economische kijk op isoleren

Practicum natuurkunde

Een technisch/economische kijk op isoleren

ONTWERPVERSIE/ NIET DEFINITIEF

2e bachelor handelsingenieur academiejaar 2007-2008

1. Algemene beschouwingen De opdracht De opdracht gaat over warmteverliezen van gebouwen, zowel vanuit een technische als vanuit een economische hoek bekeken. Warmteverliezen, normering, kosten, besparingen en optimalisatie komen aan bod. De berekeningen gebeuren op basis van een plan. Elk team gebruikt een ander plan. Praktisch Het practicum is veplicht en vormt een apart onderdeel van deel B van het vak natuurkunde. Zonder deelname kan men geen cijfer krijgen voor deel B van het vak. Het practicum vraagt een inzet van een vijftiental uren per student. Het wordt afgesloten met een rapport. De opdracht moet klaar zijn op 27 april, en uiterlijk die dag moet het rapport ook verstuurd worden als een pdf-bijlage bij een mail (aan [email protected]) die het groepsnummer en de namen van alle groepsleden duidelijk bevat. Het rekenblad van de berekeningen moet dan ook aan de begeleidende GOP-informaticadocent bezorgd worden op de manier door hem bepaald. Alle begeleiding rond het bureautica-aspect gebeurt door die docent. De begeleiding van het natuurkundig aspect gebeurt tijdens de natuurkundelessen die op maandag gepland zijn. Tijdens de laatste van die lessen (30 april) worden de verschillende groepen verwacht voor toelichting. De informatie daarover wordt via de valven verstrekt. Evaluatie Er staan 2 punten voor natuurkunde op het practicum. Er wordt gelet op: -de volledigheid van het rapport (volledige beantwoording van alle vragen); -de concrete beantwoording van de vragen; -de correctheid van de berekeningen; -de interpretatie van de resultaten. -de activiteiten die verband houden met de opdracht. Elk gebruik van gegevens en resultaten afkomstig van andere studenten dan de groepsleden zal worden beschouwd als fraude. De evaluatie van de bureautica-aspecten gebeurt apart.

2

Theoretische achtergrond:

2. Warmteverliezen van gebouwen 0. Situering Gebouwen verliezen in de winter warmte op twee manieren: -door ventilatie; -door warmteverlies doorheen de wanden. Voor geen van beide is een exacte berekening mogelijk, omdat men nooit over alle nodige exacte gegevens beschikt. Maar er bestaan wel relatief eenvoudige modellen, die een redelijke benadering geven. Deze modellen zijn gebaseerd op zekere aannames, die in gemiddelde situaties redelijke resultaten geven. Voor de manier van berekenen bestaan er normen, en voor het te bereiken resultaat regelgeving. De regelgeving is niet lang geleden nog verruimd en strenger geworden.

1. Ventilatieverlies Elk nieuw gebouw moet reglementair voldoende worden geventileerd. Als er niet zou geventileerd worden, dan zou de luchtkwaliteit snel afnemen. Stof, rook, dampen, en uitgeademde lucht spelen daarbij een rol. Zelfs principieel onschadelijke waterdamp kan ongezonde gevolgen hebben door condensatie en schimmelvorming. De noodzakelijke ventilatie kan spontaan gebeuren via ventilatieopeningen, of ook mechanisch via ventilatoren en aan- en afvoerleidingen. Door deze ventilatie gaat warmte verloren, want er wordt warme lucht afgevoerd en vervangen door koude buitenlucht. Eventueel kan men in het geval van een mechanische verluchting wel een deel recupereren via een warmtewisselaar die aan de buitengestuurde lucht een deel warmte onttrekt. In het simpelste geval is er echter geen recuperatie. Dan wordt het warmteverliesvermogen door ventilatie gegeven door ! v = 0,34 " # " VL " $T

