Exergie-analyse toegepast op een warmtepompsysteem

Exergie-analyse toegepast op een warmtepompsysteem

Arnaud Blom

17 april 2009 Technische Universiteit Delft

Exergie-analyse toegepast op een warmtepompsysteem Een dynamische simulatie van een warmtepompsysteem voor woningverwarming.

Student: Arnaud Blom Studienummer: 1004328 TU Delft, Civiele Techniek

Afstudeercommissie: Prof.dipl.-ing. J.N.J.A. Vamberský (voorzitter) Hoogleraar TU Delft, Civiele Techniek, sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies Ir. S.C. Jansen (dagelijks begeleider) Promovendus TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties Dr.Eng. E.C. Boelman, MBA Universitair Docent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties Ir. A.C. van der Linden Universitair Hoofddocent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoelen Bouwfysica en Installaties Prof.ir. P.G. Luscuere Hoogleraar TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties

april 2009


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

Arnaud Blom april 2009

-30BVoorwoord


Samenvatting In de gebouwde omgeving wordt veel energie gebruikt voor verwarming. Deze energie wordt nu nog vooral geleverd door hoogwaardige (fossiele) energiebronnen. Bij verbranding van fossiele brandstoffen komt kooldioxide(CO2) vrij, daarnaast zijn deze bronnen niet hernieuwbaar. Het streven is om de energievoorziening duurzaam te maken. Dit kan bereikt worden door: • beperken van de vraag; • meer efficiënte energie-omzettingen; • gebruik van duurzame energiebronnen. Een warmtepomp is een apparaat dat laagwaardige omgevingswarmte verplaatst naar een hoger temperatuurniveau onder toevoer van (hoogwaardige elektrische) energie. Er kan bij deze omzetting meer warmte worden verkregen dan er aan elektrische energie wordt toegevoerd. Kort samengevat werkt een compressiewarmtepomp (zie Figuur 3.5) door een vloeistof (koelmiddel) bij lage temperatuur te laten verdampen en bij hoge temperatuur te laten condenseren. Om dit mogelijk te maken moet in het eerste geval de kookpunt temperatuur worden verlaagd tot onder de temperatuur van de warmtebron en in het tweede geval worden verhoogd tot boven de temperatuur aan de afgifte kant. De kookpunt temperatuur kan worden verhoogd door de druk met een compressor op te voeren; dit kost arbeid. Een expansieventiel, zorgt ervoor dat de druk afneemt waardoor de kookpunt temperatuur daalt. Exergie is een grootheid die de kwaliteit of potentie van energie aangeeft. In het geval van een warmtepomp gaat er geen energie verloren, maar er wordt wel hoogwaardige elektrische energie omgezet in warmte-energie (van een lagere kwaliteit). Hoewel er bij dit proces een grotere hoeveelheid omgevingswarmte wordt verplaatst gaat er in de praktijk altijd kwaliteit verloren. De exergie-efficiënte is dus altijd kleiner dan 100%. Exergie-analyse geeft, in tegenstelling tot energie-analyse, inzicht in het kwaliteitsverlies van de energie en daarmee de ruimte voor verbetering. De laag-exergetische benadering streeft naar een vermindering van de inzet van fossiele brandstoffen door een betere thermodynamische afstemming tussen vraag en aanbod, bijvoorbeeld door lage-temperatuurverwarming of het gebruik van restwarmte. In dit afstudeeronderzoek wordt met behulp van een computermodel een warmtepompsysteem beschouwd. Het systeem bestaat uit opwekking d.m.v. een water warmtepomp in combinatie met lage-temperatuur vloerverwarming (emissie) in een SenterNovem referentietussenwoning (gebouwschil). Met behulp van het programma TRNSYS wordt dit systeem gedurende een jaar dynamisch gesimuleerd. Het Nederlandse klimaat dient als uitgangpunt. Het doel van dit onderzoek is om inzicht te krijgen in de exergieverliezen met het oog op mogelijke verbeteringen. De resultaten worden gepresenteerd en geanalyseerd met behulp van een binnen dit afstudeerproject ontwikkeld grafisch gereedschap (Graphical User Interface (GUI)).

-41BSamenvatting


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

-5Samenvatting


Inhoudsopgave VOORWOORD.......................................................................................................................... 3 SAMENVATTING .................................................................................................................... 4 1

INLEIDING ....................................................................................................................... 8

2

PROBLEEM....................................................................................................................... 9 2.1 2.2 2.3

3

PROBLEEMANALYSE .................................................................................................................................. 9 PROBLEEMSTELLING................................................................................................................................ 10 DOELSTELLING ........................................................................................................................................ 10

VOORSTUDIE................................................................................................................. 11 3.1

WAT IS EXERGIE? .................................................................................................................................... 11

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2

WARMTEPOMP......................................................................................................................................... 19

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3

4

Inleiding ............................................................................................................... 19 Theoretisch principe warmtepomp....................................................................... 19 Efficiëntie ............................................................................................................. 21 Een warmtepomp in de praktijk ........................................................................... 23

WARMTEPOMPSYSTEEM .......................................................................................................................... 25

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.4 3.5

Inleiding ............................................................................................................... 11 Theoretische achtergronden ................................................................................. 11 Exergie: het arbeidspotentieel van energie........................................................... 14 Exergie in de praktijk ........................................................................................... 18

Inleiding ............................................................................................................... 25 Mogelijke warmtebronnen ................................................................................... 25 Mogelijke afgiftesystemen ................................................................................... 26 Warm tapwater ..................................................................................................... 26 Koeling ................................................................................................................. 26 Regeling ............................................................................................................... 27 Mogelijke configuraties........................................................................................ 28 Gekozen warmtepompsysteem............................................................................. 29

WARMTEBALANS WONING....................................................................................................................... 30 GEREEDSCHAP VOOR MODELLERING EN SIMULATIE TRNSYS ................................................................ 31

MODELLERING VAN HET GEKOZEN WARMTEPOMPSYSTEEM ...................... 33 4.1 4.2 4.3

INLEIDING................................................................................................................................................ 33 SCHEMA VAN HET WARMTEPOMPSYSTEEM .............................................................................................. 34 MODEL VAN DE WONING ......................................................................................................................... 35

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4

HET WARMTEPOMPSYSTEEM IN TRNSYS ............................................................................................... 37

4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.5

De Nederlandse woningvoorraad ......................................................................... 35 De gekozen SenterNovem referentiewoning........................................................ 35 Samenvatting model woning................................................................................ 36 Inleiding ............................................................................................................... 37 Klimaatgegevens .................................................................................................. 37 Warmtepomp component ..................................................................................... 38 Warmtepomp op basis van percentage van Carnot-COP ..................................... 39 Gebouw component.............................................................................................. 42 Samenvatting model............................................................................................. 42

TRNSYS BEREKENINGEN........................................................................................................................ 43

4.5.1 4.5.2

Energie stromen.................................................................................................... 43 Exergie stromen.................................................................................................... 47 -6-

Inhoudsopgave


5

GEREEDSCHAP VOOR PRESENTATIE SIMULATIE RESULTATEN................... 49

6

ANALYSE VAN DE SIMULATIE RESULTATEN....................................................... 51 6.1 6.2

INLEIDING................................................................................................................................................ 51 ENERGIE-ANALYSE .................................................................................................................................. 52

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3

7

EXERGIE-ANALYSE .................................................................................................................................. 56

PARAMETRISCHE STUDIE......................................................................................... 57 7.1 7.2

RELEVANTE PARAMETERS ....................................................................................................................... 57 BESCHOUWDE VARIANTEN THERMISCHE MASSA EN NACHTVERLAGING .................................................. 57

7.2.1 7.2.2 7.3 7.4

7.5

Beschrijving lichte constructie ............................................................................. 58 Beschrijving nachtverlaging................................................................................. 58

VERWACHTING RESULTATEN ................................................................................................................... 59 BESPREKING RESULTATEN ....................................................................................................................... 60

7.4.1 7.4.2 8

Warmtevraag ........................................................................................................ 52 Energieverlies in vloerverwarming ...................................................................... 54 Energiebalans warmtepomp ................................................................................. 55

Inleiding ............................................................................................................... 60 Samenvatting resultaten ....................................................................................... 60

CONCLUSIES PARAMETRISCHE STUDIE ..................................................................................................... 64

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN........................................................................ 65 8.1 8.2

CONCLUSIES ............................................................................................................................................ 65 AANBEVELINGEN..................................................................................................................................... 65

CONTACTGEGEVENS AFSTUDEERCOMMISSIE .......................................................... 67 DEFINITIES........................................................................................................................... 68 BRONVERMELDING............................................................................................................ 69 BIJLAGEN .............................................................................................................................. 71 BIJLAGE A: SENTERNOVEM REFERENTIE-TUSSENWONING BIJLAGE B: MODEL VAN DE REFERENTIE-TUSSENWONING BIJLAGE C: BEPALING LUCHTVOLUMESTROOM DOOR VENTILATIE EN INFILTRATIE BIJLAGE D: MODEL VAN DE WARMTEPOMP BIJLAGE E: TRNSYS MODEL DOCUMENTATION (ENGELS) BIJLAGE F: RESULTATEN PARAMETRISCHE STUDIE NAAR COMBINATIE THERMISCHE MASSA CONSTRUCTIE EN NACHTVERLAGING

BIJLAGE G: GUI MANUAL (ENGELS) BIJLAGE H: GUI SCHERMAFDRUKKEN BIJLAGE I: JAARLIJKS ENERGIE- EN EXERGIEVERLOOP BIJLAGE J: CD-ROM

-7Inhoudsopgave


1 Inleiding Nu er meer aandacht is voor klimaatverandering en verondersteld wordt dat kooldioxide (CO2) uitstoot hier een effect op heeft, wordt gezocht naar manieren om deze uitstoot te verminderen. Dit is mogelijk door: de vraag te beperken, het gebruik van CO2-neutrale energiebronnen, en door het toepassen van energie-omzettingen met kleinere verliezen. In de gebouwde omgeving wordt veel energie gebruikt voor verwarming. Deze energie wordt met name geleverd door hoogwaardige energiebronnen. Een warmtepomp is een apparaat dat laagwaardige omgevingswarmte verplaatst naar een hoger temperatuurniveau onder toevoer van (hoogwaardige elektrische) energie. Er kan bij deze omzetting meer warmte worden verkregen dan er aan elektrische energie wordt toegevoerd. Exergie is een grootheid die de kwaliteit of potentie van energie aangeeft. In het geval van een warmtepomp gaat er geen energie verloren, maar er wordt wel hoogwaardige elektrische energie omgezet in warmte-energie (van een lagere kwaliteit). Hoewel er bij dit proces een grotere hoeveelheid omgevingswarmte wordt verplaatst gaat er in de praktijk altijd kwaliteit verloren. De exergie-efficiënte is dus altijd kleiner dan 100%. Exergie-analyse geeft, in tegenstelling tot energie-analyse, inzicht in het kwaliteitsverlies van de energie en daarmee de ruimte voor verbetering. Hoewel exergie-analyse in de praktijk nog nauwelijks wordt toegepast voor verwarmingsystemen in de gebouwde omgeving, wordt er wel steeds meer onderzoek naar gedaan: onder andere in het kader van IEA Annex 49 1, en het Nederlandse LowEx project. In dit afstudeeronderzoek wordt met behulp van een computermodel een warmtepompsysteem beschouwd. Het systeem bestaat uit een water warmtepomp in combinatie met vloerverwarming in een SenterNovem referentie-tussenwoning. Met behulp van het programma TRNSYS wordt dit systeem gedurende een jaar dynamisch gesimuleerd. Het Nederlandse klimaat dient als uitgangpunt. Het doel van dit onderzoek is om inzicht te krijgen in de exergieverliezen met het oog op mogelijke verbeteringen. De resultaten worden gepresenteerd en geanalyseerd met behulp van een binnen dit afstudeerproject ontwikkeld grafisch gereedschap (Graphical User Interface (GUI)). Het onderzoek wordt in dit rapport als volgt beschreven: achtergronden en probleemstelling van het onderzoek → doelstelling

Hoofdstuk 2

voorstudie → literatuuronderzoek: onder andere het begrip exergie en de werking van de warmtepomp

Hoofdstuk 3

modellering van een geschematiseerd warmtepompsysteem (in TRNSYS)

Hoofdstuk 4

ontwikkeling en werking van het grafisch gereedschap (GUI) voor de presentatie van de TRNSYS simulatie resultaten

Hoofdstuk 5

analyse simulatie resultaten

Hoofdstuk 6

parametrische studie nachtverlaging i.c.m. thermische massa constructie

Hoofdstuk 7

conclusies en aanbevelingen

Hoofdstuk 8

1

IEA(International Energy Agency) Annex 49 “Low Energy Systems for High Performance Buildings and Communities” als opvolger van Annex 37 “Low Exergy Systems for Heating and Cooling of Buildings”

-82BInleiding


2 Probleem 2.1 Probleemanalyse Aangenomen wordt dat het klimaat beïnvloed wordt door het gehalte CO2 in de atmosfeer. Door metingen aan monsters uit de poolkappen is een relatie met de temperatuur op aarde gevonden die een sterke temperatuurstijging verwacht wanneer de huidige ontwikkeling van de concentratie CO2 wordt geëxtrapoleerd (zie Figuur 2.1).

