1

Hoofdstuk 15

Air-conditioning systemen Inleiding De eerste airconditioning systemen, die gebruik maakten van een centraal gestuurde installatie, leverden enkel warme lucht voor comfort en ventilatie en gebruikten relatief eenvoudige leidingsystemen en regelsystemen. Denken we hierbij maar aan een inrichting voor centrale verwarming in een woning, die in essentie niets meer is dan dit. Indien lucht als warmtedragend medium wordt gebruikt is deze tevens geschikt om te zorgen voor de nodige ventilatie. Binnenluchtkwaliteit (E: indoor air quality, IAQ) dient namelijk ten allen tijde te worden verzorgd, al is het maar om het gebouw van voldoende zuurstof te voorzien. Indien water wordt gebruikt als warmtedragend medium moet op een andere wijze worden voorzien in ventilatie. In veel gevallen gebeurt dit dan door het openen van ramen en deuren in een woning. Vaak is in ons klimaat enkel verwarming nodig om voor voldoende comfort te zorgen. Door het toevoegen van koeling, luchtbevochtiging en -ontvochtiging, werd het mogelijk om in alle klimaattypes te voldoen aan comforteisen. Door de geconditioneerde ruimte onder te verdelen in zones die zijn voorzien van individuele thermostaten, werd een beter comfort gerealiseerd, zelfs als de ene zijde van een gebouw koeling nodig had en een andere zijde verwarming. Gebruikers van gebouwen zijn met de tijd veeleisender geworden en door het beschikbaar komen van meer gesofistikeerde apparatuur kan aan die verwachtingen worden voldaan. In de laatste jaar gaat naast aandacht naar comfort, ook veel aandacht naar binnenluchtkwaliteit, energiebesparing, milieu-impact en –integratie en de kosten/baten van dergelijke systemen. De introductie van computers, heeft ook in het ontwerp van HVAC-installaties een belangrijke impact gehad. Er is software ter beschikking voor gebouwensimulatie, waarmee verwarmingsen koelnoden van gebouwen nauwkeurig kunnen worden bepaald, rekening houdend met buitenklimaat, bezonning, oriëntatie, … . Deze programma’s laten ook toe op correcte wijze de HVAC-installatie te dimensioneren (warmtewisselaars, piping, koelmachines, …) en het gedrag ervan te bestuderen tijdens het gebruik ervan. Tenslotte worden computers ook ingezet in de regeling en controle van HVAC-installaties. Heden ten dage zijn moderne gebouwen uitgerust met een gebouwenbeheersysteem dat in staat is het vereiste comfort en binnenklimaat te realiseren in functie van de vraag van de gebruikers, buitenklimaat en energiegebruik. HVAC-systemen vertonen in grote mate veel gelijkaardige componenten ook al kunnen ze vaak verschillen qua fysisch uitzicht en opstelling/schikking. Ze kunnen ook vaak verschillen in de wijze waarop ze worden gecontroleerd en uitgebaat. HVAC-systemen worden opgedeeld op de wijze waarop ze worden gecontroleerd en hun specifieke schikkingen.

XV/1

In wat volgt zal worden ingegaan op de belangrijkste elementen en componenten, types en hoe HVAC-installaties worden gebruikt om aan comfortnoden van mensen in gebouwen te voldoen, alsook aan de economische aspecten daarvan.

15.1 De opbouw van een volledige HVAC-installatie Figuur 15.1 toont de belangrijkste onderdelen van HVAC-systemen. In de rechter bovenhoek van de figuur staat het eigenlijke hart van de installatie. Deze kan op zeer verschillende wijzen worden uitgevoerd, zoals later zal worden besproken. Dit deel echter staat in voor de verwarming, koeling, be- of ontvochtiging, distributie en reiniging en verversing van de lucht die wordt toegeleverd aan verschillende zones van het gebouw. Merk op dat dit systeem in staat is verse lucht aan te zuigen, lucht te behandelen en lucht af te voeren. Er zal een koelend fluïdum (E: cooling fluid) nodig zijn om de koelbatterij (E: cooling coil) in de luchtbehandelingsinstallatie te koelen (van ‘koude’ te voorzien). Dit kan een vloeistof of een vloeistof/gasmengsel zijn, meestal een koelmiddel of koelstof (E: refrigerant / coolant) genoemd. Meestal wordt echter een vloeistof gebruikt in de praktijk. Deze koelmiddelen worden op hun beurt gekoeld door een koelmachine (E: chiller). In deze koelmachine wordt warmte afgestaan aan de omgeving, door gebruik te maken van een koeltoren (waterkoeling van de condensor) of via een direct luchtgekoelde condensor (twee onderste delen van figuur 15.1). Er worden pompen gebruikt om het koelmiddel te verplaatsen en de koelmachine hoeft zich niet op dezelfde plaats te bevinden als de luchtbehandelinginstallatie.

Figuur 15.1. Algemene vorm van een HVAC-systeem

XV/2

Warmte moet eveneens worden aangevoerd aan het verwarmingselement (E: heating coil) in de luchtbehandelingsbatterij. De warmte wordt meestal vrijgesteld door warm water of stoom geleverd door een ketel op een andere plaats. De brandstof kan aardgas, stookolie, kolen of zelfs hout zijn. De warmte wordt in sommige gevallen geproduceerd uit restwarmte van een motor of proces (WKK) of uit elektrische energie (weerstand (zelden of nooit !) of warmtepomp). Bevochtiging gebeurt door de injectie van water met een sproeier of door de injectie van stoom, die wordt gegenereerd in een apart toestel.

15.2 Het luchtbehandelingsysteem en verdeelnet Het ontwerp van een centraal HVAC-systeem houdt de bepaling in van de verschillende te conditioneren zones en hun vereisten, alsook het type en locatie van de installatie. In een gebouw wordt meestal plaats voorzien in de kelder, op het dak of in een daartoe ontworpen ruimte centraal in het gebouw. In alle gevallen spreekt men van de technische ruimte van het gebouw. Een zone is een geconditioneerde ruimte die onder controle staat van één enkele thermostaat (E: thermostat). Dit is een regelapparaat dat de ruimtetemperatuur meet en een correctiesignaal stuurt als deze temperatuur niet binnen het vereiste bereik valt. In sommige gevallen kan de luchtvochtigheid eveneens gecontroleerd worden met een humiditiestaat. Om een correcte werking van de thermostaat te verzekeren moet de ruimte die onder controle staat over een homogene temperatuursverdeling beschikken, omdat de temperatuur slechts op 1 punt wordt gemeten. De temperaturen variëren in realiteit altijd in een zone. De thermostaat moet dan ook zorgvuldig worden opgesteld, zodat geen storende invloeden worden gemeten (zoals b.v. zonnestraling,…) en de thermostaat een temperatuur meet die dicht bij het gemiddelde in de zone is gelegen. Uniforme temperatuursverdelingen worden meestal gemeten in grote open ruimtes met weinig invloeden van buitenaf (warmteverliezen of -intrede), zoals theaters, auditoria, grootwarenhuizen en publieke plaatsen. In grote kantoorgebouwen zijn de zones vaak ook vrij uniform als er voor gezorgd wordt dat maatregelen genomen worden voor lokale warmtebronnen zoals computers en machines. Variaties in een zone kunnen worden opgevangen door variatie van inblaasluchttemperatuur of -debiet. Ruimtes die aan strenge eisen van temperatuur, luchtvochtigheid of luchtkwaliteit moeten voldoen, worden meestal ontworpen als een aparte zone binnen het geheel van het gebouw en voorzien van eigen HVAC-apparatuur en regeling. In fabrieken of grote kantoorgebouwen is niet alleen een multi-zone aanpak nodig, maar zijn ook vaak meerdere installaties nodig. Bij gebouwen met veel verdiepingen bedient een installatie vaak slechts twee verdiepingen. Voor grote installaties, zoals op campussen, militaire bases en onderzoeksterreinen wordt vaak een grote centrale geplaatst die voorziet in koud en warm water of stoom, die via een (vaak ondergronds) leidingnetwerk wordt verdeeld naar de verschillende gebouwen. Aangezien niet alle gebouwen op ieder moment hun maximaal vermogen vragen, zal de centrale kleiner zijn dan de som installaties die op de aparte gebouwen zouden worden geplaatst. Dit geeft aanleiding tot het concept van diversiteitsfactor (E: diversity factor), de verhouding van het werkelijk maximaal gevraagde vermogen van een systeem, tot de som van de maximale vraag van de individuele delen van de installatie. Bij grote installatie met een lage diversiteitsfactor zal de centrale een veel kleiner geïnstalleerd vermogen hebben, en dus een lagere investeringskost met zich mee brengen. Daar komt bij dat er een hoger rendement zal zijn (de machine zal meer op vollast draaien) en lagere onderhoudskosten. Het is dus duidelijk dat economische overwegingen steeds meespelen in het ontwerp van installaties. Door de stijgende energiekost krijgen nieuwe technologieën steeds meer aandacht en stapt men af van standaardoplossingen. De meeste nieuwe installaties zijn dan ook

