Best Practice Luchtbehandelingsinstallaties

Best Practice Luchtbehandelingsinstallaties 1.

Inleiding

Deze best practice schetst een beeld van het energieverbruik bij luchtbehandeling en airconditioning voor industriële gebouwen, in het bijzonder voor laboratoria en magazijnen. Tevens worden de mogelijkheden voor het verbeteren van de energie-efficiency aangegeven. De best practice behandelt de volgende onderwerpen: ventilatie in verband met het productieproces; laboratoriumventilatie; gekoelde opslag en verwarmde magazijnen; warmteterugwinningsapparatuur. Bovenstaande onderwerpen houden direct of indirect verband met aspecten die ook in separate best practices (“Warmtepompen”, “Koudetechniek” en “Duurzame energie”) aan de orde komen.

2.

Vuistregels

In de praktijk wordt vaak (te) veel geventileerd. Dit kost veel energie. De capaciteit en het energiegebruik van deze installaties is te beperken door: verontreiniging van de lucht te beperken; adequate afzuiging van verontreinigingen direct bij de bron (punt afzuiging); het terugwinnen van bruikbare energie en/of grondstoffen uit de naar buiten af te voeren lucht; het gebruik van natuurlijke ventilatie al of niet aangevuld met ondersteunende ventilatoren (hybride ventilatie), met name bij onbemand bedrijf of bemand bedrijf zonder vaste werkplek; het afstemmen van de capaciteit van de luchtbehandelingsinstallatie op de momentane verontreinigingsbelasting, omdat de productie en het vrijkomen van verontreinigingen veelal niet continu verloopt; goede regeling van installaties, naar behoeft. Bij vergelijking van het energiegebruik van een conventioneel, niet energiezuinig, systeem met dat van een systeem met continue afstemming van de lucht- en energiebalans, en waarbij tevens sprake is van een bedrijfswijze afgestemd op het gebruik, blijken globaal de onderstaande besparingen haalbaar te zijn. Verwarmingscapaciteit besparing ± 50% Koelcapaciteit besparing ± 45% Bevochtigingsenergie besparing ± 50% Transportenergie besparing ± 60%

3.

Systemen voor ventilatie

Bij luchtconditionering voor comfortdoeleinden is de mens bepalend voor het ontwerp en de instelling van de klimaatinstallaties. Bij luchtconditionering bij ruimtes die in de industrie gebruikt worden is dit niet uitsluitend het geval. De procesomstandigheden, de procesverontreinigingen, de gewenste ruimtecondities (temperatuur, relatieve vochtigheid, concentratie van deeltjes) en de eventuele aanwezigheid van personen zijn bepalend voor de capaciteit van de benodigde luchtbehandeling en ventilatie en daarmee voor het energiegebruik. Juli 2015 1

van 15

Hierbij is het ook van belang het gebruik van restwarmte of de toepassing van warmtepompen voor het toevoeren van de benodigde energie aan de luchtstroom in te zetten. De luchttemperaturen zijn in de regel laag. Vuistregels voor ventilatievouden (luchtverversing) zijn in de regel gebaseerd op comforttoepassingen. Voor industriële ruimtes voldoen deze niet en moet men stof- en warmtebalansen maken voor de benodigde ventilatie. Soorten ventilatie installaties: natuurlijke ventilatie; mechanische afzuiging en natuurlijke luchttoevoer; mechanische toevoer en natuurafvoer van lucht; mechanische lucht toe- en afvoer. Bij energiezuinige en gecontroleerde ventilatievoorzieningen heeft mechanische ventilatie de voorkeur. Hiermee kan de ventilatievoorziening worden afgestemd en worden geregeld naar behoefte. Door gebruikt te maken van warmteterugwinning kan het energieverbruik zoveel mogelijk worden beperkt. In de volgende paragraaf wordt als voorbeeld van de hier genoemde mogelijkheden een luchtbehandelingsinstallatie voor een laboratorium besproken. 4.

Aandachtspunten bij bestaande installaties

4.1 Laboratoriumventilatie Het energiegebruik in een laboratorium wordt onder meer bepaald door de verlichting en de in het laboratorium opgestelde apparatuur. De luchtbehandelingsinstallatie van een laboratorium is, in combinatie met respectievelijk de verwarmings- en koelinstallatie, een belangrijke gebruiker van energie. Het energieverbruik is min of meer evenredig met de luchttoevoerhoeveelheid van de luchtbehandelingsinstallatie. Inzicht in de capaciteitsbepalende factoren geeft de mogelijkheden om energie beperkende maatregelen te onderzoeken. Die factoren zijn: de veiligheid van de werknemers. Deze is afhankelijk van de mate waarin verontreinigingen in de ruimte vrijkomen. De capaciteit van de luchtbehandeling dient afgestemd te zijn op de maximaal aanvaardbare concentratie van de verontreinigingen in relatie met de verblijfstijd en de kwaliteit van de toevoerlucht; het comfort van de werknemer. De warmtetoevoer door apparatuur en verlichting, het aantal personen en de warmtebelasting door zoninstraling en transmissie, tezamen met de gewenste ruimtetemperatuur, zijn bepalend voor de benodigde luchthoeveelheid en toevoerconditie. de luchtbalans. De luchthoeveelheid die door zuurkasten, afzuigwanden, veiligheidskabinetten en puntafzuigingen wordt afgezogen, bepaalt mede het benodigde luchttoevoerdebiet. In het algemeen dient elk van deze factoren onderzocht te worden en zal de capaciteit van de luchtbehandelingsinstallatie afgestemd worden op de grootste van de drie factoren. Om de capaciteit van de toe- en afvoerinstallatie te bepalen is het raadzaam om na te gaan op welke wijze de hoeveelheid toegevoerde lucht en de luchtbalans nog te optimaliseren zijn. 4.1.1 Toevoerlucht De hoeveelheid toevoerlucht kan op de volgende wijzen worden beperkt. Verminderen van vrijkomen van verontreinigingen. Dit is mogelijk door toepassing van andere werkmethoden of minder gevaarlijke stoffen. Verder kan worden bezien of door middel van plaatselijke ventilatie, bijvoorbeeld puntafzuiging of een afzuigwand, het in de ruimte vrijkomen van verontreinigingen geheel of gedeeltelijk kan worden voorkomen.