Figuur 2.1: Illustratie van de relatie tussen temperatuur en concentratie CO2 gedurende 400.000 jaar [20]

Vanwege de groeiende welvaart en wereldbevolking zal de vraag naar energie toenemen. Zolang de huidige energievoorziening grotendeels nog op verbranding van fossiele brandstoffen (zie definities) is gebaseerd zal technologisch sterker ingegrepen moeten worden om de uitstoot van CO2 hierdoor toch te kunnen beperken. Er is dus behoefte aan duurzame energievoorziening (zie definities).Dit kan bereikt worden door: • beperken van de vraag; • meer efficiënte energie-omzettingen; • gebruik van duurzame energiebronnen. Ook in Nederland is de energievoorziening grotendeels (90% [7]) gebaseerd op verbranding van fossiele brandstoffen, waarvan aardgas een groot deel uitmaakt. Het primaire energiegebruik (zie definities) van huishoudens maakt een vijfde deel uit van het totaal (zie Figuur 2.2). Daarvan gaat meer dan de helft naar verwarming. Met de warm tapwater behoefte erbij wordt bijna driekwart van deze energie gebruikt voor verwarmen (zie Figuur 2.3). warm (tap) water

huishoudens

koken en koelen

industrie verlichting

diensten overige

transport

klimaat (verwarming)

Figuur 2.2: Energiegebruik per sector in Nederland [8] Figuur 2.3: Energiegebruik per toepassing in huishoudens 1993 [5]

-93BProbleem


Warmtepompen worden in toenemende mate toegepast voor verwarmingsystemen. De efficiëntie van een warmtepompsysteem is doorgaans groter dan van een conventioneel verwarmingsysteem. Het primaire energiegebruik voor verwarming zal dus kunnen afnemen. De energie-efficiëntie van een compressiewarmtepomp is doorgaans groter dan 100%. Dit wordt uitgedrukt in de COP (Coefficient Of Performance): de verkregen warmte-energie gedeeld door de toegevoerde elektrische energie (zie ook definities), de gebruikte omgevingswarmte wordt hierin dus niet meegerekend. Deze energie-analyse geeft echter een te beperkt inzicht in de potentiële verbetering van de efficiëntie, want er is immers geen energieverlies. Energie heeft behalve een kwantiteit ook een kwaliteit, die wordt uitgedrukt in de grootheid exergie. Energieverlies is fysisch onmogelijk maar de bruikbaarheid of kwaliteit ervan kan wel afnemen, dit noemen we exergieverlies. Exergie-analyse van een warmtepompsysteem geeft inzicht in de exergieverliezen en de exergie-efficiëntie. Met deze kennis kunnen verbeteringen worden ontwikkeld om exergieverliezen te beperken en daarmee energie beter te benutten.

2.2 Probleemstelling Op basis van de probleemanalyse kan de achtergrond van het probleem als volgt worden samengevat: • Verwacht wordt dat de stijgende CO2 concentratie in de atmosfeer de temperatuur op aarde doet stijgen. • Verwarming in Nederland is grotendeels op verbranding van aardgas gebaseerd, hierbij komt CO2 vrij. De probleemstelling van dit onderzoek wordt hiermee: 1. Een meer duurzame energievoorziening kan onder andere bereikt worden door toepassing van efficiëntere energie-omzettingen, bijvoorbeeld gebaseerd op een warmtepomp. 2. Energie-analyse en de COP geven geen volledig inzicht in de prestatie van een warmtepompsysteem. Exergie-analyse geeft hier meer inzicht. 3. Dynamische exergie-analyse van een warmtepompsysteem is nog niet algemeen toepasbaar.

2.3 Doelstelling • • •

Het dynamisch uitvoeren van exergie- en energieanalyse van een geschematiseerd warmtepompsysteem voor woningverwarming. Een uitspraak doen over de toegevoegde waarde van exergie-analyse van een warmtepompsysteem. Het ontwikkelen van een gereedschap om de resultaten te presenteren

- 10 3BProbleem


3 Voorstudie 3.1 Wat is exergie? 3.1.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt het begrip exergie toegelicht voor zover relevant in het kader van verwarming van de gebouwde omgeving. Enkele theoretische achtergronden worden kort aangehaald, de thermodynamische hoofdwetten vormen de basis voor de energie- en exergie-analyse.

3.1.2 Theoretische achtergronden Thermodynamische hoofdwetten Thermodynamica wordt omschreven als de leer van de energie-omzettingen. Er is een aantal soorten energie, onder andere: chemisch gebonden energie, potentiële-, kinetische-, inwendige-, warmte- , elektrische energie en arbeid [16]. Relevant in het kader van dit onderzoek zijn de laatste vier van deze soorten. Op basis van waarneming in de natuur kunnen enkele uitspraken met betrekking tot omzettingen van deze vormen van energie worden gedaan, de hoofdwetten van de thermodynamica: •

Eerste hoofdwet van de thermodynamica: Energie kan niet verloren gaan, noch kan energie uit het niets ontstaan. Deze hoofdwet is ook bekend als: wet van behoud van energie.

•

Tweede hoofdwet van de thermodynamica: Volgens Carnot: Arbeid kan zonder meer in warmte worden omgezet, maar warmte niet zonder meer in arbeid.

- 11 4BVoorstudie


Energie-analyse is gebaseerd op de eerste hoofdwet. Voor elk systeem of proces is het mogelijk een energiebalans op te stellen. In een stationaire situatie is de ingaande en de uitgaande energiestroom gelijk:

Energieingaand = Energieuitgaand

Vergelijking 3.1

In het geval van een niet-stationaire situatie kent de energiebalans van Vergelijking 3.1 ook de post geaccumuleerde energie. Het verschil tussen ingaande en uitgaande energie is gelijk aan de geaccumuleerde energie, ofwel:

Energieingaand = Energieuitgaand + Energiegeaccumuleerd

Vergelijking 3.2

Het energetisch rendement van een systeem of proces kan als volgt worden berekend:

Energie Rendement =

Energie gewenst product Energieingaand

Vergelijking 3.3

Dit rendement kan een waarde aannemen tussen nul en één (of gebruikelijker: tussen nul en honderd procent). De eerste hoofdwet en de energie-analyse gaat slechts over hoeveelheden energie en omzettingen daartussen. Alle vormen van energie worden hierbij als equivalent beschouwd. De praktijk leert echter dat niet elke energievorm voor 100% in elke andere vorm kan worden omgezet: dit is de essentie van de tweede hoofdwet. Daarnaast gaat in de praktijk ook altijd iets van de waarde van de ingaande energie verloren waardoor er geen omzetting bestaat die omkeerbaar is. De waarde of kwaliteit van energie kan in een omzetting theoretisch slechts gelijk blijven of afnemen, in de praktijk kan deze dus alleen afnemen. De uitdaging is om processen te ontwikkelen waarbij zo min mogelijk waarde verloren gaat.

Arbeid: de hoogst gewaardeerde energievorm De energievorm arbeid kan gedefinieerd worden als: het uitoefenen van een kracht over een afstand. Arbeid kan theoretisch volledig in elke andere vorm worden omgezet, daarom wordt arbeid beschouwd als de meest hoogwaardige vorm van energie. De waarde of kwaliteit van de andere vormen van energie kan worden gedefinieerd als de hoeveelheid arbeid die er bij omzetting uit kan worden verkregen, ofwel: het arbeidspotentieel. Bij sommige vormen van energie is het arbeidspotentieel gelijk aan de energie hoeveelheid, bij inwendige energie en warmte-energie is het arbeidspotentieel altijd lager dan de energie hoeveelheid. De omzetting van warmte in arbeid en andersom is van groot belang voor energiesystemen in de gebouwde omgeving. De Carnot-cyclus is een thermodynamisch kringproces dat de theoretisch maximale omzetting van warmte in arbeid beschrijft.

- 12 4BVoorstudie


Carnot-cyclus De Franse Wiskundige Carnot heeft een cyclus ontdekt waarmee het (maximale) arbeidspotentieel van warmte kan worden bepaald, zie links in Figuur 3.1.

De cyclus neemt een hoeveelheid warmte (Q1) op uit een reservoir van hoge temperatuur T1 en geeft een hoeveelheid warmte (Q2) af aan een reservoir van lage temperatuur T2, terwijl een hoeveelheid arbeid (W) wordt geleverd. De hoeveelheid geleverde arbeid is maximaal wanneer de cyclus omkeerbaar is (Wreversibel). Er kan worden afgeleid [16] dat het rendement van deze reversibele cyclus uitsluitend afhankelijk is van de temperaturen in beide reservoirs: Figuur 3.1: Carnot-Cyclus [21, bewerkt]

η reversibel =

Wreversibel T1 − T2 = Q1 T1

Vergelijking 3.4

Het arbeidspotentieel is dus: Wreversibel =

T1 − T2 T × Q1 = (1 − 2 ) × Q1 T1 T1

Vergelijking 3.5

Hierin is: Symbool

Omschrijving

Eenheid

η W

rendement arbeid

J/s (Joule/seconde)

Carnot-factor

-

temperatuur warm reservoir temperatuur koud reservoir warmtestroom

K (Kelvin) K J/s

(1 −

T1 T2 Q

T2 ) T1

- 13 4BVoorstudie


3.1.3 Exergie: het arbeidspotentieel van energie Exergie is gedefinieerd als de maximale hoeveelheid arbeid die verkregen kan worden bij het omkeerbaar in evenwicht brengen van een stof in een bepaalde toestand met de omgeving. Er wordt bij de exergie-analyse in dit onderzoek gewerkt met: • de exergie van warmte; • de exergie van een hoeveelheid stof, bijvoorbeeld water of lucht. Exergie van warmte Exergie heeft vooral betekenis voor energiesoorten waarbij het arbeidspotentieel niet gelijk is aan de hoeveelheid energie. Van deze soorten is, in het kader van dit onderzoek, vooral de exergie van warmte interessant. De exergie van warmte is gebaseerd op de Carnot-cyclus. Er wordt nu aangenomen dat het koude reservoir de omgeving is; de omgeving is oneindig en de temperatuur ervan is dus onafhankelijk van de toegevoerde warmte door de Carnot-cyclus. Dit kan voorgesteld worden door in Figuur 3.1 en in Vergelijkingen 3.4 en 3.5 grootheid T2 gelijk te stellen aan T0. Er zijn twee mogelijkheden voor het warme reservoir:

•

Oneindig reservoir, temperatuur constant: Als ook het warme reservoir oneindig is zal de warmte die wordt afgegeven geen verlaging van de temperatuur in het reservoir veroorzaken. De exergie volgt direct uit Vergelijking 3.5: Ex = Wreversibel =

•

T1 − T0 T × Q1 = (1 − 0 ) × Q1 T1 T1

(Vergelijking 3.5)

Eindig reservoir, temperatuur variabel: De temperatuur van het warme reservoir zal in dit geval dalen. De toestand van het systeem verandert (van 1 naar 2). Er kan afgeleid worden [16] dat voor de exergie van een dergelijk systeem geldt: 2

2

2

1

1

1

Ex = ∫ dEx = ∫ dWreversibel = ∫ (1 −

T0 ) × dQ T

Vergelijking 3.6

Nog niet eerder geïntroduceerde symbolen hierin zijn: Symbool

Omschrijving

Eenheid

Ex T0

exergie referentietemperatuur (temperatuur omgeving)

J/s K

De tweede mogelijkheid is van toepassing bij verwarmingssystemen in de gebouwde omgeving.

- 14 4BVoorstudie


Exergie van een hoeveelheid stof Wanneer alleen de thermische component van een hoeveelheid stof wordt beschouwd en wordt aangenomen dat de soortelijke warmte (cp) onafhankelijk van de temperatuur is, kan met behulp van dQ = m × c p × dT worden afgeleid [14 en 16] dat bij een verandering van de

temperatuur (van T1 naar T2 )(opwarmen of afkoelen) geldt: T0 T ΔEx ⎛ = ⎜⎜1 − × ln 2 T1 ΔQ ⎝ T2 − T1

T2

⎞ ⎟⎟ ⎠T1

Vergelijking 3.7

Bij afkoeling tot de referentietemperatuur (T0), volgt voor de exergie van een hoeveelheid stof: T0 T ΔEx ⎛ = ⎜⎜1 − × ln 0 ΔQ ⎝ T0 − T T

⎞ ⎟⎟ ⎠

Vergelijking 3.8

Exergiefactor Kortweg kan voor een hoeveelheid warmte worden gesteld:

T dEx = (1 − o ) dQ T

Vergelijking 3.9

De factor aan de rechterzijde (van Vergelijking 3.9) wordt de exergiefactor genoemd. Dit is de hoeveelheid exergie van een warmtebron. In Figuur 3.2 is voor een referentietemperatuur van 11°C (gemiddelde temperatuur in De Bilt, Nederland) de exergiefactor getekend. Te zien is dat deze naar één nadert voor temperaturen die richting oneindig gaan. Wanneer de temperatuur naar het absolute nulpunt nadert gaat de exergiefactor naar oneindig. De exergiefactor is per definitie gelijk aan nul wanneer de temperatuur gelijk is aan T0. Exe rgie -factor bij T 0 =11 °C

Ex ergie-fac tor

2,0

1,0

0,0 -273

11 (T0)

Temperatuur [°C]

3000

Figuur 3.2: Absolute waarden voor de exergiefactor bij referentietemperatuur 11°C, getekend voor temperatuur bereik van -273°C (absoluut nulpunt) tot ongeveer 3000°C.

- 15 4BVoorstudie


Keuze referentietemperatuur De keuze van de referentietemperatuur is bepalend voor de grootte van de exergiefactor en ook voor het exergieverlies en dus voor het exergierendement. Als de referentietemperatuur variabel is, varieert ook de exergiefactor (van warmte op een bepaalde temperatuur). Dit is het geval als de omgevingstemperatuur als referentietemperatuur wordt gekozen, zie Figuur 3.3. T0,min= -11,8 °C T0,max= 30,7 °C Ex ergie-factor

Exe rgie -factor

Exergie-factor

2,0

0,1

1,0

-11,8 0,0

-273

20 30,7 (Ti, gemiddeld) Temperatuur [°C]

Temperatuur [°C]

3000

Figuur 3.3: Exergiefactor bij minimale en maximale omgevingstemperatuur (van een gemiddeld jaar in De Bilt, Nederland), rechts: bereik bij een temperatuur binnen van gemiddeld 20°C.

In plaats van de omgevingstemperatuur kan onder sommige omstandigheden ook een andere (constante) temperatuur als referentietemperatuur worden gekozen. Bijvoorbeeld de temperatuur van de bron van een warmtepompsysteem: grondwater op constant 12°C.