XV/3

maatwerk, waarbij de installatie, energiezuinigheid en milieu-impact worden geïntegreerd in een totaal gebouwenontwerp. Door de multidisciplinaire aanpak van het ontwerp wordt de nood voor samenwerking tussen architect en installatie-ingenieur aangevoeld. Voor kleine installaties wordt het transport van warmte of koude vermeden, omdat de verliezen voor transport in verhouding belangrijk worden. Zo zal men warmte toeleveren met direct gestookte radiatoren en koude via elektrische chillers. Voor grote installaties zal men water of stoom als transportmiddel gebruiken, omdat lucht een lager densiteit heeft in verhouding tot zijn warmtecapaciteit, waardoor leidingdiameters zeer groot worden en ventilatoren grote verbruiken zullen hebben. Bij gebruik van water moet echter ook een extra warmtewisselaar worden voorzien, wat extra verliezen met zich meebrengt. Voor grote commerciële gebouwen worden meestal beide wijzen van transport gebruikt. In een centrale wordt warm en koud water geproduceerd, wat naar de installatie wordt gevoerd, die geconditioneerde lucht produceert. Deze lucht wordt dan naar de lokalen gebracht via leidingen met lucht.

15.3 Centrale, mechanische apparatuur Van zodra de noden van de gebruiker zijn bepaald, zones gedefinieerd en de warmte- en koudelasten zijn bepaald, en het type van de installatie werd gekozen, kan de ontwerper beginnen met de schikking en dimensionering van de verschillende onderdelen van de installatie. De apparatuur moet voldoen aan: de juiste vermogens en afmetingen, onderhoudbaarheid en eenvoudig in gebruik en controle. Energiezuinigheid, onderhoudskosten en investeringen moeten in overweging worden genomen. Leidingnetwerken zijn van groot belang in een installatie. Andere belangrijke componenten zijn: luchtbehandeling en ventilatoren, verwarmingsapparatuur, koelmachines, pompen en controleapparatuur. Inzicht in deze onderdelen zal het begrijpen van verdere hoofdstukken eenvoudiger maken.

15.3.1 Luchtbehandeling De meeste componenten die werden aangegeven in figuur 15.1 zijn beschikbaar in modulaire vorm zodat ze kunnen worden geassembleerd ter plaatse. Bovenaan rechts in figuur 15.1 wordt een eenvoudig schema weergegeven van een luchtbehandelingmodule. De ventilator bevindt zich stroomafwaarts van de warmtewisselaars. Dit type is een aanzuigtype (E: draw through module). Figuur 15.2 toont een typische uitvoering. Als verschillende zones moeten worden bediend door een enkele luchtbehandelinginstallatie, kunnen de verwarmings- en koelbatterij in parallel worden opgesteld zoals getoond in figuur 15.3. Als de ventilator zich stroomopwaarts van de batterijen bevindt, spreken we van een blaastype (E: blow through setup). Figuur 15.4 toont een foto van een multi-zone blaas configuratie. De interne componenten van een luchtbehandelingbatterij zijn koelbatterij, verwarmingsbatterij en eventueel een voorverwarmingsbatterij. Meestal zijn dit vin-type warmtewisselaars, zoals getoond in figuur 7.11. De luchtbevochtiging is meestal een stoombevochtiger zoals getoond in figuur 15.5. Ventilatoren zijn typisch van het centrifugale type zoals getoond in figuur 15.6. Alle eenheden dienen te worden voorzien van filters. Figuur 15.7 toont deze. Leidingen om lucht te verdelen over een gebouw zijn uniek voor ieder gebouw. Ze moeten voldoen aan de eisen dat ze geluidloos en zo economisch mogelijk lucht toeleveren aan de zones. De leidingen zijn verantwoordelijk voor een aanzienlijk energieverbruik. Goed ontwerp is

XV/4

nodig. Tevens is integratie met het geheel van het gebouwontwerp onontbeerlijk om b.v. (dure!) wijzigingen achteraf te vermijden.

Figuur 15.2. Aanzuig (extractie) ventilator module

Figuur 15.3. Basisschema luchtbehandelingsinstallatie

XV/5

Figuur 15.4. Multi-zone pulsiegroep

Figuur 15.5. Stoombevochtiger

Figuur 15.6. Radiale ventilator

XV/6

Figuur 15.7. Filterelement

15.3.2 Verwarmingseenheden Ketels Een ketel wordt gedefinieerd als een drukvat dat wordt ontworpen om warmte aan een fluïdum (water, stoom of thermische olie) te leveren. Er worden steeds leidingen voorzien om dat fluïdum naar een gebruiker te brengen en dit vervolgens terug te leiden (vertrek en retour leiding genaamd). Ketels worden geklasseerd volgens vermogen, druk, temperatuur, brandstoftype vorm en afmetingen, analoog als vroeger besproken voor stoomketels. Warmwater of thermische olieketels zijn in principe op dezelfde wijze uitgevoerd als stoomketels. In een centrale warmtewisselaar wordt een brandstof verbrand die door straling en convectie zijn warmte overdraagt aan het fluïdum. Bijzonder bij warmwaterketels is het typische werkingsgebied. Oudere ketels werken met een vertrektemperatuur van 90°C. De verwarmingselementen in de luchtbehandeling of het gebouw koelen het water naar 70°C, de retourtemperatuur. In de ketel is een aquastaat voorzien die de brander start zodra de retourtemperatuur beneden deze waarde ligt. Moderne ketels werken met lagere temperaturen: 70°C – 50°C en 50°C – 30°C. Men spreekt dan respectievelijk van lage-temperatuur ketels en condenserende ketels. Deze ketels beschikken over een hoger rendement, waardoor ze meer en meer toepassing vinden. Het principe van het ontwerp van de warmtewisselaar steunt erop de warmtewisselende oppervlakte zo groot te maken dat de rookgassen maximaal worden afgekoeld. Condenserende ketels koelen de rookgassen tot beneden het dauwpunt, waardoor het water in de rookgassen condenseert en de verdampingswarmte ervan wordt vrijgesteld voor het water. Hiervoor moet dus de retourtemperatuur beneden het dauwpunt van de rookgassen liggen. Dit is voor aardgas ongeveer rond de 45°C, voor stookolie rond 40°C. Daar het rendement van een ketel traditioneel wordt uitgedrukt door de verhouding van de overgedragen warmte tot de onderste verbrandingswaarde zal een condenserende ketel rendementen van 107 % halen. Dit is geen weergave van de fysische realiteit zoals we als ingenieur gewoon zijn te gebruiken voor rendementen. Correcter zou zijn de bovenste verbrandingswaarde te gebruiken. De conventie is echter zo ingeburgerd, dat wijziging nog enige tijd op zich zal laten wachten. Intussen zien we

XV/7

dus rendementen boven 100 % opduiken. Recent werd ook voor stookolie de condenserende ketel op de Belgische markt geïntroduceerd. Er bestaan zeer veel verschillende uitvoeringsvormen, afhankelijk van de constructeur. Ketels voor residentiële vermogens zijn bijzonder compact uitgevoerd. Voor grote installaties zien we ketels opduiken die sprekend lijken op vuurgang-vlampijp stoomketels. Figuur 15.8 toont zo een ketel, voor warmwatertoepassingen uitgevoerd.

