geleverde kwaliteitsverklaring van de ‘’Rivusol S200 30T’’ collectoren te vinden (bijlage 6).

Geluidswering van de schil Om de mens te beschermen tegen geluid van buitenaf zijn er in het bouwbesluit eisen opgesteld die er moeten voor zorgen dat binnen in een gebouw geen overlast ontstaat. Zoals eerder genoemd heeft dit informatiecentrum een bijeenkomstfunctie. Afleidend uit het Bouwbesluit is te concluderen dat voor deze functie geen eisen voorgeschreven staan (bijlage 7) . Er zijn dus geen minima waar het gebouw aan hoeft te voldoen.

Daglichttoetreding Om een gebouw te laten voorzien van voldoende daglicht zijn ook hier minima opgesleld om een comfortabele leefomgeving te creëren. Echter is er omtrent deze eis geen sprake van een minimum. Net als bij geluidswering zijn er in dit artikel geen eisen voorgeschreven voor deze functie (bijlage 8).


Binnenklimaatbeheersing Thermisch comfort Het informatiecentrum moet geheel zelfvoorzienend zijn in de energiebehoefte en warmtevraag en wordt niet aangesloten op het gasdistributienetwerk van een energieleverancier. Het gebouw kan dus niet worden verwarmd worden door middel van bijvoorbeeld een gasgestookte HR ketel. Voor het thermische comfort moet er in het gebouw een alternatieve voorziening komen. Voordat er een alternatieve voorziening kan worden onderzocht moet er duidelijk zijn wat de behoefte aan energie is voor het thermisch comfort in het informatiecentrum. De vorige afstudeergroep heeft het thermische comfort uitvoerig onderzocht en is tot de conclusie gekomen dat het mogelijk is de temperatuur van het binnenklimaat het hele jaar door rond de 18°C te houden zonder gebruik te maken van installaties die opgebouwd zijn uit aardolie producten. De uitkomsten van hun onderzoek nemen wij als uitgangspunt voor het thermisch comfort in het informatiecentrum. Het volledige rapport is gemaakt als afstudeerproject door de studenten Eric Vos en Arjen Timmerman bij de Hanzehogeschool van Groningen, afdeling Academie voor Architectuur, Bouwkunde en Civiele Techniek. Het rapport heeft als datum 17-06-2010 en is gemaakt binnen ‘’Atelier D’’ van de afdeling bouwkunde. De titel is ‘’Afstudeerproject Aardehuis; onderzoeksrapport Aardehuis Hunzedorp’’. Om de resultaten van het onderzoek te kunnen gebruiken maken wij eerst een samenvatting van het onderzoeksrapport die alleen de essentiële onderwerpen behandelt met betrekking tot de energievraag en het voldoen ervan. Het onderzoeksrapport van de vorige afstudeergroep is opgebouwd uit de hoofdvraag ‘’Hoe is het mogelijk om het thermisch comfort van het binnenklimaat van het Aardehuis te reguleren zonder gebruik te maken van installaties die opgebouwd zijn uit aardolie producten?’’. Om deze vraag te beantwoorden zijn er een aantal deelvragen opgesteld. Het doel van deze deelvragen is het berekenen van de benodigde energie voor het verwarmen van het gebouw en het aandragen van oplossingen voor het voldoen aan de energievraag. Met het beantwoorden van deze deelvragen komen ze tot de conclusie. De deelvragen zijn: Deelvraag 1: Deelvraag 2: Deelvraag 3: Deelvraag 4: Deelvraag 5:

Wat is het gewenste thermische comfort van het binnenklimaat van het Aardehuis? Wat is een goede opbouw van de schil van het Aardehuis die bijdraagt aan het thermisch comfort van het binnenklimaat? Wat is de energievraag van het Aardehuis afhankelijk van deelvraag 1 en 2? Wat zijn de duurzame alternatieven voor het beheersen van het binnenklimaat die gebruikt kunnen worden om de energievraag van deelvraag 3 te voorzien? Wat is de energievraag van het Aardehuis na het toepassen van de duurzame alternatieven voor het beheersen van het binnenklimaat uit deelvraag 4?

23

24

Onderzoeksrapport

Samenvatting “Onderzoeksrapport Aardehuis Hunzedorp” Deelvraag 1: ‘’Wat is het gewenste thermische comfort van het binnenklimaat van het Aardehuis?’’ Hierin worden alleen de aspecten van het binnen- en buitenklimaat vastgelegd, die invloed hebben op de berekeningen van de energievraag. De eisen ten aanzien van het binnenklimaat zijn vastgesteld aan de hand van de ISSO “Kleintje Binnenklimaat”. In het boekje “Kleintje Binnenklimaat” is een classificatie ABCD gemaakt die de mate van de algemene tevredenheid ten aanzien van het binnenklimaat vergelijkt. Deze classificatie is gebruikt om de thermische eis en de ventilatievoud vast te leggen. Klasse C voldoet aan het bouwbesluit waardoor hiervoor gekozen is. De gemiddelde binnentemperatuur wordt gedurende 24 uur per dag op 18°C gesteld. Om de energievraag te berekenen is de belangrijkste factor binnen de energiebalans de gewenste binnentemperatuur. De op één na grootste factor van verlies is de ventilatie-eis. Ventileren is het rechtstreeks naar buiten blazen van opgewarmde lucht. De noodzaak van ventileren bestaat uit het aanvoeren van zuurstof en het afvoeren van CO2 en vocht. De eis aan luchtverversing is vastgelegd op 3 liter per seconde per persoon (Klasse A “Zeer goed”). Dit komt overeen met 0,57 keer de inhoud van het Aardehuis per uur. De energiebalans wordt bij gebruik van het gebouw door verschillende aspecten beïnvloed. Enerzijds door de mensen die warmte en vocht produceren en de buitendeur openen. Anderzijds door de factoren temperatuur, zon, neerslag en wind van het buitenklimaat. Het verschil in temperatuur van het binnen- en buitenklimaat wordt uitgedrukt in graaddagen. Graaddagen zijn het aantal graden dat de gemiddelde etmaaltemperatuur van de dag onder de 18,0°C ligt. Voor het bepalen van de hoeveelheid graaddagen is ervoor gekozen om de gemiddelde graaddagen van de afgelopen 10 jaar te berekenen, zie figuur 3.4. De zonneschijnduur en de sterkte van de zonnestraling zijn van groot belang voor de warmte van het binnenklimaat. Het berekenen van de energiebijdrage van de zon is gebeurd met de programma’s EPW en CASAnova, waarvan de uitkomsten zijn verwerkt in de energiebalans. De schil van het gebouw wordt zodanig goed geïsoleerd dat de invloeden op de binnentemperatuur van de factoren neerslag en wind buiten beschouwing zijn gelaten.

Figuur 3.4

Graaddagen 2000 - 2009, KNMI


Deelvraag 2 “Wat is een goede opbouw van de schil van het Aardehuis, die bijdraagt aan het thermische comfort van het binnenklimaat?” Het Aardehuis bestaat uit een schil waaronder een constructie en daar binnen een plattegrond. De schil moet bescherming bieden tegen de invloeden van het buitenklimaat. De schil moet een goede isolatiewaarde hebben om in de winter het verlies van warmte en in de zomer het binnenkomen van warmte tegengaan. De isolatiewaarde wordt uitgedrukt in warmteweerstand (RC). Deze wordt berekend door de dikte te delen door de warmtegeleidingscoëfficiënt lambda (λ) van een materiaal. Het Aardehuis grenst aan de aardewal, waardoor de schil waterdicht en dampdicht afgesloten moet worden. Daarom wordt er aan de buitenzijde van de schil EPDM toegepast. De EPDM wordt bevestigd aan de Fermacell beplating. Als isolatiemateriaal wordt er gebruik gemaakt van strobalen, omdat dit materiaal een grote massa heeft en een goede lambda. Als extra isolatie wordt Pavatex toegepast, ook een materiaal met een goede isolatiewaarde. De binnenwand is van gestapelde leemblokken. Leem is een natuurlijk materiaal met een goed accumulatief vermogen voor zowel warmte als vocht. De leemblokken worden hierna nog afgewerkt met een laag leemstuc. Het buitenblad wordt gestapeld van turf. Dit is een streekproduct, waardoor het een mooi beeld geeft aan het gebouw en de omgeving. De wand heeft een RC-waarde van 8,2m2W/K. De zuidgevel is de wand waar het glas in zit. Voor het Aardehuis is de zuidgevel een belangrijke warmtebron gedurende de winterperiode. De belangrijkste factoren bij glas voor het doorlaten van warmte en deze binnen te houden zijn respectievelijk de zontoetredingsfactor (ZTA) en de warmtedoorgangscoëfficiënt (U-waarde). De gewenste situatie is een lage U-waarde in combinatie met een hoge ZTA-waarde. Het geval bij glas is echter dat hoe lager de U-waarde is des te lager ook de ZTA-waarde is. Gedurende de zomerperiode is een hoge ZTA nadelig ten aanzien van oververhitting. Om dit te voorkomen moet zonwering worden toegepast. Voor de beste keuze in het soort glas zijn de volgende vier opties vergeleken: • • • •

Dubbelglas HR++: U=1,1 W/m2K en ZTA=0,7 Driedubbel HR glas: U= 0,6 W/m2K en ZTA=0,5 2 keer dubbelglas HR++ met luchtspouw er tussen: U=1,1 W/m2K en ZTA=0,7 Dubbelglas HR++ met enkelglas met luchtspouw er tussen: dubbelglas HR++: U=1,1 W/m2K en ZTA=0,7 enkelglas: U=5,8 W/m2K en ZTA=0,8

25

26

Onderzoeksrapport

In figuur 4.17 zijn de vier opbouwopties doorgerekend. De ZTA- en de U-waarden zijn gemiddelde waarden van verschillende bronnen. De totale ZTA van het gehele opbouw is te berekenen door de ZTA van de twee glaslagen te vermenigvuldigen. Om

Figuur 4.17

Tabel, glasopbouw vergelijking

de warmtedoorgangscoëfficiënt op te kunnen tellen zijn deze eerst omgezet naar warmteweerstand (R=1/U), vervolgens opgeteld en weer omgezet in U-waarde (U=1/Rtot). In de laatste kolom zijn de uitkomsten van het programma CASAnova opgenomen. Deze waarden zijn de vraag naar verwarming voor het gehele gebouw, afhankelijk van de ingevoerde ZTA en Uwaarde van de verschillende opties. De opbouw die het minst warmte capaciteit vraagt en dus het best uitkomt is de combinatie van 2 keer dubbel glas. Op de dakconstructie komt een vegetatiedak. Onder de laag vegetatie komt een laag substraat (aarde). Deze laag moet goed water kunnen vasthouden. Onder deze laag zit de drainagelaag, die ervoor zorgt dat het regenwater niet direct wegspoelt, waardoor de begroeiing zou kunnen uitdrogen. Onder de drainagelaag wordt EPDM geplaatst, zodat er geen water in de constructie terecht komt. De EPDM wordt op de houtvezelisolatieplaat (Pavatex) bevestigd. Ook hier is houtvezelisolatieplaat toegepast om de “koudebrug” van de constructie te onderbreken. Deze isolatielaag wordt bevestigd op de Fermacell beplating samen met de gelamineerde liggers. Tussen de liggers worden strobalen als isolatie toegepast. Het plafond wordt afgewerkt met een laag leemstuc. Het dak heeft een RC-waarde van 8,2m2W/K. Voor de fundering is uitgegaan van een schuimbeton plaatfundering, omdat dit materiaal een goed isolerend vermogen heeft en het één van de duurzaamste betonnen plaatfunderingen is. Deze schuimbeton laag wordt in een PE-folie gestort. De PE folie moet lucht- en dampdicht worden aangesloten op de EPDM van de wanden zodat de hele schil dampdicht is. Op de


plaatfundering komt een laag houtvezelisolatieplaat (Pavatex). Dit materiaal wordt hier toegepast, omdat het een goed accumulerende vermogen en een goede warmteweerstand heeft. De vloer wordt afgewerkt met gestampte leem en heeft een RC-waarde van 8,2m2W/K. Deelvraag 3 “Wat is de energievraag van het Aardehuis afhankelijk van deelvraag 1 en 2?” De energiebalans van het Aardehuis zonder het toepassen van duurzame alternatieven is opgebouwd uit de volgende verliezen en opbrengsten: • • • • • •

Transmissieverliezen Ventilatieverliezen Gebruiksverliezen Passieve zonne-energie opbrengsten Warmteopbrengsten door gebruik Energievraag voor verwarming

Deze verliezen en opbrengsten zijn eerst door middel van een eigen rekenmodel berekend en vervolgens ter controle berekend met het programma CASAnova. In deze energiebalans wordt uitgegaan van een installatieloos gebouw en zonder duurzame alternatieven. Transmissieverlies is het warmteverlies door de schil van het gebouw. Deze wordt berekend door het aantal graaduren te delen door de warmteweerstand van een wand maal zijn oppervlakte. Zie figuur 5.1 Transmissieverlies Het totale transmissieverlies per jaar is 37,2 kWh/m2. Er moet dus 37,2 kWh/m2 aan energie toegevoegd worden om de temperatuur op 18°C gedurende 24 uur per dag te houden. Ventilatieverlies Er wordt 3 liter lucht per persoon per seconde naar binnen gehaald. Dit komt overeen met 0,57 keer de inhoud van het gebouw per uur. Dezelfde hoeveelheid warme lucht gaat naar buiten, dit is het ventilatieverlies. Zie figuur 5.2 Gebruiksverlies Onder gebruiksverliezen verstaan we de warmte die door openstaande deuren verdwijnt. Voor deze berekening is de dagmaat oppervlakte van de deur genomen en een luchtsnelheid van 0,1 meter per seconde. Volgens verschillende professionals is deze aanname een redelijke gemiddelde snelheid bij een sluis, waar de deuren nooit tegenover elkaar open staan. Dit verlies is

27

28

Onderzoeksrapport

ingeschat op een intensief gebruik van 20 personen die elk gemiddeld 3 keer 40 seconde de deur open houden per dag. Zie figuur 5.3 Passieve zonne-energie opbrengsten Om de energie-opbrengsten van de zon in het Aardehuis uit te rekenen is gebruik gemaakt van het EPW rekenmodel. Hier is voor gekozen omdat er veel variabelen nodig zijn om deze opbrengsten te berekenen. Het EPW rekenmodel heeft deze variabelen al opgenomen, zodat daar representatieve zonne-energie uitkomsten uit kunnen worden berekend. Zie figuur 5.4 Warmteopbrengsten door gebruik De lichaamstemperatuur van mensen is 37°C en de omgevingstemperatuur is in Nederland altijd lager, waardoor er warmteoverdracht plaatsvindt. De warmte-afgifte van een persoon is gemiddeld 100W; per vierkante meter vloeroppervlak is dit 16,66 kWh/m2. Energievraag voor verwarming De energievraag is het verschil tussen de energieopbrengst en het energieverlies. Zie figuur 5.5

Figuur 5.1

Tabel, transmissieverlies


Figuur 5.2

Tabel, ventilatieverlies

Figuur 5.3

Tabel, gebruikersverlies

Figuur 5.4

opbrengsten zon

29

30

Onderzoeksrapport

De uitkomst van het eigen rekenmodel is de vraag naar energie ten behoeve van verwarming en is te zien in figuur 5.5. Deze vraag naar energie voor verwarming per jaar is 3,1 kWh/m2. Deze is gebaseerd op de eerder berekende verliezen en opbrengsten: transmissieverlies, ventilatieverlies, gebruikverlies, bruikbare zonnewarmte en bruikbare menselijke warmte. Belangrijke uitgangspunten voor dit overzicht zijn: Ventilatieverlies is berekend volgens de vastgestelde eis bij een gebruik van 50 weken per jaar, 5 dagen in de week gedurende 8 uur. • • • •

Verlies door het gebruik is het hele jaar door. Menselijke warmte is voor 20 man het gehele jaar door. De bruikbare zonnewarmte vervult de energievraag totdat de energievraag hoger is dan de maximale zonnewarmte. De totale opbrengsten zijn exclusief de warmtevraag.