- 16 4BVoorstudie


Entropie De tweede hoofdwet wordt ook omschreven als: De entropie van een gesloten systeem kan alleen gelijk blijven of stijgen. De thermodynamische toestandsgrootheid entropie is een maat voor de wanorde of verspreiding binnen een systeem, deze kan slechts gelijk blijven of toenemen. Hiermee geeft de tweede hoofdwet de richting aan waarin processen op kunnen treden, namelijk waarbij de entropie toeneemt, bijvoorbeeld: van een warme naar een koude stof. Spontane (natuurlijke) processen hebben steeds als uitkomst dat een verschil geminimaliseerd wordt, deze verschillen kunnen onder andere bestaan in: temperatuur, druk, concentratie. Een dergelijk proces kent een proportionele relatie tussen de productie van entropie en de consumptie van exergie, zie Figuur 3.4. Energie

Exergie

2

1 Entropie

4

3

1. 2. 3. 4.

toevoer van exergie consumptie/verlies van exergie (vgl. 3.12) productie van entropie (vgl. 3.10) afvoer van entropie

Figuur 3.4: Stationaire stroming van energie, exergie en entropie door een wand [15, bewerkt]

In het geval van een stationaire situatie zijn de relaties tussen energie, entropie en exergie de volgende: De entropie (symbool: S) balans luidt: Entropie productie = Entropieuitgaand − Entropieingaand

Vergelijking 3.10

Anergie is het verspreidde en daardoor potentieloze deel van energie, het is niet meer beschikbaar om arbeid te leveren. Anergie is gedefinieerd als het product van entropie en de referentietemperatuur (omgevingstemperatuur): Anergie = Entropie × T0 (Gouy-Stodola relatie) Vergelijking 3.11 Exergieverlies De exergiebalans kan worden afgeleid door de stationaire energie- en entropie/anergie-balans te combineren [15], dan volgt:

Exergieconsumptie = Exergieingaand − Exergieuitgaand

Vergelijking 3.12

- 17 4BVoorstudie


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

- 18 4BVoorstudie


3.2 Warmtepomp 3.2.1 Inleiding Een warmtepomp is een apparaat dat warmte opneemt bij een lage temperatuur en afgeeft op een hogere temperatuur, onder toevoer van arbeid. Er worden verschillende soorten warmtepompen onderscheiden, op basis van onder andere de volgende fysische processen: • Compressie • Absorptie Het principe van een compressiewarmtepomp is het meest gangbaar. Het wordt bijvoorbeeld toegepast in een koelkast. Warmte wordt door middel van de warmtepomp uit de kast verplaatst naar de omgeving waarin de kast staat. Hierbij moet arbeid toegevoerd worden in de vorm van elektriciteit. Deze warmtepomp wordt meestal een koelmachine genoemd. Een warmtepomp kan ook gebruikt worden voor verwarming door warmte aan de omgeving (uit lucht, bodem of water) te ontrekken en toe te voeren op een gewenst hoger temperatuurniveau. Dit hoofdstuk gaat dieper in op de theorie van de werking van vooral de elektrische compressiewarmtepomp en de toepassing van deze warmtepomp voor verwarming van de gebouwde omgeving.

3.2.2 Theoretisch principe warmtepomp Een warmtepomp neemt bij lage temperatuur warmte op welke bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Uit de tweede hoofdwet van de thermodynamica volgt dat dit proces slechts kan plaatsvinden onder toevoer van arbeid (zie rechts in Figuur 3.1). Kort samengevat werkt een compressiewarmtepomp door een vloeistof (koelmiddel) bij lage temperatuur te laten verdampen en bij hoge temperatuur te laten condenseren. Om dit mogelijk te maken moet in het eerste geval de kookpunt temperatuur worden verlaagd tot onder de temperatuur van de warmtebron en in het tweede geval worden verhoogd tot boven de temperatuur aan de afgifte kant. De kookpunt temperatuur kan worden verhoogd door de druk met een compressor op te voeren; dit kost arbeid. Een turbine, maar meestal een smoorofwel expansieventiel, zorgt ervoor dat de druk afneemt waardoor de kookpunt temperatuur daalt. Een turbine kan theoretisch arbeid leveren, een expansieventiel niet.

- 19 4BVoorstudie


In een warmtepomp vinden de hiervoor omschreven processen plaats in een gesloten cyclus waarin zich een koelmiddel bevindt. In onderstaande Figuur 3.5 is deze cyclus schematisch weergegeven. Rechts in de figuur is te zien dat de druk van het koelmiddel tussen het expansieventiel en de compressor hoog is aan de kant van de condensor en laag aan de kant van de verdamper. Boven in de figuur is aangegeven dat de fase van het koelmiddel tussen de condensor en de verdamper aan de kant van de compressor dampvormig is en aan de kant van de kant van het expansieventiel vloeibaar. In het midden van de figuur is de stroomrichting van het koelmiddel in de cyclus aangegeven. In de condensor is onder invloed van de hoge druk het kookpunt van het koelmiddel hoger dan de temperatuur van het afgiftesysteem waardoor het condenseert onder afgifte van warmte. In de verdamper is het kookpunt lager dan de warmtebron waardoor het koelmiddel overgaat in de dampfase en daarbij warmte opneemt. Damp

Vloeistof

warmteafgifte condensor expansieventiel

compressor

arbeid

Hoge druk

Lage druk

verdamper

warmteopname Figuur 3.5: Schematische weergave van een compressiewarmtepomp

Een absorptiewarmtepomp heeft in plaats van de compressor een thermisch compressieproces. In deze warmtepomp zijn twee middelen aanwezig, een absorptiemiddel en het koelmiddel. Waar de compressor het dampvormige koelmiddel zou aanzuigen en samenpersen wordt het hier geabsorbeerd in het absorptiemiddel waarbij warmte vrijkomt. Onder toevoer van warmte wordt vervolgens in de regenerator het koelmiddel weer uit het absorptiemiddel gedreven op een hogere druk. De ideale warmtepompcyclus is de omgekeerde Carnot-cyclus. Dit is een theoretisch kringproces dat de theoretisch maximale hoeveelheid arbeid definieert die uit dit proces vrij kan komen als warmte op hoge temperatuur wordt opgenomen en op lage temperatuur wordt afgegeven. Om warmte van een lage naar een hoge temperatuur te verplaatsen is in theorie dezelfde hoeveelheid arbeid nodig, want de Carnot-cyclus is omkeerbaar (zie Figuur 3.1). In het geval van een werkelijke warmtepomp zullen echter verliezen optreden waardoor de toevoer van arbeid in de praktijk groter dient te zijn. De verliezen van de warmtepompcyclus bevinden zich achtereenvolgens in: • het expansieventiel: bij expansie in een turbine is het verlies kleiner; • de compressor; • de warmtewisselaars (verdamper en condensor). - 20 4BVoorstudie


3.2.3 Efficiëntie Met behulp van de eerste hoofdwet van de thermodynamica kan een energiebalans worden opgesteld voor een elektrische compressiewarmtepomp (zie Figuur 3.6): Q& condensor = Q& verdamper + Welektrisch

Vergelijking 3.13

Q& condensor

compressor

Welektrisch

condensor

verdamper

Q& verdamper Figuur 3.6: Energiebalans compressiewarmtepomp

Het rendement van een warmtepompcyclus wordt uitgedrukt in de Coefficient Of Performance (COP). Deze geeft de verhouding weer tussen de hoeveelheid afgegeven warmte en de hoeveelheid toegevoerde elektrische energie. Voor een koelmachine geldt: COPkoelmachine =

Q& verdamper Welektrisch

Vergelijking 3.14

En voor een warmtepomp geldt: COPwarmtepomp =

Q& condensor Q& verdamper + Welektrisch = = COPkoelmachine + 1 Vergelijking 3.15 Welektrisch Welektrisch

Dit laatste is logisch want de toegevoerde elektrische energie wordt ook omgezet in warmte wat in het geval van verwarmen gewenst is. De COP van de huidige generatie warmtepompen ligt tussen 1 en 5; dit is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen verdamper en condensor. Hoe kleiner dat is, hoe groter de COP. De COP van een warmtepomp kan bepaald worden door metingen van het elektriciteitsgebruik, de massastromen en de temperaturen aan de condensor en/of verdamper. Uit het temperatuurverschil over condensor of verdamper volgt de warmtestroom volgens: Q& = m& × c p × ΔT

Vergelijking 3.16

- 21 4BVoorstudie


Een bovengrens voor de COP van een warmtepomp is, zoals hiervoor omschreven, het omgekeerde van het Carnot-rendement: 1 COPCarnot = Vergelijking 3.17 ηCarnot Carnot-COP COP

40 30 20 10 0 295

Hieruit volgt dat:

305 315 325 Tw arm [K]

335

Figuur 3.7: Carnot-COP bij Tkoud = 285K

COPCarnot,verwarmen =

Twarm Twarm − Tkoud

Vergelijking 3.18

De tweede-hoofdwet-efficiëntie van de warmtepomp, ofwel het percentage van het Carnot COP dat gehaald wordt, volgt uit:

ηWP =

COP COPCarnot

Vergelijking 3.19

De tweede-hoofdwet-efficiëntie van de warmtepomp ligt in de praktijk rond 0,45 a 0,55. Symbolen die hierboven genoemd zijn: Symbool

Omschrijving

Waarde Eenheid

COP Q& m& ΔT cp ηCarnot Twarm

Coefficient Of Performance warmtestroom massastroom temperatuurverschil over condensor of verdamper soortelijke warmte water 4,18 Carnot-rendement thermodynamisch gemiddelde temperatuur condensor

J/s kg/s K kJ/kg·K K

Tkoud ηWP

thermodynamisch gemiddelde temperatuur verdamper warmtepomp efficiëntie

K -

In de COP van de warmtepomp is dan nog niet het energierendement van bijvoorbeeld de benodigde elektriciteitsopwekking voor de compressor inbegrepen. Elektriciteitsopwekking heeft een rendement dat varieert van ongeveer 25%[24] bij een kerncentrale, 40% in een kolencentrale, tot 58%[24] in een Stoom- en Gascentrale (STEG) (Deze werkt op basis van een gecombineerde gas- en stoomturbine.). De Primary Energy Ratio (PER) bevat wel de elektriciteitsopwekking. De PER is de verhouding tussen de hoeveelheid afgegeven warmte en alle primaire energie die daarvoor nodig is. - 22 4BVoorstudie


3.2.4 Een warmtepomp in de praktijk Onderdelen en bouw Een warmtepomp bestaat uit een: • Compressor De compressor heeft als functie de druk van het dampvormige koelmiddel te verhogen door samenpersing. Deze bestaat uit een motor die een pomp aandrijft. Bij een elektrische compressiewarmtepomp is dit een elektromotor.

• Expansieventiel, smoorventiel, turbine In dit ventiel expandeert de vloeistof zodat de druk afneemt. • Verdamper De verdamper is in feite een warmtewisselaar waarin het koelmiddel warmte kan opnemen en daardoor overgaat in dampfase. • Condensor In de condensor gaat het dampvormige koelmiddel onder afgifte van warmte over in vloeibare vorm; dit is ook een warmtewisselaar. Figuur 3.8 hiernaast geeft een schematische weergave van een warmtewisselaar waarin condensatie optreedt.

• Leidingen De leidingen verbinden de eerste vier onderdelen tot een cyclus.

Figuur 3.8: Condensor [22]

• Koelmiddel Het koelmiddel heeft als eigenschap dat de fase-overgangen snel verlopen.

- 23 4BVoorstudie


Typen warmtepompen Er bestaan verschillende typen warmtepompen, deze zijn in Tabel 3.1 weergegeven: Tabel 3.1: Typen warmtepompen op basis van media Medium condensor Medium verdamper (afgifte bij verwarming) (bron bij verwarming) water water water lucht lucht water lucht lucht

Merken en specificaties Hieronder volgt een samenvatting van enkele jaargemiddelde specificaties van elektrisch aangedreven water-water compressiewarmtepompen zoals die door verschillende merken geleverd worden. Tabel 3.2: COP van enkele warmtepompen bij twee afgifte temperaturen. Bron: grondwater [Test, 2007] Warmtepomp COP bij 35°C COP bij 55°C Vaillant Geotherm Alpha Innotec Stiebel Eltron Dimplex Junkers Waterkotte Viessmann Nibe Fighter Techneco

4,7 4,7 4,7 4,3 4,2 4,3 4,0 4,5 5,9

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

In Figuur 3.9 is te zie hoe de Techneco warmtepomp presteert bij verschillende temperaturen.

Figuur 3.9: Temperaturen en vermogen van de Techneco Vulcan 06HT warmtepomp [Techneco, bewerkt].

- 24 4BVoorstudie


3.3 Warmtepompsysteem 3.3.1 Inleiding In dit hoofdstuk volgt een overzicht van componenten of subsystemen waaruit een warmtepompsysteem is opgebouwd. Een warmtepompsysteem bestaat altijd uit tenminste de volgende componenten: warmtebron, warmtepomp en warmte-afgiftesysteem (zie ook Figuur 3.10). Voor elk van deze componenten zijn er meerdere mogelijkheden, deze worden beschreven in de volgende paragrafen. Op basis van deze mogelijke componenten kan een aantal alternatieve warmtepompsystemen bedacht worden. Voor de analyse wordt een warmtesysteem uit deze alternatieven gekozen.

Warmtebron

Warmtepomp

Afgiftesysteem

Figuur 3.10: Schematische weergave van een warmtepompsysteem(warmtepomp al dan niet in woning)

3.3.2 Mogelijke warmtebronnen Als warmtebron van de warmtepomp zijn er verschillende mogelijkheden. Allereerst is er het eerder genoemde onderscheid tussen lucht en water. Mogelijke warmtebronnen zijn:

•

Lucht o Buitenlucht o Retour-ventilatielucht

•

Water o o o o o

Grondwater Aquifer Zeewater Rivierwater Meerwater

Bij de meeste van deze bronnen, met uitzondering van de aquifer, is het natuurlijk temperatuurverloop tegengesteld aan de warmtevraag: ’s winters hebben deze bronnen een lage temperatuur terwijl dan juist de warmtevraag het grootst is, ’s zomers is dit juist omgekeerd. Dit is minder het geval bij retour-ventilatielucht. Eventueel zijn combinaties van deze bronnen mogelijk in een warmtepompsysteem.

- 25 4BVoorstudie


3.3.3 Mogelijke afgiftesystemen Het afgiftesysteem in de woning kan gebaseerd zijn op:

•

Lucht o Luchtverwarming

•

Water o o o o

Vloerverwarming Wandverwarming Betonkern-activering Radiatoren

Eventueel zijn combinaties van deze afgiftesystemen mogelijk.

3.3.4 Warm tapwater Een warmtepomp kan gebruikt worden voor de productie van warm tapwater. Het tapwater dient tot 60 °C verwarmd te worden om Legionella besmetting tegen te gaan. Bij een groot temperatuurverschil over de warmtepomp daalt de COP. Daarnaast blijkt in de praktijk dat in verhouding een warmtepomp met een groot vermogen toegepast moet worden, wanneer een snelle opwarmtijd gewenst is.

3.3.5 Koeling Bij een warmtepompsysteem is er de mogelijkheid om de warmtepomp te gebruiken als een koelmachine. Hierdoor kan een woning enkele graden onder omgevingstemperatuur gekoeld worden in de zomer. De behoefte aan aparte koelmachines kan hierdoor verminderen. In de praktijk worden hiervoor de afgifte- en de bronkringloop verwisseld ten opzichte van de verdamper en de condensor aan de warmtepomp met behulp van kleppen (zie Figuur 3.11Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.).