2

van 15

Verminderen van de warmtebelasting. De warmtebelasting kan worden beperkt door aanbrengen van buitenzonwering of het bij de bron afzuigen van in de ruimte vrijkomende warmte. Toepassen van lokale koeling. De luchthoeveelheid kan ook worden beperkt door in de ruimte (aanvullende) water/luchtsystemen voor het leveren van koelenergie toe te passen. Hierbij is te denken aan koelplafonds, koelconvectoren of fancoil-units. Het gebruiksafhankelijk schakelen van de zuurkasten en afzuig-wanden. Het hoog/laag of uitschakelen van de afzuiging van de zuurkasten en afzuigwanden is afhankelijk van het in gebruik zijn van deze voorzieningen. Omdat in de ruimte een balans wordt nagestreefd tussen toe- en afvoerlucht, is het noodzakelijk om de invloed van de eventuele schakeling van zuurkasten en afzuigwanden ook te laten ingrijpen op de luchttoevoerhoeveelheid op het betreffende moment. 4.1.2 Balans Indien in de ruimte een continue balans kan worden onderhouden tussen de behoeften van een veilige, gezonde en behaaglijke werkomgeving aan de ene kant en de benodigde afvoercapaciteit voor vrijkomende warmte en verontreinigingen aan de andere kant, zijn de voorwaarden voor een optimaal energiegebruik aanwezig. De balans in de ruimte heeft met name betrekking op de luchthoeveelheid, de energieafvoer en in mindere mate het vochtniveau. Luchtbalans De balans tussen toe- en afvoerluchthoeveelheid is van essentieel belang voor het handhaven van de gewenste drukhuishouding (over- c.q. onderdruk). Voor overdruk pompt men de ruimte als het ware op en voor onderdruk wordt de ruimte afgezogen en ontstaat een evenwicht met de toevoer. Bij onderdruk in het laboratorium worden de direct aangrenzende ruimten onder normale werkomstandigheden en bij eventuele calamiteiten afgeschermd ten opzichte van het laboratorium. Verontreinigingen blijven dan binnen het laboratorium. Bij een tegengestelde drukhuishouding (laboratorium in overdruk) wordt het laboratorium afgeschermd ten opzichte van ruimten uit de directe omgeving. In kritische situaties vindt de toegang naar het laboratorium via een sluisruimte plaats, zodat de drukhiërarchie onder gebruiksomstandigheden in stand blijft. De verschildruk tussen laboratorium en direct aangrenzende ruimten kan in- en bijgesteld worden of continu worden geregeld. Bij veel bestaande installaties is er sprake van een continu bedrijfswijze, waarbij de hoeveelheden toe- en afvoerlucht niet variëren en alle afzuigvoorzieningen (zuurkasten e.d.) permanent in bedrijf zijn. De toevoerlucht wordt met een, op de gewenste ruimtetemperatuur afgestemde, temperatuur aangevoerd. Daartoe is in de zomer de toevoertemperatuur lager dan de gewenste ruimtetemperatuur en in de winter enigszins hoger. Als de werkelijke interne warmtebelasting lager is dan de aangenomen belasting in de ontwerpfase, leidt dit in de zomer tot een te lage ruimtetemperatuur. Die interne belasting is dan ontoereikend om de toegevoerde lucht op te warmen tot de gewenste ruimtetemperatuur. Er ontstaat dan energieverlies, omdat in die gevallen de gekoelde toevoerlucht tevens naverwarmd moet worden. Er is aanzienlijk op koel- en verwarmingscapaciteit te besparen met een variabele bedrijfswijze. Dit is mogelijk door de afzuigcapaciteit aan te passen aan het aantal werkelijk in gebruik zijnde zuurkasten, veiligheidskabinetten en afzuigpunten. Om de gewenste drukverschillen te handhaven wordt de hoeveelheid toevoerlucht eveneens geregeld. Energiebalans en efficiency De energiebalans in het laboratorium wordt gevormd door de warmtebelasting van de ruimte enerzijds en het koelvermogen dat door de installatie aan de ruimte wordt toegevoerd anderzijds.