Figuur 5.5

Tabel, totaaloverzicht


CASAnova In figuur 5.9 kunnen we de resultaten van de verliezen en opbrengsten van CASAnova waarnemen. De uitgangspunten van dit rekenprogramma zijn: • • • •

Figuur 5.9

Screenshot Casanova

Ventilatieverlies is gedurende 24 uur per dag en dat het hele jaar door. Er zijn hier geen verliezen en opbrengsten door gebruikers meegenomen. De glazen zuidpui staat verticaal in plaats van onder de hoek van 70 graden. De gegevens voor het buitenklimaat zijn die van Bremen (Duitsland)

Volgens CASAnova moet er 29,9 kWh/m2 per jaar aan energie toegevoegd worden. Het programma houdt geen rekening met de verliezen en winsten door gebruik. In figuur 5.10 is een vergelijking gemaakt tussen de resultaten uit het eigen rekenmodel en die uit CASAnova. De gegevens van het eigen rekenmodel zijn voor het opzetten van deze grafiek omgezet naar de uitgangspunten van CASAnova om een evenredige vergelijking te kunnen maken. In figuur 5.10 is te zien dat alle verliezen en winsten van CASAnova hoger zijn dan het eigen rekenmodel. Een groot verschil dat deze afwijking verklaart is de hoeveelheid graaddagen van elke berekening. De graaddagen van Eelde, voor het eigen rekenmodel, is 2981 graaddagen per jaar. CASAnova gebruikt de graaddagen van Bremen die 3340 zijn. Proportioneel gezien is het verschil van de graaddagen bijna gelijk aan het verschil in de grafiek.

Figuur 5.10

Vergelijking eigen model met Casanova

31

32

Onderzoeksrapport

Deelvraag 4 “Wat zijn de duurzame alternatieven die wij kunnen gebruiken om de energievraag van deelvraag 3 te voorzien?” Er is een aantal duurzame alternatieven onderzocht voor de mogelijke oplossing voor het klimatiseren van het Aardehuis. Er is gekozen voor de aardwarmtewisselaar(AWW), Figuur 6.9 Illustratie aardwarmtewisselaar (AWW), de warmte-terug-win schoorsteen (WTW), Figuur 6.15 Illustratie WTW schoorsteen, een luchtspouw in de glasopbouw en de zonnelucht-collector. Deze alternatieven zijn uitgezocht om een maximale capaciteit te krijgen ten aanzien van het reguleren van het thermisch binnenklimaat. De AWW en de WTW schoorsteen hebben direct te maken met de energiebalans en zijn daarom meegenomen in de eindbalans. De twee andere duurzame alternatieven dragen in eerste instantie alleen bij aan de capaciteit voor het behalen van de ventilatievoud. Hier is echter te weinig van bekend om het mee te nemen in de energiebalans.

Figuur 6.15

Figuur 6.9

Illustratie aardwarmtewisselaar(AWW)

Illustratie WTW schoorsteen


Deelvraag 5 “Wat is de energievraag van het Aardehuis na het toepassen van de duurzame alternatieven voor het beheersen van het binnenklimaat uit deelvraag 4?” Om een beeld te geven is er een energiebalans met de AWW en de WTW opgesteld, waarin de verliezen en opbrengsten maximaal zijn (figuur 7.2). Vervolgens wordt er een tweede energiebalans weergegeven waarin de verliezen en opbrengsten van de AWW en de WTW in evenwicht komen (figuur 7.7). In figuur 7.2 is het transmissieverlies een continue gegeven omdat er geen tijdfactor of andere invloeden aan verbonden zijn. Voor de ventilatie is in deze energiebalans een maximaal gebruik toegepast, dat overeenkomt met 8 uur per dag, 5 dagen in de week, gedurende 50 weken ventileren. Hier is uitgegaan van de eerder gemaakte berekeningen voor het verlies door gebruik. Voor de menselijke warmte is een waarde genomen van 20 personen gedurende 4 uur per dag, 5 dagen in de week en 45 weken per jaar. Uit deze energiebalans blijkt dat er het hele jaar geen vraag naar verwarming is. Wel is er vraag naar koeling. Dit is te verklaren als we kijken naar de maximale opbrengsten van de zon in figuur 7.3, 7.4 en 7.5. In figuur 7.3 zijn de zonopbrengsten 128 kWh/m2 per jaar te zien. De zonnewarmte wordt niet geweerd waardoor er een vraag naar koeling van 102,9 kWh/m2 per jaar is. Wanneer de zon in de zomertijd geweerd wordt dan kan de vraag naar koeling tot nul gebracht worden. Dit is te zien in figuur 7.4 en 7.5 waaruit blijkt dat er in de maand december weinig tot geen zon geweerd hoef te worden in vergelijking met augustus waar de zon bijna geheel geweerd zou moeten worden om geen vraag naar koeling te hebben.

33

34

Onderzoeksrapport

Figuur 7.2

Tabel, eindbalans maximale benutting

De besparing van de AWW op het ventilatieverlies bedraagt bijna 2 kWh/m2 per jaar. In de kolom “besparing AWW” is te zien dat in de maanden april tot en met september een (-) teken staat. Dit is een negatief verwarmingsverlies dat gezien kan worden als koeling. Opgeteld bedraagt deze koeling circa 3,4 kWh/m2. Een voorbeeld hiervan is te zien in figuur 7.5 waar de “verliezen” van de AWW onder de nullijn steken. De laatste kolom is vraag naar koeling .


Figuur 7.4/7.5/7.6

Grafiek, overzicht jaar, december en augustus

35

36

Onderzoeksrapport

Figuur 7.7 is als volgt opgebouwd: eerst zijn de verliezen weergegeven en vervolgens opgeteld in de kolom ‘totale verliezen’. Daarna zijn de besparingen weergegeven en zijn deze in de kolom ‘overblijvende verliezen’ van de totale verliezen afgetrokken om deze inzichtelijk te maken. De kolom ‘opbrengsten zonnewarmte’ is vergeleken met de kolom ‘overblijvende verliezen’ om in de kolom ‘bruikbare zonnewarmte’ zijn positieve bijdragen weer te geven. Wat opvalt in deze figuur is dat er geen vraag naar verwarming is. De reden hiervoor is dat de totale zonnewarmte-opbrengsten hoger zijn dan de overblijvende verliezen. Ook is te zien dat de bruikbare zonnewarmte in de zomermaanden veel hoger is dan de overblijvende verliezen waardoor er veel energie geweerd moet worden. Een mogelijke oplossingen hiervoor is het afsluiten van de WTW in de schoorsteen, waardoor deze alleen nog functioneert als afzuiging van vuile lucht en niet meer als warmtebron. Een tweede mogelijkheid is het verhogen van de toevoer van koude lucht via de AWW, en als laatste oplossing zou er zonwering tegen het glas gebruikt kunnen worden.

Figuur 7.7

Tabel, eindbalans gereguleerd


De hoofdvraag:

‘’Hoe is het mogelijk om het thermisch comfort van het binnenklimaat van het Aardehuis te reguleren zonder gebruik te maken van installaties die opgebouwd zijn uit aardolie producten?’’. We kunnen concluderen dat aan de energievraag van het Aardehuis voldaan kan worden. Om dit te bereiken moesten eerst de basisgegevens voor de energiebalans verzameld worden. Dit begon bij het klimaat. Aan de hand van de graaddagen zijn de gegevens van het klimaat meegenomen in de energiebalans. Vervolgens is materiaalkeuze voor de opbouw van de schil van het gebouw bepaald. Hiermee is het totale transmissieverlies berekend. Met deze gegevens kon er een eerste versie van de energiebalans opgesteld worden. Deze eerste balans is gecontroleerd op juistheid door gebruik te maken van het Programma CASAnova. Er is onderzoek gedaan naar duurzame alternatieven om aan de tekorten van de energievraag te voldoen. Hier is een aantal duurzame alternatieven uit voort gekomen, die in de laatste versie van de energiebalans zijn meegenomen. Deze eindbalans geeft aan dat aan de energievraag van het informatiecentrum kan worden voldaan. In het onderzoek is naar voren gekomen dat er warmte kan worden buitengehouden maar ook kan worden vastgehouden door massa toe te passen in de schil van het gebouw. De eindbalans voldoet aan de voorwaarden die zijn gesteld aan het Aardehuis en aan de doelstelling die van het gebruik van duurzame alternatieven. Het onderzoek laat zien dat het binnenklimaat te reguleren valt zonder gebruik te maken van installaties, zoals wij die vandaag de dag kennen.

37

38

Onderzoeksrapport

Uitvoering binnenklimaat Thermisch comfort - Passieve Zon energie; - Aard Warmte Wisselaar (AWW) buisdiameter Ø200mm; - Warmte Terug Winschoorsteen (WTW) buisdiameter Ø200mm. Verwarmen De passieve zon energie wordt gewonnen door de gevel met de kozijnen op het zuiden te plaatsen waardoor zonlicht door het glas het gebouw verwarmt. Deze warmte accumuleert zich in de schil van het gebouw door de massa van de gekozen materialen. De wanden, de vloer en het dak van het gebouw met een gemiddelde RC-waarde van 8.2 zorgen ervoor dat er zo min mogelijk warmte door transmissie verloren gaat. Ook de aarden wal aan de noordzijde van het gebouw accumuleert gedurende de zomer warmte, die in de winter door de AWW en de WTW gebruikt wordt om de ventilatieverliezen te verminderen. De ventilatieverliezen worden verder nog door de WTW beperkt door de ingaande verse lucht voor te verwarmen met de uitgaande vuile lucht. Koelen De wanden, de vloer en het dak van het gebouw met een gemiddelde RC-waarde van 8.2 zorgen ervoor dat er zo min mogelijk warmte door de schil van het gebouw binnendringt. Indien door het glas teveel zonlicht het gebouw verwarmt moet er gebruik worden gemaakt van zonwering. De geaccumuleerde warmte in de aarden wal wordt gedurende de winter onttrokken waardoor deze koel wordt. De AWW kan in de zomer vervolgens gebruikt worden om via de aarden wal koele lucht in het gebouw te leiden. De WTW schoorsteen wordt in de zomerstand gezet waardoor hij alleen als afvoerkanaal gebruikt wordt en de ingaande lucht niet meer voorverwarmt.


39

40

Onderzoeksrapport


Rapportage E&W Inleiding Stichting Pro Werelddorpen, met initiatiefnemer Jan Schuiling, is van plan een autarkisch informatiecentrum te bouwen in het nog te ontwikkelen Hunzedorp. Het Hunzedorp is één van de zeven toekomstige autarkische werelddorpen. Het informatiecentrum is hierbij het eerste gebouw in het Hunzedorp en is bedoeld om mensen te informeren over autarkisch wonen. Een onderdeel van dit plan is om naast het gebouw een tijdelijke camping te maken zodat mensen het autarkisch wonen zelf kunnen ervaren voordat ze besluiten zich in het Hunzedorp te gaan vestigen. Het informatiecentrum moet daarom ook een sanitaire ruimte hebben waar de bezoekers van de tijdelijke camping zich kunnen wassen en douchen, waar ze naar het toilet kunnen gaan en hun handen kunnen wassen. Voor het informatiecentrum in het Hunzedorp betekent autarkisch dat het geheel zelfvoorzienend moet zijn en niet wordt aangesloten op nutsvoorzieningen: het elektriciteitsnetwerk en het gasdistributienetwerk van een energieleverancier. Ook op het drinkwaterleidingnetwerk en de riolering van een waterschap wordt het gebouw niet aangesloten. Het Bouwbesluit verplicht echter deze aansluitingen en voor het verkrijgen van een bouwvergunning moet er aan het Bouwbesluit worden voldaan. Om het informatiecentrum toch te kunnen realiseren volgens het autarkisch principe is er de mogelijkheid het gebouw wel te laten aansluiten op de nutsvoorzieningen, maar deze vervolgens niet te gebruiken. Een andere oplossing is het verkrijgen van vrijstelling van de gemeente op de punten uit het Bouwbesluit met betrekking tot de nutsvoorzieningen. In beide gevallen moeten er wel alternatieve systemen gerealiseerd worden wil men gebruik kunnen maken van elektra, drinkwater, warm tapwater en om het vuile water te kunnen afvoeren. In dit hoofdstuk gaan wij de benodigde capaciteit van de nutsvoorzieningen berekenen voor het gebruik van het gebouw als informatiecentrum enerzijds en als sanitaire ruimte voor de bezoekers van de tijdelijke camping anderzijds. Het doel van deze berekeningen is om een passend alternatief systeem voor het gebouw te ontwerpen dat geheel zelfvoorzienend is. Volgens Dhr. Jan Schuiling moet het uitgangspunt voor het informatiecentrum zijn dat het geschikt is voor de accommodatie van bijeenkomsten van groepen van 20 personen. Voor de bezoekers van de tijdelijke camping moet worden gerekend op 10 personen gedurende 4 dagen per week. De opzet van deze berekeningen is om eerst per onderdeel de vraag ernaar in kaart te brengen om vervolgens te bekijken wat voor alternatief systeem aan deze vraag kan voldoen. Tenslotte maken we per onderdeel een lijst met de gekozen apparaten met hun specificaties.