Figuur 3.11: Schematische weergave van een compressiewarmtepomp / koelmachine in de praktijk [29, bewerkt]

- 26 4BVoorstudie


3.3.6 Regeling Om de temperatuur van de binnenlucht in een woning te regelen, is (automatische) sturing van de warmtestroom noodzakelijk. In het algemeen zorgt een regelaar ervoor dat op basis van het verschil in gemeten waarde en streefwaarde van een bepaalde grootheid binnen een dynamisch systeem, er automatisch sturing plaatsvindt met als doel dit verschil te minimaliseren. Deze sturing kan simpel een aan of uit signaal zijn (bijv. schakelende thermostaat), of proportioneel (bijv. modulerende thermostaat). Bij een proportionele sturing is de grootte van het stuursignaal afhankelijk van de grootte van het verschil tussen gemeten waarde en streefwaarde. Een schakelende thermostaat regelt de temperatuur door de verwarmingscomponent van het systeem, en daarmee de warmtestroom, aan of uit te schakelen (sturen). Bij deze regelaar wordt de verwarmingscomponent aangeschakeld wanneer de gemeten temperatuur een bepaalde in te stellen streefwaarde voor de temperatuur onderschrijdt. Wanneer de gemeten temperatuur de streefwaarde overschrijdt, wordt de verwarming uitgeschakeld. Om te voorkomen dat er oscillatie ontstaat wordt gebruik gemaakt van hysterese. Dit wil zeggen dat de staat (aan of uit) binnen een bandbreedte afhankelijk is van het voortraject. Door deze scheiding van de aan- en uitschakel temperaturen kan het aantal schakelingen door de thermostaat beperkt worden. Voorbeeld In een woning wordt veelal gebruik gemaakt van een schakelende thermostaat om de temperatuur te regelen. De ingestelde streefwaarde voor de temperatuur is in dit voorbeeld 20°C. Als een bandbreedte van ±1°C wordt aangehouden, bedraagt de ondergrens 19°C en de bovengrens 21°C. Als de gemeten temperatuur daalt, dan zal de thermostaat de verwarming aanschakelen bij temperaturen gelijk en lager dan 19°C, wanneer deze stijgt gaat de verwarming uit bij 21°C en hoger. Zie Figuur 3.12 hieronder voor een grafische weergave van de werking van deze thermostaat.

Status (Aan /Uit)

Aan (1)

Uit(0) Tondergrens 19°C

Tbovengrens 21°C Temperatuur [°C]

Figuur 3.12: Hysterese in een schakelende thermostaat

Naast de aan / uit sturing door een schakelende thermostaat is proportionele regeling van de warmtestroom mogelijk door sturing van het debiet van het koelmiddel in de warmtepomp. Met behulp van een modulerende compressor kan de warmtepomp in deellast werken. Er dient bedacht te worden dat de COP hierbij niet constant blijft. Deze vorm van regeling blijft buiten beschouwing in dit afstudeeronderzoek.

- 27 4BVoorstudie


3.3.7 Mogelijke configuraties Voor een woning of groep woningen zijn de volgende configuraties van een warmtepompsysteem mogelijk:

• • •

Individuele warmtepomp in de woning; Collectieve warmtepomp centraal; Individuele en collectieve warmtepomp.

WP

WP WP

WP WP

Figuur 3.13: Schematische weergave drie mogelijke configuraties (WP = Warmtepomp)

Er zijn voor zowel een enkele woning als een groep woningen ook alternatieven denkbaar met meerdere warmtepompen waarbij de temperatuur in stappen opgevoerd wordt. Deze alternatieven worden buiten beschouwing gelaten.

- 28 4BVoorstudie


3.3.8 Gekozen warmtepompsysteem In deze paragraaf wordt bepaald hoe het warmtepompsysteem, dat wordt beschouwd, eruit ziet. De mogelijkheid voor warm tapwater en koeling wordt buiten beschouwing gelaten. Afgiftesysteem •

Lucht o

•

Luchtverwarming

Water

Warmtepomp lucht-lucht lucht-water

water-water

o

Vloerverwarming

o o

Wandverwarming Radiators

water-lucht

Warmtebron •

•

Lucht o

Buitenlucht

o

Retour-ventilatielucht

Water o

Grondwater

o o

Aquifer Zeewater

o o

Rivierwater Meerwater

Figuur 3.14: Keuze componenten warmtepompsysteem

De keuze van de componenten wordt bepaald door het afgiftesysteem. Bij lage temperatuurverwarming is een groot oppervlak voor convectie noodzakelijk. Dit is vrijwel alleen te realiseren met vloer- of wandverwarming. Daarnaast maken vloeren wandverwarming gebruik van de warmte accumulerende werking van het beton, daardoor hebben deze mogelijkheden de voorkeur boven luchtverwarming. Voor verwarming van een woning zijn de warmtebronnen met een constante temperatuur zoals aquifer en grondwater het meest geschikt. Bij de andere bronnen is het natuurlijk temperatuurverloop ongunstig ten opzichte van de warmtevraag van de woning. Het warmtepompsysteem dat beschouwd wordt, heeft een water-water warmtepomp en vloerverwarming als afgiftesysteem. Als warmtebron wordt een constante temperatuur (12°C) aangenomen, bijvoorbeeld uit grondwater of een aquifer. Regeling vindt plaats door middel van een schakelende thermostaat. De gekozen configuratie is een individuele warmtepomp per woning, omdat de bepaling van de warmtevraag niet voor meerdere woningen afzonderlijk wordt gedaan. Een collectief systeem met meerdere woningen en een centrale warmtepomp komt dan neer op het vergroten van de schaal van het systeem en dat biedt geen meerwaarde in dit onderzoek. Daarnaast wordt distributie in dit afstudeeronderzoek buiten beschouwing gelaten.

- 29 4BVoorstudie


3.4 Warmtebalans woning In de Figuur 3.15 hieronder zijn de warmtestromen uit de warmtebalans van een woning schematisch weergegeven. Transmissie 1. Ramen 2. Wanden 3. Dak 4. Beganegrondvloer

8/9 3

5

6 1 2

7

10 4

Warmtewinst 5. Zontoetreding 6. Interne warmteproductie (verlichting, apparatuur, personen) 7. Verwarming 8. Ventilatie 9. Infiltratie 10. Accumulatie

Figuur 3.15: Schematische weergave warmtebalans woning, pijlrichting op basis van situatie bij verwarming.

De warmtevraag van een woning volgt uit: Q& verwarming = Q& transmissie + Q& ventilatie − Q& warmtewinst

Vergelijking 3.20

Op basis van de instelling voor de gewenste temperatuur van de binnenlucht wordt het benodigde vermogen voor verwarming bepaald. In het geval van een statische berekening wordt hierbij vaak uitgegaan van een maatgevende situatie, wanneer de buitentemperatuur -10°C bedraagt. Bij een dynamische berekening wordt de warmtevraag op elk moment berekend op basis van een variërende: • Temperatuur buitenlucht Deze beïnvloedt de grootte van de transmissie en ventilatie verliezen. • Zonnestraling Hiermee varieert de warmtewinst door zontoetreding. • Accumulatie Opwarming geeft een warmteverlies, afkoeling een warmtewinst. Wanneer niet aan deze warmtevraag wordt voldaan, en de balans dus niet in evenwicht is, kan de temperatuur in de woning niet gehandhaafd worden.

- 30 4BVoorstudie


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

- 31 4BVoorstudie


Een component wordt ingesteld door middel van: • Parameters • Invoer grootheden Op basis van deze instellingen volgen na berekening: • Uitvoer grootheden Een afbeelding van het warmtepompsysteem model is weergegeven in Figuur 3.16. De componenten zijn weergegeven als iconen met een beschrijving eronder.

Figuur 3.16: Afbeelding van het warmtepompsysteem model in TRNSYS

Verbindingen en relaties Componenten kunnen onderling verbonden worden met een pijl. Een pijl kan meerdere relaties tussen uit- en invoer grootheden van de betreffende twee componenten bevatten. Een uitvoer grootheid kan meerdere relaties met verschillende invoergrootheden hebben, een invoergrootheid kan maar één relatie hebben. Simulatie Voor simulaties kan onder andere ingesteld worden: • Tijdstap: bijvoorbeeld 1 uur • Tijdsduur: bijvoorbeeld 8760 uur (1 jaar)

- 32 4BVoorstudie


4 Modellering van het gekozen warmtepompsysteem 4.1 Inleiding Hieronder zijn de gevolgde stappen bij de opbouw van het TRNSYS model van het warmtepompsysteem samengevat: 1. Modelleren woning. 2. Testen van het model van de woning, als passief systeem, zonder verwarming. 3. Warmtevraag van de woning en benodigd verwarmingsvermogen bepalen in TRNSYS door middel van ongelimiteerde verwarming en een ingestelde binnenluchttemperatuur van 20°C. 4. Controleren warmtevraag met handmatige berekening. 5. Benodigd vermogen warmtepomp bepalen op basis van maximale warmtevraag. 6. Warmtepomp (water-water) (constante brontemperatuur 12°C) met regeling binnenluchttemperatuur (20±1 °C) en vloerverwarming door middel van actieve laag in beganegrondvloer. 7. Energie- en exergie stromen door elk van de componenten van het systeem berekenen. Deze stappen zullen in dit hoofdstuk toegelicht worden.

Q_HEAT

Warmtevraag 8,0

m a x. 7 ,2

7,0

av. 1,9 m in. 0

Energie [kW]

6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1

721

1441

2161

2881

3601

4321

5041

5761

6481

7201

7921

8641

Tijd [uren]

Figuur 4.1: Illustratie bepaling benodigd vermogen warmtepomp volgens stap 5. Maximale warmtevraag 7,2 kW.

- 33 5BModellering van het gekozen warmtepompsysteem


4.2 Schema van het warmtepompsysteem In Figuur 4.2 is te zien hoe het warmtepompsysteem opgebouwd is. Het gestreepte kader is de systeemgrens; de warmtebron en de omzetting van primaire energie (elektriciteitsopwekking) vallen buiten het beschouwde systeem. Binnenlucht

G ebouw schil

Em issie Vloerverw arm ing

O pw ekking Bronkrinloop

W arm tepom p

N oord

Zuid

<- Systeemgrens WP-systeem-> Bodem

Verklaring van de symbolen: Elektrische pomp Elektrische compressor Expansieventiel Verdamper Condensor Vloerverwarming

Primaire energie omzetting Figuur 4.2: Schematische weergave van het warmtepompsysteem met systeemgrens (gestreept kader).

In Figuur 4.3 is een meer gedetailleerde schematische weergave van de woning weergegeven. Interne warmtewinsten worden buiten beschouwing gelaten.

8/9 3 5 1 20 ±1°C 7

2 10

<- Systeemgrens woning ->

<- Systeemgrens WP-systeem ->

Figuur 4.3: Gedetailleerde schematische weergave van de woning. (zie Figuur 3.15 voor legenda)



4.3 Model van de woning 4.3.1 De Nederlandse woningvoorraad De te modelleren woning komt bij voorkeur overeen met een gemiddelde Nederlandse woning. De woningvoorraad in Nederland is verdeeld zoals te zien in Figuur 4.4. hoekwoningen

flat en overige

twee-onder-eenkap-woningen

vrijstaande woningen tussenwoningen

Figuur 4.4: Nederlandse woningvoorraad naar woningtype [18]

In de figuur is te zien dat de woningvoorraad voor een groot deel uit tussenwoningen bestaat. Daarnaast bestaat 36,5% van de nieuwbouw productie in Nederland uit tussenwoningen. Samen met hoekwoningen maken deze rijwoningen bijna 50% uit van de woningproductie in Nederland [19]. Het model van de woning wordt gebaseerd op een tussenwoning.

4.3.2 De gekozen SenterNovem referentiewoning SenterNovem heeft een aantal representatieve Nederlandse woningen geschematiseerd tot referentiewoningen[18], waaronder een tussenwoning. Deze SenterNovem referentie-tussenwoning vormt de basis voor het model van de woning in TRNSYS. De referentie-tussenwoning voldoet aan de Energie Prestatie Coëfficiënt (EPC) eis van 2006 (0,8) (volgens NEN 5128 / NPR5129).



Algemene kenmerken De referentie-tussenwoning heeft een gemiddeld woonoppervlak van 125 m2 verdeeld over de beganegrond, een verdieping en een zolder. De woning heeft drie slaapkamers.

Figuur 4.5: SenterNovem referentie-tussenwoning [19]

In Bijlage A zijn tekeningen van de referentie-tussenwoning opgenomen. Bouwkundige kenmerken transmissie

Ramen + Deur Ramen Dakraam Voorgevel Achtergevel Dak Dak Scheidingswanden buren

Oriëntatie Noordkant (N) Zuidkant (Z) N N Z N (helling 43°) Z (helling 43°)

Oppervlakte BG-vloer

Oppervlak [m2] 10,4 14,8 1,4 20,8 16,4 29,7 31,1 23,1 (2e etage: 21,8) 46,2

U-waarde [W/m2·K] 1,8 1,8 1,8 0,32 0,32 0,24 0,24

ZTA [-] 0,60 0,60 0,60

0,32

Ventilatie Het ventilatiesysteem ziet er als volgt uit: • Mechanische ventilatie; • Natuurlijke toevoer; • Geen warmteterugwinning.

4.3.3 Samenvatting model woning • • • • •

U-waarde ramen 1,4 W/m2·K (exclusief 15% kozijnoppervlak). Vloerverwarming in beganegrondvloer, oppervlak 133,6 m2. U-waarde beganegrondvloer 0,035 W/m2·K (bijna 1 m. isolatie ter beperking van transmissieverlies door vloerverwarming). Ventilatievoud (inclusief infiltratie) van 1,4 h-1 (zie Bijlage C). Geen interne warmteproductie.



4.4 Het warmtepompsysteem in TRNSYS 4.4.1 Inleiding In deze paragraaf worden de relevante componenten van het TRNSYS model en de instellingen ervan in meer detail besproken. In Bijlage E (Engels) worden de belangrijkste relaties en berekeningen van het model uitgelegd.