3

van 15

Het benodigde koelvermogen wordt toegevoerd door de ventilatielucht. Daartoe zal in de zomertijd de aangezogen buiten-luchtgekoeld moeten worden, maar zal er dientengevolge ook ontvochtigd worden. Dit laatste houdt in dat vooral in de hoogzomer het aan de lucht toegevoerde koelvermogen circa tweemaal zo hoog is dan alleen op grond van de gewenste ruimtetemperatuur nodig is. Het is daarom veel efficiënter om het koelvermogen met een ander medium (gekoeld water of koelmiddel) aan de ruimte toe te voeren, zodat in de ruimte zelf de uitwisseling van de warmtebelasting met het koelvermogen kan plaatsvinden zonder dat ontvochtiging optreedt. Dit wordt een gecombineerd water/luchtsysteem genoemd. Tevens is de transport- en warmteoverdrachtsenergie, benodigd voor gekoeld water of een koelmiddel, aanzienlijk lager dan die voor ventilatielucht als transportmiddel. Om de lucht- en energiebalans in de ruimte te handhaven zal bij variabele bedrijfsprocessen in het laboratorium een laag energiegebruik worden gerealiseerd door een systeemopzet met als hoofdkenmerk een luchttoevoercapaciteit afgestemd op de momentane afzuigcapaciteit en tevens een energieuitwisseling in de ruimte met behulp van gekoeld water of een koelmiddel. De luchttoevoerhoeveelheid kan hierbij beperkt worden tot een minimum waarde om zo de drukhuishouding, veiligheid, gezondheid en het comfort te waarborgen. Indien bij een gelijkblijvende belasting de luchtbalans verandert ten gevolge van de afschakeling van zuurkasten neemt de toevoerluchthoeveelheid af en ten gevolge daarvan de koelcapaciteit van het luchtsysteem. De koelcapaciteit van het water/luchtsysteem daarentegen neemt zoveel toe als nodig is om de gewenste ruimtetemperatuur te handhaven. De eventuele ontvochtiging van de toevoerlucht wordt minder en daarmee neemt het energiegebruik van de koelinstallatie af evenals de benodigde transportenergie voor de lucht-toevoerinstallatie. Vergelijking energiegebruik Bij vergelijking van het energiegebruik van een conventioneel, niet energiezuinig, systeem met dat van een systeem met continue afstemming van de lucht- en energiebalans, en waarbij tevens sprake is van een bedrijfswijze afgestemd op het gebruik, blijken globaal de onderstaande besparingen haalbaar te zijn. Verwarmingscapaciteit Koelcapaciteit Bevochtigingsenergie Transportenergie

besparing besparing besparing besparing

± ± ± ±

50% 45% 50% 60%

Indien alle hiervoor besproken mogelijkheden worden toegepast en de daarmee te realiseren totale jaarlijkse energiebesparing op 100% wordt gesteld, is de bijdrage per systeem als volgt: Verwarming Bevochtiging Transport Koeling

-

55% 25% 15% 5%

Verdere energiebesparing Naast de reeds genoemde energie besparende maatregelen, zijn er nog diverse mogelijkheden om de energie-efficiency van laboratoria te verbeteren, zoals zuurkasten met eigen toevoerlucht, functionele scheiding van laboratoriumwerk en administratieve werkzaamheden, warmteterugwinning en verbeterde gebouwconstructies. Zuurkasten met toevoerlucht Buitenlucht of retourlucht van kantoorruimten kan separaat in de directe omgeving van de zuurkast worden toegevoerd. Met deze toepassing kan in belangrijke mate worden bespaard op de energie die benodigd is voor de behandeling van de toe te voeren lucht.

4

van 15

De buitenlucht wordt slechts beperkt behandeld: filteren en verwarmen tot 10 °C. Van de afzuigcapaciteit van de zuurkast wordt 40-60% op deze wijze toegevoerd en 60-40% vanuit de ruimte aangezogen. Schrijfruimten Het verdient de voorkeur, zowel uit het oogpunt van energiegebruik als van comfort, om administratieve werkzaamheden van de laboranten te laten verrichten in een separate ruimte (in het algemeen schrijfruimte genaamd) afgescheiden van het laboratorium. Indien die ruimten aan de buitengevel worden gesitueerd, dan kunnen deze ruimten dienen als “buffer” tussen de laboratoriumruimten en het buitenklimaat. De invloeden van buiten zoals wind, zoninstraling en transmissie hebben daarbij nauwelijks of geen invloed op het binnenklimaat in de laboratoriumruimten. Door de lucht uit de schrijfruimte af te voeren via de laboratoriumruimte kan, indien de afzuiging van het laboratorium de toevoercapaciteit bepaalt, hiermede het energiegebruik van de toevoerinstallatie worden beperkt. Warmteterugwinning Door de energie aanwezig in de afgezogen lucht uit te wisselen met de aangezogen buitenlucht via een warmteterugwinvoorziening, kan aanzienlijk op het energiegebruik worden bespaard. De methoden en apparatuur die daartoe ter beschikking staan, worden in hoofdstuk 5 besproken. Gebouwconstructie De buitengevel is in belangrijke mate bepalend voor de externe belasting ten gevolge van transmissie en zoninstraling. De beglazing in deze buitengevel neemt een dominante plaats in, zowel voor de winter- en zomertransmissie als voor de zoninstraling. De glashoogte kan in combinatie met de warmteweerstandsfactor van het glas een rol spelen in comfortbeleving direct aan de gevel. Buitenzonwering is meer effectief voor het beperken van de zoninstraling dan binnen zonwering, maar vraagt over het algemeen meer onderhoud en is daarbij, afhankelijk van de uitvoering, meer of minder windgevoelig. Een klimaatgevel, via welke retourlucht of warm en koud water getransporteerd worden, kan hierin uitkomst bieden, maar heeft bij de doorstroming met retourlucht wel een negatief effect op de luchtbalans. Een zware gebouwconstructie met een grote toegankelijke massa (d.w.z. niet afgeschermd door bijvoorbeeld verlaagde plafonds) kan voor een aanzienlijke reductie van de externe belasting zorgdragen. Het toepassen van voorwaardelijke nachtkoeling kan, indien de ruimtetemperatuur binnen redelijke grenzen mag variëren, een beperking van het benodigd koelvermogen bewerkstelligen. Deze varianten hebben alle invloed op de capaciteit en het energiegebruik van de klimaatinstallaties. Het is zeer zinvol om een evaluatie op te zetten die rekening houdt met de integrale investeringskosten (bouwkundig, installatietechnisch en elektrotechnisch) en de jaarlijkse energiekosten. 4.2 Magazijnen 4.2.1 Algemeen De energie benodigd voor de koeling of verwarming van magazijn- en opslagruimten wordt voornamelijk bepaald door: de gekozen ruimtetemperatuur; de energieverliezen door de gebouwschil; de energie benodigd voor het koelen of verwarmen van de infiltratielucht; het temperatuurgradiënt tussen dak- en vloerniveau; 5

van 15

-

het systeemrendement van de koel- of verwarmingsinstallatie.

