82
4.5
Berekening NZEB
4.5.1
Inleiding
Hier bespreken we hoe we van het PJRC een NZEB kunnen maken. Het project verloopt in drie stappen:
energieverbruik van het gebouw onderzoeken en opmeten; reduceren van het energieverbruik; hernieuwbare energie opwekken.
Bij de laatste twee stappen maken we gebruik van enkele technieken uit de tabellen met technologieën (zie hoofdstuk 2.2.1 en bijlage 1), die toegepast kunnen worden voor het bekomen van een NZEB. Ook een aantal technieken die al toegepast zijn in het PJRC komen terug. We onderzoeken wat er nodig is om van het PJRC een NZEB te maken. Er worden enkel grootte ordes gegeven van getallen en een verdere studie is zeker vereist om de behandelde techniek toe te passen. Dit onderdeel kan beschouwd worden als het aanreiken van ideeën naar Janssen toe om verdere energiebesparing te doen. Daarom geven we een korte evaluatie van verschillende technieken. De luchtbehandelingsinstallatie speelt een grote rol in dit hoofdstuk door de eisen die gesteld worden aan de luchtkwaliteit in de labo’s en de vele luchtwisselingen. Hier wordt dan ook de nadruk op gelegd. Ook de plug load die in vorig hoofdstuk werd opgemeten, speelt een belangrijke rol (21,1% van totale elektriciteitverbruik in gebouw). Bij een NZEB wordt de plug load meegerekend in tegenstelling tot een aantal andere certificatieprogramma’s. Via de metingen kunnen we een aantal energiebesparingen voorstellen. Informatie, verbruikgegevens en technische tekeningen zijn afkomstig van het intranet van Janssen Pharmaceutica.
De A&TD heeft in het verleden een aantal metingen gedaan die gepubliceerd werden op het intranet van Janssen Pharmaceutica, waaronder het totale elektriciteitverbruik van de verschillende gebouwen.
Het IMS of Installatie Monitoring Systeem is een tool, gebruikt voor de visualisatie en het verzamelen van meet- en regelsignalen. Het vergemakkelijkt de bewaking van installaties zoals luchtgroepen en koelmachines.
Het TIB-systeem of Technische Installatie Beheer systeem wordt gebruikt om verdere achtergrondinformatie te verkrijgen over de geïnstalleerde installaties. In het TIB-systeem vind je tekeningen en berekeningen van de verschillende gebouwen.
Ook mijn eigen metingen en andere studies zijn gebruikt voor enkele gegevens waarop energiebesparing is berekend. Op het einde van elke stap wordt een overzicht gegeven met de bekomen resultaten.
83
4.5.2
Stap 1: Energieverbruik gebouw
4.5.2.1
Jaarlijks energieverbruik en -opwekking
Elektriciteit Uit de gegevens van de A&TD op het intranet halen we het elektrisch verbruik van het jaar 2010 voor PJRC (2011 was op dat ogenblik nog niet beschikbaar).
2010 1.000 800 MWh per maand
600 400 200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Maand Figuur 4.46 Grafiek maandelijks elektriciteit aankoop
Om het totale elektrische verbruik te kennen moeten we hier de hernieuwbare elektriciteit van de zonnepanelen (rechtstreeks in het gebouw verbruikt) nog bij optellen. De opbrengst van de zonnepanelen bedraagt 5,19 MWh/jaar. Het PJRC verbruikte in 2010 totaal 8.031,39 MWh elektriciteit (evenveel als het jaarlijks verbruik van 2300 gezinnen). Aardgas Het aardgasverbruik van het PJRC voor 2010 wordt op dezelfde manier bepaald.
Aardgasaankoop 2010 1.000.000 800.000 600.000 m³
400.000 200.000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Maand Figuur 4.47 Grafiek maandelijks aardgasverbruik
Aardgas wordt gebruikt voor de warmwaterproductie. Dit warm water wordt verder in het gebouw gebruikt voor verwarming van het gebouw en sanitair warm water.