4.4.2 Klimaatgegevens De simulatie maakt gebruik van gegevens over een Gemiddeld Meteorologisch Jaar (TMY) van weerstation De Bilt, Nederland. Een opsomming van de gegevens die beschikbaar zijn:

• • • • • • • •

Omschrijving

Omgevingstemperatuur Luchtvochtigheid Windsnelheid Windrichting Luchtdruk Hoek zon met zenit Azimut zon Zonnestraling

Eenheid

°C % m/s ° (zuid=0°) Pa ° ° (noord=0°) kJ/h·m2

Voor het horizontaal vlak en zelf te definiëren (d.m.v.: azimut, helling) vlakken: • Opgenomen zonnestraling kJ/h·m2 • Directe zonnestraling kJ/h·m2 • Indirecte hemel straling kJ/h·m2 • Indirecte door de grond gereflecteerde straling kJ/h·m2 Figuur 4.6: Azimut uitleg [Wikipedia]

Voor het beschouwde model wordt gebruik gemaakt van: • Omgevingstemperatuur • Hoek zon met zenit • Azimut zon • Zonnestraling



4.4.3 Warmtepomp component TRNSYS Type 668 is een black box model van een (water-water) warmtepomp welke werkt met prestatiegegevens. Een schematische weergave van het model van de warmtepomp achter deze TRNSYS component is te zien in Figuur 4.7.

Figuur 4.7: Schematische weergave van een water-water warmtepomp

De TRNSYS warmtepomp component (Type 668) heeft de volgende invoer grootheden: Omschrijving

• • • •

Ingang temperatuur aan zijde bron Ingang temperatuur aan zijde afgifte Debiet bronkringloop Debiet afgiftekringloop

Relevante uitvoer grootheden: • Uitgang temperatuur aan zijde bron • Uitgang temperatuur aan zijde afgifte • Warmtestroom uit bron • Warmtestroom afgifte • Elektrisch vermogen • COP

Naam (zie figuur 4.7)

Eenheid Waarde

T_HP_src_in T_HP_ld_in Source flowrate Load flowrate

°C °C kg/h kg/h

T_HP_src_out T_HP_ld_out Q_HP_in Q_HP_out P_HP

°C °C kJ/h kJ/h kJ/h -

12(constant)

De prestatie van een warmtepomp kan bepaald worden met behulp van metingen aan: • de temperaturen (in Figuur 4.7: T_HP_src_in, T_HP_src_out, T_HP_load_in en T_HP_load_out). Daaruit volgen ΔT aan bron- en afgiftezijde; • het opgenomen elektrisch vermogen (P_HP); • het debiet van de bron- en afgiftekringloop (in Figuur 4.7: Source flowrate en Load flowrate). Volgens vergelijking 3.16, waarin de constante cp voorkomt, is met de gemeten ΔT respectievelijk de warmtestroom uit de bron (Q_HP_in) en de afgegeven warmtestroom (Q_HP_out) te bepalen. De TRNSYS component werkt met de prestatiegegevens: Q_HP_out en P_HP. Deze gegevens worden opgegeven voor combinaties van: T_HP_src_in en T_HP_ld_in.



4.4.4 Warmtepomp op basis van percentage van Carnot-COP Er is gekozen om de prestatiegegevens te baseren op een warmtepomp op basis van een vast percentage (40%) van het Carnot-COP. De prestatiegegevens van deze warmtepomp zijn volgens deze stappen vastgesteld: 1. Berekenen van de temperaturen aan de in- en uitgang van de vloerverwarming. Deze komen overeen met respectievelijk de uit- en ingang temperaturen aan de afgifte zijde van de warmtepomp. 2. Bepalen van de COP van de warmtepomp, gebaseerd op: a. uitgangspunt: 40% van Carnot-COP b. het temperatuurverschil over de afgifte zijde (uit stap 1) c. uitgangspunt: ingang temperatuur aan bron zijde: 12 °C Stap 1: Berekenen temperatuurverschil over afgifte zijde warmtepomp Uitgaande van het benodigd vermogen (7200 W) en de instelling voor de temperatuur van de binnenlucht (20 °C) kunnen de temperaturen in de vloerverwarming worden berekend, zie Figuur 4.8. Tlucht Toppervlak vloer

d

ΔT1 = Q& / α i × A ΔT2 = Q& /(

λbeton T2 Tvloerverwarming T1

1 Rdeklaag

× A)

ΔT3 = Q& / m& × c p

Figuur 4.8: Temperaturen vloer en vloerverwarming uitgaande van een stationaire situatie.

Hierin is: Symbool

Omschrijving

Waarde Eenheid

Tlucht Q&

instelling voor temperatuur binnenlucht benodigd vermogen

20 °C 7200 W

αi A d λbeton Rdeklaag m& cp T1 T2 Tvloerverwarming

warmte-overgangscoëfficiënt(convectie en straling)7,7 oppervlak beganegrondvloer 133,6 dikte deklaag op vloerverwarming 0,06 warmtegeleidingcoëfficiënt beton 1,9 warmteweerstand deklaag = d/λ 0,03 debiet vloerverwarming 710 soortelijke warmte water 4,18 temperatuur ingang vloerverwarming temperatuur uitgang vloerverwarming gemiddelde temperatuur water vloerverwarming

W/m2·K m2 m W/m·K m2·K/W kg/h kJ/kg·K °C °C °C



ΔT1 = 7 °C Toppervlak vloer = 27 °C Deze temperatuur mag, uit oogpunt van comfort, maximaal 28 °C bedragen [13]. ΔT2 = 1,7 °C Tvloerverwarming = 28,7 °C. ΔT3 = 8,7 °C Voor de in- en uitgaande stromen uit de vloerverwarming geldt: T1 = T_HP_load_out = Tvloerverwarming + ΔT3/2 = 33,0 °C T2 = T_HP_load_in = Tvloerverwarming - ΔT3/2 = 24,4 °C Uit deze temperaturen kan de thermodynamisch gemiddelde temperatuur over afgifte zijde (condensor) van de warmtepomp berekend worden volgens: T −T Twarm = 2 1 Vergelijking 4.1 T2 ln Afleiding van Vergelijking 4.1: T1 Het exergieverlies berekend met de Het thermodynamisch gemiddelde van T1 en T2 bedraagt: in- en uitgaande temperaturen over

Twarm = 28,7 °C Deze waarde is (vrijwel) gelijk aan Tvloerverwarming, want T2-T1 is vrij klein.

de condensor of verdamper moet gelijk zijn aan de exergie berekend met de thermodynamisch gemiddelde temperatuur:

Q × (1 −

T0 T T × ln 2 ) = Q × (1 − 0 ) T2 − T1 T1 T

Hieruit kan Vergelijking 4.1 worden afgeleid.



Stap 2: Bepalen COP van warmtepomp De prestatiegegevens waarmee de TRNSYS warmtepomp component rekent, worden gebaseerd op een theoretische warmtepomp op basis van: • 40% van het Carnot-COP. • temperatuurverschil over afgifte zijde (zie ΔT3 uit stap 1): 8,7 °C . • ingang temperatuur aan bron zijde (T_HP_src_in): 12 °C. • benodigd vermogen (Q_HP_out): 7,2 kW.

Voor verschillende uitgang temperaturen van de vloerverwarming, welke overeenkomen T_HP_load_in, namelijk 18,20,22,24,26,28 en 30 °C, kan het benodigd elektrisch vermogen (P_HP), via COPHP, uit de volgende vergelijkingen worden berekend:

T_HP_load_out = T _ HP _ load _ in + ΔT3

Vergelijking 4.2

Hieruit volgt steeds Twarm . Q _ HP _ in = Q _ HP _ out ×

COPHP − 1 COPHP

Vergelijking 4.3

ΔTsrc = Q _ HP _ in / m& × c p

Vergelijking 4.4

T1 = T_HP_src_out = 12 + ΔTsrc + 273

Vergelijking 4.5

T2 = T_HP_src_in = 12 + 273

Vergelijking 4.6

Tkoud =

T2 − T1 T ln 2 T1

COPCarnot =

Twarm Twarm − Tkoud

COPHP = 0,4 × COPCarnot P _ HP =

Q _ HP _ ld COPHP

(Vergelijking 4.1)

(Vergelijking 3.18)

Vergelijking 4.7

Vergelijking 4.8

Voor alle combinaties T_HP_load_in en T_HP_src_in zijn de afgegeven warmtestroom (Q_HP_out) en het opgenomen elektrisch vermogen (P_HP) van deze warmtepomp opgenomen in een tabel, zie Bijlage D. De TRNSYS component interpoleert deze waarden gedurende de simulatie op basis van de temperaturen.



4.4.5 Gebouw component In de gebouw component van TRNSYS is de referentie-tussenwoning gemodelleerd op basis van de kenmerken uit paragraaf 4.3.2. De vloerverwarming is gedefinieerd als actieve laag in de vloer. Zie voor een meer uitgebreide beschrijving van het model van de referentie-tussenwoning Bijlage B. Zie voor de berekening van het ventilatievoud Bijlage C.

4.4.6 Samenvatting model Voor het basismodel en de simulatie wordt aangenomen: • De instelling voor de gewenste temperatuur van de binnenlucht bedraagt 20°C, de marge waarbinnen deze mag variëren is ± 1°C. • De temperatuur van het vloeroppervlak mag maximaal 28°C worden. • Interne warmteproductie (door personen, verlichting en apparatuur) wordt niet meegenomen. • Er wordt gebruik gemaakt van een theoretische warmtepomp op basis van 40% van het Carnot-COP. De warmtepomp is gedimensioneerd op een warmtevraag van 7,2 kW. • De klimaatgegevens zijn gebaseerd op een gemiddeld meteorologisch jaar in De Bilt, Nederland. • De tijdstap van de simulatie bedraagt 1 uur. • De tijdsduur van de simulatie bedraagt 8760 uren (1 jaar).



4.5 TRNSYS berekeningen Het warmtepompsysteem van Figuur 4.2 is samengevat in de volgende componenten, zie Figuur 4.9. Opwekking

Emissie

Warmtepomp

Vloerverwarming

Binnenlucht

Gebouwschil Woning

Figuur 4.9: Componenten van het warmtepompsysteem

De berekeningen van zowel de energie- als de exergie stromen zijn gebaseerd op het feit dat de verdeling in componenten zodanig is, dat tussen twee opeenvolgende componenten geen verlies bestaat. De uitgaande stroom van een eerdere component is gelijk aan de ingaande stroom van een volgende component, zie Figuur 4.10. Het verlies in een component is dan te berekenen door de uitgaande stroom van het eerdere component te verminderen met de uitgaande stroom van de beschouwde component. Component 1 Component 2 Figuur 4.10: Geen verlies tussen componenten

De uitgebreide documentatie van de berekeningen in het TRNSYS model is te vinden in Bijlage E (Engels). In deze paragraaf worden de toegepaste vergelijkingen samengevat, startend bij de warmtevraag van de woning.

4.5.1 Energie stromen Warmtevraag (warmtestroom uit woning) De warmtevraag van de woning is gelijk aan de som van het warmteverlies door transmissie plus accumulatie en ventilatie, verminderd met de warmtewinst door zontoetreding. In TRNSYS ziet deze vergelijking eruit als:

Q_Bui_out = Q_Bui_trans_kW + Q_Bui_vent_kW - Q_Bui_SolGains_kW Vergelijking 4.9

Hierin is: Q_Bui_trans_kW = - Qtot_comi_kW + Qtot_absi_kW Vergelijking 4.10 Naam

Omschrijving

Eenheid

Q_Bui_out Q_Bui_trans_kW Q_Bui_vent_kW Q_Bui_SolGains_kW Qtot_comi_kW

warmtevraag woning kW warmteverlies door transmissie en accumulatie kW warmteverlies door ventilatie kW warmtewinst door zontoetreding kW Convectie naar de binnenlucht en kW langgolvige stralingsoverdracht met andere binnen oppervlakken gesommeerd voor alle vlakken behalve de vloer. Qtot_absi_kW Totale geabsorbeerde zonnestraling kW door alle binnen oppervlakken behalve de vloer. De beganegrondvloer is niet meegenomen want deze bevat de vloerverwarming, hierdoor geeft TRNSYS transmissiewinst aan. Om het verlies te kunnen verwaarlozen is 1 m. isolatie gemodelleerd. - 43 5BModellering van het gekozen warmtepompsysteem


Controle warmtevraag In deze paragraaf wordt de warmtevraag volgens de TRNSYS simulatie berekening voor een aantal uren gecontroleerd met een handmatige berekening. Een statische controleberekening van de warmtevraag ziet er als volgt uit:

Q& h = Q& t + Q& v − Q& s

(Vergelijking 3.20 (zie ook paragraaf 3.4))

Hierin is: Q& t = ∑ ramen ( A × U ) × (Ti − Te ) + ∑ wanden ( A × U ) × (Ti − Te )

Vergelijking 4.11

Q& v = n × V × ρ lucht × c p × (Ti − Te )

Vergelijking 4.12

Symbool

Omschrijving

Q& t A U

Waarde Eenheid

warmteverlies door transmissie via ramen en wanden oppervlak (buitenwerks) warmtedoorgangscoëfficiënt constructie = 1 / Rl

kW m2 W/m2·K

Zie voor de waarden voor U en A voor de ramen en wanden paragraaf 4.3.2. Rl ri re

warmteweerstand lucht op lucht = ri+Rc+re warmte-overgangsweerstand binnen warmte-overgangsweerstand buiten

Ti Te

temperatuur lucht binnen temperatuur lucht buiten

Q& v n V ρlucht cp

warmteverlies door ventilatie ventilatievoud totale inhoud woning dichtheid van lucht soortelijke warmte van lucht

Q& s

warmtewinst door zontoetreding via ramen

0,13 0,04

m2·K/W m2·K/W m2·K/W

(variabel) °C (variabel) °C kW 0,8 h-1 351,45 m3 1,25 kg/m3 1000 J/kg·K kW

De controleberekening is vereenvoudigd door uit te gaan van een bewolkte of donkere hemel, de warmtewinst door de zontoetreding wordt verwaarloosd. De waarden die de simulatie levert, worden vergeleken met de resultaten van bovenstaande vereenvoudigde statische controle berekening. Tabel 4.1: Vereenvoudigde controle (zonder zontoetreding) van TRNSYS berekening warmtevraag. Warmtevraag [kW] Uur Temperatuurverschil ΔT [°C] of [K] TRNSYS berekening Controle berekening Ti - Te Vergelijking 4.8 Vergelijking 3.20 3269 (17 mei 5:00) 14,1 0,3 + 2,3 - 0 = 2,6 1,7 + 1,7 - 0 = 3,4 5303 (9 aug 23:00) 7,7 0,5 + 0,7 - 0 = 1,2 1,0 + 0,9 - 0 = 1,9 7591 (13 nov 7:00) 17,4 1,5 + 1,6 - 0 = 3,1 2,1 + 2,1 - 0 = 4,2 1088 (15 feb 8:00) 28,8 3,0 + 2,7 - 0 = 5,7 3,6 + 3,6 - 0 = 7,2



Verschil transmissie tussen TRNSYS en statische controle berekening De verschillen tussen de waarden (zie Tabel 4.1) uit de simulatie en uit de controle berekening kunnen worden verklaard doordat deze laatste uitgaat van een vereenvoudiging van de werkelijkheid en van een stationaire toestand. Het bovenstaande wordt toegelicht aan de hand van het temperatuurverloop in de buitenwand van de woning. Verschillen met het stationaire temperatuurverloop ontstaan onder andere door:

•

langgolvige straling van andere oppervlakken of objecten: zoals vloerverwarming, of interne warmtebronnen, zie Figuur 4.11 links.