,

met ! v : ventilatieverliesvermogen in watt, # : ventilatietempo in h-1. VL : binnenluchtvolume in m3, $T : temperatuurverschil binnen-buiten in K. Het reglementair gevraagde luchtverversingsdebiet is afhankelijk van de functie van een ruimte en van haar volume. Vereenvoudigd gesproken ligt het rond 1 tot 1,5 luchtverversing per uur. Het binnenvolume wordt voor de berekening op 80% van het bouwvolume genomen. 2. Transmissieverlies door wanden Zelfs al komt er geen koude lucht binnen in een gebouw, dan nog zal er warmteverlies zijn. Doordat de temperatuur binnen en buiten verschillend is, zal een warmtestroom ontstaan door de wand. In stationaire omstandigheden is deze warmtestroom eenvoudig 3

te berekenen. Een stationaire toestand is een onveranderlijke toestand, wat hier betekent dat het temperatuurverschil tussen binnen en buiten constant blijft. Dat is natuurlijk niet zo, maar als dat temperatuurverschil voldoende traag varieert, is de fout die we maken door de formule voor stationaire situaties te gebruiken beperkt. De algemeen gehanteerde werkwijze is gemiddelde buitentemperaturen te gebruiken. In stationaire situaties kunnen we voor het warmteverlies door een wand schrijven !T =

1 A "$T , R

waar R de zogenaamde warmteweerstand is van de wand (in m2K/W), A de wand oppervlakte (in m2) en $T (in K) opnieuw het temperatuurverschil tussen binnen en buiten. In het algemeen bestaat in onze streken een buitenmuur uit meerdere lagen: een dragende binnenmuur van typisch 15 cm voor niet te hoge gebouwen, een spouw geheel of gedeeltelijk gevuld met isolerend materiaal, en een buitengevel van 9 cm. Op die manier kan de muur isolerend werken en ook waterkerend, wat belangrijk is in ons klimaat. De weerstand van de volledige wand kan geschreven worden als een som R = Ri + % Rn + Re . n

Hierbij is Rn de thermische weerstand van de n-de laag. Als het gaat over een homogeen, vast materiaal, dan is Rn =

dn &n

,

waar dn de laagdikte is en & n de zogenaamde warmtegeleidingscoëfficiënt (in W/(m.K)) van de materie van laag n. Als de bewuste laag een luchtlaag is in een spouw, kan men niet op dezelfde manier werken, omdat de warmte-overgang in dit geval verloopt via straling en luchtcirculatie (convectie). Dan moet men gebruik maken van experimenteel bepaalde weerstandswaarden. Voor een ongeventileerde spouw van minstens enkele cm geldt typisch Rs = 0,18

m2 K . W

De overgangsweerstanden Ri en Re hebben te maken met warmte-overdracht van de lucht naar de wand aan de binnenkant, en van de wand naar de lucht langs de buitenzijde. Deze weerstand hangt af van de situatie (bijvoorbeeld de wind aan de buitenkant) en men kan er dus geen vaste waarde voor geven. De praktijk bestaat erin een genormaliseerde waarde te gebruiken die gemiddeld een goed resultaat geeft in onze 4

streken. Het gebruik van zo een genormaliseerde waarde heeft nog als voordeel dat het zo mogelijk wordt verschillende muurtypes te vergelijken, wat niet zou kunnen als verschillende constructeurs van verschillende waarden zouden gebruik maken. We maken gebruik van volgende genormaliseerde waarden voor verticale wanden Ri = 0,125

m2 K , W

m 2K Re = 0,043 . W Het gebruik van warmteweerstanden is handig omdat men weerstanden van opeenvolgende lagen enkel moet optellen. Het eindresultaat voor de warmtestroom wordt echter typisch als volgt uitgedrukt ! T = U " A " ( Ti ' Te )

.

Hier wordt U de warmtetransmissiecoëfficiënt genoemd. Hij is uitgedrukt in W/(m2K) en is gegeven door U=