84
Het gebruikte 'Slochteren-gas' heeft een energiewaarde van 35,17 MJ/m³. Omgerekend naar kWh/m³ geeft dit een waarde van 9,77 kWh/m³. Het totale verbruik in 2010 was 5.851.989 m³ ofwel 57.173,93 MWh. Dit komt overeen met het jaarlijks verbruik van 2500 gezinnen. Het geproduceerde warm water in het PJRC wordt ook in de omliggende gebouwen gebruikt. Dit omdat de ketels zo op grotere belasting kunnen werken, waardoor het een beter rendement heeft. Van het warm water gaat 55,7% naar de omliggende gebouwen. Via een verbrandingsrendement van 90% (aardgas) bekomen we dat 28.661,29 MWh/jaar warm water geleverd wordt van het PJRC aan de omliggende gebouwen en dat 22.795,25 MWh/jaar warm water zelf in het PJRC gebruikt wordt. Heet waterverbruik Het heet water dat toekomt in het gebouw is water van 182°C onder een druk van 12,8 bar. Door deze hoge druk blijft het water in vloeibare toestand. Het wordt gebruikt voor het voeden van de stoomketels in het PJRC. Heet water wordt geproduceerd in het ketelhuis dat 79.509,82 MWh/jaar toevoegt aan het water om heet water te voorzien over heel de site.
Figuur 4.48 Productie heet water
Het gebouw gebruikt 11,1% van het totaal geproduceerde heet water. Zo bekomen we een verbruik van 8.825,59 MWh/jaar.
85
Koelwater De hoeveelheid energie van het koelwater in het PJRC wordt op IMS weergegeven door metingen aan de evenwichtsfles. De evenwichtsfles is de aansluiting van het gebouw (secundair) op het koelwaternet (primair). De evenwichtsfles zorgt voor het juiste debiet koelwater in ons gebouw. Een koelmachine houdt het koelwater op een constante temperatuur van 6°C of 8°C afhankelijk van de buitenluchtcondities. Het debiet wordt geregeld door een meet- en regelsysteem dat het debiet in primaire kring aanpast m.b.v. regelkranen. Als de vraag daalt gaat de primaire kring in by-pass waardoor het debiet in de secundaire kring daalt. Hierdoor wordt het retourwater in de primaire kring kouder. Dit wordt gedetecteerd en het debiet van de primaire kring wordt verlaagd. Als de vraag terug stijgt, zal de secundaire kring in by-pass gaan om meer debiet te verwezenlijken in de Figuur 4.49 Evenwichtsfles secundaire kring en komt het koelwater warmer toe in de secundaire kring. Hierdoor wordt het debiet in primaire kring verhoogd. Bijkomend voordeel van de evenwichtsfles is dat drukschommelingen in de leidingen worden opgevangen. Het verbruikte vermogen van het koelwater is het debiet water (Q) vermenigvuldigd met de temperatuursstijging (ΔT) van het water. Bovendien moet ook rekening worden gehouden met de dichtheid (ρ) en soortelijke warmtecapaciteit (C v) van het water. Formule 4.3
Op figuur 4.50 zien we hoeveel het vermogen van ons koelwater in PJRC is op dat tijdstip. Cirkel 1 duidt de aansluitingen van het gebouw PJRC aan en cirkel 2 duidt de debietmeter aan. Op dit tijdstip was de primaire kring in by-pass omdat er op dat moment niet veel koelwater gevraagd werd in het PJRC en het primaire koelwater op minimum debiet stroomt (retour primaire kring 6,3°C, regelkraan 0%).