Tlucht binnen

Tlucht binnen

Tlucht buiten

Tlucht buiten

Vloer (-verwarming)

stationair werkelijk

Vloer

Figuur 4.11: Afwijking t.o.v. stationair temperatuurverloop door vloerverwarming(links) en bezonning(rechts)

Door de warmtestraling van de vloerverwarming wordt de temperatuur van het binnenoppervlak van de wand hoger ten opzichte van de stationaire situatie (dikke getrokken kromme). Het werkelijke temperatuurverloop in een dynamische situatie kan er uitzien als aangegeven met de dunne gestreepte kromme. •

bezonning: zowel op het buitenoppervlak van de wand (zie Figuur 4.11 rechts) als via ramen op het binnenoppervlak.

•

dynamisch effect: de wand reageert traag door zijn thermische massa en de temperatuur wordt dus mede bepaald door de temperatuur op een voorafgaand tijdstip, zie Figuur 4.12.

In het geval dat zich in de simulatie geen stationaire toestand heeft ingesteld, is de warmtestroom door de wand dus niet constant. De warmtebalans (van de wand) is dan niet in evenwicht; de wand warmt op of koelt af. Vergelijking 4.10 gaat uit van een stationaire toestand, de warmtetransmissie die ermee berekend wordt, kan slechts een indicatie voor de orde grootte zijn (zie Figuur 4.12 en Figuur 4.13). In de niet-stationaire situatie is het dus ook niet mogelijk om transmissie en accumulatie afzonderlijk te berekenen. - 45 5BModellering van het gekozen warmtepompsysteem


(Toppervlak wand binnen)

(Toppervlak wand buiten)

(Te)

(Ti)

(Toppervlak vloer)

(Qtransmissie wand) Controle berekening: A= 31,2 m2 U= 0,34 W/m2.K ΔT = 28,6 °C of K Î Qt = 302 W (naar buiten)

Oriëntatie Zuid

Figuur 4.12: Dynamisch effect: temperatuur oppervlak buiten lager dan temperatuur buitenlucht. Ook is de temperatuur van het oppervlak binnen hoger dan de temperatuur van de binnenlucht, transmissie toch kleiner dan statisch (waarden gebaseerd op uur 1087: 15 februari 7:00). De gestippelde lijn is een illustratie van een aangenomen temperatuurverloop.

(Toppervlak wand binnen)

(Toppervlak wand buiten)

(Te)

(Ti)

(Toppervlak vloer)

(Qtransmissie wand)

Oriëntatie Zuid

Controle berekening: A= 31,2 m2 U= 0,34 W/m2.K ΔT = 10,4 °C of K Î Qt = 110 W (naar buiten)

Figuur 4.13: Temperatuur oppervlak buiten hoger dan temperatuur buitenlucht (waarden gebaseerd op uur 1383: 27 februari 15:00)



Warmtestroom uit vloerverwarming De afgegeven warmte door de vloer wordt berekend door de som van convectie naar de lucht en langgolvige stralingsoverdracht van het vloeroppervlak verminderd met de geabsorbeerde zonnestraling door de vloer.

In TRNSYS ziet deze vergelijking eruit als: Q_AL_out_kW = Q_fl_comi_kW - Q_fl_sun_kW Vergelijking 4.13

Hierin is: Naam

Omschrijving

Eenheid

Q_AL_out_kW Q_fl_comi_kW

afgegeven warmte door de vloer Convectie naar de binnenlucht en langgolvige stralingsoverdracht met andere binnen oppervlakken gesommeerd voor de twee vloer oppervlakken. Geabsorbeerde zonnestraling gesommeerd voor de twee vloer oppervlakken.

kW kW

Q_fl_sun_kW

kW

Warmtestromen warmtepomp De warmtestromen uit de bron, naar het afgiftesysteem en het vermogen van de warmtepomp zijn standaard uitvoergrootheden van de TRNSYS warmtepomp component, zie paragraaf 4.4.3. Aangezien deze standaard in kJ/h worden gegeven, worden ze omgerekend tot kW (gedeeld door 3600).

4.5.2 Exergie stromen Exergiestroom uit binnenlucht

Ex_RA_out = Q_Bui_out_kW * ExFac_RA_out Vergelijking 4.14

Hierin is: ExFac_RA_out = 1 -

T0_K T_Bui_Air_K

Vergelijking 4.15

Naam

Omschrijving

Ex_RA_out

Exergiestroom van binnenlucht naar kW gebouwschil. warmtevraag woning kW exergiefactor binnenlucht uit temperatuur omgeving/buitenlucht K temperatuur binnenlucht K

Q_Bui_out_kW ExFac_RA_out T0_K T_Bui_Air_K

Eenheid



Exergiestroom uit vloerverwarming

Ex_AL_out = Q_AL_out_kW * ExFac_AL_out Vergelijking 4.16

Hierin is: ExFac_AL_out = 1 -

T0_K T_fl_sur_K

Vergelijking 4.17

Naam

Omschrijving

Ex_AL_out

Exergiestroom van vloerverwarming kW naar binnenlucht. afgegeven warmte door de vloer kW exergiefactor vloerverwarming uit temperatuur omgeving/buitenlucht K temperatuur oppervlak vloer K

Q_AL_out_kW ExFac_AL_out T0_K T_fl_sur_K

Eenheid

Exergiestroom uit warmtepomp

Ex_HP_out = Q_HP_out_kW * ExFac_HP_out Vergelijking 4.18

Hierin is: ExFac_HP_out = 1 -

T_HP_ld_out_K T0_K ) * LN ( T_HP_ld_in_K (T_HP_ld_out_K - T_HP_ld_in_K) Vergelijking 4.19

Naam

Omschrijving

Eenheid

Ex_HP_out

Exergiestroom van warmtepomp naar vloerverwarming. warmtestroom afgifte exergiefactor warmtepomp uit temperatuur omgeving/buitenlucht temperatuur uitgang zijde afgifte temperatuur ingang zijde afgifte

kW

Q_HP_out_kW ExFac_HP_out T0_K T_HP_ld_out_K T_HP_ld_in_K

kW K K K

Exergiestroom warmtepomp in Ex_HP_in = Q_HP_in_kW * ExFac_HP_in + DQ_HP Vergelijking 4.20

Hierin is: ExFac_HP_in = 1 -

T_HP_src_out_K T0_K ) * LN ( T_HP_src_in_K (T_HP_src_out_K - T_HP_src_in_K)

Naam

Omschrijving

Ex_HP_in

Exergiestroom van bron naar warmtepomp. warmtestroom uit bron elektrisch vermogen WP exergiefactor warmtepomp in temperatuur omgeving/buitenlucht temperatuur uitgang aan zijde bron temperatuur ingang aan zijde bron

Q_HP_in_kW DQ_HP ExFac_HP_in T0_K T_HP_src_out_K T_HP_src_in_K

Vergelijking 4.21 Eenheid

kW kW kW K K K - 48 -

5BModellering van het gekozen warmtepompsysteem


5 Gereedschap voor presentatie simulatie resultaten Om de resultaten van de simulatie snel te kunnen analyseren is een gereedschap gemaakt in Microsoft Excel. Het gereedschap heeft de naam “Graphical User Interface for TRNSYS Simulation Results”, of kortweg GUI. Er wordt gebruik gemaakt van macro’s welke geprogrammeerd zijn in Visual Basic for Applications (VBA). De GUI is gemakkelijk aan te passen bij uitbreidingen van het model. De noodzaak om in de broncode te wijzigen is zoveel mogelijk beperkt. De GUI importeert de TRNSYS simulatie waarden en presenteert deze grafisch in een schematische weergave van het warmtepompsysteem (zie Figuur 4.2). Energie- en exergie stromen worden per component weergegeven. Voor zowel energie als exergie kunnen ook belastingduurkrommen worden getekend. Zie Bijlage G (Engels) voor een handleiding van de GUI en Bijlage H voor schermafdrukken. Hieronder wordt de werking van de GUI kort uitgelegd.

Figuur 5.1: Illustratie van functionaliteit GUI (waarden gebaseerd op uur 2218: 3 april 10:00)

- 49 Gereedschap voor presentatie simulatie resultaten


Werking van de Graphical User Interface for TRNSYS Simulation Results Een voorbeeld van de werking van de GUI: Analyse van het gedrag van het warmtepompsysteem gedurende de periode van 22 september tot 30 september (van het Gemiddelde Meteorologische Jaar). Deze periode kan ingesteld worden op het bedieningspaneel (zie Figuur 5.2).

Figuur 5.2: GUI bedieningpaneel bij gekozen optie “Willekeurige periode”

Vervolgens worden in de schematische weergave van het warmtepompsysteem de waarden voor temperaturen, energie- en exergie stromen voor de betreffende periode weergegeven. In Figuur 5.3 is een uitsnede van deze schematische weergave te zien.

← Component: Warmtepomp →

Figuur 5.3: Uitsnede schema warmtepompsysteem (exergie stromen warmtepomp)

De uren waarop minimum of maximum optreden kunnen bekeken worden door op een waardeveld in het schema te klikken. Een uur kan geselecteerd worden: de waarden in het schema tonen dan een enkele waarde voor het geselecteerde uur. (zie figuur 5.4). Bijvoorbeeld de toestand in geval van maximale exergieefficiëntie in de warmtepomp. Figuur 5.4: “View/Select hour” dialoog

- 50 Gereedschap voor presentatie simulatie resultaten


6 Analyse van de simulatie resultaten 6.1 Inleiding Het verloop van energie en exergie in de achtereenvolgende componenten van het warmtepompsysteem is weergegeven in Figuur 6.1. De verliezen per component zijn afgebeeld in Figuur 6.2. De waarden in deze figuren zijn gesommeerd over het jaar. Zie voor een compleet overzicht van het warmtepompsysteem Bijlage H. Energie totaal

Energie en exergie gesommeerd over het hele jaar

Exergie totaal W armte energie

Warmtevraag

Elektrische energie

Prim. En. Omzetting

Opw ekking (WP)

Emissie (A L)

Binnenlucht

Gebouw schil

Energie en Exergie [MWh]

25,0 20,0

20,1 17,9

15,0

17,9

17,2

16,6

1,5 0,0

1,2

0,9

16,6

14,7

14,7 10,0 5,0

3,4

5,4

3,2

0,0

0,0

Componenten (Subsystemen)

Figuur 6.1: Energie en exergie [MWh] in de componenten (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 08763: hele jaar) Verandering (verliezen)

Opw ekking (WP)

-2,0

Energie totaal

Emissie (A L)

Binnenlucht

Gebouw schil

-1,9

-1,8

Exergie totaal

-1,6

Energie en Exergie [MWh]

-1,4 -1,2

-0,9

-1,0

-0,7

-0,8

-0,6

-0,6

-0,3

-0,4 -0,2

0,0

0,0

-0,3 0,0

Componenten (Subsystemen)

Figuur 6.2: Energie- en exergieverliezen [MWh] in de componenten (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 0-8763: hele jaar)

In dit hoofdstuk wordt de warmtevraag van de woning en elk van de verliezen (zie Figuur 6.2) toegelicht, voor zowel energie als exergie. - 51 6BAnalyse van de simulatie resultaten


6.2 Energie-analyse 6.2.1 Warmtevraag Een grafische weergave van de warmtebalans van de woning is te zien in Figuur 6.3. De waarden die de TRNSYS simulatie levert zijn samengevat in enkele statistische kentallen.

C (ventilatie)

A (winst zon)

D E

(transmissie)

B (verwarming)

D+C-A (warmtevraag)

Figuur 6.3: Grafische weergave warmtebalans woning (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 0-8763: hele jaar)

- 52 6BAnalyse van de simulatie resultaten


De warmtevraag volgens de simulatie kan vergeleken worden met de warmtevraag zoals die uit de EPC-berekening van de referentiewoning volgt, zie Tabel 6.1. Tabel 6.1: Indicatieve vergelijking van warmtevraag uit TRNSYS simulatie met EPC berekening voor SenterNovem referentie-tussenwoning en mogelijke verklaringen (hoger ↑ of lager↓ door:) voor het verschil. TRNSYS Simulatie

EPC-berekening

Qwarmtevraag =

Qverwarming =

15,2 MWh (stookseizoen 1okt.-1mei: 212 dagen)

5,0 MWh (Qprim;verwarming =19762 MJ) (opwekkingsrendement = 0,95; systeemrendement = 0,95)

↑ Geen interne warmtewinsten (door verlichting, apparatuur, personen)

↓ 1,9 MWh interne warmtewinst door verlichting (zonder verlichting Æ Qverwarming = 6,9 MWh)

↑ Constante instelling binnentemperatuur (geen nachtverlaging) ↑ Constante ventilatie van gehele woning

Htf_HP_in En_HP_out En_AL_out En_Bui_out

•

Verschillende rekenmethode

•

Verschillend klimaatjaar

(Warmtestroom naar WP) (Warmtestroom uit WP) (Warmtestroom uit vloer) (Warmtevraag)

Energieverloop

8,0 7,0

Energie [kW]

6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1 409

25 433

49 457

73 481

Tijd [ure n]

Figuur 6.4:Illustratie energieverloop gedurende 3 etmalen. (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00) Er is te zien dat de warmtevraag toeneemt zodra de WP inschakelt, dit is door de verhoogde transmissie (en ventilatie) verliezen door de stijging van het temperatuurverschil met buiten. Bij uitschakelen van de WP geldt het omgekeerde. Zie voor het energieverloop gedurende het hele jaar Bijlage I.



6.2.2 Energieverlies in vloerverwarming In Figuur 6.5 is de warmtebalans van de (beganegrond) vloer met vloerverwarming te zien.

C-A A

C

A. Geabsorbeerde kortgolvige straling door de zon. B. Warmtestroom door vloerverwarming. E

B

C. Convectie en netto overgedragen langgolvige straling met andere vlakken via binnenoppervlak. D. Convectie en netto overgedragen langgolvige straling met andere vlakken via buitenoppervlak. E. Warmtebalans vloer.