Figuur 15.8. Hoogvermogen warm water ketel

Luchtverhitters, radiatoren, convectoren Voor kleine gebouwen en grote fabriekshallen wordt in de plaats van een centraal systeem vaak eenheden gebruikt waarin brandstof direct wordt verbrand om lucht te verwarmen. We spreken dan van luchtverhitters. Deze zijn geïntegreerde eenheden waarin een ventilator wordt geplaatst voor de warmtewisselaar zodat direct warme lucht wordt ingeblazen. Regeling gebeurt vaak direct met een thermostaat in de zone. In kleinere gebouwen wordt warm water toegevoerd aan verwarmingselementen opgesteld op de grond in de zone. We spreken hier van plaatradiatoren, wanneer de warmteoverdracht door straling en convectie plaat vindt. Radiatoren geven een zeer goed comfortgevoel omdat ze de gebruikers op zeer directe wijze voorzien van warmte. Convectoren zijn elementen die door natuurlijk convectie warmtetransport realiseren. Ze bestaan uit gevinde buizen, waarrond lucht stroomt. Als ze bovengronds worden opgesteld worden ze voorzien van een kast, zodat een goed schouweffect wordt bekomen gecombineerd met een esthetisch uitzicht. Put-convectoren worden in de vloer geplaatst en nemen daardoor minder ruimte in. Convectoren hebben het voordeel dat ze een meer egale ruimtetemperatuur realiseren.

XV/8

15.3.3 Koeleenheden Koeleenheden vormen een essentieel onderdeel van HVAC-groepen. Koeltechniek wordt vaak als een vak apart beschouwd, maar integratie dringt zich meer en meer op. De belangrijkste onderdelen van een koelmachine zijn de verdamper, compressor, expansieventiel en condensor. Koeling van de condensor gebeurt met lucht of met een koeltoren. De compressor is de aangedreven machine van de koelmachine en verbruikt energie. Koelmachines worden dan ook geklasseerd volgens het type van compressor dat wordt gebruikt. Een tentatieve opdeling staat hieronder: 1. 2. 3. 4.

Zuigercompressor: 50 W tot 110 kW Scroll compressor: 3.5 kW tot 5.3 kW Schroefcompressor: 350 kW tot 3500 kW Centrifugale compressoren: boven 350 kW, voor grote vermogens.

Compressoren bestaan in verschillende uitvoeringen en aandrijvingen: elektrisch, gas- of dieselmotoren, gas- of stoomturbines. Vaak wordt de compressor samengebouwd met de aandrijving en de condensor samen met de nodige regelapparatuur. Deze eenheid is dan ter beschikking voor installatie op een afstand van de verdamper, die samen met de klep wordt samengebouwd. (zie figuur 15.9).

Figuur 15.9. Buiteneenheid (compressor-condensor) van een grote koeleenheid

Chillers koelen water of een ander medium (water-glycol oplossing, pekel, …) wat op zijn beurt gebruikt wordt om de koelbatterij te koelen. Chillers bestaan ook uit vele vormen en afmetingen, variërend van 3 ton tot 1000 ton. Kleinere eenheden gebruiken scroll compressoren met luchtgekoelde condensors, grote eenheden gebruiken centrifugale of schroefcompressoren en koelwater (uit rivier of koeltoren). Figuur 15.10 toont een grote centrifugale chiller. Er bestaan ook absorptiekoelmachines, die beschikbaar zijn in grote vermogen van 150 kW tot 5 MW. Ze worden meestal verwarmd met stoom of warm water. Vaak worden ze gebruikt in combinatie met centrifugale compressoren aangedreven door stoomturbines. Stoom die de turbine verlaat wordt dan gebruikt om de absorptiekoeling aan te drijven. Absorptiekoeling is enkel verantwoord als restwarmte beschikbaar is uit één of ander proces. Elektrisch

XV/9

aangedreven compressoren hebben heden te dage zo hoge COP’s dat ze in het geheel efficiënter zijn dan absorptiekoeling.

Figuur 15.10. Centrifugale chiller

Om warmte te verwijderen uit watergekoelde condensors wordt meestal contact met de atmosfeer gebruikt. Dit wordt gerealiseerd met mechanisch aangedreven koeltorens of koeltorens met natuurlijke trek. Airconditioning eenheden gebruiken kleine koeltorens van 5 tot 500 ton (17 tot 1700 kW) tot middelgrote koeltorens van 2000 tot 4000 ton (7 tot 14 MW). Een voorbeeld van de aangedreven koeltoren is te zien in figuur 15.11. Waterbehandeling is noodzakelijk voor een goed bedrijf en koeltorens die het hele jaar door werken moeten worden beschermd tegen bevriezing.

Figuur 15.11. Koeltoren

XV/10

15.3.4 Pompen en leidingen Centrifugale pompen zijn het meest in gebruik in HVAC-installaties. Ze worden ingezet voor alle vloeistoffen: koud en warm water, condensaat, brandstof, … . Airconditioning systemen kunnen worden opgedeeld in twee delen, leidingnetwerken voor de technische ruimte (primair systeem) en leidingen nodig in het gebouw voor de toelevering van warmte of lucht (secundair systeem). Het primaire systeem bestaat uit brandstofleidingen, koelmiddelleidingen, stoom- en waterleidingen.

15.3.5 Regelsystemen en instrumentatie Aangezien de verwarmings- en koelbehoeften variëren in de tijd in een gebouw, zijn er regelsystemen nodig om de output van de HVAC-installatie te controleren. Een HVAC systeem is meestal gedimensioneerd om de maximale vraag aan te kunnen, maar in het merendeel van de tijd zal het werken in deellast. Een goed ontworpen regelsysteem zal de gewenste binnenluchtkwaliteit en comfort verzekeren met een minimale levenscycluskost. Regelsystemen kunnen elektrisch, pneumatisch of elektronisch zijn, of ze kunnen onafhankelijk zijn, zodat geen externe krachtbron nodig is. Moderne uitvoeringen maken gebruik van directe digitale regeling. Door de in gebruik name van computers zijn de mogelijkheden van de regelsystemen sterk toegenomen en kan aan veel eisen tegelijk worden voldaan. In deze spreekt men nu van gebouwenbeheersystemen. Hiermee is het niet alleen mogelijk de nodige regelacties te ondernemen. Het systeem laat ook toe data te loggen die kunnen gebruikt worden voor opvolging van het gebouwgedrag en het energiebeheer van het gebouw te verzorgen. Alle regelsystemen (zelfs de zeer eenvoudige) hebben drie onderdelen: een sensor, een regelaar en een geregeld toestel. Beschouw bijvoorbeeld een luchttemperatuurcontrole na een verwarmingsbatterij (figuur 15.12). De positie van de controleklep bepaalt het debiet warm water door de warmtewisselaar. Als het warm water door de warmtewisselaar stroomt, wordt de lucht (met verondersteld constant debiet) verwarmd. Een temperatuursensor meet de temperatuur stroomafwaarts van de warmtewisselaar. Deze sensor stuurt een signaal (spanning, stroom of weerstand) naar de regelaar die hierop reageert. De regelaar heeft een gegeven instelpunt (E: set-point), die gelijk is aan de gewenste temperatuur van de lucht na de batterij, en vergelijkt de meetwaarde hiermee. Afhankelijk van de grootte van dit verschil zal de regelaar een signaal sturen naar de klep (= het geregeld toestel). Regelacties kunnen worden geklasseerd als: twee-positie of aan/uit (E: on/off control) systemen, tijdsgestuurde aan/uit systemen, vlottende regeling (E: floating control) en modulerende regeling.