De systeemkeuze van de verwarmingsinstallatie heeft slechts een beperkte invloed op het energiegebruik voor verwarming. Bij gekoelde opslag is in het algemeen het energiegebruik hoger dan bij verwarmde magazijnen en speelt de systeemkeuze voor de koelinstallatie wel een rol. De bouwkundige uitvoering van het magazijn en met name de luchtdichtheid is bepalend voor het energieverbruik en de capaciteit van de betreffende luchtbehandelingsinstallatie Een infiltratie in de orde van 0,3 luchtwisselingen per uur vraagt eenzelfde verwarmingscapaciteit als de gemiddelde transmissie door de bouwkundige schil. Magazijnen kunnen goed worden verwarmd met restwarmte die beschikbaar is zoals bijvoorbeeld restwarmte van de persluchtcompressoren. Middels een zomer/winter regeling kan naar behoefte de restwarmte worden ingezet. Het laden en lossen van producten leidt tot tochtverliezen, hierbij gaat veel warmte verloren (20% tot 30%). Het laden via loaddock in combinatie met gesloten expedities zorgt voor een beperkt verlies van warmte tijdens laden en lossen. Andere optie tot het beperken van tochtverliezen is het plaatsen van luchtgordijnen in combinatie met snelloopdeuren. Een luchtgordijn scheidt met een gerichte luchtstroom de luchtbewegingen tussen twee ruimtes (het open-deur-warmteverlies kan met circa 40% worden gereduceerd. 4.2.2 Gekoelde opslagruimten Bij gekoelde opslag is vooral te denken aan het opslaan van chemische producten bij temperaturen die relatief ver onder die van de omgeving kunnen liggen (0 tot –20 °C). Die koeling kan nodig zijn om te voorkomen dat producten verdampen, oxideren of uiteenvallen. Bij gekoelde opslagruimten spelen de bouwfysische eigenschappen van de totale hal een belangrijke rol. Niet alleen de luchtdichtheid, maar ook de dampdichtheid van de constructie is hierbij belangrijk. Ook dient aandacht besteed te worden aan met name de vloerconstructie, om ijsvorming op de vloer te voorkomen (vloerverwarming). De meest geëigende koelinstallaties zijn recirculatiekoelers, direct geplaatst in de opslagruimte, die aangesloten worden op een koudemiddel (direct verdampen) of op een water/glycolmengsel. Door de recirculatiekoelers te voorzien van een automatische ontdooi-inrichting, kan al te veel ijsvorming, en daarmede het teruglopen van het koelvermogen, worden beperkt. De uitvoering van de deuren van koel- en vriesruimten spelen een belangrijke rol in het bepalen van de koelbelasting. Ook is de plaatsing van deze opslagruimten ten opzichte van hun omgeving bepalend voor de effecten van infiltratie via toegangsdeuren. De wijze van afdichting van de deuren heeft direct gevolg voor de infiltratie van warme en relatief vochtige lucht uit de omgeving en beïnvloedt het benodigde koelvermogen. Door (te veel) infiltratie van vochtige lucht zal de koelbatterij sneller aanvriezen. Zie ook de betreffende hoofdstukken in de best practice “Koudetechniek”. 4.2.3 Verwarmde magazijnen Voor het verwarmen van magazijnen staan de volgende systemen ter beschikking: Verwarming met behulp van warmtestralende oppervlakken Dit zorgt voor een comfortabel binnenklimaat, terwijl de luchttemperatuur enkele graden lager kan zijn dan gebruikelijk, met als gevolg een afname van de transmissie door de gebouwschil. Aandacht moet hierbij gegeven worden aan het voorkomen van stralingswarmte-afgifte naar boven of direct naar de omliggende wanden (extra transmissieverliezen). Stralingswarmte kan gerealiseerd worden met behulp van: warmwaterstralingspanelen;

6

van 15

-

-

direct gestookte zwarte of infrarood stralers. Verwarmen door middel van luchtverwarming. De luchtverwarming wordt veelal gerealiseerd met direct of indirect gestookte luchtverhitters. Om er voor zorg te dragen dat de warmte, die zich vanwege de hoge uitblaastemperatuur hoog aan het dak verzamelt, ook in de leefzone terechtkomt, is het zinvol aanvullende transportventilatoren toe te passen die deze warmte vanaf het dakniveau naar vloerniveau verplaatsen. Hoge temperaturen onder het dakniveau leiden tot extra transmissieverliezen. Lage temperatuurgradiënt Een luchtverwarmingssysteem, waarbij lucht met hoge snelheid en een beperkt temperatuurgradiënt wordt uitgeblazen, zorgt voor een impulsrijke luchtstroom die in staat is de ruimte goed te doorspoelen, waarbij het temperatuurverschil tussen dak- en vloerniveau slechts enkele graden Celsius bedraagt, zodat de transmissieverliezen niet onnodig groot zijn.