41

42

Onderzoeksrapport

Elektriciteit Stroomvoorziening Het informatiecentrum moet geheel zelfvoorzienend zijn in de energiebehoefte en er kan dus geen stroom worden ‘’getapt’’ uit het elektriciteitsnetwerk van een energieleverancier. Voor de elektriciteitsbehoefte moet er in of om het gebouw een alternatieve stroomvoorziening komen. Voor het leveren van stroom gaan wij uit van een zonnepanelen systeem. De officiële naam voor een zonnepaneel is photo-voltaïsch of PV-paneel. Er zijn twee soorten PV systemen te onderscheiden: Autonome systemen, waarbij de energie wordt opgeslagen in accu's en de netgekoppelde systemen die de opgewekte energie terugleveren aan het lichtnet. Beide systemen kennen hun voor- en nadelen. Bij de autonome systemen wordt het overschot aan geproduceerde energie opgeslagen in accu's, bij netgekoppelde systemen fungeert het lichtnet als 'oneindig' opslagvat voor het teveel aan geproduceerde energie. Hieruit komt dan direct het voordeel van een netgekoppeld systeem aan het licht: bij een netgekoppeld systeem kan altijd alle opgewekte energie nuttig worden gebruikt; alles wat we zelf niet gebruiken wordt aan het lichtnet teruggeleverd en wordt wel door iemand anders gebruikt. Voor de teruggeleverde energie ontvangen we van het elektriciteitsbedrijf een vergoeding. Bij een autonoom systeem zijn op een gegeven moment de accu's vol, alle energie die dan nog geproduceerd en niet rechtstreeks gebruikt wordt, gaat verloren. De kracht van een autonoom systeem ligt hierin, dat je onafhankelijk bent van het lichtnet. Bij een netgekoppeld systeem schakelt, in verband met de veiligheid, het systeem volledig uit als er een lichtnetstoring is. Voor het informatiecentrum gaan wij uit van een autonoom systeem gekoppeld aan accu’s. Voordat een alternatief systeem kan worden onderzocht moet er duidelijk zijn hoeveel stroom er nodig is. Vervolgens kan bekeken worden welk systeem hieraan kan voldoen. Stroomverbruik Het verbruik van stroom in het informatiecentrum wordt gerealiseerd door het gebruik van lampen, het gebruik van een waterkoker, het gebruik van een koelkast, het gebruik van een computer met beamer, het gebruik van pompen voor het verpompen van water en het elektrisch naverwarmen van water uit de zonneboiler. In het informatiecentrum komt geen wasmachine of droger te staan; ook worden er geen maaltijden bereid. Voor het berekenen van de benodigde hoeveelheid stroom wordt er per apparaat bekeken hoeveel watt het verbruikt en hoe lang het op een dag aan staat. Door deze resultaten op te tellen kom je op het totale verbruik per dag. Voor het informatiecentrum is het stroomverbruik in figuur 1 elektraverbruik informatiecentrum weergegeven. De tabel toont aan, dat er per dag ruim 7kWh per dag aan stroom nodig is.


Figuur 1.

43

Elektraverbruik informatiecentrum

VERLICHTING Philips My-vision led spot 3,5W (12V) Hal Sanitaire Ruimte Balie Technische ruimte Zaal Verlichting APPARATEN koelkast Danfoss coolmatic CR50 (12V) waterkoker MCK-750-12 (12V) koffiezetter MC-05-12 (12 V) labtop (gemiddeld) beamer (gemiddeld) onvoorzien (b.v. extra labtops/telefoonoplader) Elektra voorziening laadstroomregelaar Steca Power Tarom (12V) omvormer 2500W (12V)(el. weerstand,pomp en besturing zonneboiler) sinusomvormer SO12V1KW (12V)(labtops en beamer) Helofytenfilter vuilwaterpomp Shurflo piranha (12V) Water hydrofoor JET INOX (12V) (spoeling toiletten) hydrofoor JET INOX (12V) (wastafels, douche, pantry) osmosefilter Type TW-RO C400 Warm water elektrisch weerstand naverwarmen zonneboiler circulatiepomp WILO RS-15/6 besturingsregeling SR 618C6 Solar Controller Apparaten VERLICHTING+APPARATEN

aantal 3 8 6 6 20 43

watt 3,50 3,50 3,50 3,50 3,50 150,50

uur / dag 10,00 10,00 10,00 4,00 4,00

KWh / dag 0,105 0,280 0,210 0,084 0,280

1 1 1 2 1 1

40,00 200,00 200,00 50,00 200,00 150,00

24,00 1,00 1,00 8,00 4,00 4,00

0,960 0,200 0,200 0,800 0,800 0,600

1 1 1

0,17 0,70 0,55

24,00 24,00 24,00

0,004 0,017 0,013

1

120,00

0,90

0,108

1 1 1

550,00 550,00 550,00

0,27 0,22 1,10

0,149 0,121 0,605

1 1 1 17

2000,00 93,00 3,00 4757,42 4907,92

0,61 4,00 24,00

1,220 0,372 0,072

Totaal / dag (in Kwh)

Totaal / week (in Kwh)

Totaal / jaar (in Kwh)

0,96

6,71

350,04

6,24 7,20

43,68 50,40

2277,81

2627,85

44

Onderzoeksrapport

Autonoom PV systeem Een autonoom PV systeem bestaat uit de volgende onderdelen: PV panelen, een omvormer, een laadstroomregelaar en een of meerdere, aan elkaar gekoppelde, accu’s. PV panelen PV panelen zetten zonlicht om in elektriciteit wanneer de zon schijnt. De sterkte van de zonnestraling verandert gedurende de dag, de tijd van het jaar en de weersomstandigheden. Om toch te kunnen rekenen met gegevens over de instraling, kan de totale hoeveelheid zonne-energie worden uitgedrukt in uren volle zon per m2. Als internationale standaard geldt dat bij “volle zon” een vermogen van 1000 W per m2 op het aardoppervlak wordt gestraald. Eén uur volle zon levert dan 1000 Wh per vierkante meter(1 kWh/m2). Dit getal wordt gebruikt bij het bepalen van het piekvermogen van een PV paneel. Het begrip “volle zonuren” maakt het nu mogelijk de opbrengst van een PV paneel te berekenen. Een vol zonuur (dus 1kWh/m2) komt overeen met de zonne-energie die op een zon gericht vlak valt. De hoeveelheid stroom die een PV panelen systeem produceert is verder afhankelijk van de grootte en het rendement van de gebruikte panelen.

Figuur 2.

Schema autonoom PV systeem

De opbrengst van een paneel wordt bepaald bij een vol zonuur (dus 1 kWh/m2) en wordt uitgedrukt in Wattpiek (Wp). Dit is de hoeveelheid stroom die het paneel maakt bij een instraling van 1 kWh/m, en wordt als specificatie bij het PV paneel vermeld als wattpiek (Wp). In Nederland wordt de maximale opbrengst op jaarbasis behaald met een paneel dat recht op het zuiden is gericht onder een hoek van 35 graden. Een PV paneel met een vermogen van 100 Wp, gericht op het zuiden en opgesteld onder een hoek van 35° levert dus tijdens een vol zonuur 100 watt aan elektriciteit. Voor het berekenen van de opbrengst van een PV systeem moet de Wp waarde worden vermenigvuldigd met een factor 0,85. Deze waarde dient ervoor om kabelverliezen op te vangen, evenals het gegeven dat de stand van de zon gedurende de dag verandert en de stand van het PV paneel niet. Voor het informatiecentrum geldt dat er elke dag 7kWh aan stroom nodig is. Ook in de maand met het minst aantal zonuren. Het gemiddeld aantal zonuren in Nederland wordt door het KNMI bijgehouden en is in figuur 3 gemiddeld aantal uren zonneschijn afgebeeld. Voor de plaats van het informatiecentrum gaan wij uit van de gemeente Borger-Odoorn in Drenthe. Uit deze afbeelding blijkt dat januari en december de maanden zijn met het minst aantal zonuren, namelijk elk 40. Het PV systeem


moet dus zo worden ontworpen dat het ook in deze maanden genoeg elektriciteit opwekt om in de behoefte te kunnen voorzien.

45

46

Onderzoeksrapport

Figuur 3.

Gemiddeld aantal uren zonneschijn Nederland (Bron: KNMI)


De Omvormer Een omvormer is een elektronisch apparaat dat de invoerspanning van een bepaalde spanning naar een andere spanning kan omvormen. In dit geval gaat het om de 12 Volt gelijkspanning van de PV panelen naar 230 Volt wisselspanning voor het gebruik van elektrische apparaten. Er zijn grofweg 2 soorten omvormers in de handel, de zogenaamde zuivere sinus omvormer en de gemodificeerde sinus omvormer. Het verschil tussen de beide soorten omvormers is kort gezegd dat de zuivere sinus omvormer een spanning afgeeft met een gelijke vorm als die van de netspanning thuis, de gemodificeerde sinusomvormer probeert deze te benaderen. Veel complexere elektronische apparaten werken niet of storingsgevoelig op een gemodificeerde sinusomvormer. Voor het bepalen van welk soort omvormer gebruikt moet gaan worden is het van belang het totale opgenomen vermogen van alle gelijktijdig aan te sluiten apparaten na te gaan. Het opgetelde opgenomen vermogen van de apparaten plus een marge van 20% is het continu vermogen waaraan de omvormer moet voldoen. De marge van 20% is er voor om te zorgen dat de omvormer niet constant op maximaal vermogen moet werken, wat slecht is voor de levensduur van het apparaat. Koelkasten, boilers en TV’s zijn voorbeelden van apparaten die een hoge aanloopstroom vragen. Dit betekent dat zij gedurende zeer korte tijd (enkele milliseconden tot enkele seconden) na inschakeling een aanzienlijk hoger vermogen, het piekvermogen, nodig hebben. Een omvormer gebruikt ook stroom als deze niet in gebruik is, deze 'stand-by' stroom is afhankelijk van het vermogen van de omvormer. Het rendement van een goede omvormer ligt rond de 90 %, er gaat dus 10 % verloren in de vorm van warmte. Deze warmte moet worden afgevoerd en de omvormer moet dus op een geventileerde plaats geïnstalleerd worden om risico van oververhitting te voorkomen. Een omvormer vormt de spanning om; het gevraagde vermogen wordt door het aangesloten apparaat bepaald. Vermogen (W) = spanning(V) x stroom (A). De amperage aan de 12Vkant kan dus aardig oplopen, waardoor de kabel warm kan worden. Hoe langer de kabel, des te hoger de weerstand. Bij het plaatsen van de omvormer moet er op gelet worden dat de kabels tussen de accu en de omvormer niet te lang zijn vanwege de hoge gelijkstroom die aan de accu kant kan vloeien. Tenslotte schakelt een goede omvormer zichzelf uit bij oververhitting of overbelasting, bij een te hoge of te lage accuspanning en is hij aan de 220V-zijde door middel van een zekering beveiligd tegen kortsluiting. Voor het informatiecentrum moet rekening worden gehouden met een omvormer voor de elektrische weerstand in de zonneboiler, de circulatiepomp met besturingsregeling, de omgekeerde osmosefilter, de beamer en de labtops. De omgekeerde osmosefilter, de beamer en de laptops hebben een zuivere sinusomvormer nodig. De elektrische weerstand zou eventueel op een gemodificeerde omvormer kunnen werken. De verlichting, evenals de andere elektrische apparaten, worden op 12 Volt aangesloten. Het voordeel hiervan is dat zo min mogelijk elektriciteit verloren gaat bij het omvormen van 12 Volt

47

48

Onderzoeksrapport

naar 230 Volt. Ook kan dan een kleinere omvormer volstaan. Het opgenomen vermogen waar rekening mee gehouden dient te worden bedraagt dan 2096W (elektrisch weerstand, pomp + besturingsregeling) + 550W (omgekeerde osmose filter) 200W(beamer) + 100W(2 stuks labtop) = 2946W continu vermogen. Hierbij opgeteld nog 20% van 2946W = 589W, totaal continu vermogen dus 3535W. De Laadstroomregelaar De laadstroomregelaar neemt drie verschillende functies voor zijn rekening. Ten eerste zorgt hij ervoor dat de accu's nooit overladen worden. Dit is van groot belang, aangezien accu's vrij kritisch zijn wat hun behandeling aangaat. Ten tweede zorgt hij ervoor dat er geen stroom uit de accu's terug kan stromen naar het paneel als er 's nachts of tijdens bewolkte dagen geen zon is. Tenslotte bewaakt de laadstroomregelaar de ladingstoestand van de accu om te voorkomen dat de accu te diep wordt ontladen. Een te diepe ontlading kan schadelijk zijn voor een accu. De laadstroomregelaar vormt het knooppunt tussen de panelen, de accu's en de verbruikers. Dat houdt in dat zowel de laadstroom van de panelen als ook de ontlaadstroom van de verschillende verbruikers door de regelaar loopt. Laadregelaars worden gemaakt voor verschillende stroomsterktes en systeem spanningen. De maximale laad- en ontlaadstromen liggen echter vast en mogen niet overschreden worden. De regelaar moet dus minimaal de maximaal te verwachten laadstroom van de panelen kunnen verwerken. Daarmee leggen we tevens de maximale ontlaadstroom vast op dezelfde waarde. De laadstroomregelaar moet zijn uitgerust met een smeltveiligheid voor de maximale laad- of ontlaadstroom. Voor het informatiecentrum is het beste om te kiezen voor een regelaar met 'maximum power point tracking'. Een dergelijke regelaar bevat een meet- en regelsysteem, dat er voortdurend voor zorg draagt, dat het maximale rendement uit de panelen gehaald wordt. De Accu De accu slaat de zonne-energie op om ze te kunnen gebruiken op een later tijdstip. Overdag, als de zon schijnt, is de vraag naar energie wellicht minder dan bijvoorbeeld 's avonds als de zon onder is en we enkele lampen aan doen. Vooral in de winter, als de zon korter en minder vaak schijnt, zullen de zonnepanelen niet elke dag voldoende energie leveren om in de totale energievraag te kunnen voldoen. De accu's vangen de verschillen tussen overschot en tekort op. De accucapaciteit moet groot genoeg zijn om een aantal dagen zonder voldoende zonne-uren te kunnen overbruggen. Ook moet de accucapaciteit in juiste verhouding staan met de capaciteit van de zonnepanelen en de te verwachten energieverbruikers. Een te kleine accu kan met te grote stroom worden geladen, wat de levensduur niet ten goede komt. Een te grote accu wordt nooit echt vol


geladen waardoor sulfatatie van de accu optreedt. Sulfatatie ontstaat wanneer het zwavelzuur begint te zakken omdat er niet genoeg circulatie is in de batterij. Daardoor ontstaat een laag loodsulfide op de loden platen. Deze grote kristallen kunnen tijdens de lading niet meer afgebroken worden en zorgen dus voor een verlies aan capaciteit. Bij accu’s moeten een aantal veiligheidsaspecten in acht worden genomen. Tijdens het laden van accu's worden waterstofgas en zuurstof gevormd. Het geproduceerde mengsel draagt de naam "knalgas". Dit uiterst explosieve mengsel moet met de omringende lucht verdund en afgevoerd worden. Eén enkel vonkje, bijvoorbeeld van een schakelaar of steker, kan het mengsel doen ontploffen. Het mengsel is reukloos en kleurloos en op zich ongevaarlijk voor de gezondheid, maar daarom misschien extra gevaarlijk. De acculaadruimte moet daarom voldoende geventileerd worden. Omdat het PV systeem werkt met laagspanning is het gevaar van elektrocutie verwaarloosbaar, maar in geval van kortsluiting is het gevaar van brand helemaal niet uitgesloten. Daarom is het gebruik van zekeringen zeer aan te bevelen. Net als in een gewone lichtnet installatie doen we er goed aan om elke afzonderlijke groep van stroomverbruikers te zekeren met een zekering die zal springen als de maximaal te verwachten stroom met een factor 2 à 3 overschreden wordt. Voor het informatiecentrum moet zoals eerder vermeld rekening gehouden worden met een dagelijks stroomverbruik van 7 KWh. Gemiddeld zijn er in de maanden december 11 en januari 14 zonloze dagen per maand (Bron: KNMI; maandoverzicht van het weer). De kans dat deze 14 zonloze dagen in januari achtereenvolgend zijn is 1/31 0,32 10 . Deze kans is dus verwaarloosbaar klein. Het is echter niet ondenkbaar dat er een aantal achtereenvolgende dagen geen zon schijnt, er zijn gemiddeld immers maar 17 dagen met zon. In eerste instantie gaan wij ervan uit dat de accucapaciteit groot genoeg moet zijn om een week zonder zon te kunnen overbruggen. Dit betekent dat je een accucapaciteit nodig hebt van 7,0266 kWh x 7 dagen =49,1862 kWh. De capaciteit van accu’s wordt in ampère-uur (Ah) uitgedrukt, waarbij de spanning 12 of 24 Volt bedraagt. Een accu van 12V is het gemakkelijkste omdat de spanning bij de PV panelen 12 V is. Voor stroom geldt W=V x A. Dit betekent dat je een accu nodig zou hebben die 49186,2 Wh/12V= 4098,85 Ah groot is.