XV/11

Figuur 15.12. Regeling van een verwarmingsbatterij

Twee-positie of aan/uit regeling is de eenvoudigste en meest voorkomende wijze van regelen. Voorbeelden zijn een elektrische verwarming die aan/uit wordt geschakeld door een thermostaat of een pomp die wordt aan/uit geschakeld met een drukschakelaar. Om oscillaties door te snel schakelgedrag te vermijden, moet er een verschil zijn tussen de bovenste en onderste waarde waarbij de schakelaar van positie veranderd. Figuur 15.13 illustreert dit. Merk op dat de werkelijke variatie van de variabele (operating differential) groter is dan de regelactie (control differential), dit door het feit dat het systeem reageert met een zekere traagheid op de regelvariabele. Figuur 15.14 toont de regelactie als de controle als vlottend wordt geconstrueerd. Bij deze actie kan het geregelde toestel op ieder punt in zijn beweging worden gestopt en omgekeerd. De regelaar heeft een neutraal gebied waarbij geen signaal naar het geregeld toestel wordt gestuurd, wat op dat moment zich in een vlottende positie bevindt. De te regelen variabele moet een snelle respons hebben op het regelsignaal opdat deze regeling effectief zou zijn.

XV/12

Figuur 15.13. Aan/uit regeling

Figuur 15.14. Vlottende regeling

Modulerende actie is getoond in figuur 15.15. Hier kan het signaal van de regelaar variëren van 0 tot oneindig. Het geregelde toestel zal een positie instellen in overeenstemming met zijn eigen bereik en de output van de regelaar. Het regelbereik (E: throttling range) is het variatiegebied van de regelvariabele om het geregelde toestel over zijn volledig bereik te variëren. Figuur 15.16 toont de typische variatie voor een koelsysteem gecontroleerd door een thermostaat. In dit geval is dit het temperatuurgebied waartussen de thermostaat minimale koeling tot maximale koeling vraagt. De werkelijke waarde van de regelvariabele is het controlepunt (E: control point). Het systeem wordt onder controle (E: in control) genoemd als het controlepunt in het regelbereik ligt. Het verschil tussen de wenswaarde en het controlepunt is de offset. De volle lijn in figuur 15.16 wordt de Directe Actie (DA) genaamd, omdat een stijging in temperatuur een stijging in gevraagd koelvermogen betekent. De streeplijn is de Reversed Action (RA), waar een stijging in temperatuur een daling in controle variabele veroorzaakt, b.v. bij een verwarming.

Figuur 15.15. Modulerende regeling

XV/13

Figuur 15.16. Regeling van een koeler

Proportionele regeling leidt vaak tot instabiel regelgedrag en een zekere offset van de regelaar. Daarom worden vaak PI regelaars ingezet, die meer stabiele regeling, zonder offset garanderen. Omdat thermische systemen traag reageren op regeling, zijn PID-regelaars, die snelle reactie toelaten, meestal niet nodig.

15.4 Volledige luchtsystemen (E: all-air system) Een volledig luchtsysteem voorziet in een volledige warmte en vochtcontrole in een gebouw door lucht te verspreiden over de geconditioneerde ruimtes. In een dergelijk systeem kan water gebruikt worden om warmte of ‘koude’ toe te voeren aan de luchtbehandelingsbatterij. Geen additionele koeling is nodig in de zones. Figuur 15.1 is een voorbeeld van zo een systeem. Het all-air systeem is geschikt voor alle types van airconditioning in gebouwen en voor comfort of arbeid. Het wordt gebruikt in gebouwen met een individuele controle die verschillende zones hebben, zoals kantoren, scholen, laboratoria, ziekenhuizen, winkels, hotels en zelfs schepen. Ook voor ruimtes die bijzondere eisen stellen aan luchtkwaliteit, worden dergelijke all-air systemen gebruikt: clean rooms, computerzalen, operatie kwartieren, … . Verwarming kan worden voorzien door middel van dezelfde luchtkanalen, door een apart verwarmingskanalensysteem met lucht of door een gescheiden wandverwarmingssteen gevoed met warm water of elektrisch. Veel commerciële gebouwen hebben geen verwarming nodig in het binnengedeelte van het gebouw, maar enkel verwarming nodig langsheen de omtrek om verliezen langs daar te compenseren. Gedurende deze gebruiksperiodes voorziet het luchtsysteem de nodige verse ventilatielucht in de centrale zone, terwijl het apart omtreksluchtsysteem voor verwarming van de perimeter zorgt. Verwarming gebeurt vaak met een variable-air-volume (VAV) systeem.

15.4.1 Eén-zone systeem Het eenvoudigste all-air systeem is een eenheid (E: air handler) die een enkele zone bediend. De eenheid kan ofwel in de zone worden opgesteld, ofwel buiten de zone, met of zonder leidingen. Een één-zone systeem reageert enkel op een set van ruimtecondities. Het gebruik is dus beperkt tot ruimtes waarin een relatief uniforme temperatuur wordt bereikt. Figuur 15.17 toont een schema van zo een air-handler, voor een één-zone, all air constant volume debiet systeem. De afkortingen in de figuur staan in Tabel 15.1. In dit geval regelt de thermostaat de ruimtetemperatuur door de temperatuur van de aangevoerde lucht te controleren. De uitblaasthermostaat (discharge thermostat) regelt de warmtetoevoer of -afvoer op de

XV/14

verwarmings- of koelbatterij op basis van de meting van de zonethermostaat. In normale operatie is de klep van de verwarmingsbatterij open (NO: Normal Open), en de zonethermostaat in directe actie, zodat toename van de zonetemperatuur resulteert in sluiten van de klep. De koudwaterklep is gesloten zolang er warmte wordt gevraagd. De klep zal openen naargelang de thermostaat aangeeft dat er meer koeling nodig is. De discharge thermostaat kan worden weggelaten, maar de respons is dan minder snel.

Figuur 15.17. Volledig luchtsysteem (1 zone systeem)

C CHR CHS DA DM DR FS HWR HWS LLT MPS NC NO P RA V

Controller; Motor Starter Chilled Water Return Chilled Water Supply Direct Acting Damper Motor Discriminator Relay Fire Safety Switch Hot Water Return Hot Water Supply Low Temperature Safety Motor Positioning System Normally Closed Normally Open Pressure Switch or Sensor Reverse Acting Coil for Solenoid Valve

Table 15.1. Afkortingen voor figuren 15.17 tot 15.21

XV/15

In dit geval waar de lucht wordt toegeleverd via een ventilator met vaste instelling, kan de hoeveelheid verse lucht worden bepaald door de instelling van de kleppen (dampers). De buitenluchtkleppen zijn voorzien van een elektrische motor die ze sluit als de ventilator afstaat en volledig opent als de ventilator draait. Zoals hier aangegeven zijn de kleppen voor recirculatie manueel ingesteld. Vaak zijn ze echter gekoppeld met de inlaatluchtkleppen en ventilator.