1 . R

Deze zgn. U-waarde wordt veel gebruikt in de bouwsector. Bekijken we als voorbeeld een raam met enkele beglazing van 4mm dikte. Hoeveel warmtevermogen verliezen we door 1 m2 glas als de binnentemperatuur 20°C is en de buitentemperatuur 0°C ? Voor U vinden we afgerond U=6W/(m2.K) (reken na!), en het warmteverlies bedraagt 120W/m2 . Merk op dat het resultaat voor U in dit geval bijna volledig bepaald wordt door de overgangslagen (controleer!), en dat wat dikker glas nemen dus geen betere dam opwerpt tegen warmteverliezen. Wil men de warmteverliezen werkelijk beperken, dan zal men dubbel glas gebruiken. Daarbij heeft men tussen de twee glasbladen een luchtlaag die isolerend werkt , en de U-waarde wordt ongeveer 3W/(m2.K). Dit is nog altijd veel slechter dan een degelijk geïsoleerde muur, waar men ongeveer U=0,5W/(m2.K) heeft. Wil men nog beter isoleren, dan kan men op een van de binnenzijden van de glasbladen een laagje aanbrengen dat zichtbaar licht en nabij infrarood doorlaat, maar langgolvig infrarood sterk reflecteert. Daardoor kan de Uwaarde tot een stuk minder dan 2W/(m2.K) teruggebracht worden. 3. Isolatieniveau K van woningen Bij het toekennen van een bouwvergunning eist de overheid dat de bouwheer zijn nieuwbouwwoning behoorlijk isoleert. De U-waarden van de verschillende wandelementen moeten aan minimum eisen voldoen. Bovendien legt men een globale isolatie-eis op. Deze eis is gebaseerd op een gemiddelde U-waarde en een vormfactor. De vormfactor is eenvoudig gedefinieerd als V/A, het totaal verwarmde volume 5

gedeeld door de totale verliesoppervlakte. Bij het berekenen van de gemiddelde UA van alle verliesoppervlakken moet men natuurlijk rekening houden met hun oppervlakte, die als gewichtfactor wordt gebruikt. Verder moet men er ook rekening mee houden dat niet elke wand aan dezelfde omgevingstemperatuur blootstaat. Daarvoor voert men bijkomende gewichtsfactoren in. Men definieert aldus de genormeerde UA

%A

mj

UA =

j

"Umj + % Arj "Urj + % Adj "Udj + % a j " Avj "Uvj + 23 % Abj "Ubj j

j

%A

mj

j

j

j

+ % Arj + % Adj + % Avj + % Abj j

j

j

j

waar de totale verliesoppervlakte A opgesplitst werd in verschillende stukken aangeduid door een index met volgende betekenis m: gewone muren, r: ramen, d: daken, v: vloeren, b: wanden grenzend aan onverwarmde binnenruimten. De waarde van correctiefactor a voor vloeren is a = 1 voor vloeren in contact met de buitenlucht, a = 2/3 voor vloeren boven een onverwarmde binnenruimte, a = 1/3 voor vloeren op de grond. Voor de bepaling van het globale isolatiepeil van de woning vergelijkt men US met een referentiewaarde Uref die als volgt wordt bepaald Uref=1W/m2.K als V/S<1m, Uref=(V/S +2)/3 W/m2.K als 1m!V/S<4m, Uref=2W/m2.K als 4m!V/S . Het globale isolatiepeil K is dan gedefinieerd door K= 100 US/Uref . 4. Brandstofverbruik De totale warmteverliesstroom is benaderend gelijk aan ! = ! T + ! V ( U A " A " $T + 0,34" # " VL " $T ,

6

en de vereiste jaarlijkse warmtetoevoer Q door de verwarmingsinstallatie is dan de integraal van ! over een tijdsperiode van een jaar: Q = (UA " A + 0,34 " # "VL ) "

) $T " dt

.

jaar

Bij het berekenen van de integraal zijn er enkele complicaties. Ten eerste kent men de buitentemperaturen niet. Men zal zijn toevlucht moeten nemen tot gemiddelden over vroegere jaren zoals opgetekend door een meteorologisch instituut. Ten tweede is er natuurlijk enkel verlies als het buiten kouder is dan binnen. Praktisch gesproken moet men niet meer verwarmen als het buiten warmer is dan een bepaalde temperatuur. Allerlei factoren spelen hierbij een rol, zoals invallende zonnestraling en de aanwezigheid van onbedoelde warmtebronnen (verlichting, elektrische toestellen, mensen…). Het gevolg is dat in onze streken typisch niet verwarmd wordt van juni tot en met augustus. De rest van het jaar, van september tot mei, is het stookseizoen. Een ander gevolg is dat men, ook al is het buiten kouder dan de referentietemperatuur, toch minder moet verwarmen dan het temperatuurverschil tussen binnen en buiten zou doen vermoeden, omdat de gratis warmte een deel van de warmtebehoeften zal dekken. Men kan dit opvangen door in de formule voor de binnentemperatuur niet de echte gewenste temperatuur te gebruiken, maar een wat lagere waarde. In de praktijk is gebleken dat voor een schatting van de warmtebehoefte bij ons het een verantwoorde keuze is 16,5°C te nemen, zowel voor de te hanteren gecorrigeerde waarde voor de binnentemperatuur als voor de buitentemperatuur waaronder geen verwarming nodig is. Als men in de integraal deg periode =