2
1
Figuur 4.50 IMS afbeelding evenwichtsfles PJRC
Het primair vermogen aan de evenwichtsfles is een maat voor het energieverbruik van het koelwater en is gelijk aan het secundair vermogen. Het primair vermogen wordt
86
berekend via primair debiet en temperatuursverschil. Via IMS kunnen eerdere resultaten opgevraagd worden, waaruit het energieverbruik van een bepaalde periode kan bepaald worden. We bekomen een energieverbruik van 2.504,63 MWh/jaar voor het jaar 2010. Watervoorzieningen voor het PJRC De energie die naar watervoorziening gaat, dient onderzocht te worden voor een source en site NZEB omdat ze plaatselijk wordt opgewekt en niet afkomstig is van een extern net. Bij Janssen wordt koelwater, heet water en gewoon water voorzien via twee energiegebouwen, twee pompgebouwen, een ketelhuis en een distributienet. Er is ook een waterzuiveringsinstallatie aanwezig en een milieugebouw om het water te zuiveren. Het net is in een ringstructuur opgebouwd met aanvoer- en terugvoerleiding, zodat problemen of werken er niet voor zorgen dat andere gebouwen zonder voorziening zouden zitten. Het koelwater over heel de site wordt voorzien door twee energiegebouwen die het water rondpompen en koelen. Het PJRC aandeel is 6,63% van het totaal koelwaterverbruik. We rekenen dan ook met dit percentage voor het elektrisch aandeel in het rondpompen. De twee energiegebouwen verbruiken samen 5.633,4 MWh/jaar elektriciteit waarvan 1.859,02 MWh/jaar naar de pompen gaat. Zo bekomen we dat voor het rondpompen van het koelwater voor PJRC 123,25 MWh/jaar elektriciteit nodig is. Het heet water komt van het ketelhuis en wordt daar rondgepompt. Dit vraagt 1352,88 MWh/jaar elektriciteit. Het aandeel van heet water in PJRC is 11,1% van het totale verbruik aan heet water. Hetzelfde aandeel geldt voor het rondpompen van het heet water. Zo bekomen we 150,17 MWh/jaar voor het PJRC. Het gewoon water wordt rondgepompt door twee pomphuizen. Deze verbruiken samen jaarlijks 1.523,76 MWh/jaar elektriciteit. Een exact cijfer van het aandeel van PJRC is nog niet beschikbaar en we rekenen met 10%. Het PJRC verbruikt dan 152,38 MWh/jaar elektriciteit voor de voorziening van gewoon water. In totaal is er 425,8 MWh/jaar elektriciteit nodig om het water, koelwater en heet water in PJRC te krijgen. Hernieuwbare energieopwekking Op het dak van het atrium van het PJRC staat een kleine zonnepaneleninstallatie. Dit zijn allemaal kleine fotovoltaïsche cellen geplaatst op glas. De zonnepanelen laten het zonlicht door terwijl ze elektrische energie opwekken. Toen het PJRC werd opgericht was dit een proefproject. De plaatsing van de zonnepanelen kon beter omdat er een deel van de zonnepanelen op sommige tijdstippen beschaduwd wordt (zie schaduwinval op figuur 4.51). Ondanks deze beperking Figuur 4.51 Zonnepanelen op glas merken we dat ze toch nog veel opwekken. De opbrengst wordt weergegeven in het atrium. De installatie is in dienst sinds 27 oktober 2004 en op 14 november 2011 bedroeg de totale productie 36,60 MWh. Dit komt overeen met een gemiddelde productie van 5,19 MWh/jaar.