15.4.2 Herverwarming (E: Reheat) Herverwarming is een wijziging aan het één-zone systeem. Het doel is zone- of ruimtecontrole voor gebieden met ongelijke belasting of voor het leveren van warmte of koude aan perimeterzones met sterk variërende externe blootstelling of voor situaties waar strenge controle nodig is. Herverwarming slaat op het toevoegen van warmte in een secundaire fase, die wordt toegevoerd aan een ofwel voorgeconditioneerde lucht of recirculatielucht. Een eenvoudig lage druk reheat systeem wordt bekomen als een verwarmingsbatterij wordt toegevoegd aan de toevoerlucht van een zone. De meer gesofistikeerde systemen gebruiken een hoge druk leidingsysteem en druk reductie kleppen om betere balancering in de reheat zone te bekomen. Geconditioneerde lucht wordt geleverd via een centrale eenheid op een vaste koude lucht temperatuur, ontworpen om de maximale koellast te voldoen. De controlethermostaat activeert de reheat eenheid als de zonetemperatuur lager wordt dan de bovenlimiet van de controleinstrument instelling. Een typische voorstelling is gegeven in figuur 15.18. Om energie te besparen mag reheat enkel als echt nodig worden gebruikt. Op zijn minst moet de koude lucht temperatuur op een zo hoog mogelijke temperatuur worden ingesteld, zodat de koeleisen worden voldaan.

Figuur 15.18. Herverwarmingssysteem – economiser regeling

Figuur 15.18 toont ook een economiser opstelling waar buitenlucht wordt gebruikt voor koeling als de buitenluchttemperatuur voldoende laag is. Sensor T1 bepaald de positie van de kleppen en dus de aanzuiging van de verse lucht. De buitenluchtklep moet steeds een minimale openingsstand hebben om de luchtverversing te garanderen. Luchtvochtigheid kan in deze

XV/16

opstellingen echter een probleem vormen. Een humidistaat wordt vaak in de aanzuigleiding geplaatst om te vermijden dat buitenlucht niet wordt gebruikt als de buitenluchtvochtigheid te hoog is.

15.4.3 Variabel-volume systemen (VAV: Variable Air System) In een variabel volume systeem wordt het debiet van de toevoerlucht in een enkel kanaal aangepast aan de variatie van de belasting. Zonering is niet nodig omdat iedere ruimte wordt bediend door een regelbare uitlaat. Figuur 15.19 toont een schema.

Figuur 15.19. Variabel-volume-systeem

Een groot voordeel is de lage initiële kost en de lage operationele kost. De initiële kost van het systeem is veel kleiner dan deze van andere systemen, omdat enkelvoudige kanalen nodig zijn en een eenvoudige regeling aan de uitlaat ervan. Er zijn kleinere toestellen nodig als er een sterke variatie in de belasting is. Omdat het luchtdebiet wordt gereduceerd met dalende belasting, volgen de ventilatorvermogens en de koeling de airconditioningnood van het gebouw vrij dicht. Gedurende het tussenseizoen en de winter kan buitenlucht worden gebruikt voor koeling. Het systeem is tevens zelf-balancerend. In het verleden waren er twee redenen waarom VAV-systemen niet werden aangeraden voor gebouwen met belastingsvariaties van meer dan 20 %. Ten eerste kan het smoren van conventionele uitlaatroosters tot 50 à 60 % van hun maximaal ontwerpdebiet, leiden tot het verlies over de controle van de luchtbeweging in een kamer, met tocht tot gevolg. Ten tweede produceert smoring in roosters lawaai en het lawaainiveau neemt toe met de smoring. Verbetering van de roostertechnologie en de aërodynamische optimalisatie hebben echter sterk aan deze problemen verholpen, waardoor de VAV-technologie meer toepassingen kent. Heden ten dage kunnen deze systemen instaan voor perimetercontrole met smoring tot 10 % van het maximaal debiet.

XV/17

Hoewel in zekere mate verwarming mogelijk is, is het vooral een koelsysteem en dient VAV toegepast te worden in gebouwen waar gedurende het grootste deel van het jaar koeling noodzakelijk is. Gebouwen met grote interne lasten zijn hiervoor het meest geschikt. Een secundair systeem is nodig om warmte te voorzien in het winterseizoen in de perimeterzone. Vloer- of radiatorverwarming komen hiervoor in aanmerking. Gedurende de winter zorgt het VAV-systeem enkel voor licht opgewarmde verse lucht. Herverhitting kan worden gecombineerd met VAV, waarbij dan het luchtdebiet wordt gesmoord en dan herverhit. Een belangrijk aspect van VAV systemen is de ventilatorregeling. Snelheidsreductie met frequentieregeling leidt tot een vergaande energiebesparing. VAV-systemen met een kanaal dienen te worden ingezet in gebouwen waar ze maximaal gebruik maken van hun lage installatie- en operatiekost. Toepassingen bestaan in kantoren, hotels, appartementen en scholen.

15.4.4 Twee-kanaalsystemen In twee-kanaal systemen (E: dual-duct of double-duct) voorziet de centrale eenheid warme lucht door één kanaal en koude door een ander. De juiste temperatuur wordt gerealiseerd door de warme en koude stroom in de juiste verhouding te mengen (figuur 15.20).

Figuur 15.20. Twee-kanaal systeem

Voor de beste prestatie te bereiken zal een vorm van constant volume systeem dienen te worden gebruikt om voldoende luchttoevoer te garanderen. Zonder dit is het systeem moeilijk te controleren wegens de sterke variatie in statische druk die kan optreden. Veel twee-kanaalsystemen worden geïnstalleerd in kantoren, hotels, scholen, ziekenhuizen en grote laboratoria. Een gemeenschappelijk kenmerk van deze gebouwen is de sterk variërende latente warmtevraag. Deze systemen zijn in staat snelle variaties op te vangen en opeenvolgende temperatuursstijgingen als dalingen te controleren.

XV/18

Zonethermostaten kunnen eenmalig worden ingesteld om het hele jaar door de temperatuur te regelen. Bij koude buitencondities kan volledig gebruik gemaakt worden van buitenlucht om te koelen. Een twee-kanaalsysteem moet worden voorzien van een automatische reset, die de koude temperatuur instelt op de maximaal toelaatbare en de warme op de minimaal toelaatbare. VAV-systemen kunnen worden gecombineerd met twee-kanaalsystemen. Er worden meestal twee ventilatoren gebruikt in dit geval, één voor het warme en één voor het koude kanaal, beiden geregeld op het ladingsverlies in de leidingen. Vanuit het standpunt van energiezuinigheid is het twee-kanaalsysteem even nadelig als reheat. Deze systemen raken nu in onbruik, hoewel er vaak zijn geplaatst. Betere prestatie kan bekomen worden als een VAVsysteem wordt geïnstalleerd dat aan de individuele zones enkel of warme of koude lucht toelevert met tussenin een neutrale zone waar enkel buitenlucht wordt voorzien.