49

50

Onderzoeksrapport

Figuur 4.

Opbrengst 28 stuks zonnepanelen informatiecentrum

Opbrengst zonnepanelen aantal Wp KWp systeem Sharp NU-E235 (235 Wattpiek) 28 235 6,58 Gemiddeld aantal zonne-uren Noordoost Nederland (Bron: KNMI) maand dag opbrengstfactor opbrenst/dag uur uur Kwh januari 40 1,29 0,85 7,217 februari 75 2,68 0,85 14,981 maart 110 3,55 0,85 19,846 april 160 5,33 0,85 29,829 mei 200 6,45 0,85 36,084 juni 180 6,00 0,85 33,558 juli 190 6,13 0,85 34,280 augustus 190 6,13 0,85 34,280 september 130 4,33 0,85 24,236 oktober 100 3,23 0,85 18,042 november 55 1,83 0,85 10,254 december 40 1,29 0,85 7,217 totaal 1470

opbrenst/maand Kwh 223,72 419,475 615,23 894,88 1118,6 1006,74 1062,67 1062,67 727,09 559,3 307,615 223,72 8221,71


Uitvoering elektrasysteem PV panelen - 28 stuks Sharp NU-E235 PV 235 WP. Voor het PV systeem hebben wij gekozen voor Sharp NU-E235 PV fotovoltaïsch paneel met donkerblauwe monokristallijnen silicium zonnecellen. Sharp is inmiddels 50 jaar actief op het gebied van zonenergie en heeft daarmee een ruime ervaring en betrouwbaarheid opgebouwd. Dit vertaalt zich in PV panelen met een vermogen van 235 Wp en 25 jaar opbrengstgarantie. Figuur 4 Opbrengst zonnepanelen informatiecentrum toont aan dat er 28 panelen nodig zijn om in de maanden met het minst aantal zonuren (december en januari, elk 40 uur) het benodigd aantal KWh’s te komen. Volgens de technische specificaties van Sharp is de maximale systeemspanning bij deze panelen 1000 V Dc. Met een spanning bij maximaal vermogen per paneel van 30 V DC kunnen er 28 panelen in serie worden gekoppeld ( 28x30 = 840 <1000). De Omvormer - 1000W/2000W zuivere sinus omvormer; - 2500W/5000W gemodificeerde sinus omvormer. Voor de omvormer moet rekening worden gehouden met 3535 W continu belasting. Voor een omvormer is dit een vrij hoge belasting, waardoor wij hebben gekozen om de gevraagde belasting te verdelen over 2 omvormers. De voordelen hiervan zijn dat je de omvormer die niet gebruikt wordt kan uitschakelen zodat hij geen stroom verbruikt, dat je voor de elektrische boiler een goedkopere gemodificeerde sinus omvormer kan toepassen en dat je de omvormer voor de omgekeerde osmosefilter, labtops en beamer wat groter kan kiezen zodat je hier later eventueel nog meerdere apparaten kan aansluiten. Voor de 2 laptops en de beamer (850W + 20% = 1020W) hebben wij gekozen voor de SO12V1KW met een continu vermogen van 1000W en een piekbelasting van 2000W. Dit is een zuivere sinus omvormer die zichzelf uitschakelt bij oververhitting of overbelasting, bij een te hoge of te lage accuspanning en is hij aan de 220 V zijde door middel van een zekering beveiligd tegen kortsluiting. De elektrische weerstand in de zonneboiler, de circulatiepomp en de besturingsregeling (2000W+93W+3W+20%=2515W) wordt aangesloten op een gemodificeerde sinus omvormer met een continu vermogen van 2500W en een piekbelasting van 5000W. Deze omvormer schakelt zichzelf uit bij oververhitting of overbelasting, bij een te hoge of te lage accuspanning en is aan de 220 V-zijde, door middel van een zekering, beveiligd tegen kortsluiting.

51

52

Onderzoeksrapport

De Laadstroomregelaar - Steca Power Tarom 2140. De laadstroomregelaar moet 6580 Wp aan input aankunnen op een 12 V PV systeem. Dit is een behoorlijk grote belasting. De meeste laadstroomregelaars gaan niet verder dan 700 Wp. De Steca Power Tarom 2140 kan tot 8400 Wp aan systeemvermogen aan, waardoor het systeem eventueel nog zou kunnen worden uitgebreid. De laadstroomregelaar zorgt ervoor dat de accu niet verder dan 30% wordt ontladen, dat de accu niet wordt overladen en dat de accu niet wordt leeg getrokken als de zon niet schijnt. Hij heeft een overspanningsbeveiliging van zowel het zonnepaneel als de accu en een zekering, teneinde kortsluiting te voorkomen. Tenslotte heeft de laadstroomregelaar een technologie die overeenkomt met het maximum power point tracking systeem. De Accu - 12 stuks Tab 24 OPzS 3000 3060Ah-2V; tweemaal 12 V accubank van 6 stuks in serie gekoppelde accu’s. Om een week zonder zon te kunnen overbruggen moet de accucapaciteit 4098,85 Figuur 5. Schema seriegeschakelde accubank Ah groot zijn. Om zolang mogelijk van een accu gebruik te kunnen maken voordat 12v 3060Ah hij vervangen moet worden, dient voorkomen te worden dat de accu diepontladen wordt. De laatste 30% van de accu mag niet gebruikt worden. De steca power tarom laadstroomregelaar heeft een beveiliging tegen diepontlading. Het betekent wel dat 4098,5Ah dus 70% van de accucapaciteit moet zijn. De accucapaciteit dient dus (4098,5/70) x 100 = 5855Ah groot te zijn. Dit betekent dat er meerdere accu’s aan elkaar moeten worden gekoppeld, tot een zogenoemde accubank, omdat geen 2v 3060Ah 2v 3060Ah 2v 3060Ah 2v 3060Ah 2v 3060Ah enkele accu 5855 Ah kan leveren. Wij hebben gekozen voor de TAB 24 OPzS 3000 3060Ah-2V accu vanwege het hoge vermogen van de accu en de lange levensduur; deze accu heeft een geïndiceerde levensduur van 15 jaar en er hoeft slechts eens in de twee jaar vloeistof te worden bijgevuld. Zes van deze 2V accu’s van 3060 Ah worden in serie aan elkaar gekoppeld tot een 12V accubank met 3060Ah capaciteit. Met twee van deze accubanken is de capaciteit 6120 Ah, met als bruikbare capaciteit 6120 x 70% =4284 Ah. Dit is een capaciteit van (4284*12)/1000 = 51,4 kWh. Verdeeld over 7 dagen is dit 7,34 kWh per dag.

2v 3060Ah


Figuur 6.

53

Specificaties apparatuur

apparaat

vermogen W

afmetingen (mm) bron

verklaring aantal uren verbruik

A

V

l

h

3060

2

576

797

12

1652

994

0,0014

12

360

330

157 steca solar systems

eigen verbruik, apparaat staat 24 uur per dag aan

0,7

12

430

159

210 omvormer.info


sinusomvormer SO12V1KW

0,55

12

323

90

200 sinusomvormer.nl


koelkast Danfoss coolmatic CR50

3,33

12

500

534

380 pittenspecialist.nl


accu TAB 24 OPzS 3000 zonnepaneel Sharp NU-E235 PV laadstroomregelaar omvormer 2500W

d

212 batteries direct 46 Sharp

geen verbruik; energie opslag geen verbruik; energie opwekking

waterkoker MCK-750-12

200

12

190

205

125 conrad electronics

3 minuten per kan = 20 kannen met thee=Ca. 80 kopjes

koffiezetter MC-05-12

200

12

210

260

140 conrad electronics

5 minuten per kan = 12 kannen koffie per dag = Ca. 60 kopjes

labtop (gemiddeld)

50

220

diverse notebooks

bij informatiebalie staan gehele dag 1 of 2 labtops aan

beamer (gemiddeld)

200

220

diverse beamers

bijeenkomsten van 4 uur per dag

onvoorzien

150

220

Philips My-vision led spot 3,5W

3,5

12

bijeenkomsten van 4 uur per dag 54

phillips

hal

op winterse dag staan spots waarschijnlijk gehele dag aan

sanitaire ruimte


balie


technische ruimte


zaal


54

Onderzoeksrapport

Netgekoppeld PV systeem Een netgekoppeld PV systeem bestaat uit PV panelen en een omvormer. Het verschil tussen een autonoom en een netgekoppeld systeem is dat bij het netgekoppelde systeem het lichtnet de functie van accu overneemt. Als een aansluiting op het lichtnet mogelijk is verdient dit de voorkeur boven een autonoom systeem omdat dit een aantal voordelen oplevert. Het eerste voordeel hiervan is dat er geen eigen accu’s met bijbehorende laadstroomregelaar aangeschaft hoeven te worden. Het tweede voordeel is dat het lichtnet als ‘’accu’’ oneindig groot is waardoor de ‘’opslagcapaciteit’’ ook oneindig groter is. Dit heeft als gevolg dat er veel minder PV panelen aangeschaft hoeven te worden omdat de PV panelen nu berekend kunnen worden op de jaaropbrengst in plaats van de opbrengst in de maand met de minste zon. Het derde voordel is dat het teveel aan geproduceerde energie niet verloren gaat maar terug aan het lichtnet geleverd kan worden. Het vierde voordeel is dat je aangesloten bent op de elektravoorziening van een energieleverancier waardoor je op dit punt aan Opbrengst zonnepanelen aantal Wp KWp systeem het Bouwbesluit voldoet. Sharp NU-E235 (235 Wattpiek) 9 235 2,12

Figuur 7.

Opbrengst 9 stuks zonnepanelen informatiecentrum

Gemiddeld aantal zonne uren noord-oost Nederland (Bron: KNMI) maand dag opbrengstfactor uur uur januari 40 1,29 0,85 februari 75 2,68 0,85 maart 110 3,55 0,85 april 160 5,33 0,85 mei 200 6,45 0,85 juni 180 6,00 0,85 juli 190 6,13 0,85 augustus 190 6,13 0,85 september 130 4,33 0,85 oktober 100 3,23 0,85 november 55 1,83 0,85 december 40 1,29 0,85 totaal 1470

opbrenst/dag Kwh 2,32 4,82 6,38 9,59 11,60 10,79 11,02 11,02 7,79 5,80 3,30 2,32

opbrenst/maand Kwh 71,91 134,83 197,75 287,64 359,55 323,60 341,57 341,57 233,71 179,78 98,88 71,91 2642,69


Uit figuur 1 elektraverbruik informatiecentrum blijkt dat er per jaar 2627,85 kWh aan elektriciteit nodig is. Om met een autonoom PV-systeem in de maanden met de minste uren zonneschijn genoeg elektriciteit te kunnen leveren, zijn er 28 stuks zonnepanelen nodig, zoals figuur 4 opbrengst 28 stuks zonnepanelen toont. Figuur 7 opbrengst 9 stuks zonnepanelen is met dezelfde gegevens als figuur 4 gemaakt en laat zien dat er 9 PV panelen nodig zijn om 2642,69 kWh per jaar te produceren, dat ruim voldoende is voor de benodigde 2627,85 kWh per jaar. Met 9 PV-panelen, bij een netgekoppeld systeem, lever je in de zomermaanden elektriciteit terug aan het lichtnet en wordt er in de wintermaanden elektriciteit van het lichtnet gevraagd. Het nadeel van een netgekoppeld systeem is dat je afhankelijk bent van de energieleverancier en dat je geld aan de energieleverancier moet betalen voor het transporteren van stroom en het aansluiten op het netwerk. Figuur 8 prijs netgekoppeld versus autonoom systeem toont de verschillen in prijs van een autonoom en een netgekoppeld systeem. In deze figuur is alleen de aanschafprijs van de verschillende onderdelen opgenomen. De prijs van het aansluiten van de verschillende systemen, de aansluitkosten op het lichtnet alsmede eventuele onderhoudskosten zijn hierin niet meegenomen.

Figuur 8.