87
4.5.2.2
Overzicht
Hier geven we een overzicht van voorgaande berekeningen. We rekenen de totale negatieve energie uit voor zowel een site NZEB als een source NZEB. Site NZEB Tabel 4.36 Overzicht site energie gebouw Wat
Hoeveel per jaar
Omrekeningsfactor
Energie/jaar
Totaal elektrisch verbruik
8.031,19 MWh
1
8.031,39 MWh
Aardgas (laagcalorisch)
5.851.989,00 m³
9,77 kWh/m³
57.173,93 MWh
Warm water levering
- 28.661,29 MWh
/0,9
- 31.814,03 MWh
Heet water
8.825,59 MWh
/
/
Opwekking heet water
+ 980,62 MWh
/
/
Aardgas heet water
9.806,21 MWh
1
9.806,21 MWh
Koelwater
2.504,63 MWh
/
/
Opwekking koelwater
- 2.049,24 MWh
/
/
Elektriciteit koelwater
455,39 MWh
1
455,39 MWh
Transport water
425,8 MWh
1
425,8 MWh
Zonnepanelen
5,19 MWh
1
5,19 MWh
Totale negatieve energie gebruikt in het gebouw: 44.078,69 MWh/jaar Totale positieve energie: 5,19 MWh/jaar Warm waterlevering is de verbruikte energie voor het transport van warm water. Dit moet afgetrokken worden van de negatieve energie. Het getal is bepaald door een verbrandingsrendement van aardgas van 90% en dat 55,7% van het warm water dat in de omliggende gebouwen gebruikt wordt. Omdat bij een site NZEB de rendementen van lokale installaties wel meetellen, rekenen we hier met een verbrandingsrendement van aardgas van 90%. Opwekking van heet water m.b.v. aardgas gebeurt met een rendement van 90%. We moeten de 10% energieverlies t.o.v. het aardgasverbruik bijrekenen. Voor de opwekking van koelwater wordt een koelmachine gebruikt met COP-factor van 5,5. We hebben dus 5,5 keer minder elektriciteit nodig dan koelwater. Daarom moeten we van het verbruikte koelwater een bedrag aftrekken zodat we enkel het elektrisch verbruik bekomen. Bij ‘Net zero Site-energy’ moet 1 kWh verbruikte energie gecompenseerd worden met 1 kWh zelf opgewekte energie. Source NZEB De berekeningen van een source NZEB maken gebruik van site-to-source en source-tosite factoren om de verbruikte en opgewekte energie om te rekenen naar de bron. Deze factoren houden rekening met de verliezen bij opwekking en distributie. We nemen een steenkool elektriciteitscentrale met constructiejaar 2006 als referentie voor het bepalen van deze factoren. Deze heeft een rendement van 44,2% (Peeters, 2006, bijlage IV). Om het rendement te bekomen van primaire energie tot verbruikte energie op de site, moeten we dit rendement nog vermenigvuldigen met een correctiefactor om de netverliezen in rekening te brengen.
88
Het gebouw wordt gevoed met 15 kV dat ter plaatse wordt omgevormd naar 400V (zie bijlage 2). Uit tabel 4.37 halen we correctiefactoren 0,925 voor aangekochte elektriciteit en 0,945 voor elektriciteit geleverd aan het net. Tabel 4.37 Correctiefactoren vermeden netverliezen (Peeters, 2006, bijlage IV)
Het totaal rendement voor aangekochte elektriciteit is dan 40,885% en voor geleverde elektriciteit 41,769%. Dit resulteert in een source-to-site factor van 2,45 (1/40,885%) en een site-to-source factor van 2,39 (1/41,769%). Voor het transport van aardgas zijn geen getallen gekend. We verwaarlozen deze factor hier. Voor het opwekken van stoom en warm water met aardgas gebruiken we een rendement van 90%. Dit resulteert in een source-to-site en site-to-source factor van 1,11 (1/90%). De energie voor het rondpompen van het water wordt apart gerekend. Tabel 4.38 Overzicht source energie gebouw Wat
Hoeveel per jaar
Omrekeningsfactor
Energie/jaar
Totaal elektrisch verbruik
8.031,19 MWh
2,45
19.676,42 MWh
Aardgas (laagcalorisch)
5.851.989,00 m³
9,77 kWh/m³
57.173,93 MWh
Warm water levering
- 28.661,29 MWh
/0,9
- 31.814,03 MWh
Heet water
8.825,59 MWh
/
/
Opwekking heet water
+ 980,62 MWh
/
/
Aardgas heet water
9.806,21 MWh
1
9.806,21 MWh
Koelwater
2.504,63 MWh
/
/
Opwekking koelwater
- 2.049,24 MWh
/
/
Elektriciteit koelwater
455,39 MWh
2,45
1.115,71 MWh
Transport water
425,8 MWh
2,45
1.043,21 MWh
Zonnepanelen
5,19 MWh
2,45
12,72 MWh
Totale negatieve energie: 57.001,45 MWh/jaar Totale positieve energie: 12,72 MWh/jaar De omrekeningsfactor voor levering van warm water komt uit het rendement van de omzetting van aardgas naar warm water van 90%. Met onze zonnepanelen rekenen we een factor van 2,45, omdat het de elektrische energie rechtstreeks in het gebouw verbruikt omwille van enkele constante grote lasten. Conclusie Uit tabel 4.32 halen we het elektrisch aandeel van onze labo’s. Dit is 1.696,97 MWh/jaar. T.o.v. het totaal elektrisch verbruik vertegenwoordigt dit 21,1%. De meeste elektrische energie gaat naar het HVAC-systeem: ventilatoren en pompen. Door het grote energieverbruik van het gebouw is elke mogelijke besparing de moeite waard. Een besparing van 0,008% (t.o.v. 44.078,69 MWh/jaar) is evenveel als het elektrisch verbruik van een gemiddeld gezin.