15.4.5 Multizone systemen Multizone systemen voorzien één leiding naar iedere zone, waarbij de gewenste luchttemperatuur wordt gemengd in de batterij zelf. Voor zones met vergelijkbare karakteristieken geeft dit systeem grotere flexibiliteit dan de één-kanaal systemen en een lagere kost dan twee-kanaal systemen. Het aantal zones dat kan worden bediend is echter beperkter. Typisch multizone systemen zijn vergelijkbaar met twee-kanaalsystemen, maar de twee luchtstromen zijn in verhouding vastgelegd in de centrale eenheid, in plaats van te worden gemengde per zone. Figuur 15.21 toont een dergelijk systeem. Het systeem conditioneert een groep van zones door middel van een blaasventilator die een verwarmings- en koelbatterij in parallel bevat.

Figuur 15.21. Multi-zone systeem

XV/19

Deze multizone blaassystemen hebben vooral hun nut bij locaties die hoge voelbare warmtenoden hebben bij lage ventilatienoden. Door de vele leidingen kan de initiële kost hoog zijn. Om goede regeling te bekomen zijn vrij grote koel- en verwarmingseenheden nodig, die eveneens duur zijn. Het gebruik van systemen met tegelijk koelen en verwarmen wordt heden ten dage ontraden door het hoge energiegebruik.

15.4.6 Lage temperatuur systemen Er bestaan systemen waarbij men ijs gebruikt om aan koude opslag te doen. Deze technieken gaven aanleiding tot het gebruik van lage temperatuur toevoerlucht. Deze lagere temperaturen laten kleinere debieten toe wat leidingdiameters en dus installatiekosten verkleint. Een tweede voordeel is de betere ontvochtiging die wordt bereikt in de koelbatterij. Lage temperatuur luchttoevoer kan wel leiden tot condensatie en lage luchtsnelheden in de ruimtes.

15.5 Lucht-en-water systemen In all-air systemen wordt enkel lucht gebruikt voor de koeling van zones. In lucht-en-water systemen wordt zowel lucht als water verdeeld over het gebouw om koeling te voorzien. In bijna alle dergelijke systemen worden zowel koeling als verwarming gerealiseerd door de lucht- of watertemperatuur te variëren (of allebei) om temperatuursregeling te voorzien over een heel jaar. Aangezien de densiteit en de warmtecapaciteit van water hoger is dan deze van lucht is voor een zelfde vermogen de sectie van de leidingen veel kleiner voor water, wat de te voorziene ruimte in het gebouw voor de leidingen sterk reduceert. Het lage luchtdebiet wordt meestal gecombineerd met hogesnelheidsmethoden voor luchtverdeling, om de ruimte verder te reduceren. Als het luchtsysteem wordt ontworpen om te voorzien in net voldoende verse lucht (exfiltratie ingesloten) kan het terugvoersysteem worden vermeden. Het vermogen nodig om water rond te pompen is aanzienlijk lager dan dat om lucht te verdelen. Dit systeem wordt algemeen toegepast in kantoren, scholen, hotels, ziekenhuizen, appartementen, onderzoekslaboratoria en andere gebouwen. Voor hoogbouw is de ruimtebesparing een bijkomend voordeel. De luchtzijde van dit systeem bevat een centrale behandelingseenheid, een leidingverdeelsysteem en een ruimtevoeler. De lucht wordt meestal toegevoerd met constant volume en wordt primaire lucht genoemd. Dit onderscheid het van de secundaire lucht, die wordt gecirculeerd over het verwarmingselement in de kamer. De waterzijde wordt gekenmerkt door de pomp en de leidingen die het water naar de ruimte voert. De warmtewisselaar kan worden ingebouwd in de luchttoevoer (zoals bij een inductieeenheid) bij de ruimte of in de ruimte staan (stralingspaneel), of een combinatie van deze zijn. De kamertemperatuur wordt geregeld door de individuele batterij(en) te regelen in water of luchtdebiet. Verwarming kan gebeuren met een tweede element of door hetzelfde element te gebruiken met warm water. Lucht-en-water systemen zijn te catalogeren volgens een twee pijpen, drie pijpen en vier pijpen systeem. Qua concept zijn ze identiek en voorzien ze allen in koeling en verwarming voor airconditioning in ieder seizoen. Hun schikking voor de watersystemen kan echter sterk verschillen.

XV/20

15.5.1 Lucht-water inductie systemen In sommige situaties is het nodig dat er meer lucht wordt gecirculeerd langs een koelbatterij dan nodig is voor het behoud van luchtkwaliteit. In een inductiesysteem staat de lucht geleverd door het centrale systeem in voor de voorziening van verse lucht met de juiste luchtvochtigheid, terwijl de geïnduceerde lucht komende van de ruimte wordt gebruikt om te voorzien in de luchthoeveelheid nodig voor thermisch comfort. Dit laat toe dat de kanalen van het centrale systeem veel kleiner zijn en dat geen ventilatoren nodig zijn in de ruimte voor circulatie. De basisconfiguratie wordt getoond in figuur 15.22. De centraal geconditioneerde lucht wordt toegeleverd aan eenheid op hoge druk in een toevoerkamer. Deze kamer is akoestisch gedempt om de geluiden van de stroming in de kanalen op te vangen. Een klep wordt voorzien om de verhouding van de luchtdebieten te regelen. De hoge druk lucht stroomt door een straalpijp en sleurt door overdracht van impuls lucht komende uit de ruimte mee over de secundaire warmtewisselaar. Deze secundaire lucht wordt hier ofwel verwarmd of gekoeld naargelang het seizoen. Normaliter wordt geen latente koeling gerealiseerd in de warmtewisselaar, maar toch is een opvang voorzien voor condensaat voor het geval van werking bij uitzonderlijk hoge luchtvochtigheden. De primaire en secundaire lucht worden gemengd en toegeleverd aan de ruimte. Inductie eenheden worden meestal langsheen de gebouwomtrek geplaatst, onder een raam, maar ook eenheden voor plafondwerking zijn beschikbaar. Gedurende de winter kunnen de inductie-eenheden als convector dienen zonder primaire luchttoevoer, wanneer er warm water wordt aan toegevoerd.

Figuur 15.22. Inductie koeling

XV/21

15.5.2 Ventilatorbatterij eenheden De ventilatorbatterij eenheden zijn veelzijdige eenheden die zowel in lucht-water als in wateralleen systemen kunnen worden gebruikt. De basiselementen zijn de gevinde buis warmtewisselaar en de ventilator (figuur 15.23). De ventilator recirculeert de lucht continu van de rand van de ruimte doorheen de warmtewisselaar, die wordt gevoed met warm of koud water. De eenheid is vaak voorzien van een hulpverwarmingseenheid die meestal elektrisch is gevoed, maar ook met warm water of stoom. De ruimtelucht wordt aldus op de gewenste temperatuur gehouden. Verse lucht wordt meestal door een centraal gestuurd systeem toegeleverd als primaire lucht. De primaire lucht wordt meestal geleverd op kamertemperatuur tijdens het stookseizoen, en gekoeld en ontvochtigd tijdens het koelseizoen. Als de ruimte niet in gebruik is, kan de primaire luchttoevoer worden afgesloten.