Prijs netgekoppeld versus autonoom systeem

accu TAB 24 OPzS 3000 laadstroomregelaar steca power tarom 2140 zonnepaneel sharp NU-E235 PV omvormer 2500W sinusomvormer SO12V1KW

Netgekoppeld systeem € 0, (0 stuks) € 0, (0 stuks) € 6039,(9 stuks) € 714,(2 stuks) € 0,(0 stuks) +

Autonoom systeem € 13654,56 (12 stuks) € 1471,50 (1 stuks) € 18788,(28 stuks) € 357,(1 stuks) € 417,(1 stuks) +

Totaal

€ 6753,-

€ 34688,06

Verschil autonoom – netgekoppeld systeem:

€ 34688,06 € 6753,€ 27935,06

-

55

56

Onderzoeksrapport

Water Watervoorziening Het informatiecentrum moet geheel zelfvoorzienend zijn in de waterbehoefte en er kan dus geen water worden getapt uit het waterleidingnetwerk van een waterleidingmaatschappij. Voor de behoefte aan water moet er in of om het gebouw een alternatief systeem komen voor het leveren van schoon drinkwater. Voordat een alternatief systeem kan worden onderzocht moet er duidelijk zijn hoeveel water er nodig is. Vervolgens kan er bekeken worden welk systeem hieraan kan voldoen. Waterverbruik Voor de hoeveelheid water die gebruikt wordt is het rapport ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026 van de TNO NIPO geraadpleegd. Dit is een uitgebreid rapport over de hoeveelheid water die wordt gebruikt voor alle verschillende handelingen binnenshuis. Het rapport is zeer geschikt voor het berekenen van de te verwachten benodigde hoeveelheid water omdat het niet alleen de hoeveelheid water dat wordt verbruikt weergeeft, maar ook waarvoor die hoeveelheid water wordt gebruikt. Zo geeft het rapport bijvoorbeeld aan waarvoor het water van de keukenkraan wordt gebruikt en hoeveel liter dit is. Op die manier kun je de te verwachten handelingen per watertappunt in het informatiecentrum uit het rapport halen, en het gebruik van water voor handelingen zoals het wassen van kleding of het bereiden van een maaltijd achterwege laten. Het verbruik van water in het informatiecentrum wordt gerealiseerd door het gebruik van de tapkraan in de pantry, het gebruik van de tapkranen van de wastafels in de sanitaire ruimte, het doorspoelen van het toilet en het gebruik van de douche. Voor het uitrekenen van het te verwachten waterverbruik in het informatiecentrum wordt per tappunt bekeken welke handelingen er worden uitgevoerd en hoe vaak deze handelingen verwacht kunnen worden. Informatiecentrum Het gebouw heeft een bijeenkomstfunctie. Voor het te verwachten waterverbruik betekent dit dat de bezoekers en gebruikers van het gebouw gebruik zullen maken van het toilet en handen zullen gaan wassen. Voor de inwendige mens moet rekening worden gehouden met een kopje koffie, een kopje thee, een glas water en eventueel een kopje ‘’oplos-soep”. In het gebouw komt daarom een kleine pantry waar deze handelingen verricht kunnen worden door middel van een spoelbak met kraan, een waterkoker en een koffiezetapparaat. Gebruikte glazen, kopjes en schotels kunnen in de spoelbak van de pantry worden afgewassen. Er wordt voor het berekenen van het te verwachten watergebruik geen rekening gehouden met het wassen van kleding of het koken van een uitgebreide maaltijd. De sanitaire ruimte bevat 2 toiletten, 2 douches en 4 wastafels en is bedoeld voor zowel de bezoekers als de gebruikers van het informatiecentrum en de bezoekers van de tijdelijke camping. De


douches in de sanitaire ruimte zijn alleen voor de gebruikers van de tijdelijke camping bedoeld. Voor het gebruik van de sanitaire ruimte voor de bezoekers van de tijdelijke camping wordt per persoon rekening gehouden met douchen, toiletgebruik en gebruik van de wastafel voor diverse doeleinden. Het is natuurlijk moeilijk om vooraf te bepalen hoeveel personen daadwerkelijk gebruik zullen gaan maken van het informatiecentrum, maar om toch tot een rekenwaarde voor de hoeveelheid water te komen hebben we hiervoor, samen met de opdrachtgever, een aantal aannames gedaan. Voor het gebruik van het informatiecentrum moet volgens de opdrachtgever worden uitgegaan van bijeenkomsten van groepen van 20 personen. Voor de bezoekers van de tijdelijke camping moet in eerste instantie worden uitgegaan van 10 personen gedurende 4 dagen per week. Hoe langer je ergens blijft des te meer koffie, thee of water je daar zult nuttigen. Ook zal je vaker naar het toilet moeten gaan als je ergens langer bent. Voor een juiste berekening moeten de aannames daarom wat exacter geformuleerd worden. Bijeenkomsten van groepen van 20 personen zegt nog niets over de duur en hoeveelheid van de bezoeken. Het is moeilijk te zeggen hoeveel bijeenkomsten er zullen zijn, en hoe lang deze zullen gaan duren. In het weekeinde zullen er waarschijnlijk meer en vaker bijeenkomsten zijn dan doordeweeks. Er zullen vast ook dagen zijn waarop er geen bijeenkomsten zijn. Per week gezien lijkt ons 1 bijeenkomst daarom een goed uitgangspunt. Wanneer je op Google de woorden ‘’tijdsduur bijeenkomsten’’ invult hebben trainingen, workshops, lezingen, conferenties en andere bijeenkomstvormen vaak een tijdsduur van 1,5 tot 3 uur. Om aan de ruime kant te zitten rekenen wij met 4 uur. Dit ten eerste omdat het gebouw naast de bijeenkomstfunctie ook een informatiecentrum is en er dus vaker iemand aanwezig zal zijn. Daarnaast kun je de resultaten uit het rapport ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026 van de TNO NIPO nu door 4 delen; De resultaten geven het watergebruik per persoon per dag weer. Een dag heeft 24 uur, waarvan de gemiddelde persoon 8 uur aan slapen besteed, waardoor er 16 uur per dag overblijft om water te gebruiken. De tijdelijke camping is bedoeld om te ‘’proefwonen’’ in het gebied alvorens men besluit aan het project ‘’Hunzedorp’’ deel te nemen en zich er permanent te vestigen. 4 dagen per week komt overeen met een lang weekend of een midweek en volgens de opdrachtgever is 10 personen per week een goed uitgangspunt. Samengevat gaan wij voor het informatiecentrum dus uit van een bezoekersgroep van 20 personen gedurende 1 dagdeel per dag. Een dagdeel stellen we gelijk aan 4 uur. Voor de bezoekers van de tijdelijke camping gaan wij dus uit van 10 personen die 4 volle dagen per week gebruik zullen maken van de sanitaire ruimte van het informatiecentrum.

57

58

Onderzoeksrapport

Berekening waterverbruik De figuren 9 tapkraan pantry, 10 tapkraan wastafel en 11 toilet komen uit het rapport ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026 van de TNO NIPO en tonen het waterverbruik in liters per persoon per dag. Voor het informatiecentrum delen we het aantal liters door 4 om, zoals eerder beschreven, een dagdeel te berekenen. Daarna vermenigvuldigen wij de uitkomst met 20, het aantal personen dat volgens onze aanname gebruik maakt van het informatiecentrum. Nu hebben we het waterverbruik van het informatiecentrum per dag. De aanname voor het aantal bezoekers van de tijdelijke camping is 10 personen gedurende 4 dagen per week. Om het aantal liters waterverbruik van de bezoekers van het informatiecentrum en de bezoekers van de tijdelijke camping bij elkaar op te kunnen tellen vermenigvuldigen we het waterverbruik per dag van het informatiecentrum met 7 zodat we het waterverbruik per week hebben. Voor de berekening van het watergebruik gebruiken de bezoekers van de tijdelijke camping de tapkraan in de pantry niet, echter blijven ze niet maar 1 dagdeel maar gedurende de hele dag op de camping. Verder komen hier nog de figuren 12 & 13 douche bij voor het gebruik van de douche. Tapkraan pantry Het totaal voor 2007 komt volgens deze tabel op 12,6 liter per persoon per dag. In het informatiecentrum wordt er echter geen voedsel bereid en geen kleding gewassen. Voor het informatiecentrum wordt dus van de waarde 12,6 - 1,7 - 0,8 = 10,1L per persoon per dag uitgegaan. Tapkraan pantry Bezoekerscentrum: Bezoekers tijdelijke camping: Totaal

(10,1/4)*20*7 = 353,5L n.v.t. 353,5L

Figuur 9.

Tapkraan Pantry (Bon: ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026- blz 29) 66 | Watergebruik keukenkraan in liters per persoon per dag (persoonsniveau)

Afwassen/spoelen/voorspoelen Voedselbereiding Schoonmaken Handen wassen Planten/tuin water geven Koffie/thee Kleding wassen/inweken Water drinken Overig Totaal

1992

1995

1998

2001

2004

2007

8,8 2,6 * * * * * * 3,3 14,7

4,9 2,0 2,4 1,4 * 1,5 * 0,5 2,9 15,1

3,8 1,7 1,6 1,3 0,7 1,1 0,7 0,4 1,8 13,1

3,6 1,6 1,5 1,3 1,4 1,0 0,6 0,5 1,8 13,4

3,9 1,8 1,6 1,5 1,2 1,0 0,7 0,6 1,5 13,7

3,8 1,7 1,5 1,4 0,5 1,2 0,8 0,6 1,1 12,6

*= niet gemeten


Tapkraan wastafel Bezoekerscentrum: Bezoekers tijdelijke camping: Totaal

Figuur 10.

Tapkraan wastafel (Bon: ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026- blz 29) 28 | Watergebruik wastafel in liters per persoon per dag (persoonsniveau)

(5,3/4)*20*7 = 185,5L 5.3*10*4 = 212L 397,5L Wastafel

Toilet Bezoekerscentrum: Bezoekers tijdelijke camping: Totaal

1995

1998

2001

2004

2007

3,7

4,2

5,1

5,2

5,1

5,3

Figuur 11.

Toilet (Bon: ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026- blz 33) 36 | Watergebruik toilet in liters per persoon per dag (persoonsniveau)

(37.1/4)*20*7 = 1298,5L 37.1*10*4 = 1484L 3782,5L Toiletspoeling

Douche Bezoekerscentrum: Bezoekers tijdelijke camping: Totaal

1992

1992

1995

1998

2001

2004

2007

42,7

39,0

36,2

34,8

35,8

37,1

Figuur 12.

Douche (Bon: ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026- blz 25) 22 | Aantal liters water per minuut dat door een douchekop stroomt

n.v.t. 58.46*10*4 = 2338,4L 2338,4L Waterbesparende douche Normale douche Gemiddeld Comfortdouche

1995

1998

2001

2004

2007

7,0 7,8 7,5 *

7,5 8,0 7,8 *

7,5 8,2 7,9 *

7,4 8,0 7,8 14,4

7,4 8,0 7,7 14,4

*=te weinig waarnemingen

Figuur 13.

Douche (Bon: ‘’Watergebruik thuis 2007’’ C6026- blz 23) 19 | Gemiddelde doucheduur in minuten (persoonsniveau)

Weekend Doordeweeks Gemiddeld

1992

1995

1998

2001 2004

2007

8,8 7,9 8,2

7,6 7,5 7,5

6,9 7,6 7,4

7,7 7,6 7,6

7,3 8,1 7,9

7,3 7,9 7,7

Per douchebeurt met een waterbesparende douche: 7,4*7,9=58,46L

59

60

Onderzoeksrapport

Watertoevoer Uit deze tabellen blijkt dat er voor het informatiecentrum 981,5 liter water per dag nodig is, een kleine 1000 liter. Om aan deze 1000 liter per dag te komen gaan wij het gebruikte water recyclen door het te zuiveren met behulp van een helofytenfilter. Dit helofytenfilter wordt in de paragraaf ‘’waterafvoer’’ uitvoerig besproken. Het gezuiverde water dat uit het filter komt is schoon, helder en reukloos en is daarom geschikt voor lozing op het oppervlaktewater, maar kan daarom ook rechtstreeks gebruikt worden voor de toiletspoeling. Voor het overige waterverbruik wordt het water een tweede keer gezuiverd door middel van een omgekeerd osmose filter waardoor het zuiver drinkwater is. In theorie is er geen aanvoer van water nodig als er 100% van het waterverbruik gerecycled wordt. In de praktijk zal er nooit 100% gerecycled kunnen worden. Het helofytenfilter berust op de werking van rietplanten die zelf ook water nodig hebben, het omgekeerde osmose filter filtert water en daarom zal er minder uitkomen als dat er ingaat en tenslotte wordt er ook water gedronken. Het tekort aan water wordt aangevuld met de opvang van regenwater.

Figuur 14.

Totaal waterverbruik informatiecentrum per week

per dag

Tapkraan pantry Tapkraan wastafel Toilet Douche

353,5L 397,5L 3782,5L 2338,4L

50,5L 57 L 540 L 334 L

Totaal

6871,9L

981,5L

Figuur 15.

Omgekeerde osmose filter

Volgens de KNMI (“Langjarige gemiddelden en extremen, tijdvak 1971 – 2000 Gemiddelde jaarlijkse neerslagsom”) valt er per jaar gemiddeld 800mm neerslag. Dit is per week (800/52) 15.39mm. Het dakoppervlakte van het gebouw is 18,5mtr bij 8mtr, hierop kan er per week dus 18,5 × 8 × 0.01539 = 2,278m3 water opgevangen worden. 1 liter water staat gelijk aan 0,001 m3 water en per week is dit dus 2278 liter, ofwel 325,43 liter water per dag. Zoals valt af te leiden uit figuur 9 tapkraan pantry is 1,2 liter voor koffie en thee en 0,6 liter voor waterbehoefte per persoon per dag. Hetzelfde uitgangspunt als voor de berekening van het verbruik van water nemen we voor de berekening van het te zuiveren water. Elke dag 20 personen gedurende 4 uur per dag in het informatiecentrum, waarbij 8 uur voor slapen en 16 uur voor water consumptie wordt gerekend. Voor de consumptie van water betekent dit (1,8/4) x 20 = 9 liter per dag. Voor de toiletten wordt het water geen tweede keer gezuiverd. De omgekeerde osmosefilter heeft een output van 80% aan gefilterd water van de input. Uitgaande van 100% recycling van water, minus de consumptie van water, geeft dit de volgende berekening; 981,5 liter (totaal verbruik) – 540 liter (water toiletspoeling per dag) = 441,5 liter nodig na filtering. Er is 441,5/80 × 100 = 552L nodig voor filtering. Er is 552+540 (water toiletspoeling per dag) = 1092L water per dag nodig. De hoeveelheid water die in het


helofytenfilter terecht komt bedraagt 441,5L - 9L (consumptie) + 325L (regenwateropvang) +540L (water toiletspoeling per dag) + 110,5L (retourwater omgekeerde osmosefilter) = 1408L water per dag. Hier komt nog de urine van de gebruikers van de toiletten bij die 16L per dag bedraagt (voor de berekening hiervan zie de paragraaf ‘’waterafvoer’’), waardoor het totaal uitkomt op 1408L + 16L = 1424L. Theoretisch gezien is er daarmee dus genoeg water als de helofyten niet meer dan 1424 L1092L =332 liter water per dag verbruiken. Warm tapwater Het informatiecentrum moet geheel zelfvoorzienend zijn en heeft geen aansluiting op een gasleidingnetwerk van een energieleverancier. Er kan dus geen water worden verwarmd door middel van een gasgestookt toestel. Voor het verwarmen van water moet er dus een alternatieve voorziening komen. Voordat er een alternatieve voorziening kan komen moet er eerst berekend worden hoeveel water er verwarmd moet worden. Hetzelfde uitgangspunt als voor de berekening van het verbruik van water gaan we uit van de berekening van het te verwarmen water. Elke dag 20 personen gedurende 4 uur per dag in het informatiecentrum, waarbij 8 uur voor slapen en 16 uur voor waterconsumptie wordt gerekend. Voor de bezoekers van de tijdelijke camping wordt alleen het water voor gebruik van de douches verwarmd. Voor de bezoekers van het informatiecentrum gebruiken we figuur 9 tapkraan pantry. Voor het verwarmen van water nemen we alleen de waterhoeveelheden voor afwassen/spoelen/voorspoelen, schoonmaken en handen wassen. Er hoeft in het informatiecentrum namelijk geen voedsel bereid te worden, er wordt geen kleding gewassen en koffie en thee wordt gezet middels de waterkoker en koffiezetter. De rest van de bezigheden gebeurt met koud water. De hoeveelheid water die verwarmd moet worden wordt daarmee 20 × (3,8 + 1,5 + 1,4)/4 = 33,5 liter per dag. De hoeveelheid te verwarmen water voor de douche is in figuur 14 totaal waterverbruik informatiecentrum al berekend en bedraagt 334 liter per dag. Totaal moet er dus 334 + 33,5 = 367,5 liter water gemiddeld per dag verwarmd worden. Voor het verwarmen van water in het informatiecentrum gaan wij uit van een zonneboilersysteem waar het water door middel van de zon verwarmd wordt. Om een geschikte zonneboilersysteem uit te kunnen zoeken moeten we eerst berekenen hoeveel energie er nodig is om het water te verwarmen.