89
4.5.3
Stap 2: Energiereductie
4.5.3.1
Inleiding
De mogelijke besparingen zijn niet exact te berekenen. Ze zijn immers afhankelijk van een groot aantal parameters zoals: het weer, leverancierskeuze, gedrag van de gebruiker, etc. Daarom worden er benaderde rekenmethodes toegepast. De voorgestelde technieken hebben soms nog andere voordelen buiten energiereductie. Deze worden dan ook kort vermeld. Sommige van de voorgestelde technieken en systemen zijn niet onderling of met de bestaande systemen te combineren. Verdere studie moet de juiste keuze bepalen. Veiligheid en comfort zijn hierbij uiterst belangrijk. 4.5.3.2
HVAC
50% van het energieverbruik gaat naar HVAC. Hier is dan ook de grootste besparing mogelijk. Het HVAC-systeem bevat reeds een aantal systemen om het verbruik te verminderen. We zoeken naar manieren om deze nog verder te optimaliseren en kijken of er nog andere systemen en regelingen in aanmerking komen. Beschrijving van het HVAC-systeem Een algemeen HVAC-systeem kunnen we onderverdelen in 3 sectoren: productie, distributie en consumptie (figuur 4.52).
Figuur 4.52 Algemeen HVAC-systeem
Het HVAC-systeem We hebben een aantal HVAC systemen in het gebouw voor de behandeling van verschillende ruimten. Dit kan onderverdeeld worden in drie gelijkaardige groottes van HVAC systemen. We behandelen het systeem AA01 (luchtbehandeling van zuidkant) waar drie parallelle luchtgroepen de luchtbehandeling uitvoeren. Deze luchtbehandelingsinstallaties draaien continu. De resultaten worden vermenigvuldigd met drie om de totale impact op het gebouw te bepalen. De instellingen van ons HVAC-systeem zijn in tabel 4.39 te zien.
90 Tabel 4.39 instellingen Instelling
Waarde
Minimum inblaastemperatuur
16°C
Temperatuursregeling overdag
Verwarmen tot 20°C, koelen vanaf 22°C
Temperatuursregeling ‘s nachts
Verwarmen tot 18°C, koelen vanaf 25°C
Vochtigheidsregeling
Bevochtigen tot 45%, geen ontvochtiging
Gemiddeld set luchttoestand overdag
20°C – 50%
Gemiddelde luchttoestand in ruimte ’s nachts
17°C – 50%
Aandeel buitenlucht
100% (verplicht in labo’s)
Minimum aantal luchtwisselingen per uur overdag
8
Minimum aantal luchtwisselingen per uur ’s nachts
6
Maximum luchtdebiet per luchtgroep
80.000 m³/u
De minimale inblaastemperatuur is de temperatuur waarbij het tochtgevoel vermeden wordt. Omdat de distributieleiding niet geïsoleerd is, wordt de lucht nog verwarmd tot 17°C voor ze ingeblazen wordt in het lokaal. Voor de luchttoestand in de ruimten rekenen we verder met de gemiddelde waarden die aangegeven zijn in tabel 4.39. Verder is ons HVAC-systeem nog uitgerust met:
stoombevochtiging; verwarming-, koeling-, en recuperatiebatterij; luchtfilters en geluidsdempers op in- en uitlaat; plaatselijke verwarming en koeling; brandkleppen; inlaat- en uitlaat afsluitkleppen; frequentiegestuurde pulsie (toevoer) ventilatoren; speciale extractie (afvoer) ventilatoren; uitgebreide PID-regeling met bijhorende metingen.