5. Aandachtspunten bij nieuwe installaties en renovaties Bij het ontwerp van een nieuwe installatie dient goed onderzocht te worden welke parameter maatgevend is voor de ventilatie installatie. Waarbij de volgende parameters een rol spelen: verontreiniging van de lucht door processen, denk aan explosiegevaar, grenswaarde eisen, stof concentraties; minimale ventilatie eisen voor de werknemers; verwarming van de ruimte; koeling van de ruimte; vochtbelasting van de ruimte en condensatie op de bouwkundige constructie. Door goede regeling van installaties, naar behoefte, kan veel energie bespaard worden. Ook kan men met grotere aantallen sensoren en door combinatie van temperatuur en relatieve vochtigheid nieuwe regelstrategieën toepassen om op energie en onderhoudskosten te besparen. De ventilatievoorziening regelen op basis van gemeten waarden zodat niet onnodig veel wordt geventileerd. Door het ventilatiedebiet te regelen met een frequentieregelaar wordt veel energie bespaard, bijvoorbeeld bij 50% ventilatiedebiet neemt het elektriciteitsverbruik van de ventilator met 87% af. Let wel dat het rendement van onderbelaste motoren afneemt, afhankelijk van het motorvermogen. De aandrijving van ventilatoren uitvoeren met energiezuinige motoren zoals bijvoorbeeld EC motoren of IE3 motoren en eventueel in combinatie met frequentieregelingen. Verwarmen van ventilatielucht kan uitstekend worden uitgevoerd met restwarmte. Hierbij kan restwarmte uit processen, faciliteiten of rookgassen worden ingezet. Warmte/koude opslag in de bodem is energiezuinige oplossingen voor ventilatievoorzieningen. Bij voorverwarmen van ventilatielucht kan gebruik worden gemaakt van warmteterugwinning uit afvoerlucht. Hiervoor zijn diverse methode beschikbaar, zie hoofdstuk 6. Warmteterugwinningssystemen. Voor koelen van lucht kan men in plaats van koelbatterijen en koelmachines ook gebruik maken van adiabatische koeling of dauwpuntskoeling. Bij adiabatische koeling wordt vocht direct in de luchtstroom verstoven. Door de vochtopname van de lucht koelt de lucht af (natte bol effect). Bij dauwpuntskoeling wordt de lucht indirect, met een warmtewisselaar gekoeld waarbij water verdampt in een luchtstroom die aan de andere zijde van het warmtewisselend oppervlak stroomt. De vochtigheid van de hoofdstroom neemt in dat geval niet toe. Energie-technisch is dit voordelig. Lage temperaturen en dauwpunten zijn niet mogelijk. Dan heeft men weer koelmachines nodig.

7

van 15

6. Warmteterugwinningssystemen 6.1 Algemeen Onder warmteterugwinning wordt verstaan het onttrekken van bruikbare energie aan media alvorens die afgevoerd worden naar de omgeving. De energie die aan vochtige lucht onttrokken wordt, bestaat grotendeels uit voelbare energie en deels uit latente energie. Indien vochtige lucht door afkoelen condenseert, kan tevens de condensatiewarmte teruggewonnen worden. Onder specifieke omstandigheden kan ook latente energie (vocht) in een “bijna direct contact” aan de afvoerlucht onttrokken worden en weer overgedragen worden aan de toevoerlucht. In het algemeen kan energie teruggewonnen worden uit afvoerlucht, verbrandingsgassen e.d. De effectiviteit (µv) waarmee de (voelbare) warmteoverdracht plaatsvindt, wordt gedefinieerd met de formule: µv = (Tl - Te ) / (Ti - Te ) waarin: Tl = temperatuur toevoerlucht na warmtewisselaar in °C Te = temperatuur buitenlucht in °C Ti = temperatuur afvoerlucht voor warmtewisselaar in °C Indien de voorziening eveneens vocht (latente energie) kan uitwisselen, dan wordt de effectiviteit op eenzelfde wijze uitgedrukt, waarbij de temperatuur vervangen wordt door de absolute vochtinhoud uitgedrukt in kg per kg droge lucht. De criteria op basis waarvan energieterugwinapparatuur kan worden geselecteerd, zijn: -

de overdracht van verontreinigingen uit de afvoerlucht aan de toevoerlucht; de gevolgen van agressiviteit van de afvoerlucht op de terugwinvoorziening; de noodzaak om de aanzuiging van buitenlucht in de directe omgeving te hebben van de afvoerlucht; de mogelijkheden van “vocht”uitwisseling.

De meest voorkomende apparaten voor warmteterugwinning in luchttechnische installaties zijn: -

warmtewiel; warmtepijpen (heat pipe); platenwarmtewisselaar; twee gevinde pijp warmtewisselaars (twin-coil).

6.2 Warmtewiel Het warmtewiel bestaat uit een langzaam draaiende cilinder in een plaatstalen behuizing. De vulling van deze cilinder (het pakket) bepaalt het toepassingsgebied, de effectiviteit en de mogelijkheden van vochtoverdracht. De vulling kan bestaan uit dunne platen van al of niet gelegeerd aluminium, keramisch materiaal, roestvast-staal of kunststof. Door het aanbrengen van een hygroscopische coating op het pakketmateriaal kan naast voelbare energie ook vocht (latente energie) worden overgedragen. Door de rotatie van de cilinder wordt de vulling eerst doorspoeld met lucht van een hogere temperatuur en vochtigheid, waardoor dit pakketdeel een hoge temperatuur aanneemt. Bij de doorspoeling daarna met koude toevoerlucht staat de vulling deze warmte weer af, waardoor de toevoerluchttemperatuur stijgt, figuur 1. Op dezelfde wijze wordt vocht overgedragen indien de vulling hiervoor geschikt is. Door het toepassen van een spoelzone in een sector van het wiel is de kans op overdracht van verontreinigingen terug te dringen. Een voorwaarde hierbij is dat er voldoende drukverschil (globaal 200 Pa) beschikbaar is. Geheel luchtdicht is de constructie niet en de kans op lekkage bedraagt 0-5%.