61

62

Onderzoeksrapport

Energieberekening warm tapwater De formule voor het berekenen van de benodigde energie voor het verwarmen van water is te zien in figuur 16 Formule verwarmen water. Een algemeen aangenomen temperatuur voor koud water is 5°C en voor warm douchewater is 38°C. Met deze gegevens kunnen we de benodigde energie die per dag nodig is om het water te verwarmen berekenen; Massa water 367,56 liter = 367,56 × 0,998 = 366,82 kg. E1 = 366,82 × 4186 × 33 = 50671781,16 J. De energieopbrengst van zonneboilers wordt uitgedrukt in gigajoules per jaar, wat voor het informatiecentrum neerkomt op (365 × 50671781,16)/1.000.000.000 = 18,50 GJ per jaar. Met deze gegevens kan een passende zonneboilerinstallatie worden uitgezocht. Zonneboilerinstallatie Een zonneboiler, figuur 17 Schema zonneboilerinstallatie, maakt gebruik van de door de zon afgegeven warmte. Deze warmte wordt opgevangen door een collector en overgedragen op een vloeistof, die zich in een buizensysteem onder het oppervlak van de collector bevindt. Door middel van een pompje wordt deze vloeistof door een leiding gepompt, die door het watervat loopt. Hierdoor wordt de warmte over het hele systeem verdeeld en wordt het water warm. Het opgewarmde water wordt vervolgens via een naverwarmer het huis in geleid, waar het verbruikt kan worden. Zonneboilers bestaan dus uit een collector, een buizensysteem, een pomp, een voorraadvat, een naverwarmer en diverse (temperatuur)sensoren. Bij een te lage temperatuur zorgt de naverwarmer, via conventionele middelen, dat het water op een koudere dag in ieder geval minimaal 60 graden warm is. Dit is nodig om de legionellabacterie te doden. De pomp wordt aangeschakeld zodra de temperatuur van de collector hoger is dan de temperatuur in het voorraadvat. Is deze situatie omgedraaid, dan wordt de pomp stilgezet. Er zijn verschillende soorten zonnecollectoren waarvan er 2 soorten het meest geschikt zijn voor het verwarmen van water in het informatiecentrum, de vlakke plaatcollector en de vacuümbuiscollector.

Figuur 16.

Formule verwarmen water

E1= c x M x Δ T Verwarmingsenergie = E1 [J] Massa water = M [kg] (1 liter=0,998kg) Soortelijke warmte = c [4186J/kg] Temperatuursverschil = Δ T 33°C]

Figuur 17.

Schema zonneboilerinstallatie


De vacuümbuiscollector Bij een vacuümbuiscollector gaat het zonlicht door het dubbelwandige vacuümbuis en verwarmt de absorber. Door warmtegeleiding wordt de heatpipe (dunne gedeelte) warm. Het water in de heatpipe verdampt en stijgt op naar de condensor. De waterdamp condenseert in de condensor en geeft de condensatie-energie af aan het manifold. De manifold is een koperen buis, waarin uitsparingen zijn gemaakt, waarin de heatpipes precies passen. Op deze wijze kunnen ze ongehinderd hun warmte afgeven aan het water in het systeem.

Figuur 18.

Het water loopt terug in de heatpipe en het proces begint opnieuw. De dubbelwandige vacuümbuis zorgt voor goede thermische isolatie. De heatpipe is een hermetisch dichte koperen buis, gevuld met een beetje water bij een druk van enkele 10-tallen mbar. Door de lage druk wordt het kookpunt verlaagd. De heatpipe is beveiligd tegen bevriezing doordat er metaalpoeder aan toegevoegd is. Het manifold geeft de warmte af aan een vloeistof die circuleert tussen de zonneboiler en de collector. De collector moet onder een hoek 15 - 75 graden met platte vlak geplaatst worden, Figuur 19. Vlakke plaatcollector zodat de gecondenseerde vloeistof weer onder in de buis vloeit. De vlakke plaatcollector Bij een vlakke plaatcollector neemt een zwarte plaat de warmte van de zon op, dit is de absorber. De absorber wordt in een isolerende bak geplaatst zodat hij meer warmte opneemt dan afgeeft aan de omgeving. Het gevolg hiervan is dat de temperatuur van de absorber stijgt. Wanneer de temperatuur van de absorber hoger is dan de omgevingstemperatuur zal de warmtestroom naar de omgeving groter worden. Wanneer de warmtestroom van de absorber naar de omgeving zo groot is geworden dat die gelijk is aan de opgenomen warmte, zal de temperatuur van de absorber niet verder stijgen. Aan de bovenkant van de absorber wordt een glazen plaat geplaatst zodat de warmtestroom van de absorber naar de omgeving afneemt. Om de gewonnen warmte te kunnen gebruiken worden aan de achterkant van de absorber leidingen gemonteerd waardoor water stroomt. Dit water circuleert tussen de collector en de boiler. Doordat de temperatuur van de

vacuümbuiscollector

63

64

Onderzoeksrapport

absorber hoger is dan die van het water, zal de watertemperatuur toenemen. Dit gebeurt net zo lang totdat het water dezelfde temperatuur heeft als de absorber. De vacuümbuiscollector versus vlakke plaatcollector Door het thermosfles-principe is de vacuümbuiscollector beter geïsoleerd Figuur 20. Berekening boilerinhoud dan de vlakke plaatcollector. Bij lagere omgevingstemperatuur zal de vacuümbuiscollector beduidend minder warmte verliezen dan de vlakke *+,-./ *+,-./ y aantal liters water op 60°C ) +,/ 38 +,/ plaatcollector. Dit zorgt er vooral in de winter, voor- en najaar voor dat de vacuümbuiscollector meer warmte oplevert. Vanwege de 20mm ruimte x aantal liters water op 5°C 38(x 3 y) = 5x 3 60y tussen de vacuümbuizen onderling, is de hoeveelheid zonne-energie constant over een ruim gedeelte van de dag, zolang de buizen niet in elkaars T Temperatuur 38°C y = 1.5x schaduw liggen. De vlakke plaatcollector is slechts een bepaald gedeelte van er is 618,1 liter water nodig van 38°C: x 3 y 618,1 de dag optimaal gemonteerd ten opzichte van de zon. Toch is de opbrengst y als functie van x invullen geeft: x 3 1,5x 618,1 per vierkante meter niet altijd groter dan die van een vlakke plaatcollector. benodigd aantal liters water: y 371 als x 247 Als de zon pal op de collector schijnt, wordt bij een vlakke plaatcollector het hele oppervlak beschenen. Bij een vacuümbuiscollector schijnt de zon tussen de buizen door, waardoor een kleinere fractie wordt opgevangen. De warmte capaciteit alsmede de vloeistofinhoud van de vacuümbuiscollector is beduidend lager. De vacuümbuiscollector warmt daardoor sneller op dan vlakke plaatcollectoren. De vacuümbuiscollector zal ook tijdens bewolkte dagen meer rendement opleveren. Tenslotte is de windbelasting van de vacuümbuiscollector door de open structuur minder dan een, op een plat dak, geplaatste vlakke plaatcollector. Voor het informatiecentrum kiezen wij de vacuümbuiscollector, vanwege de hogere opbrengst tijdens bewolkte dagen en in de winter. De zonneboiler De zonneboiler moet groot genoeg zijn om de 10 personen van de tijdelijke camping warm te kunnen laten douchen en de pantry te voorzien van het benodigde warme tapwater. Vervolgens moet hij zo klein mogelijk worden gehouden zodat de naverwarmer zo min mogelijk water hoeft bij te verwarmen op de dagen dat de zon onvoldoende schijnt. Voor het berekenen van de benodigde boilerinhoud wordt uitgegaan van een boilertemperatuur van 60°C en een douchetemperatuur van 38°C, alsmede een warm tapwatertemperatuur voor de pantry van 38°C. Voor het koude water nemen we aan dat het een temperatuur heeft van 5°C. Voor het benodigde water voor het douchen wordt uitgegaan van figuur 13 douche. Per douchebeurt is gemiddeld 58,46 liter water nodig. Het benodigde aantal liters warm tapwater voor de pantry is in de


paragraaf warm tapwater reeds berekend en bedraagt 33,5 liter er dag. De boiler moet dus groot genoeg zijn om per dag 58,46 × 10 + 33,5 = 618,1L water van 38°C te kunnen leveren. Bij het mengen van koud met warm water is de temperatuur van het water een gewogen gemiddelde van het koude en warme water. Voor de berekeningen zie figuur 20 berekening boilerinhoud, waaruit blijkt dat de boiler een minimum inhoud moet hebben van 371 liter. De naverwarmer De naverwarmer is een apparaat dat het water opwarmt op dagen dat de zonneboilerinstallatie niet voldoende warm water levert om de temperatuur in de boiler op 60°C te houden. Een zonneboilerinstallatie bij een gebouw dat verwarmd wordt door middel van een HR ketel fungeert de ketel meestal als naverwarmer. In het informatiecentrum is geen aansluiting op het gasleidingnetwerk van een energieleverancier en kan de naverwarmer alleen elektrisch worden aangesloten. Om te kunnen berekenen hoe groot het vermogen moet zijn van de naverwarmer moet eerst worden bekeken wanneer de zonneboiler het minste warm water levert en hoeveel warm water dit is. Vervolgens moet de naverwarmer genoeg vermogen hebben om het tekort aan warm water te verwarmen. De naverwarmer kan een elektrische boiler zijn. Een elektrische boiler warmt het water op door dit via een elektrische weerstand te laten gaan. De elektrische weerstand wordt warm en geeft deze warmte vervolgens af aan het water in de boiler. Voor het informatiecentrum is het efficiënter om een elektrische weerstand direct in de zonneboiler te plaatsen zodat je maar één ‘’voorraadvat’’ warm water hoeft te hebben, in plaats van twee. De Pomp en de besturingsregeling De besturingsregeling meet, met temperatuursensoren, het temperatuurverschil tussen de collector en het voorraadvat. Indien er een temperatuurverschil is wordt de pomp aangestuurd. De pompsnelheid wordt door de besturingsregeling aangepast op het temperatuurverschil. Wanneer zonlicht op de zonnecollector schijnt wordt deze door de absorber in de collector omgezet in warmte en afgegeven aan de vloeistof, die in de leidingen tussen de collector en de zonneboiler vloeit. De vloeistof neemt warmte op in de collector en geeft die af aan het water in het voorraadvat. De afgekoelde vloeistof wordt dan weer naar de collector gepompt om opnieuw op te warmen. De besturingsregeling schakelt de pomp aan zodra de zonnecollector warmer is dan het water in het voorraadvat. De besturingsregeling zet de pomp uit wanneer het water in de zonneboiler warmer wordt dan de maximaal toegestane warmte. Tenslotte controleert de besturingsregeling, door middel van sensoren, de temperatuur in de zonneboiler en stuurt het de naverwarmer aan zodra het water in de zonneboiler onder de 60°C komt.

65

66

Onderzoeksrapport

Uitvoering watersysteem Toevoer koud water - Helofytenfilter; - Lenntech omgekeerde osmose filter TW RO-C400; - 2 stuks GMP Jet Inox 12 hydrofoor; - waterreservoir 3000 liter chv3000. Voor het informatiecentrum is 981,5 liter water per dag nodig. De aanvoer van water gebeurt door middel van hergebruik van het verbruikte water. Voordat het hergebruikte water opnieuw gebruikt wordt gaat het eerst door een helofytenfilter om het te zuiveren. Vervolgens wordt het water door middel van omgekeerde osmose opnieuw gezuiverd om drinkwater te krijgen. Voor het informatiecentrum hebben wij de Lenntech omgekeerde osmose filter TW RO-C400 gekozen. Dit filter is voorzien van een pomp om het water uit het reservoir van de helofytenfilter te pompen. De capaciteit van het filter is 400 liter per uur wat ruimschoots voldoende is. De filter pompt het gezuiverde water in een drinkwaterreservoir en het afvalwater vloeit terug in het helofytenfilter. Voor de opslag van drinkwater is er dus een reservoir nodig waaruit het benodigde water getapt kan worden. Voor het reservoir is het raadzaam dat het genoeg inhoud heeft om een aantal dagen zonder aanvoer van vers water te kunnen overbruggen. Er kunnen zich namelijk storingen in pompen of in het elektrisch systeem voordoen, waardoor er tijdelijk geen nieuwe aanvoer is. Daarom is gekozen voor een waterreservoir van 3000 liter. Op dit reservoir moet een hydrofoor-installatie worden aangesloten om het leidingsysteem onder druk te kunnen zetten, zodat er water uit de tapkranen stroomt wanneer je deze openzet. Voor de hydrofoor is de 12 Volts GMP Jet Inox 12 uitgezocht met een capaciteit van 33 liter per minuut. Het voordeel van deze hydrofoor is dat het geen omvormer nodig is, omdat hij op 12 Volt werkt en dat er een pomp voor het aanzuigen van water in zit, waardoor je geen aparte pomp nodig hebt. Voor de toiletten is een aparte hydrofoor nodig omdat het benodigde water hiervoor rechtstreeks uit het waterreservoir van de helofytenfilter wordt gehaald. Zie figuur 21 Schematische weergave waterstromen informatiecentrum voor een duidelijk beeld van de opstelling van de diverse apparaten.


Figuur 21.