Wij gebruiken in onze luchtbehandelingsinstallatie stoombevochtiging. Er werd geopteerd voor stoombevochtiging, omdat er minder onderhoud nodig is en omdat de micro-organismes geen kans krijgen om zich te ontwikkelen waardoor we betere luchtcondities verkrijgen. Door stoombevochtiging wordt energie toegevoegd aan de lucht waardoor in koude periodes de lucht meer energie verkrijgt (en dus niet in temperatuur daalt zoals bij gewone bevochtiging). Zo moet de verwarmingsbatterij minder lucht verwarmen in tegenstelling tot bevochtiging zonder stoom. Het is echter niet gewenst als men wil koelen maar deze situatie komt bijna nooit voor. Het klimaat in België vereist slechts zelden gelijktijdige koeling en stoombevochtiging en daarom is dit ook te verwaarlozen (zie bijlage 6). De verwarmings- en koelingbatterij worden gevoed met warm- of respectievelijk koud water. Ze zorgen voor de juiste luchttemperatuur. Een koelbatterij neemt in zeer vochtige periodes automatisch een deel vocht uit de lucht waardoor er een maximum hoeveelheid vocht in de ruimte komt. De recuperatiebatterij die zowel in warme als koude periodes de inlaatlucht via de energie-inhoud van de uitgaande lucht richting gewenste temperatuur brengt, is energiebesparend.
91
De uitgaande lucht draagt een deel van zijn energie-inhoud via een batterij over aan het water dat rondgepompt wordt naar de batterij in de ingaande luchtleiding (of onttrekt energie). Zo wordt de uitgaande lucht al voor een deel naar zijn gewenste toestand gebracht. Het water wordt enkel rondgepompt als er een energiewinst mogelijk is. Energiewinst wil zeggen dat de hoeveelheid warmteoverdracht groter is dan de benodigde hoeveelheid elektrische energie van pomp. Er kan eventueel nog warmte of koude toegevoegd worden in de tussenkring, maar dit is niet voorzien in ons systeem. Luchtfilters worden gebruikt om de stofdeeltjes uit de lucht te filteren en zo een zuivere lucht te creëren in de ruimte. Geluidsdempers worden gebruikt om hinder en lawaai te verminderen. Er wordt gebruik gemaakt van plaatselijke koeling en verwarming. De plaatselijke koeling gebeurt door koelplafonds. Deze worden gevoed door koud water en nemen warmte uit de ruimte op. Koelplafonds zorgen ervoor dat de lucht op een hogere temperatuur mag zijn, terwijl toch het comfort behouden blijft. Dit komt omdat ze via het koude plafond minder warmtestralen uitzenden. De gevoelstemperatuur van de mens is afhankelijk van zowel de gemiddelde wandtemperatuur als de luchttemperatuur. Ze kunnen eventueel ook voor verwarming gebruikt worden. De plaatselijke verwarming gebeurt in de nabehandelingruimten van de lucht voor fijnregeling en op plaatsen waar er weinig interne warmtelast is. Brandkleppen zijn bevestigd in de distributiekanalen en moeten tussen elke brandmuur geplaatst zijn. Inlaat- en uitlaatkleppen worden gebruikt om het juiste debiet in te stellen en als input van de frequentieregelaar. Het luchtdebiet kan op 2 manieren geregeld worden: ventilatoren met frequentiesturing of leidingverliezen regelen m.b.v. regelkleppen. De frequentiesturing is een duurdere oplossing maar bespaart energie, vermits