8

van 15

Een verantwoorde keuze van de pakketvulling in combinatie met de laminaire luchtstroming in het pakket en goede filtersystemen beperken het eventuele risico van aantasting door vervuiling en agressiviteit van de afvoerlucht. IJsvorming ten gevolge van condensatie bij een lage buitentemperatuur moet voorkomen worden door het aanpassen van het toerental van de cilinder of het toepassen van een voorverwarmer.

Figuur 1. Warmtewiel Karakteristieken: toepasbaar voor industriële en luchttechnische installaties met eisen ten aanzien van vervuilingsgraad en reinigingsmogelijkheden; alleen geschikt voor voelbare warmteoverdracht bij een maximale bedrijfstemperatuur van 70°C; indien op het pakketmateriaal een hygroscopische adsorptielaag is aangebracht, wordt eveneens vocht uitgewisseld en kan het worden toegepast in luchttechnische installaties ten behoeve van ruimten waarin eisen worden gesteld aan de relatieve vochtigheid. Hierdoor wordt bespaard op bevochtigingscapaciteit. Aanbevelingen: indien in de afvoerlucht kleverige of vette verontreinigingen voorkomen, is het plaatsen van een werkzame afscheider noodzakelijk; voor een betere corrosiebescherming kan een aluminiumpakket voorzien worden van een kunststofcoating. 6.3 Warmtepijpen (heat pipe) De warmtepijp bestaat uit een aantal buizen voorzien van lamellen. In de buizen bevindt zich een koudemiddel. Het ene uiteinde van de buizen bevindt zich in een koud medium en het andere einde in een warm medium. Het proces is een gesloten kringloop van het koudemiddel, waarbij door verdampen van de vloeistof, die zich in het warmste gedeelte van de gesloten pijp bevindt, warmte onttrokken wordt aan de afvoerlucht, figuur 2.

9

van 15

De damp verplaatst zich door gewichtsverandering of door capillaire werking naar dat gedeelte van de pijp dat zich in de koudere toevoerlucht bevindt en staat daar door condensatie een groot gedeelte van de warmte-inhoud af en warmt daarmede de toevoerlucht op. De warmtepijp is aan de buitenzijde voorzien van lamellen ter verbetering van de warmteoverdracht.

Figuur 2. Warmtepijp Figuur 2. Warmtepijp wisselt warmte uit tussen afvoerlucht en toevoerlucht Karakteristieken: toepasbaar voor industriële en luchttechnische installaties; maximale bedrijfstemperatuur 45 °C; in speciale uitvoering ook inzetbaar in de processen van verbrandingsovens en gieterijen. 6.4 Platenwarmtewisselaars De platenwarmtewisselaar is opgebouwd uit afwisselend vlakke en kruislings gegolfde platen. Door middel van warmtegeleiding via de platen wordt warmte uitgewisseld tussen de warme afvoerlucht en de koude toevoerlucht. De stromingsrichtingen staan in het algemeen loodrecht op elkaar. Er is daardoor sprake van kruisstroom. De uitvoering is in de vorm van een kubus of rechthoekig. In plaats van platen worden ook wel buizen van kunststof of glas gebruikt, figuur 3.

Figuur 3. Platenwarmtewisselaar Enige constructieve details van de platenwisselaar:

10 van 15

-

-

bypass kleppen kunnen worden gebruikt voor luchttransport buiten de wisselaar om. Deze voorziening is te gebruiken als capaciteitsregeling en voor het beperken van de benodigde transportenergie (minder weerstand). plaatafstand 5-10 mm; platen van aluminium, chroom/nikkel-staal, glas, keramisch materiaal al of niet voorzien van een epoxy coating;