Figuur 15.23. Ventilator koel/verwarmingsbatterij

15.5.3 Volledig water systemen Volledig-water systemen bestaan uit ventilator-batterij, ventilator-eenheid en wand type elementen, waarbij niet geconditioneerde ventilatielucht wordt toegevoerd door een opening in de muur of via infiltratie. Koeling en ontvochtiging worden gerealiseerd via een koelwarmtewisselaar in de eenheid, gevoed met koud water. Verwarming gebeurt door middel van warm water dat in een zelfde of een andere warmtewisselaar wordt gevoed vanuit een centraal systeem. Elektrische verwarming of een aparte stoomwarmtewisselaar kan ook worden gebruikt. Bevochtiging is niet mogelijk tenzij voor iedere kamer een apart bevochtigingstoestel wordt voorzien. Het grootste voordeel van volledig-water systemen is hun grote flexibiliteit om ze in te zetten in gebouwen met veel modules. Een ventilator-batterij systeem zonder verse lucht aanzuiging of met ventilatie via een opening in de muur is een systeem met een centrale verwarming en koeling met een lage-kost initiële investering. Er zijn ventilatieluchtkanalen nodig, het is relatief eenvoudig te installeren in bestaande structuren, het bespaart aanzienlijk wat ruimte in het gebouw door de kleinere afmetingen van waterleidingen in vergelijking met luchtkanalen. Dit type verwarming is echter niet in staat aan de moderne eisen van IAQ te voldoen. Volledig-water systemen hebben een snelle respons op thermostaatinstellingen, en de vrijheid om lucht uit andere ruimte te recirculeren. Ze beschikken over koeling en verwarmingseenheden

XV/22

die op afstand liggen. Als ventilator-batterijen worden gebruikt, met elk de mogelijkheid te koelen of te verwarmen, is geen centrale seizoensregeling nodig. De systemen kunnen worden geplaatst in oude gebouwen bij renovatie zonder veel beperkingen en interferentie met de gebouwfuncties. Er is geen actieve ventilatie, tenzij roosters in de muren worden voorzien, die dan door winddruk en schouweffecten worden gestuurd. Speciale maatregelen zijn dan nodig om bevriezing van de eenheden en regenschade te vermijden. Alle onderhoud moet gebeuren in de ruimtes waar mensen werken of aanwezig zijn. Ieder eenheid moet een condensaatafvoer hebben. Filters zijn meestal klein en inefficiënt en vragen frequente reiniging. Figuur 15.24 toont een typische ventilatoreenheid, met twee gescheiden warmtewisselaars voor verwarming en koeling met een 4-pijpen systeem. Zoals in figuur 15.23 komen eenheden met 1 warmtewisselaar ook voor. De verwarmingsbatterij kan water of stoom gevoed zijn of zelfs elektrisch. De koelbatterij is ofwel watergekoeld ofwel direct expansie gekoeld met een koelmiddel (verdampereenheid). Kleppen sturen het debiet zoals hoger beschreven voor ventilatoreenheden.

Figuur 15.24. Lokale ventilatoreenheid

15.5.4 Alleenstaande airconditioning systemen Alleenstaande airconditioning systemen zijn eenheden die worden geassembleerd in de fabriek (ventilator, warmtewisselaars, filters, enz) op maat van de gebruiker en worden ingebouwd in het gebouw. De volgende lijst geeft een overzicht van de kenmerken die voorkomen en toont tegelijk aan dat er een grote diversiviteit van dergelijke eenheden op de markt is.

XV/23

1. Schikking: samengebouwd of split (verdamper wordt aangesloten bij montage) 2. Warmteafgifte: luchtgekoeld, evaporatieve condensor, water gekoeld 3. Buiteneenheid: decoratief voor binnenhuistoepassing, functioneel voor in de technische ruimte, weerbestendig voor buitenshuis 4. Plaatsing: op de vloer, aan de muur, aan het plafond, op het dak 5. Binnenlucht: verticale opwaartse stroming, tegenstroom, horizontaal, 90° en 180° omkering, met ventilator 6. Locatie: binnenshuis, zichtbaar of verborgen in kasten, kruipruimte, kelder, garage, technische ruimte, muur: ingebouwd, in het raam, buitenshuis : op het dak, muur gemonteerd, op de grond 7. Warmte: bedoeld voor gebruik met bijstook, met elektrische verwarming, als warmtepomp, met warm water of stoom. Deze eenheden worden vaak ontworpen met een ventilatorcapaciteit die toelaat dat ze worden aangesloten op leidingen. Figuur 15.25 toont een kleine eenheid, figuur 15.26 een grote eenheid.

Figuur 15.25. Kleine dakeenheid

Figuur 15.26. Grote airconditioningeenheid

XV/24

Bij deze gestandaardiseerde eenheden is het niet mogelijk om over alle vrijheidsgraden te beschikken die aanwezig zijn in een centraal systeem. Goede prestaties worden moeilijker verkregen, wat een beter designinzicht vraagt. De geassembleerde eenheden worden vaak ingezet als systeem om 1 zone te bedienen, waarbij de gebruiker direct kan ingrijpen op de instelling van de eenheid. Voor grotere eenheden laat men toe dat ze meerdere zones controleren. Warmtepompen worden vaak in deze vorm aangeboden.

15.5.5 Kamerairconditioners Een kamerairconditioner is een voorgefabriceerde, voorgeassembleerde eenheid die meestal wordt geplaatst in een raam, doorheen of op een muur, of als cassette in bijvoorbeeld een plafond. De basisfunctie is voorzien in koeling, ontvochtiging, filtering en luchtcirculatie voor één kamer. Er kan ook voor luchtverversing worden gezorgd als lucht van buiten wordt aangezogen en kamerlucht wordt afgevoerd. De eenheid kan ook zorgen voor verwarming, door middel van omkering van de cyclus (warmtepomp) of elektrische weerstand verwarming. Deze kamer airconditioners geven meestal een zeer beperkt comfortresultaat.

15.5.6 Muurairconditioners Deze kleine eenheden zijn in feite kamerairconditioners die doorheen een muur worden gemonteerd en meestal voorzien in koeling en verwarming. Vormen en ontwerpen verschillen sterk naargelang de constructeur. Het door de muur concept voorziet complete koeling en luchtbehandeling in een compacte eenheid, die voor een deel wordt geplaatst in de muur en voor de rest in de ruimte. Iedere eenheid heeft een volledige elektrische koelmachine en verwarming (weerstand of warmtepomp) en de regeling en instellingen. De installatiekost is veel lager dan voor centrale systemen. Door het overbodig zijn van leidingnetwerken wordt tevens veel plaats bespaard. De prestatie voor grote ruimtes zijn echter meestal niet optimaal en de energiekost ligt typisch hoger. Ze worden vooral gebruikt in hotels omdat de gebruiker direct zijn eigen kamer kan controleren. Deze systemen zijn ook zeer gewenst voor renovatie omdat ze eenvoudig te plaatsen zijn, weinig ruimte innemen en weinig verstoring veroorzaken aan bestaande constructies.

15.6 Warmtepompen Als de condensor van een koelmachine in een ruimte wordt geplaatst, dan zal deze daar zijn warmte afgeven. De verdamper bevindt zich dan buiten en neemt daar warmte op. We spreken dan van een warmtepomp. Voor HVAC toepassingen wordt met een warmtepomp ook intrinsiek bedoeld dat de cyclus omkeerbaar is en dan voor koeling en ontvochtiging kan zorgen. Kleine warmtepompeenheden worden in de fabriek samen met regelapparatuur en interne bedrading en leidingen geassembleerd. Ze dienen dan enkel ter plaatse elektrisch te worden aangesloten en eventueel worden voorzien van externe leidingen (voor de watergekoelde warmtepomp). Voor spliteenheden moeten ook nog de koelmiddelleidingen worden aangesloten tussen binnen- en buiteneenheid. Qua uitzicht en uitvoering zien ze er uit als koeleenheden van vergelijkbaar vermogen.

XV/25

Kleine eenheden hebben een capaciteit van 5 tot 90 kW. Deze zijn in het algemeen in gebruik in residentiële toepassingen en kleine kantoren of winkels. Grote centrale eenheden bestaan eveneens met capaciteiten van 20 tot 750 kW. Deze voorzien verwarming in de centrale eenheid ofwel wordt per deeleenheid een warmtepomp voorzien.