de hoeveelheid energie voor de ventilator aangepast wordt aan de vraag. Bij regelkleppen draaien de ventilatoren altijd op hetzelfde vermogen waardoor het verbruik steeds hetzelfde is. De pulsieventilatoren zijn toegepast door combinatie van frequentiesturing en kleppenregeling. De kleppen worden gestuurd afhankelijk van de opening van de trekkasten in de labo’s. Door de kleppen dicht of open te zetten verandert de druk in de kanalen. De drukverandering wordt bijgestuurd door de frequentieregeling die de luchtdruk in de kanalen constant houdt door het luchtdebiet te verhogen of te verlagen. Deze regeling werd zo toegepast omdat ze de stabielste regeling geeft die het snelst reageert. Dit is nodig in de trekkasten waar de hoeveelheid afzuiging direct verhoogd moet worden wanneer de trekkast opent. De extractieventilatoren zuigen chemische dampen en solventdampen af. Deze afgezogen lucht moet 20 meter hoog in de lucht geblazen worden waardoor de stoffen voldoende worden verdund en re-intake van de uitblaaslucht vermeden wordt. Hiervoor waren twee opties: een hoge schouw ofwel ventilatoren die de lucht met hoge snelheid naar boven blazen. Er is gekozen voor de tweede optie omwille van het uitzicht van de site. Frequentiesturing is hierbij niet mogelijk omdat deze ventilatoren de nodige snelheid aan de lucht moeten toevoegen. Een stappenregeling is toegepast waar een ventilatorgroep aan- of uitschakelt in functie van het gewenste extractiedebiet. Hierdoor is het meeste energieverbruik ervan bespaard. Alle componenten van het HVAC-systeem worden gestuurd via een uitgebreid meet- en regelsysteem.
92
Mogelijke besparingen in de productie van het HVAC-systeem Batterijbesparing Nadeel van een recuperatiebatterij is dat er energie verloren gaat door de extra weerstand in distributieleiding. Tevens is er energie nodig voor het rondpompen van het water. De extra weerstand kan vermeden worden door de koel- en verwarmingsbatterij te combineren met de recuperatiebatterij zoals gebeurt op figuur 4.53 en 4.54
Figuur 4.53 Recuperatiebatterij zomer
Figuur 4.54 Recuperatiebatterij winter
Het drukverlies over één verwarmings- of koelingbatterij is 151 Pa (Wouters, 2007). Als we deze twee batterijen kunnen uitsparen, sparen we dus 302 Pa drukverlies uit. Via het ventilatordebiet kunnen we het vermogen dat hiermee gewonnen wordt, bepalen volgens formule 4.4. Formule 4.4
(P in W, ΔP in pa, q in m³/s en η in %) Er zijn drie ventilatoren die werken met een gemiddeld debiet van 60.000 m³/u (gemiddeld 75% van maximaal) of 16,7 m³/s. Via de mogelijke drukbesparing en het elektrisch rendement van 80% bekomen we een vermogen van 6291,67W per ventilator. Dit geeft jaarlijks (8760 draaiuren) een besparing van 55,12 MWh/jaar per ventilator. Er zijn drie gelijkaardige luchtbehandelingsinstallaties en drie luchtgroepen per luchtbehandelingsinstallatie. Zo bekomen we in heel het gebouw een besparing van 496,04 MWh/jaar. De integratie van dit nieuwe systeem heeft tot gevolg dat de HVAC-regeling anders geprogrammeerd moet worden. Het effect hiervan op het ganse HVAC-systeem moet eerst nog verder onderzocht worden.