Karakteristieken: toepasbaar voor industriële en luchttechnische installaties; lichte reiniging mogelijk door spoelen met water; in een specifieke uitvoering, bijvoorbeeld als glasbuiswisselaar, is warmteterugwinning uit agressieve gassen (bijvoorbeeld rookgassen) realiseerbaar; aan de zijde van de afvoerlucht kan bij hoge vochtinhoud condensatie optreden, dit verhoogt het rendement; bij buitenluchttemperaturen onder de 0 °C kan bevriezing optreden met als gevolg een toename van de luchtweerstand en mogelijke schade aan de wisselaar. 6.5 Twee warmtewisselaars (twin-coil) Bij dit systeem zijn beide warmtewisselaars uitgevoerd als een gevinde pijpenbundel, geplaatst in een luchtkanaal, waarbij de lucht langs de gevinde buitenzijde van de pijpen stroomt en een warmteoverdrachtsmedium binnen de pijpen. Deze wisselaars zijn door middel van een leidingnet met circulatiepomp met elkaar verbonden. Voor de warmteterugwinning is één warmtewisselaar in de afvoerlucht geplaatst en de andere in de toevoerlucht. Het leidingsysteem is meestal gevuld met een water-/glycolmengsel met 30% glycol. Met dit systeem kan warmte worden overgedragen van de ene luchtstroom naar een andere zonder de noodzaak de luchtkanalen dicht bij elkaar te brengen. De warmtewisselaars zijn in het algemeen uitgevoerd als normale lamellenwisselaars, bestaande uit koperen pijp met erop gekrompen aluminiumlamellen. In het geval van agressieve afvoerlucht wordt de wisselaar voorzien van epoxy coating of, indien noodzakelijk, geheel uit roestvaststaal gebouwd. De wisselaar in de afvoerlucht onttrekt warmte aan de afvoerluchtstroom en draagt dit over aan het water-/glycolmengsel. Met behulp van de circulatiepomp wordt het naar de wisselaar in de toevoerlucht getransporteerd waar het via de aluminiumlamellen de opgenomen warmte weer afgeeft aan de toe te voeren buitenlucht, figuur 4. Door de indirecte warmteoverdracht is het rendement lager dan van de directe warmtewisselaars, zoals platenwisselaar, warmtewiel en warmtepijp. Indien de afvoerluchtventilator vóór de warmtewisselaar wordt geplaatst, wordt eveneens de ventilatorwarmte teruggewonnen. Om vervuiling van de wisselaars te voorkomen, wordt zowel in de afvoerlucht als in de buitenlucht een luchtfilter voor de betreffende wisselaar opgenomen. Om voldoende rendement te behalen bestaat de wisselaar uit een groot aantal rijen lamellenpijpen achter elkaar, hetgeen het uitwendig reinigen bemoeilijkt.

11 van 15

Figuur 4. Twin-coil Door het opdelen in twee achter elkaar geplaatste warmtewisselaars met voldoende tussenruimte kan het luchtzijdig reinigen effectiever plaatsvinden. In de afvoerluchtwisselaar kan de afvoerlucht zover afkoelen dat, bij hoge vochtinhoud van de afvoerlucht, condensatie mogelijk is. Indien de luchtsnelheid over de warmtewisselaar minder dan 2,8 m/s is, zal een druppelvanger achter de warmtewisselaar niet strikt noodzakelijk zijn. Voor de extreme wintersituatie dient bevriezen van het condensaat in de afvoerluchtwarmtewisselaar te worden voorkomen. De capaciteit van de terugwinvoorziening is eenvoudig en goed regelbaar door aanpassing van het debiet van het water-glycolmengsel. Karakteristieken: toepasbaar in industriële en luchttechnische installaties; toepasbaar in agressieve afvoerlucht; de warmte uit de afvoerlucht kan ook elders gebruikt worden, bijvoorbeeld voor het verwarmen van vloeistof, zoals in warmtapwatersystemen e.d.; de onttrokken warmte behoeft niet direct benut te worden, maar kan in een buffervat worden opgeslagen. 6.6 Evaluatie warmteterugwinvoorzieningen De kenmerkende gegevens van de hiervoor besproken warmteterugwinvoorzieningen zijn vermeld in tabel 1. Als hulpmiddel bij de selectie van de hiervoor besproken voorzieningen ten behoeve van warmteterugwinning in luchtbehandelingssystemen worden in dit hoofdstuk de gehanteerde uitgangspunten en het beoordelingsresultaat van tabel 1 toegelicht. De evaluatie is gebaseerd op de volgende uitgangspunten: -

retourluchtconditie minimaal 22 °C bij 45% relatieve vochtigheid; buitenluchtconditie minimaal –10 °C bij 1 gram vocht/kg droge lucht; gewenste minimumtemperatuur toevoerlucht: 15 °C; luchthoeveelheid retour en toevoer zijn gelijk (30.000 m3/h); bedrijfstijd van de installatie 24 uur per dag, 7 dagen per week en 50 weken per jaar (8400 uur); elektriciteitskosten: 0,08 €/kWh; aardgaskosten: 0,30 €/Nm3; rentekosten 6%;

12 van 15

-

stijging energiekosten 3%; het fiscale voordeel via de EIA is niet in rekening gebracht; leveranciergegevens van diverse fabrikanten; de warmteterugwinvoorziening uitgevoerd zonder by-passvoorziening; de overdracht van latente warmte is in de beoordeling niet als noodzakelijk meegenomen, de eventuele besparingen door deze warmteoverdracht zijn buiten beschouwing gelaten.

Benaming/ Voorziening Warmtewiel met hygroscopische laag Warmtewiel zonder hygroscopische laag

Vochtuit- StofuitToe/afvoer Rendement Luchtzijdige wisseling wisseling naast elkaar weerstand ja

ja

ja

75% latent 70%

Ruimtebehoefte

Prijs in %

Terugverdientijd

100%

nee

ja/minder

ja

75%

350 Pa

Warmtepijp of Heat pipe

nee

nee

ja

45%

500 Pa

Platen warmtewisselaar (kruissstroom)

nee

nee

ja

60%

400 Pa

Twee warmtewisselaarssysteem (twin-coil)