) $T " dt

periode

(waarbij gerekend wordt met 16,5°C voor de binnentemperatuur en men zich beperkt tot deelperiodes waarin het buiten kouder is dan 16,5°C) de tijd in dagen uitdrukt, noemt men deg periode het aantal "graaddagen 16,5" van die periode. Op het internet vindt men cijfergegevens over graaddagen. Daarmee wordt dan het jaarlijks verbruik benaderend Q = (UA " A + 0,34 " # "VL ) " deg jaar " 24 "3600 , waar de factoren achteraan dienen om dagen om te zetten in seconden. Q geeft de jaarlijkse warmtevraag uitgedrukt in joule. Willen we dit omzetten in een hoeveelheid brandstof, dan kan dit eenvoudig door rekening te houden met de verbrandingswarmte van de gekozen brandstof en met het rendement waaraan de installatie werkt. Willen we een kostenplaatje, dan zullen we nog rekening moeten houden met de brandstofprijs, die natuurlijk afhangt van het moment.

7

3. De concrete opdracht(en) Opmerking: Achteraan staan een reeks internetbronnen die u op weg kunnen zetten voor bepaalde opdrachten. Het is natuurlijk geen volledige lijst.

Het logboek In het logboek komen alle afspraken die in de groep worden gemaakt, de taakverdelingen, en alle activiteiten met aanduiding van de nodige tijd. Dit logboek moet worden opgenomen in uw eindrapport.

De plannen Het plan van uw groep wordt als plani.pdf (i: groepsnummer, bv. 502) gestuurd als antwoord op een mail van de groepsverantwoordelijke aan [email protected] met als onderwerp: “Aanvraag plan voor groep i”.

De opdrachten opdracht 1 Bestudeer de theorie van de warmteverliezen in deze tekst. Bespreek in groep. opdracht 2 Zoek op het internet (en eventueel elders) informatie over de isolatie-eisen voor een nieuwbouwwoning. Doe het volgende in het verslag (steeds met bron(nen)): 1. Geef in een tabel de K-eisen en de maximale U-waarden die gelden voor een nieuwbouwwoning in de provincie Antwerpen. Vermeld daarbij van welke overheid die eisen uitgaan en waarom. 2. Maak een tabel van typische U-waarden van ramen in functie van het type glas. 3. Bewijs de formule voor de ventilatieverliezen. Verantwoord alle stappen. 4. Beschrijf in 10 lijnen wat de EPB is en wat dat met het voorgaande te maken heeft. Opdracht 3 Doorblader de normen aangaande isolatie die beschikbaar zijn in de bibliotheek. Zoek ook op het internet informatie over normen en over certificatie in de bouw. Beantwoord volgende vragen in uw verslag (met bron(nen)). 4. (10 lijnen): Wat is de draagwijdte van een norm? Wat is het verband tussen Europese en Belgische normen? 5. (10 lijnen): Wat is certificatie, wie doet het, en wat is het belang? 6. (10 lijnen): Zijn er eventuele subsidies voor isolatie van een gebouw? 8