Schematische weergave waterstromen informatiecentrum

67

68

Onderzoeksrapport

Warm tapwater - 4 stuks TZ58/1800-30R vacuümbuiscollectoren ; - zonneboiler 400 liter; 2 warmtewisselaars; - Circulatiepomp SA03022; - SR 618C6 Solar Controller. Het water wordt in het informatiecentrum verwarmd door middel van een zonneboilersysteem. Zoals eerder berekend is er per dag gemiddeld 367.5 liter warm water nodig, dat per jaar 18,50 GJ aan energie kost. Het omzetten van zonne-energie naar warm water gebeurt door middel van TZ58/1800-30R vacuümbuiscollectoren, met een opbrengst van 5,77 GJ per jaar. Met 4 van deze collectoren is de te verwachten jaaropbrengst 23 GJ. De te verwachten jaaropbrengst is daarmee aan de hoge kant maar net als met de PV panelen is de te verwachten opbrengst in de wintermaanden het laagst en moet er ook in deze maanden warm water geleverd kunnen worden. Het elektrisch naverwarmen van water kost veel meer zonne-energie dan het verwarmen van water door middel van vacuümbuiscollectoren. Uit figuur 22 berekening vermogen naverwarmer blijkt dat de opbrengst van 4 van deze panelen op de kortste dag van het jaar, de dag met het minste aantal uren daglicht, 4 vacuümbuis collectoren nog niet genoeg zijn. Een 5e zonnecollector zou uitkomst bieden maar wij hebben ervoor gekozen om de tekorten in de koude maanden op te vangen door het tekort aan warm water elektrisch te verwarmen door middel van een elektrische weerstand in de zonneboiler. Zoals eerder berekend is de benodigde boilerinhoud 371 liter op een dag dat er 10 bezoekers van de tijdelijke camping gaan douchen. Hiervoor hebben wij een boiler met een inhoud van 400 liter met 2 warmtewisselaars gekozen. Een warmtewisselaar wordt aangesloten op het vloeistofcircuit tussen de pomp en de collector, de andere wordt aangesloten op de elektrische weerstand. De elektrische weerstand hebben we niet uitgezocht, maar een rekenwaarde aangenomen van 2000W, een gangbaar vermogen van de elektrische weerstand in veel andere elektrische boilers. Voor het berekenen van het benodigde vermogen zie figuur 22 berekenen vermogen naverwarmer. De circulatiepomp en de besturingsregeling zorgen ervoor dat de vloeistof tussen de collector en de boiler circuleert. De SR 618C6 Solar Controller zorgt door middel van temperatuursensoren ervoor dat de pomp wordt aangestuurd zodra de temperatuur in de collector hoger is dan die in de boiler. Hoe groter het temperatuurverschil des te sneller de pomp gaat draaien. De controller heeft ook een legionellabestrijdingsfunctie, dat inhoudt dat de naverwarmer het water in de boiler opwarmt zodra het water enige tijd kouder is dan 60°C (bij 20 minuten 60°C sterft de bacterie geheel af). Tenslotte zorgt de


controller ervoor dat de temperatuur en de druk in de boiler niet hoger zijn dan de maximaal toegestane waarden. De SA03022 circulatiepomp kan de vloeistof rondpompen met een snelheid tussen de 2 en 8 liter per minuut. Voor het berekenen van de tijd dat de pomp moet werken zijn wij ervan uitgegaan dat de pomp per dag 3 maal de boilerinhoud moet verpompen met een gemiddelde snelheid van (8+2)/2=5 liter per minuut. Daarmee moet de pomp 1200/5 = 240 minuten = 4 uur pompen. Bijschrift berekening vermogen naverwarmer Deze berekening gaat uit van een vijftal verschillende mogelijke situaties op de kortste dag van het jaar (dit is de dag met het minst aantal uren daglicht en dus ook met het minst aantal uren mogelijk zonlicht), en neemt hier vervolgens het gemiddelde benodigd vermogen van de naverwarmer (of elektrische weerstand) van de vijf situaties. Dit betekent echter wel dat de elektrische weerstand, op dagen die geheel zwaarbewolkt zijn in de winter, de gehele boiler moet verwarmen. Dit komt neer op een energieverbruik van (zie figuur 20) 23,26 kWh, oftewel bijna de helft van de energievoorraad van het accupack. In overleg met een installatietechnisch bureau moet er daarom een voorziening komen die regelt dat de elektrische weerstand niet meer dan een bepaald, nader overeen te komen, maximum aan energie mag vragen. Dit heeft weer de consequentie dat er dagen zijn met lauw, of onvoldoende warm water. Als er altijd over voldoende warm water beschikt moet kunnen worden moet men aan andere alternatieve systemen gaan denken omdat meer zonnepanelen op de donkere dagen geen uitkomst bieden. Een voorbeeld van een systeem is een (hout)kachel met een warmtewisselaar die is aangesloten op de zonneboiler. De pomp en besturingsregeling zijn hierop voorbereid, alleen voor de boiler moet dan een ander model worden uitgezocht.

69

70

Onderzoeksrapport

Figuur 22.

Berekenen vermogen naverwarmer Opbrengst zonnecollectoren TZ58/1800-30R Bron: Test Report: KTB Nr. 2007-07-i-en Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems ISE (instraling zon)

(1000W/m2)

(700W/m2)

(400W/m2)

(100W/m2)

temp. verschil

zon

licht

bewolkt

zwaar

10°C 30°C 50°C 70°C

W/m2 2001 1879 1719 1502

W/m2 1387 1264 1105 908

W/m2 772 650 490 294

W/m2 158 36 0 0

aantal collectoren

oppervlak collector

oppervlak systeem

zwaar bewolkt

vloeistof/omgeving

stuks 4 4 4 4 4

x x x x x *1 *2 *3 *4 *5 *6

bewolkt

*1 zonsopgang *1 zonsondergang uren daglicht *2 uren schemering uren nuttig daglicht *3 uren zon

8:45 16:30 7,25 1,33 5,92 1,29

*4 gemiddelde instraling december

432,1 W/m2

bew.

1 Watt = 1 Joule/seconde 1 kWh = 3.600.000 J

bewolkt

licht bewolkt

zon

nodig *5

m2 m2 uren (kW) uren (kW) uren (kW) uren (kW) kWh kWh 2,791 = 11,164 x 2,3 x 0 + 1,33 x 0,294 + 1 x 0,908 + 1,29 x 1,502 = 36,13 - 23,3 2,791 = 11,164 x 0 x 0 + 5,92 x 0,294 + 0 x 0,908 + 0 x 1,502 = 19,43 - 23,3 2,791 = 11,164 x 2 x 0 + 2,13 x 0,294 + 0,5 x 0,908 + 1,29 x 1,502 = 33,69 - 23,3 2,791 = 11,164 x 5,92 x 0 + 0 x 0,294 + 0 x 0,908 + 0 x 1,502 = 0,00 - 23,3 2,791 = 11,164 x 0 x 0 + 5,92 x 0,317*6 + 0 x 0,908 + 0 x 1,502 = 20,95 - 23,3 bron: KNMI; zonsopgang en zonsondergang Bron: infonu.nl schemeringsduur Utrecht 1 december; 40 minuten >> 2x 40 minuten=1,33 uur gemiddeld Zie Figuur 4. Opbrengst zonnepanelen informatiecentrum bron: KNMI; gemiddelde norm per element; globale totale instraling zon december Benodigd vermogen Eelde, Groningen = 4822J/cm2 13394W/m2/maand > 432,1 W/m2/dag Benodigd vermogen verwarmen water: 400 liter boiler, van 10 naar 60 graden zie figuur 14 formule verwarmen water E1= 400*4186*50 = 83720000 J =23,26kWh gemiddelde instraling december = 432,1W/m2 (294/400)*432 = 317W/m2 = 0,317kW/m2

vermogen boiler

= = = = =

kWh -12,87 3,83 -10,43 23,26 2,31 6,09 1,22 1,22

+


Figuur 23.

Specificaties apparatuur

apparaat

vermogen W A

afmetingen (mm) V

l

h

bron

verklaring aantal uren verbruik

d

Warm & Koud Water Ø1450

waterreservoir chv 3000 filter Lenntech TW RO C400

550

220

1900 Tankgigant

700 1050

350 Lenntech

(inhoud 3000 liter) capaciteit=6,67L/min. 441,5L te filteren: (441,5/6,67)/60=1,1 uur

hydrofoor GMP Jet inox 12

550

12

300

600

250 Vantorre pompen

capaciteit=33L/min.

hydrofoor spoeling toilet

540L spoelen per dag: (540/33)/60=0,27 uur

hydrofoor douche, pantry, wast.

441,5L verbruik per dag: (441,5/33)/60=0,22 uur

vacuümbuis col. TZ58/1800-30R

5.77 GJ/jaar

2020 2500 Ø750

boiler voor 2 warmtewisselaars Circulatiepomp SA03022

93

220

395

170

150 Zonneboilerhuis

geen verbruik; energie opwekking

1470 Zonneboilerhuis

geen verbruik; energie opslag

145 Zonneboilerhuis

capaciteit gemiddeld=5L/min. 1200L pompen per dag: (1200/5)/60=4 uur

SR 618C6 Solar Controller elektrisch weerstand

3

220

2000

220

210

145

48 Zonneboilerhuis

eigen verbruik, apparaat staat 24 uur per dag aan 1220 W benodigd 1220/2000=0,61 uur in bedrijf

Helofytenfilter vuilwaterpomp Shurflo piranha

120

12

130

108

92 Conrad electronics

capaciteit=26L/min. 1424L pompen per dag: (1424/26)/60 = 0,9uur

71

72

Onderzoeksrapport

Waterafvoer Het informatiecentrum moet geheel zelfvoorzienend zijn in het afvoeren van water en er kan dus geen vuil water worden geloosd op het riool van een waterschap. Voor het afvoeren van water moet er in of om het gebouw een alternatief systeem komen voor het lozen van vuil water. Volgens de wet mag er niet ongezuiverd geloosd worden. In het Besluit staat in het onderdeel ‘lozing afvalwater huishoudens’ dat er een voorziening voor de Individuele Behandeling van Afvalwater geplaatst moet worden geplaatst, een IBA- voorziening. De hoeveelheid water die geloosd moet worden staat nagenoeg gelijk aan de hoeveelheid water die in het informatiecentrum verbruikt wordt. Immers, nemen we alleen het gedeelte voor koffie, thee of water in het lichaam op, de rest van het water spoelen we na gebruik door het toilet, de was- of douchebak. Verder komt hier nog de ontlasting en urine van de toiletbezoekers bij. Voor het afvalwaterzuiveringssysteem van het informatiecentrum gaan wij uit van een helofytenfilter. Indien het helofytenfilter gemaakt wordt door een aannemer die is aangesloten bij de Coöperatie IBA-installateurs (voor het aanleggen van KIWA-gecertificeerde helofytenfilters) dan voldoet het aan de strengste normen en mag er worden geloosd op oppervlaktewater. Het voordeel van een helofytenfilter is in de eerste plaats dat het afvalwater dicht bij de bron gezuiverd wordt. Hierdoor hoeft het niet over grote afstanden via dure leidingen en pompsystemen getransporteerd te worden. Het afvalwater dat in de bodem tussen de rietwortels gezuiverd is kan ter plaatse afgevoerd worden naar een sloot. Het kan in de grond gedraineerd worden of ter plaatse worden hergebruikt. Verder past een helofytenfilter goed in het landschap, is het betrouwbaar, ecologisch en duurzaam. Niet alleen zijn helofytenfilters ontworpen om biologische voedingsstoffen te composteren maar kunnen de materialen die gebruikt worden uitstekend hergebruikt worden als hun levensduur er opzit. Daarnaast vergt het systeem weinig onderhoud en energie en daarmee is het dus ook financieel aantrekkelijk. Verdere financiële voordelen liggen op het vlak van mogelijke vrijstellingen van rioolbelasting en zuiveringsheffing. Helofytenfilter Een helofytenfilter is een afvalwaterzuiveringssysteem van zand dat bedekt is met helofyten als riet. De werking van het helofytenfilter berust voornamelijk op de activiteiten van bacteriën in de bodem. Vooral rond de rietwortels ontwikkelen zich na korte tijd grote concentraties bacteriën, die de afvalstoffen in het water zeer efficiënt afbreken. De bacteriegroei rond de wortels wordt bevorderd door de rietplanten, die als een soort 'snorkels' zuurstof uit de lucht opnemen en naar de wortels transporteren. Wat verder van de wortels af is de bodem zuurstofarm en daar bevinden zich weer andere bacteriën, die geen zuurstof nodig hebben. Deze unieke combinatie van verschillende bacteriesoorten in een rietfilter zorgen voor het grote zuiverend vermogen. Helofytenfilters zijn het beste in staat om fosfaten en stikstof uit het afvalwater te verwijderen.


Stikstofverbindingen (eiwitten, ammonium, nitraten) worden voor een groot deel omgezet in luchtstikstof. Fosfaten worden in het filter gebonden. Omdat deze stof vastgelegd wordt in het systeem, zal dit op den duur verzadigd raken met fosfaten. De levensduur van een rietzuiveringssysteem is dan ook beperkt tot ongeveer 25 jaar. Na deze periode kan het systeem goedkoop vernieuwd worden door de grond te vervangen. De met fosfaat verzadigde grond is goed als meststof te gebruiken.

73

74

Onderzoeksrapport

Figuur 24.

1 2 3 4 5 6 7

Schema opbouw helofytenfilter (Bron: Ecofyt)

afvalwater van de pantry, wastafels en de douchebak vetafscheider/ slibvangput afvalwater van de toiletten septic tank pompput voor het voorbezonken afvalwater grindbed met infiltratieleidingen substraat (vulmateriaal) van het helofytenfilter

8 grindlaag met drainageleidingen 9 controleput voor het gezuiverde water 10 afvoerbuis van het gezuiverde water 11 reservoir voor hergebruik van het water 11a terugvoerleiding voor hergebruik water 11b overstort, indien reservoir vol


Opbouw helofytenfilter Een helofytenfilter is een zandfilter beplant met helofyten. Helofyten zijn planten die in ondiep water groeien en in de bodem wortelen, waarbij ze met stengel en bloeiwijze boven water uitsteken. Bij een helofytenfilter wordt meestal riet en lisdodde ingezet, omdat deze planten het best bestand zijn tegen zware of wisselende (chemische) belasting. Bovendien wortelen rietplanten zeer diep. Voordat het water in het helofytenfilter komt, passeert het eerst een septic tank, een vetafscheider en een pompput. Bij de aanleg van het filter zelf wordt een oppervlakte van een aantal vierkante meters uitgegraven tot ruim een meter diep. Het uitgegraven gedeelte wordt vanonder en zijdelings afgedicht met een sterke folie, die het uitspoelen van water in de ondergrond moet tegengaan. Hierop worden drainageleidingen gelegd die worden opgevuld met grind waarover vervolgens een worteldoek gelegd wordt. Op het worteldoek wordt het feitelijke filter geplaatst wat een nauwkeurig samengestelde mix van substraat, stro, kalksteen en ijzergruis is. Het filter bestaat voornamelijk uit een substraat maar heeft de andere stoffen nodig om op gang te komen. Vervolgens worden hierop de infiltratiebuizen gelegd die afgewerkt worden met een grindlaag. Tenslotte kan het systeem beplant worden met jonge rietplantjes. Door middel van de pomp in de pompput, wordt het rietveld enkele malen per dag bevloeid met afvalwater. De afvoer van het rietveld mondt uit in een controleput, zodat de kwaliteit van het gezuiverde water beoordeeld kan worden. Vanaf de controleput vloeit het water naar een tweede pompput vanwaar het gezuiverde water hergebruikt kan worden. Onderhoud helofytenfilter Het technisch onderhoud blijft beperkt tot het van tijd tot tijd controleren van de werking van de pomp en de drukleidingen in het filter. Dit kan door middel van een jaarlijkse onderhoudsbeurt worden geregeld. Verder moeten de septic tank en de vetafscheider eens in de zoveel tijd te worden leeggezogen, al naar gelang de grootte en inhoud. De conditie van de planten geven in de regel goed aan hoe het met de conditie van het filter is gesteld. Het groene onderhoud betreft in het begin het wieden van onkruid om de jonge rietplantjes de kans te geven zich zo snel mogelijk te ontwikkelen. Dit gaat vrij gemakkelijk omdat het jonge onkruid niet zo vast wortelt in de grindlaag op het helofytenfilter. Verder moet het rietbed eens in de twee jaar gemaaid worden. De juiste periode van maaien is in het vroege voorjaar. Voordat de jonge scheuten van de rietplanten weer opkomen, maar ook weer niet zo vroeg dat zware nachtvorst nog kan optreden. In de regel is half maart tot begin april de juiste periode. Tenslotte is het mogelijk dat de waterkwaliteitsbeheerder (meestal het waterschap of zuiveringschap) een periodieke controle wenst van de werking van het filter. Dit gebeurt door het analyseren van het gezuiverde water.