D Figuur 6.5: Grafische weergave van warmtebalans vloer met vloerverwarming (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 0-8763: hele jaar)

Uit Figuur 6.2 volgt dat er in de vloerverwarming 691 kWh per jaar uit het systeem stroomt. In bovenstaande figuur is te zien dat er 515 kWh de vloer verlaat naar buiten (pijl: D). De verandering in de hoeveelheid geaccumuleerde warmte in de vloer kan gecontroleerd worden met: Q = ρ × c × d × ΔT × A Vergelijking 6.1 Voor de vloer geldt hier: Symbool

Omschrijving

Waarde

Eenheid

ρ c d ΔT

dichtheid beton soortelijke warmte beton dikte vloer temperatuurverandering vloeropp. (uur 0: 26,2 °C; uur 8763: 20 °C) oppervlak vloer

2500 0,84 0,21 6,2

kg/m3 kJ/kg·K m K of °C

133,6

m2

geaccumuleerde warmte

101,5

kWh

A Daaruit volgt: Q

Er gaat dus 101,5 kWh aan geaccumuleerde warmte verloren doordat de vloer afkoelt over het jaar. De overige 74,5 kWh (0,4 % van de ingaande warmtestroom) zou een verlies van geaccumuleerde warmte uit het water van de vloerverwarming kunnen zijn. Er dient ook rekening gehouden te worden dat TRNSYS met een nauwkeurigheid van 5 % rekent. - 54 6BAnalyse van de simulatie resultaten


6.2.3 Energiebalans warmtepomp

Warmtepomp

Tverdamper,in

Tcondensor,uit

Tverdamper,uit

Tcondensor,in

Qcondensor

Qverdamper

Welektrisch

Figuur 6.6: Links: Grafische weergave van energiebalans warmtepomp (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 08763: hele jaar) Rechts:Illustratie temperaturen warmtepomp (waarden gebaseerd op uur 6860: 13 oktober 20:00)

De energiebalans van de warmtepomp ziet er als volgt uit (zie ook hoofdstuk 3): (Vergelijking 3.1) Q& condensor = Q& verdamper + Welektrisch Deze balans is in evenwicht gedurende het jaar (zie Figuur 6.6).

De COP is maximaal voor, onder andere uur 6860, deze bedraagt 6,7. Met behulp van de waarden uit Figuur 6.6 (omgerekend in Kelvin) en vergelijking 4.1 volgt voor COPCarnot: COPCarnot =

Twarm = 16,9 Twarm − Tkoud

(Vergelijking 3.18)

Bij controle volgt dat de werkelijke COP inderdaad 40% van de COPCarnot bedraagt, zoals in paragraaf 4.4.4 is aangenomen.



6.3 Exergie-analyse Ex_HP_in Ex_HP_out Ex_AL_out Ex_RA_out Ex_Bui_out

(Exergiestroom naar WP) (Exergiestroom uit WP) (Exergiestroom uit vloer) (Exergiestroom uit binnenlucht) (Exergiestroom uit gebouwschil =0)

Exergieverloop

1,6 1,4

Exergie [kW]

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1 409

433

457

481

Tijd [ure n]

Figuur 6.7:Illustratie exergieverloop gedurende 3 etmalen. (waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00) Zie voor het exergieverloop gedurende het hele jaar Bijlage I.

Exergieverlies gebouwschil Zodra de warmtestroom de gebouwschil verlaat en de referentietemperatuur (omgeving) (T0) aanneemt is de exergiefactor nul. Exergie gaat per definitie volledig verloren op het niveau van de referentietemperatuur.

Ex = Q& × ExFac T ExFac = 1 − 0 = 0 T Exergieverlies binnenlucht Dit exergieverlies kan verklaard worden door het temperatuurverschil tussen het oppervlak van de vloer en de binnenlucht. Door deze temperatuurdaling gaat exergie verloren. Bij lagetemperatuurverwarming is dit temperatuurverschil en exergieverlies in verhouding klein.

Daarnaast is er een warmteverlies waardoor exergie verloren gaat. Exergieverlies in vloerverwarming Vanwege het warmteverlies door de vloer naar buiten gaat er exergie verloren. Daarnaast is ook bij de overgang van vloerverwarming naar vloeroppervlak een temperatuurdaling. Exergieverlies warmtepomp Bij de warmtepomp gaat geen energie verloren, maar wel meer dan de helft van de exergie. Hier is goed de meerwaarde van de exergie-analyse te zien. Dit verlies wordt, zoals eerder beschreven, toegeschreven aan verliezen in het expansieventiel, de compressor en de condensor en verdamper. Dit is onderdeel van het model van de 40% van Carnot-COP WP.



7 Parametrische studie 7.1 Relevante parameters De volgende parameters komen in aanmerking voor een parametrische studie: Systeem: o warmtepomp: percentage van Carnot-rendement o warmtepomp: temperatuur bron o warmtepomp: debiet bronkringloop o warmtepomp: debiet afgiftekringloop o warmtepomp: regelstrategie (schakelend of proportioneel) o ventilatie: ventilatievoud o klimaatgegevens Bouwkundig: o isolatie waarde BG-vloer / wanden / ramen / dak o thermische massa vloeren / wanden (/ dak) o gedeelte ramen per wand o oriëntatie ramen Gebruik: o zontoetreding door ramen (ZTA) o instelling gewenste temperatuur binnenlucht o instelling marge temperatuur o nachtverlaging temperatuur ¾ (simulatie tijdstap)

Er is gekozen om een parametrische studie uit te voeren naar de combinatie thermische massa en nachtverlaging. De toegevoegde waarde van de dynamische simulatie (ten opzichte van stationaire berekening) is met name het verbeterde inzicht in de invloed van warmte-accumulatie. Dit is een van de effecten die in deze parametrische studie zichtbaar worden.

7.2 Beschouwde varianten thermische massa en nachtverlaging De volgende vier varianten zullen beschouwd worden, zie Tabel 7.1. Tabel 7.1: Varianten parametrische studie instelling temperatuur nachtverlaging

geen nachtverlaging

thermische massa constructie licht

1: “Licht NV”

3: “Licht”

normaal

3: “Normaal NV”

4: “Normaal”

- 57 7BParametrische studie


7.2.1 Beschrijving lichte constructie Uitgaande van de normale(zware) constructie van de referentie-tussenwoning (zoals omschreven in Bijlage B), worden de volgende veranderingen aangebracht voor de lichte constructie: • isolatie buitenwand verplaatst van spouw naar binnen; • isolatie toegevoegd aan binnenzijde van scheidingswand/tussenwand met buren. Zie Figuur 7.1. Buitenwand Normaal

Tussenwand

Licht

Normaal

Licht

Figuur 7.1: Veranderingen in wanden lichte constructie ten opzichte van normaal.

•

gewapend betonnen vloeren vervangen door een lichte betonsoort, zie Tabel 7.2. Tabel 7.2: Materiaal eigenschappen licht beton Materiaal Warmtegeleidingscoëfficiënt λ [W/m·K] licht beton 0,17 (onveranderd in model!)

Soortelijke warmte c [J/kg·K] 840

Dichtheid ρ [kg/m3] 500

Deze veranderingen moeten zorgen voor een constructie met zeer weinig toegankelijke thermische massa.

7.2.2 Beschrijving nachtverlaging

temperatuur

Nachtverlaging houdt in dat de instelling voor de gewenste temperatuur van de binnenlucht dagelijks gedurende een deel van de dag verlaagd wordt met een in te stellen verlaging, hier van 20 °C naar 15 °C. Het uitgangspunt hierbij is dat het comfort gelijk blijft. Dit is te meten met behulp van het aantal onderschrijdingsuren, dit aantal moet gedurende de periode 7:00 tot 23:00 bij voorkeur zoveel mogelijk overeenkomen bij nachtverlaging ten opzichte van geen nachtverlaging. Het aantal onderschrijdingsuren is te minimaliseren door te schuiven met de start en eind tijden van de nachtverlaging ten opzichte van de comfort beoordeling periode (zie Figuur 7.2). 7:00Å Comfort beoordelingÆ 23:00

20°C 15°C

tijd

Variant 1 (“Licht NV”) Variant 3 (“Normaal NV”) Variant 2 en 4

2:00 2:00 -

22:00 21:00 -

Figuur 7.2:Illustratie nachtverlaging



7.3 Verwachting resultaten In het algemeen geldt dat de hoeveelheid geaccumuleerde warmte afhangt van de dichtheid en de soortelijke massa van het materiaal en de wisselende temperaturen (zie Vergelijking 6.1). Er geldt: • Een thermisch zware constructie kan meer warmte, bijvoorbeeld uit zontoetreding, accumuleren dan een lichte. • Opwarming van een constructie, na bijvoorbeeld nachtverlaging, geeft (in de eerste uren) een grotere warmtevraag. • Hoe meer thermische massa hoe trager de opwarming, bijvoorbeeld in de BG-vloer met vloerverwarming. Mede op basis hiervan zijn de verwachtingen voor de warmtevraag en de warmtestroom uit de warmtepomp in de verschillende varianten: A. Variant 1 t.o.v. variant 2 (“Licht NV” t.o.v. “Licht”): Bij de lichte constructie zal de warmtevraag lager zijn met nachtverlaging dan zonder. B. Variant 3 t.o.v. variant 4 (“Normaal NV” t.o.v. “Normaal”): Bij de normale constructie zal de warmtevraag waarschijnlijk lager zijn met nachtverlaging dan zonder, maar het verschil zal in ieder geval wel kleiner zijn dan bij de lichte constructie. Er is bij de normale constructie meer warmte nodig voor opwarming na nachtverlaging dan bij de lichte. C. Variant 2 t.o.v. variant 4 (“Licht” t.o.v. “Normaal”): Bij de lichte constructie zal de warmtevraag hoger zijn dan bij de normale. Er kan weinig warmte van de zon worden geaccumuleerd. D. Variant 1 t.o.v. variant 3 (“Licht NV” t.o.v. “Normaal NV”): De warmtevraag van de lichte constructie met nachtverlaging zal waarschijnlijk lager zijn dan die van de normale constructie met nachtverlaging. Er treden twee tegengestelde effecten op. Bij de lichte constructie kan er weinig warmte van de zon worden geaccumuleerd, maar er is ook minder warmte nodig voor opwarming na nachtverlaging. Voor de exergievraag geldt indirect hetzelfde als voor de warmtevraag. Te verwachten is wel dat gedurende de nacht, wanneer de temperatuur buiten over het algemeen lager is, de exergiefactor hoger is. Onder aanname van dit principe zal de gemiddelde verhouding exergiestroom uit WP / warmtestroom uit WP zonder nachtverlaging hoger zijn dan met nachtverlaging.



7.4 Bespreking resultaten 7.4.1 Inleiding De resultaten van de vier varianten zullen beoordeeld worden op de verandering in: • warmtevraag; • exergievraag; • verhouding exergievraag warmtevraag.

7.4.2 Samenvatting resultaten Zie voor meer uitgebreide gegevens van de resultaten Bijlage F. Tabel 7.3: Samenvatting van simulatie waarden van de vier varianten gedurende het stookseizoen (1 okt – 1 mei). Variant 1 (“Licht NV”)

Variant 2 (“Licht”)

Variant 3 (“Normaal NV”)

Variant 4 (“Normaal”)

199 (1407)

20 (34)

325 (808)

134 (311)

13016,3

13577

12838,8

13174,9

15775,2

16603,2

15537,6

16034,4

1342,7

1450,2

1311

1400,5

8,5 %

8,7 %

8,4 %

8,7 %

warmtevraag [kWh]

15007,7

15795,7

14781,6

15238,4

exergievraag [kWh]

866,1

949,7

831,7

888

percentage exergievraag / warmtevraag

5,6 %

6%

5,6 %

5,8 %

onderschrijdingsuren (< 19 °C) [gedurende 7-23 uur (hele dag)] ingaande warmtestroom warmtepomp [kWh] warmtestroom uit warmtepomp [kWh] exergiestroom uit warmtepomp [kWh] percentage exergiestroom uit WP / warmtestroom uit WP

18 16

[MWh]

14 12 10 8 6

Exergievraag

4

Exergiestroom uit W P

2

W armtevraag

0

l"

V" 4

or 3

"N

"N

m

or

m

aa

aa

lN

i ch "L 2

1

"L

i ch

tN

t"

V"

W armtestroom uit W P

Figuur 7.3: Grafische samenvatting van simulatie waarden van de vier varianten gedurende het stookseizoen (1 okt – 1 mei).



In Figuur 7.5 tot en met Figuur 7.9 (volgende bladzijden) is te zien hoe de temperatuurverloop van de binnenlucht eruit ziet bij nachtverlaging in de lichte en de normale constructie. Te zien is dat de normale constructie ten opzichte van de lichte constructie: • een meer constant verloop heeft. Dit is ook te zien aan de ingaande warmtestroom (door de verdamper) van de warmtepomp, deze schakelt minder vaak bij de normale constructie. • een grotere vertraging kent ten opzichte van de nachtverlaging. De periode van nachtverlaging is dan ook een uur verschoven; • een langere opwarmtijd (en afkoeltijd) kent.



Variant 1: “Licht NV”

Figuur 7.4: Waarden voor Variant 1 (“Licht NV”). (gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00) T_Bui_air: temperatuur binnenlucht volgens simulatie. T_Bui_air_SET: instelling voor gewenste temperatuur binnenlucht met nachtverlaging van 22:00 tot 2:00. T_fl_sur: temperatuur van het oppervlak van de beganegrondvloer. Htf_HP_in: ingaande warmtestroom naar warmtepomp.

Figuur 7.5: Waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00 T_ambient_air: temperatuur buitenlucht [°C](paars). Q_Bui_SolGains: warmtewinst door zontoetreding [kW](geel). Variant 3: “Normaal NV”

Figuur 7.6: Waarden voor Variant 3 (“Normaal NV”). (gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00) Nachtverlaging van 21:00 tot 2:00.



Variant 2: “Licht”

Figuur 7.7: Waarden voor Variant 2 (“Licht”). (gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00) T_Bui_air: temperatuur binnenlucht volgens simulatie. T_Bui_air_SET: instelling voor gewenste temperatuur binnenlucht. T_fl_sur: temperatuur van het oppervlak van de beganegrondvloer. Htf_HP_in: ingaande warmtestroom naar warmtepomp.