Opdracht 4 Bestudeer uw vereenvoudigd plan van een woning. Kies voor gas of stookolie. Zoek info over isolatiematerialen en maak een keuze. Ga na welk cijfermateriaal eventueel ontbreekt om het verbruik te bepalen. Zoek daarvoor een gepaste waarde. Denk hierbij ook aan het opstellen van een (lineair) modelverband tussen prijs en dikte van isolatiemateriaal (geplaatst, d.w.z. inclusief plaatsingskosten). Doe in het verslag het volgende (geef hierbij voor alles uw bron(nen)). 7. Geef uw brandstofkeuze en motiveer deze (voor- en nadelen!). 8. Geef de verbrandingswaarde van de gekozen brandstof en de eenheidsprijs. 9. Geef uw isolatiekeuze en motiveer deze (voor- en nadelen!). 10. Geef het door u voorgestelde lineair verband tussen isolatiekost en dikte en de manier waarop dit werd bekomen. 11. Doe een gefundeerde keuze voor de warmtegeleidingscoëfficiënt van de stenen. 12. Kies en verantwoord een afschrijvingstermijn voor de isolatie.(belangrijk voor de jaarlijkse isolatiekost!) 13. Zoek informatie over graaddagen van een recent jaar naar keuze. Opdracht 5 Het volgende dient te gebeuren met een rekenblad (Excel) volgens de regels van de kunst. Breng de nodige plangegevens en andere vereiste gegevens in het rekenblad. Neem daarbij als globaal verwarmingsrendement van de installatie 85%. Opgezochte informatie over graaddagen komt in een tweede blad van hetzelfde bestand, en wordt in dat tweede blad verwerkt voor gebruik in het hoofdblad. Bereken de U-waarde van de muur, K, de warmteverliezen en het energieverbruik(in MJ/jaar) in functie van de isolatiedikte. Bereken hierbij ook welk aandeel van de warmteverliezen van de ventilatie komt. Tabelleer (met TABLE) voor de isolatiediktes 0, 1, ..., 12 cm de energiekosten, de isolatiekosten, de totale kostenfunctie en de besparing t.o.v. de isolatieloze muur (EUR/jaar). Maak hiervan een grafiek. Zoek met de SOLVER de isolatiedikte waarbij de jaarlijkse kosten het kleinst zijn en controleer dat minimum in de gemaakte tabel. Leg hierbij de voorwaarde op dat de reglementering wordt nageleefd, en dus bijvoorbeeld K klein genoeg is. Herneem de optimalisatie, tabellering en grafische voorstelling voor een brandstofprijs die 50% lager is. . In het verslag: 14. Geef de twee tabellen uit het rekenblad (voor de twee brandstofprijzen) 15. Geef de twee grafieken uit het rekenblad. 16. Bespreek deze tabellen en grafieken en hun verschillen. Denk daarbij aan een bespreking van de betekenis van het optimum en de besparing. 9

Opdracht 6 Naast zuiver economische argumenten kunnen ook aspecten als duurzame ontwikkeling een rol spelen bij de keuze van isolatie. Concreet zal men dan meer isoleren dan het ogenblikkelijk economisch optimum. Ook kan men opteren voor een ventilatiesysteem dat een groot deel van de door ventilatie verloren warmte recupereert. Als men daar ver genoeg in gaat, dan kan men zelfs een zogenaamd passiefhuis krijgen. In het verslag: 17. Geef de kenmerken van een passiefhuis. 18. Hoeveel wordt er jaarlijks bespaard voor uw plan door een ventilatiesysteem te nemen met 80% warmterecuperatie? Opdracht 7 Werk het rapport af en zet om in pdf. Lever het rapport in. Lever het rekenblad in.

10

4. Enkele internetbronnen www.energiesparen.be www.bin.be www.butgb.be www.wtcb.be www.vlaanderen.be http://www.gasinfo.be/index.cfm?pageid=15529 www.jevaisconstruire.be www.informazout.be www.ecoline.org/verde/publicaties/energie/energiezuinigewoning.shtml#isolatie isolatie.pagina.nl/ www.livios.be/nl/_build/_guid/_isol/index.asp www.isolatie.nl/ isolatie.start.nu/ www.bouwinfo.nl/isolatie.html www.2link.be/index.php?zone=dochter&dochter=isolatie www.aecinfo.be/3/company/03/14/71/company_3.html www.baksteen.be/Version2/articles/articles-normeseuropeennes.htm www.livios.be/nl/_build/_guid/_chau/_mazo/index.asp www.nrc.nl/W2/Lab/Profiel/Aardgas/gasboor.html nl.wikipedia.org/wiki/Aardgas www.dwk.nl/kast/data/648/gas_olie.htm mineco.fgov.be/energy/non_renewable_energy/gas/home_nl.htm ontwikkel.thinkquest.nl/~ll103/tep/nl/traditional_energy/natural_gas.html http://www.livios.be/nl/_build/_guid/_vent/_vent/960.asp?content=Mechanisch%20ven tileren%20in%20opmars%20dankzij%20nieuwe%20wetgeving http://www.passiefhuisplatform.be/index.php?col=-welkom&lng=nl&doc=welkom_1 http://www.provant.be/leefomgeving/duurzaam_bouwen/

11