75

76

Onderzoeksrapport

Voorzorgen helofytenfilter Het helofytenfilter is een ecologische en levende vorm van zuivering. Een helofytenfilter legt dan ook een deel van de verantwoordelijkheid voor het goede functioneren bij de gebruiker. In het bijzonder aardolieproducten, ontsmettingsmiddelen, ontstoppingsmiddelen en chloor kunnen schadelijk zijn voor de werking van het filter. Deze dienen dan ook vermeden te worden. Een beperkte hoeveelheid chloor is voor het rietveld niet schadelijk. Toch is het beter om chloorvrije middelen te gebruiken, voornamelijk bij het schoonmaken van het toilet. De werking van de septic tank zou anders te veel verstoord worden. Dit betekent in de praktijk dat er veel vaker slib uit de septic tank verwijderd zou moeten worden. De meeste normale wasmiddelen zijn gewoon bruikbaar. Ze worden in het helofytenfilter goed afgebroken. De werking van het rietsysteem wordt bevorderd wanneer milieuvriendelijke schoonmaakmiddelen gebruikt worden. Uitvoering helofytenfilter De berekening van de capaciteit, het ontwerp en de aanleg van het helofytenfilter dient te gebeuren door een erkende aannemer, die is aangesloten bij de Coöperatie IBA-installateurs (voor het aanleggen van KIWA-gecertificeerde helofytenfilters) zodat het door de autoriteiten wordt goedgekeurd en er volgens de wet geloosd mag worden op het oppervlaktewater. Om aan te geven waar rekening mee moet worden gehouden, op het gebied van oppervlakte, maken we wel een berekening van een helofytenfilter voor het informatiecentrum. Verder zullen we de capaciteit van de pomp en de opvangputten behandelen. Helofytenfilter Voor het helofytenfilter gaan wij uit van een te zuiveren hoeveelheid water van ruim 1400 liter per dag. Zoals eerder berekend wordt er 981,7 liter water per dag of 6871,9 liter per week verbruikt en de hoeveelheid te zuiveren water in het informatiecentrum staat nagenoeg gelijk aan de hoeveelheid water die in het informatiecentrum verbruikt wordt. Immers nemen we alleen het gedeelte voor koffie, thee of water in het lichaam op, de rest van het water spoelen we na gebruik door het toilet, de was- of douchebak. Van die 981,7 liter moet het gebruik voor consumptie van worden afgetrokken en een hoeveelheid urine van de toiletgebruikers bij worden opgeteld. Ook moet het opgevangen regenwater hierbij worden opgeteld. De gemiddelde hoeveelheid urine per persoon is 1,5 liter per dag (bron: de werking van nieren; www.infonu.nl). Zoals te zien is in figuur 9 tapkraan pantry is 1,2 liter voor koffie en thee en 0,6 liter voor water drinken per persoon per dag. Hetzelfde uitgangspunt als voor de berekening van het verbruik van water nemen we voor de berekening van het te zuiveren water. 10 personen gedurende 4 dagen per week op de tijdelijke camping en elke dag 20 personen gedurende 4 uur per dag in het informatiecentrum, waarbij 8 uur voor slapen en 16 uur voor afvalwater productie wordt gerekend. Voor de consumptie


van water betekent dit (1,8/4)*20*7 = 63 liter per week. De bezoekers van de tijdelijke camping consumeren geen water van het informatiecentrum. Voor de productie van urine betekent dit (1,5/4)*20*7 = 52,5 liter per week voor de bezoekers van het informatiecentrum en 1,5*10*4 = 60 liter per week voor de bezoekers van de tijdelijke camping; dus een totaal van 112,5 liter per week (of 16 liter per dag). De omgekeerde osmose filter levert 20% van zijn aanvoerwater als afvalwater, dat neerkomt op (110,5*7) = 773,5 liter per week. Het opgevangen regenwater bedraagt 2278 liter. Per week moet er daarmee (6871,9 - 63) + 52,5 + 60 + 773,5 + 2278 = 9972,9 liter water gezuiverd worden, dit is 1424 liter per dag. De grootte van de filter hangt af van de hoeveelheid te zuiveren water. Per persoon wordt een oppervlakte van 3-5m2 filter voorgeschreven bij het gebruik van een helofytenfilter voor huishoudelijk afvalwater. In Nederland verbruikt een persoon gemiddeld 127,5 liter water per dag (Bron: ’Watergebruik thuis 2007’ C6026 van de TNO NIPO), wat daarmee zou neerkomen op 5m2/127,5 = 0,03922 m2 filter per liter water. De grootte van de filter komt daarmee op 0,03922 x 1424 = 55,85 m2. Deze berekening is een benadering omdat er in het informatiecentrum geen kleding wordt gewassen en geen maaltijden worden bereidt, wat er wel wordt gedaan in het gemiddelde van 130 liter water per dag. Dit betekent dat het filter eerder te groot dan te klein is. Voor het helofytenfilter gaan wij uit van een oppervlakte van 50m2. De pomp en de pompputten Voor een optimale zuivering moet het opgebrachte water goed verdeeld worden over het filteroppervlak. Dat gebeurt met een netwerk van sproeibuizen die verdeeld over het filter lopen. De pomp moet het water uit de pompput in de sproeibuizen pompen en genoeg capaciteit hebben om uit alle gaatjes in de sproeibuizen even veel water te laten stromen. De capaciteit van de pomp moet minstens 1424L / (60*24) = 0,989L per minuut zijn. Hiervoor hebben wij de vuilwaterpomp Shurflo piranha 12 V gekozen met een capaciteit van 26L per minuut. Met deze ruime capaciteit moet hij genoeg druk kunnen leveren om het water gelijkmatig in de sproeibuizen te verdelen. De pompput voor het helofytenfilter is om het te zuiveren water te verzamelen, zodat het door de pomp geleidelijk over het filter verdeeld kan worden. Het is aan te raden de capaciteit van deze pompput af te stemmen op de gemiddelde hoeveelheid aanvoer van 2 tot 3 dagen. In het geval van een storing in de pomp of de elektriciteit is er zodoende een paar dagen tijd om de storing te verhelpen voordat deze pompput vol is. De capaciteit moet daarom tussen de 3000 en 4500 liter zijn. De pompput na het helofytenfilter dient als opslag van het gezuiverde water. De capaciteit van deze pompput dient even groot te zijn als de eerste pompput zodat je een voorraad kan opbouwen in het geval dat er meer dan gemiddeld vraag naar water is of voor

77

78

Onderzoeksrapport

periodes met weinig neerslag. Deze pompput moet voorzien worden van een afvoer voor lozing op het oppervlaktewater in het geval dat de pompput vol is.


Conclusie Het is technisch haalbaar om het informatiecentrum te voorzien van alternatieve systemen op het gebied van elektriciteit, warm & koud wateraanvoer en waterafvoer zodat het geheel zelfvoorzienend is. Om tot deze conclusie te komen is er eerst onderzocht wat de benodigde capaciteit is voor elk van de genoemde punten. Het uitgangspunt voor deze onderzoeken is steeds dezelfde namelijk dat het informatiecentrum elke dag 4 uur lang gebruikt wordt door groepen van 20 personen. De bezoekers van de tijdelijke camping kunnen 4 dagen per week de hele dag aanwezig zijn en maken alleen gebruik van de sanitaire ruimte van het informatiecentrum. Elektra Het is technisch mogelijk en uitvoerbaar om het informatiecentrum geheel zelfvoorzienend in de stroom behoefte uit te voeren. De benodigde capaciteit aan stroom betreft ruim 7 kWh per dag en kan door middel van een autonoom PV-systeem met 28 stuks PV-panelen opgewekt worden. Om de maanden met het minst aantal zonuren te overbruggen wordt er een accubank met laadstroomregelaar gebruikt met een capaciteit van 51,4 kW wat genoeg is om 7 dagen zonder zon te overbruggen. Het verdient echter de voorkeur om het informatiecentrum aan te sluiten op het elektriciteitsnetwerk als dit mogelijk is. Het enige voordeel van een autonoom systeem is dat je onafhankelijk van stroomuitval van het lichtnet bent. Het enige nadeel van een netgekoppeld systeem is dat je te maken hebt met aansluit-, transport- en leveringskosten van een energiebedrijf. De voordelen van een netgekoppeld systeem zijn: • • • •

Geen accubank en laadstroomregelaar en maar 9 in plaats van 28 PV-panelen, dus ook veel minder aanschafkosten. Het elektriciteitsnetwerk functioneert als accu; er is altijd genoeg stroom ‘’in voorraad’’. Indien er meer stroom wordt opgewekt dan dat er nodig is gaat dit niet verloren, maar kan door iemand anders gebruikt worden. Een aansluiting op het elektriciteitsnetwerk is een vereiste in het bouwbesluit waardoor hieraan voldaan wordt.

Water Het is technisch mogelijk en uitvoerbaar om het informatiecentrum geheel zelfvoorzienend in de behoefte aan warm en koud water uit te voeren. De benodigde capaciteit aan drinkwater betreft 981,5 liter per dag waarvan 371liter verwarmd moet worden. De aanvoer van water gebeurt door middel van de opvang van regenwater en recycling van het gebruikte water in een helofytenfilter. Een gedeelte van het water wordt door een omgekeerde osmose filter gezuiverd tot drinkwater. Het benodigde warme water wordt door een zonneboiler verwarmd. Op de dagen dat er te weinig zonuren voor het verwarmen

79

80

Onderzoeksrapport

van warm water zijn wordt het water elektrisch naverwarmd. Er zijn echter dagen waarop de zon geheel niet schijnt en alleen de elektrische naverwarmer het water moet verwarmen. Indien er gebruik wordt gemaakt van een autonoom PV-systeem moet er een voorziening komen, omdat de naverwarmer maar een beperkt aantal uur gebruikt mag worden, zodat de accubank genoeg capaciteit voor een aantal zonloze dagen overhoudt. Het nadeel hiervan is dat er in de wintermaanden dagen kunnen zijn met onvoldoende warm water. Waterafvoer Het is technisch mogelijk en uitvoerbaar om het informatiecentrum geheel zelfvoorzienend uit te voeren op het gebied van vuilwaterafvoer. Er wordt een helofytenfilter gebruikt met een oppervlakte van 50m2 wat genoeg is voor de benodigde capaciteit van circa 1400 liter per dag. Als de aanleg van het helofytenfilter gebeurt door een erkend aannemer, die is aangesloten bij de Coöperatie IBA-installateurs, wordt het door de autoriteiten goedgekeurd en mag er volgens de wet geloosd worden op het oppervlaktewater. In dat geval wordt er dus ontheffing verleend op de eis van het bouwbesluit dat het gebouw moet worden aangesloten op de riolering.


81

82

Onderzoeksrapport


Rapportage knelpunten Bouwbesluit Inleiding Gedurende het hele project zijn er punten naar boven gekomen die uitgevoerd moeten worden maar niet stroken met het Bouwbesluit. Om voor de opdrachtgever, en elk ander geinteresseerde, een duidelijk beeld te schetsen waar er conflicten optreden is er een rapportage van gemaakt, zodat duidelijk wordt waar rekening mee gehouden moet worden bij de bouw van dit autarkisch aardehuis.

Bouwfysica De EPC-eis voor het informatiecentrum is sinds 1 januari 2011 verlaagd naar 0,6. Hoewel er uit de berekening een waarde van 0,5 komt kunnen zich problemen aandoen bij het indienen van een omgevingsvergunning. Het programma is niet geschikt voor het berekenen van een gebouw dat passieve warmte als alternatief ‘’stooktoestel’’ gebruikt. Daardoor kun je in het EPCprogramma bij het tabblad verwarming bij “systeemrendement” geen waarde invoeren. Ook is er geen kwaliteitsverklaring van het “stooktoestel” bijgevoegd omdat deze niet bestaat. Verder is er ook geen kwaliteitsverklaring van de toegepaste TZ58/1800-30R collectoren gevonden. In plaats daarvan is er één toegevoegd van een gelijkwaardig product. Eventueel zouden deze collectoren gebruikt kunnen worden.

Nutsvoorzieningen Autarkie betekent zelfvoorzienend. Dit houdt in dat je zelf voor elektra, water toe- en afvoer zorgt. Het Bouwbesluit schrijft echter voor dat er een aansluiting dient te zijn voor gas, water, elektra en riolering. Op het gebied van riolering kan men een ontheffing krijgen als het gebruikte systeem IBA-erkend is. De eisen voor bovengenoemde zaken zijn in het Bouwbesluit terug te vinden in: • • • • •

Afdeling 2.7. Elektriciteits- en noodstroomvoorziening Afdeling 2.9. Gasvoorziening Afdeling 3.18. Drinkwatervoorziening Afdeling 3.19. Warmwatervoorziening Afdeling 4.16. Opstelplaats voor een stooktoestel

83

84

Onderzoeksrapport


Bijlage Bijlage 1: - RC-waarde Pavatex producten Bijlage 2: - Specificatie schuimbeton Bijlage3: - EPC-berekening Bijlage 4: - Specificatie TZ58/1800-30R collectoren (toegepaste collectoren) Bijlage 5: - Specificatie Rivusol S200 30T Bijlage 6: - Kwaliteitsverklaring Rivusol S200 30T Bijlage 7: - Bescherming tegen geluid van buiten, tabel 3.1 Bijlage 8: - Daglicht, tabel 3.133

85

86

Onderzoeksrapport


Bijlage 1 -

RC-waarde Pavatex producten

87

88

Onderzoeksrapport


Bijlage 2 -

Specificatie schuimbeton

89

90

Onderzoeksrapport


Bijlage 3 -

EPC-berekening

91

92

Onderzoeksrapport


Bijlage 4 -

Specificatie TZ58/1800-30R collectoren (toegepaste collectoren)

93

94

Onderzoeksrapport


Bijlage 5 -

Specificatie Rivusol S200 30T

95

96

Onderzoeksrapport


Bijlage 6 -

Kwaliteitsverklaring Rivusol S200 30T

97

98

Onderzoeksrapport


Bijlage 7 -

Bescherming tegen geluid van buiten, tabel 3.1

99

100

Onderzoeksrapport


Bijlage 8 -

Daglicht, tabel 3.133

101

1 Onderzoeksrapport. Onderzoeksrapport. Datum 21 januari Studenten Leif Lachmann Sebastiaan Rodenhuis

Recommend Documents