Figuur 7.8 (idem als 7.5): Waarden gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00 T_ambient_air: temperatuur buitenlucht [°C](paars). Q_Bui_SolGains: warmtewinst door zontoetreding [kW](geel). Variant 4: “Normaal”

Figuur 7.9: Waarden voor Variant 4 (“Normaal”). (gebaseerd op simulatie periode: uren 409-481: 18 januari 1:00 tot 21 januari 1:00)



7.5 Conclusies parametrische studie Bij de interpretatie van de resultaten moet ermee rekening gehouden worden dat TRNSYS rekent met een nauwkeurigheid van 5 %. Van de verwachtingen over de warmtevraag blijkt: A. Variant 1 t.o.v. variant 2 (“Licht NV” t.o.v. “Licht”): de warmtevraag neemt inderdaad (5 %) af bij nachtverlaging in de lichte constructie. B. Variant 3 t.o.v. variant 4 (“Normaal NV” t.o.v. “Normaal”): de warmtevraag neemt (3,1 %) af bij nachtverlaging in de normale constructie. Het verschil in warmtevraag tussen wel of geen nachtverlaging is inderdaad kleiner dan bij de lichte constructie. C. Variant 2 t.o.v. variant 4 (“Licht” t.o.v. “Normaal”): de warmtevraag neemt inderdaad (3,5 %) toe in de lichte constructie, ten opzichte van de normale. D. Variant 1 t.o.v. variant 3 (“Licht NV” t.o.v. “Normaal NV”): de warmtevraag is (1,5 %) hoger bij nachtverlaging in de lichte constructie dan bij nachtverlaging in de normale constructie. Het verschil in warmtevraag tussen licht en normaal met nachtverlaging is kleiner dan tussen licht en normaal zonder en daarnaast omgekeerd. De opwarming na nachtverlaging en accumulatie na zontoetreding beïnvloeden elkaar dus. Er is bij de lichte varianten te zien, dat zonder nachtverlaging de gemiddelde verhouding exergie/warmtevraag inderdaad hoger is dan zonder nachtverlaging. Bij de normale varianten is het verschil in deze verhouding kleiner en niet volgens verwachting. De verschillen zijn klein in vergelijking met de onnauwkeurigheid van TRNSYS. Er moet bedacht worden dat zowel de lichte als de normale varianten gebruik maken van, door thermische massa van de vloer, relatief trage vloerverwarming. Hierdoor zijn de verschillen in temperatuurverloop bij nachtverlaging ten opzichte van geen nachtverlaging gedempt. Daarnaast wordt een simpele schakelende thermostaat gebruikt voor de regeling. Met behulp van een stooklijn kan geanticipeerd worden op het verloop van de buitentemperatuur waardoor de nachtverlaging op bepaalde dagen langer kan worden.



8 Conclusies en aanbevelingen 8.1 Conclusies Exergie-analyse van een warmtepompsysteem heeft toegevoegde waarde ten opzichte van energie-analyse: • Verliezen in de kwaliteit van energie worden zichtbaar waar de energie-analyse geen verlies laat zien. Dit is goed zichtbaar bij de warmtepomp component en bij de gebouwschil. (zie Figuur 6.2) • Door het gebruik van omgevingswarmte is een warmtepomp zowel energetisch als exergetisch efficiënter dan wanneer alleen elektriciteit wordt gebruikt voor verwarming. Dynamische berekening van een warmtepompsysteem ten opzichte van een statische berekening verschilt op de volgende punten: •

De stationaire toestand kan zich niet (altijd) instellen, dit heeft gevolgen voor de transmissieverliezen en daardoor voor de warmtevraag. Transmissie kan niet los van accumulatie berekend worden.

•

De warmtestroom op een moment uit de vloerverwarming is, als gevolg van accumulatie in de vloer, niet nauwkeurig te vergelijken met de warmtevraag op dat moment.

•

De berekening van de exergie wordt gebaseerd op een variabel niveau van de referentie (buitenlucht)temperatuur. Over de keuze van de referentietemperatuur wordt nog discussie gevoerd, deze heeft namelijk invloed op de grootte van de exergieverliezen.

8.2 Aanbevelingen Model De opzet van het in dit onderzoek gemodelleerde warmtepompsysteem is versimpeld door uit te gaan van een systeem zonder de componenten opslag en distributie. Opslag

Distributie

Opwekking

Emissie

Warmtepomp

Vloerverwarming

Binnenlucht

Gebouwschil Woning

Figuur 8.1: Toevoeging componenten aan het warmtepompsysteem

Het huidige basismodel zal uitgebreid moeten worden met deze componenten om de toepasbaarheid te vergroten. De primaire energie omzetting en het gebruik van duurzame energiebronnen kan ook toegevoegd worden. Er kan ook overwogen worden om de warm-tapwater voorziening te integreren in de exergieanalyse. Bijvoorbeeld in combinatie met opslag of meerdere warmtepompen in serie. - 65 8BConclusies en aanbevelingen


Mogelijkheden voor verbetering efficiëntie Om zowel de energie-efficiëntie als de exergie-efficientie te verbeteren kan gedacht worden aan (vanuit de richting van de warmtevraag geredeneerd):

Beperking van de warmtevraag, bijvoorbeeld: • Verbetering van de isolatie van de woningschil om zo transmissieverliezen te beperken. • Ventilatie met warmteterugwinning. Verlaging van de temperaturen: • De volgende drie aanpassingen aan de afgiftezijde (zie Figuur 4.8) van het warmtepompsysteem: o Groter oppervlak voor warmte-afgifte o Hoger debiet in het afgiftesysteem o Lagere warmteweerstand bij afgifte Het gevolg van deze aanpassingen is gericht op het beperken van het temperatuurverschil aan de afgiftezijde van de warmtepomp (in dit geval de condensor) en daardoor het verhogen van de COP. TRNSYS De gebruikte warmtepomp component houdt geen rekening met de relatie tussen debiet en opgenomen vermogen door de circulatiepomp van de bronkringloop.

De Multi-zone Building component kent alleen de statische warmtestroom door transmissie als uitvoergrootheid, deze is in een dynamische berekening niet bruikbaar. De zelf samengestelde warmtestroom door transmissie en accumulatie (zie vergelijking 4.9) komt niet in alle gevallen overeen met de transmissie zoals de component deze wel levert via de warmtebalans. In het geval er interne wanden aanwezig zijn, zoals in dit model het geval is (etagevloer), treden afwijkingen op. Deze zouden opgelost worden door bij interne wanden de transmissie volgens vergelijking 4.9 dubbel te nemen, wat neerkomt op het beschouwen van beide zijden van de wand. Hier kan nog eens beter naar gekeken worden. Er kan in plaats van regeling op basis van de temperatuur van de binnenlucht gekozen worden om op basis van de Predicted Mean Vote (PMV) de warmtepomp te sturen. Wat betreft sturing kan ook gedacht worden om de compressor proportioneel te regelen. GUI Bovenstaande toevoeging van componenten aan het model dient ook in de GUI doorgevoerd te worden. Vanwege de universele opzet van de GUI is dit eenvoudig te realiseren.

De GUI zou voor de mogelijkheid moeten krijgen om rekening te houden met de status van de warmtepomp. Er zou gefilterd moeten kunnen worden wanneer deze in- en uitgeschakeld is. Tenslotte zou er met instelbare tijdstappen en simulatieduur gewerkt moeten kunnen worden. Wellicht dat de huidige vorm, als Excel gereedschap, daarvoor niet geschikt is. Een speciale applicatie of wellicht Matlab is dan een richting waarin gedacht kan worden.

- 66 8BConclusies en aanbevelingen


Contactgegevens afstudeercommissie

Afstudeercommissie

Prof.dipl.-ing. J.N.J.A. Vamberský (voorzitter) Hoogleraar TU Delft, Civiele Techniek, sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies CT, Stevin II, k. 1.36 015 278 3174 (secretaresse) [email protected] Ir. S.C. Jansen (dagelijks begeleider) Promovendus TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties [email protected] Gedurende het verlof van mevr. Jansen heeft mevr. Boelman de dagelijkse begeleiding overgenomen: Dr.Eng. E.C. Boelman, MBA Universitair Docent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties [email protected] Ir. A.C. van der Linden Universitair Hoofddocent TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoelen Bouwfysica en Installaties [email protected] Prof.ir. P.G. Luscuere Hoogleraar TU Delft, Bouwkunde, sectie Klimaatontwerp, leerstoel Installaties [email protected]

Student

Arnaud Blom TU Delft, Civiele Techniek, afstudeerrichting Bouwtechniek en Bouwproces [email protected]

- 67 9BContactgegevens afstudeercommissie


Definities • Coefficient Of Performance (COP) [17, bewerkt] De verhouding tussen de afgegeven energie en de opgenomen energie. Het rendement van bijvoorbeeld een warmtepomp wordt uitgedrukt in de COP. Omgevings- en afvalwarmte zijn in grote hoeveelheden beschikbaar en worden daarom niet meegenomen bij het bepalen van de COP van een elektrisch aangedreven warmtepomp. De COP is dus altijd groter dan één. • Duurzame energie Energie die is opgewekt met behulp van bronnen die hernieuwbaar zijn of niet uitputbaar. Uitputbaar zijn met name fossiele bronnen zoals olie, steenkool, en gas. Niet uitputbare energiebronnen zijn: zonne-energie, windenergie, waterkracht, aardwarmte, getijdenstromen, biomassa en golfenergie. • Effectiviteit Effectiviteit of doeltreffendheid geeft aan dat de uitkomst van het proces gerealiseerd wordt. In tegenstelling tot efficiëntie heeft het dus geen betrekking op het proces zelf, maar op de uitkomst ervan. • Efficiëntie Efficiëntie of doelmatigheid is de mate van gebruik van middelen om een bepaald doel te bereiken. Een proces wordt efficiënt genoemd als het ten opzichte van een norm weinig middelen gebruikt. • Fossiele brandstoffen [17] Fossiele brandstoffen zijn koolstofverbindingen die zijn ontstaan als resten van plantaardig en dierlijk leven uit het geologisch verleden van de aarde, hieronder vallen aardolie, aardgas, steenkool, bruinkool en turf. • Primaire energie [17, bewerkt] In dit afstudeeronderzoek wordt de volgende definitie gehanteerd: Primair energiegebruik is het totale gebruik per jaar aan energie ontleend aan fossiele brandstoffen, direct of via warmtekracht en elektriciteit.

Dit is de gedeeltelijk aangepaste EPN definitie van primaire energie. Er zijn meerdere definities. Het International Energy Agency (IEA) [9] neemt ook duurzame (hernieuwbare) energiebronnen mee in plaats van alleen fossiele brandstoffen.

- 68 10BDefinities


Bronvermelding Tekst 1. Bezuijen, R.G.L., Afstudeerrapport: A research on low-exergy district design, Analysis of energy and exergy calculation tool (Engels). Delft: Faculteit Bouwkunde, 2006. 2. Bezuijen, R.G.L., Afstudeerrapport: A research on low-exergy district design, Handbook on low-exergy district design (Engels). Delft: Faculteit Bouwkunde, 2006. 3. Cauberg, J.J.M., A.C. van der Linden, e.a., Bouwfysica 1. Delft: Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, 2001. 4. Cauberg, J.J.M., A.C. van der Linden, e.a., Bouwfysica 2. Delft: Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, 2000. 5. ECN, Sectorstudie Huishoudens en Woningen. ECN, 1995. 6. Elling, R, e.a., Rapportage Techniek, Schrijven voor lezers met weinig tijd. 2e druk. Delft: Wolters-Noordhoff, 2000. 7. EnergieNed, Energie in Nederland 2007 Feiten & Cijfers. EnergieNed, 2007. 8. Eurostat, Energy Statistics 2005. (http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page?_pageid=0,1136239,0_45571447&_dad= portal&_schema=PORTAL) 9. IEA, Energy Forecasts of IEA Countries. International Energy Agency, 2007 (http://wds.iea.org/wds/pdf/doc_slt.pdf) 10. Knoll, W.H., E.J. Wagenaar, Handboek Installatietechniek, Rotterdam: ISSO, TVVL, Novem, 1994. 11. Linden, A.C. van der, e.a., Bouwfysica. 5e druk. Utrecht/Zutphen: ThiemeMeulenHoff, 2000. 12. Nederlands Normalisatie Instituut, NEN 5128: Energieprestatie van woonfuncties en woongebouwen – Bepalingsmethode, Delft: NNI, 2004. 13. Schalkoort, T.A.J., P.G. Luscuere, e.a., Klimaatinstallaties, Integratie van gebouw en installaties. Delft: Faculteit Bouwkunde, 2003. 14. Schmidt, D, ‘Design of Low Exergy Buildings, Method and a Pre-Design Tool’ (Engels). International Journal of Low Energy and Sustainable Buildings, Vol. 3, 2003. 15. Shukuya, M., A. Hammache, Introduction to the Concept of Exergy – for a Better Understanding of Low-Temperature-Heating and High-Temperature-Cooling Systems (Engels).VTT Espoo 2002.

- 69 11BBronvermelding


16. Stougie, L, N.Woudstra, e.a., Syllabus Exergie-analyse. Delft: TU Delft, 1997. 17. SenterNovem EPN Begrippenlijst (http://www.senternovem.nl/epn/introductie/begrippenlijst.asp). 18. SenterNovem, Referentiewoningen Portaal. (http://www.senternovem.nl/epn/referentiewoningen/referentiewoningen_nieuwbouw.asp) 19. SenterNovem, Referentie-tussenwoning. (http://www.senternovem.nl/epn/referentiewoningen/tussenwoning.asp). 20. United Nations Environment Programme. 21. Wikipedia figuur Carnot-proces. (http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Carnot_Prozess.png). 22. Wikipedia artikel Condensor (damp). (http://nl.wikipedia.org/wiki/Condensor_%28damp%29). 23. Wikipedia artikel Regeltechniek (Nederlands, Duits, Engels). (http://nl.wikipedia.org/wiki/Regeltechniek). 24. Wikipedia artikel Stoom- en gascentrale. (http://nl.wikipedia.org/wiki/Stoom-_en_gascentrale). 25. Wikipedia artikel Warmtepomp (Nederlands, Duits, Engels). (http://nl.wikipedia.org/wiki/Warmtepomp).

Software 26. TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) versie 16.01.0003, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison (http://sel.me.wisc.edu/trnsys), 2007. 27. TRNSYS 16.01.0003 Manual (Engels), 2007. 28. TRNBuild, Visual Interface for Multi-zone Building model (Type 56), versie 1.0.94 voor TRNSYS 16.01.0003, TRANSSOLAR Energietechnik GmbH, (http://www.transsolar.com), 2007. 29. TESS Libraries versie 2 voor TRNSYS 16.x, Thermal Energy Systems Specialists LLC, (http://www.tess-inc.com), 2004.

- 70 11BBronvermelding

Exergie-analyse toegepast op een warmtepompsysteem

Recommend Documents