15.6.1 Types warmtepompen De lucht-lucht warmtepomp is het meest voorkomende type. Deze is zeer geschikt voor prefabricatie in de vorm van kleine eenheden, geschikt voor residentieel en klein commercieel gebruik. Buitenlucht biedt een universele warme/koude bron. Compacte warmtewisselaars voorzien van vinnen zijn hier de normale praktijk. De prestatie van de lucht-lucht warmtepomp is sterk afhankelijk van de buitenluchttemperatuur. Het is daarom vaak nodig extra verwarming te voorzien bij lage buitentemperaturen, vaak door middel van weerstandsverwarming. Deze worden ingebouwd in de eenheden en slaan (vaak getrapt) aan naargelang de buitentemperatuur daalt. Er bestaan ook hybride eenheden waarin wordt bijgestookt door middel van een fossiele brandstof. Lucht-water warmtepompen worden soms gebruikt om warmte te verdelen over grote ruimtes via een watercirculatiesysteem. Ze worden echter vaker gebruikt om te voorzien in sanitair warm water, of warm water voor industriële toepassingen. Water-lucht warmtepompen gebruiken water als warmtebron om warme lucht te leveren aan een geconditioneerde zone. Putwater heeft een vrij stabiele temperatuur die relatief hoog is, typisch 10°C voor noordelijke gebieden en 15°C en hoger voor meer zuidelijke gebieden. Vaak is echter niet voldoende water beschikbaar, zodat het moeilijk is dit type installatie overal in te zetten. De waterkwaliteit moet daarenboven voldoende hoog zijn om corrosie of bevuiling van de warmtewisselaar te vermijden. Verder zijn er extra kosten voor boringen, leidingen en pompen. Oppervlaktewater of rivierwater komen ook in aanmerking voor gebruik in warmtepompen, maar de temperatuurdaling van het water moet onder koude wintercondities worden beperkt om bevriezing in de warmtewisselaar te voorkomen. In industriële applicaties kan afvalwater vaak als warmtebron dienen, bijvoorbeeld in wasserijen of in condensorkoelwater.

15.6.2 Grond gekoppeld gesloten lus systeem In veel gevallen zal de ene zone in een gebouw een koellast hebben, terwijl een andere verwarming vraagt. Noordzijden en zuidzijden kunnen bijvoorbeeld sterk verschillen, alsook intern en extern (perifeer) gelegen zones. Dan kan een gesloten lus systeem voordelen bieden. De individuele water-lucht eenheden ontvangen warmte of geven ze af aan een gemeenschappelijk watercircuit, naargelang ze koelen of verwarmen. In het ideale geval zullen alle warmtestromen de koudestromen compenseren, en zal er geen surplus of tekort aan energie zijn. In het geval van meer koeling zal een koeltoren de exceswarmte afvoeren naar de omgeving, bij meer verwarmingnood zal een ketel extra warmte voorzien. Verschillende tientallen jaren wordt de aarde als een ideale warmte/koude bron beschouwd. Door middel van een open systeem, zoals hoger beschreven, maakt men er reeds gebruik van. In een gesloten circuit wisselt men enkel warmte met de aarde via een kunststof leidinglus, waardoor corrosie en bevuiling wordt vermeden. Verschillende schema’s (figuur 15.27) worden voorgesteld voor dit watercircuit en de hoeveelheid buizen hangt af van de capaciteit, geometrie, grondsamenstelling en temperatuur. Gebruik van polyethyleenbuizen laat toe systemen te bouwen met hoge betrouwbaarheid en lange levensduur. De haalbaarheid hangt af van de installatiekosten ten opzichte van de energiebesparing gerealiseerd met het systeem.

XV/26

Figuur 15.27. Warmtepompen met de aarde als bron

15.6.3 Warmterecuperatiesystemen In grote commerciële toepassingen wordt een aanzienlijke hoeveelheid energie gegenereerd intern in een gebouw, die zelfs bij koud weer moet worden afgevoerd. Dit komt meestal voor in de centrale zones, die geen buitenmuren hebben. Er moeten grote hoeveelheden lucht afgevoerd worden uit grote commerciële gebouwen, omdat aanzienlijke debieten nodig zijn voor luchtverversing. Een aanzienlijke energiebesparing kan worden gerealiseerd als de afgevoerde energie van de centrale zones en extractielucht kan worden gerecupereerd voor verwarming van de perifere ruimten. Ook recuperatie van afvalwaterwarmte is mogelijk. Herverdeling van deze warmte kan gebeuren met warmtepompen, van lucht-lucht of water-water type. Recuperatie van warmte uit lucht gebeurt door lucht-lucht warmtewisselaars van het roterende type (figuur 15.28) of het periodieke type (figuur 15.29), of door lucht-water warmtewisselaars met een watercirculatielus (figuur 15.30). Lucht-lucht warmtewisselaars zijn de meest effectieve, maar vereisen dat de luchtafvoer en luchttoevoer naast elkaar zijn gelegen. Lucht-water systemen bevatten een extra warmtewisseling en daarmee gekoppelde verliezen, maar zijn niet gebonden aan plaatsing van de luchtkanalen. De besproken systemen zijn ook effectief voor de recuperatie van energie in koeling, waarbij de verse lucht wordt voorgekoeld.

XV/27

Figuur 15.28.

Figuur 15.29.

Figuur 15.30.

XV/28

15.7 Thermische opslag Vaak is een belangrijke kost van een HVAC installatie de kost aangerekend door de elektriciteitsleverancier voor de dekking van de spitslast die optreedt tijdens bepaalde uren in de zomer. Meestal zijn elektriciteitsprijzen voor piekverbruik hoger. Veel ontwerpers doen dan ook een poging om systemen te ontwerpen die minder energie gedurende de piekuren gebruiken en meer tijdens de daluren (b.v. nacht). Een methode die behoorlijk populair is, is ‘s nachts ijswater of ijs aan te maken en op te slaan en dat dan tijdens de dag gebuikt wordt als koude bron. We spreken dan van thermische opslag. Een bijkomend voordeel is dat een kleinere koelinstallatie kan worden geïnstalleerd, wat de investeringen ook reduceert. Bijkomende investeringen zijn wel nodig voor de opslag te realiseren en een extra gebruik van energie is nodig om de bijkomende koeling te doen. Economische overwegingen bepalen de haalbaarheid en de afmetingen van het opslagsysteem. De keuze voor koud water, dan wel ijs hangt ook af van de economische voorwaarden. Water maakt enkel gebruik van temperatuurdalingen zodat grote tanks nodig zijn, die in verhouding goedkoper worden als ze groter zijn. Grote installaties maken dan ook vaak van deze techniek gebruik. IJs vraagt koelinstallaties die dieper kunnen koelen dan normaal de gewoonte is voor koelmachines voor HVAC applicaties. De koelmachines zijn minder efficiënt als ze lagere temperaturen moeten leveren. IJs vraagt ook een betere isolatie van de opslagtanks. Omdat ijs gebruik maakt van latente warmte, zijn deze installaties bijzonder compact. Kleine tot middelgrote systemen maken gebruik van ijs. Ook de thermische capaciteit van het gebouw zelf wordt gebruikt om energie (koude) op te slaan. Gedurende de nacht zijn de buitenluchttemperaturen lager dan overdag. Door het ventilatiesysteem in kantoren te laten werken tijdens de nachturen, kan de structuur van het gebouw worden gekoeld. Dit leidt tot een verminderde koellast tijdens de dag. Hierdoor ontstaat een betere spreiding van de koellastvraag. Dit systeem van nachtventilatie is enkel rendabel in gebouwen met massieve bouwdelen.

XV/29