nee

nee

nee

50%

450 Pa

Redelijk tot groot

Beperkt

Redelijk tot groot Beperkt

100%

3 jaar

100%

7 jaar

130%

6.5 jaar

110%

12 jaar

Tabel 1. Overzicht warmteterugwinvoorzieningen en –systemen Beoordelingsresultaat: Het terugwinrendement verschilt per leverancier niet of nauwelijks; Het warmtewiel heeft het hoogste terugwinrendement. De rendementsvolgorde is: warmtewiel, platenwisselaar, warmtebuizen en twin-coilsysteem; De benodigde transportenergie is aanzienlijk en wordt vooral bepaald door de luchtzijdige weerstand van de terugwinvoorziening; De terugverdientijd is het kortst voor het warmtewiel. De volgorde is: warmtewiel, (kruisstroom)platenwisselaar, warmtepijp, twin-coilsysteem; De terugverdientijd voor installaties met een grote capaciteit ( 30.000 m 3/h) is gunstiger dan voor installaties van beperkte capaciteit (10.000 m3/h); Een bedrijfswijze van tien uur per dag, vijf dagen per week en 50 weken per jaar heeft een zeer ongunstig effect op de terugverdientijd; Een halvering van de elektriciteitsprijs geeft een verbetering van de terugverdientijd van 20% voor het warmtewiel en 30% voor de platenwisselaar; Indien de retourluchtconditie zo droog is dat door afkoeling geen condensatie ontstaat, neemt de mogelijk terug te winnen energie af met 15% voor het warmtewiel, de platenwisselaar en het twincoilsysteem. Voor de warmtepijp is dit 20%.

13 van 15

7. Subsidies bij investeringen Het verbeteren van de energie-efficiency, of anders gezegd, het terugdringen van het energiegebruik wordt met behulp van de fiscale regeling ‘Energie Investeringsaftrek’ door de overheid gestimuleerd. Daarnaast wordt door middel van een energiezorgsysteem en informatiebladen de gebruiker van energie gewezen op de specifieke mogelijkheden van energiebesparende maatregelen. Dit geldt in het bijzonder voor gebouw gebonden installaties. De energie-investeringsaftrek (EIA) biedt de ondernemer een fiscaal voordeel indien hij investeert in energiebesparende bedrijfsmiddelen en duurzame energie. Deze bedrijfsmiddel staan vermeld op de energielijst die jaarlijks wordt uitgebracht. Zie referentie 6. Van de investeringskosten voor deze bedrijfsmiddelen is 41,5% aftrekbaar van de fiscale winst over het kalenderjaar waarin het bedrijfsmiddel is aangeschaft. De volgende vinden: EIA 210801 EIA 210802 EIA 210207 EIA 210301

specifieke bedrijfsmiddelen gericht op luchtbehandeling zijn voor 2015 op de energielijst te Koude of warmteterugwinningssysteem uit ventilatielucht Systeem bij radiatoren voor koude- of warmteterugwinning uit ventilatielucht Adiabatische luchtkoeling Debietregeling ventilator

Generiek kan worden gemeld onder code EIA 310000 Technische voorzieningen voor energiebesparing in of bij bestaande bedrijfsgebouwen EIA 410000 Technische voorzieningen voor energiebesparing in of bij bestaande bedrijfsgebouwen

8. Referenties Dit is een publicatie van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl). In de periode 2000 - 2002 heeft de VNCI een reeks brochures uitgebracht onder de verzamelnaam “Leidraad voor energie-efficiency”. In de reeks worden dertig verschillende bestaande praktische toepassingen beschreven van energiebeheer in chemische bedrijven. Deze publicatie, ‘Best Practice Luchtbehandelingsinstallaties’ is een actualisering van het document ‘Leidraad voor energie efficiency, Luchtbehandelings- en airconditioningsinstallaties” 2001/18. De huidige actualisering van de Best Practice is tot stand gekomen in het kader van meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE. Als onderdeel van de samenwerking met de VNCI is besloten het merendeel van deze Best Practices geactualiseerd opnieuw te publiceren. Deze Best Practice Luchtbehandelingsinstallaties is geactualiseerd met medewerking van KWA Bedrijfsadviseurs www.kwa.nl . De meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE zijn overeenkomsten tussen de overheid en bedrijven, instellingen en gemeenten. Het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) stimuleren met deze afspraken het effectiever en efficiënter inzetten van energie. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) is verantwoordelijk voor de uitvoering van de meerjarenafspraken. Waar geen bronvermelding is aangegeven bij de tabellen en figuren is gebruik gemaakt van het eerdere document “Leidraad voor energie efficiency, Luchtbehandelings- en airconditioningsinstallaties” 2001/18. Naast documentatie en brochures van leveranciers en fabrikanten is gebruikgemaakt van de volgende publicaties: 1. Infomil: http://www.infomil.nl/onderwerpen/duurzame/energie/energiebesparing/ 2. RVO: http://www.rvo.nl/onderwerpen/duurzaam-ondernemen/gebouwen/duurzamegebouwen/wet-en-regelgeving 14 van 15

3. 4. 5. 6.

Colt: http://www.coltinfo.nl/Klimaattechniek_industrie.html Bovema: http://www.s-air.nl/bovema-activiteiten/industriele-ventilatie Lutec: http://www.lutec.nl/producten/lasrookfilters/ www.rvo.nl/eia

Colofon Dit is een publicatie van: Rijksdienst voor Ondernemend Nederland Prinses Beatrixlaan 2 | 2595 AL Den Haag Postbus 93144 | 2509 AC Den Haag T +31 (0) 88 042 42 42 F +31 (0) 88 602 90 23 E [email protected] www.rvo.nl Deze publicatie is tot stand gekomen in opdracht van het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) © Rijksdienst voor Ondernemend Nederland | juli 2015 Publicatienummer: RVO-103-1501/RP-DUZA De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) stimuleert duurzaam, agrarisch, innovatief en internationaal ondernemen. Met subsidies, het vinden van zakenpartners, kennis en het voldoen aan weten regelgeving. RVO.nl werkt in opdracht van ministeries en de Europese Unie. RVO.nl is een onderdeel van het ministerie van Economische Zaken. Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan RVO.nl geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

15 van 15