93
Adiabatisch koelen Dit is een techniek waarbij de uitgaande lucht door bevochtiging wordt afgekoeld. Door het verdampen van water wordt er warmte onttrokken uit de lucht. Deze afgekoelde lucht stroomt langs de recuperatiebatterij en kan zo de inlaatlucht verder afkoelen. Adiabatisch koelen is een aan/uit regeling vermits we pas vanaf een buitentemperatuur van 18°C kunnen koelen, anders is de inblaasluchttemperatuur onder de 16°C. De recuperatiebatterij kan een temperatuursdaling van de helft van het temperatuursverschil tussen extractie- en pulsiekanalen verwezenlijken. Het Mollier diagram, gebruikt om de energiebesparing te berekenen, is gepubliceerd in oktober 1975 (zie figuren 4.55 en 4.56 alsook in bijlage 6). Hier staan voor een periode van een jaar, de uren in dat een bepaalde luchttoestand zich voordoet. Zo kunnen we bepalen hoeveel onze adiabatische koeling op een jaar opbrengt. De meetresultaten in dit diagram zijn van Nederland. We stellen vast dat op onze zandbodem de temperatuur 2°C hoger is. We moeten dan alle getallen in de figuur 4.55 vakjes omhoog kunnen schuiven. Dit doen we niet omdat we het rendement van adiabatische koeling op 100% nemen, terwijl dit eigenlijk niet zo is (het water verdampt niet voor 100%). Deze twee factoren compenseren elkaar gedeeltelijk. Bovendien is onze berekening enkel richtinggevend bedoeld. Het Mollier diagram is opgesteld voor 1 kg droge lucht. Op de horizontale as van het Mollier diagram staat de absolute vochtigheid van de lucht (in g/kg droge lucht) en op de verticale as de temperatuur van de lucht (in °C). Verder zijn op dit diagram de lijnen van constant relatief vochtgehalte (in %) van linksonder naar rechtsboven getekend en constante enthalpie (in kJ/kg droge lucht) van linksboven naar rechtsonder. Via deze lijnen van constante waarden kan de waarde afgelezen worden. De relatieve vochtigheid is de hoeveelheid aanwezige vocht t.o.v. de maximaal aanwezige hoeveelheid vocht. Beschouwen we nu 4.55. Punt A is ons set-point van de ruimte (20°C en 50% relatieve vochtigheid). We beschouwen dezelfde luchttoestand in de afzuiglucht. Als we deze adiabatisch gaan koelen, gaan we theoretisch naar een relatieve vochtigheid van 100%. Dit gaat volgens constante enthalpiewaarde (h), want er wordt geen energie toe- of afgevoerd (blauwe lijn op figuur). Zo komen we terecht in het punt B. Dit punt B is de luchttoestand in het extractiekanaal achter de bevochtiging en aan de recuperatiebatterij.
94
Figuur 4.55 Mollier diagram dag 8u10 tot 18u10
De originele documenten kunnen achteraan in bijlage 6 teruggevonden worden met hogere resolutie voor meer duidelijkheid. We bepalen ook de luchttoestand in het inblaasluchtkanaal. Dit is hetzelfde als de buitenluchttoestand. Omdat we maar een idee willen hebben van de grootte van besparing, delen we de luchttoestanden op in verschillende blokken waar we de gemiddelde waarden van nemen. We nemen drie grootte blokken (in het rood). We rekenen het zwaartepunt uit van de drie grootte blokken via formule 4.5. Formule 4.5
Met U = aantal uren, A = afstand. Zo bekomen we volgende resultaten (tabel 4.40). We bekomen via de luchttoestand en het aantal uren dat deze luchttoestand zich voordoet, een gemiddelde waarden voor elk rood blok waarmee we verder rekenen. De hoogte van het zwaartepunt wordt bepaald door de hoogte in het rood blok t.o.v. de bodemlijn van het betreffende rood blok. Voor een hoogte gelijk aan 1, nemen we het middenpunt van blokje 1 links onder in het betreffende rood blok, voor 2 nemen we het middenpunt van blokje 2(boven blokje), etc. Hetzelfde gebeurt voor de horizontale afstand.
95 Tabel 4.40 Zwaartepunt blokken Blok
Hoogte zwaartepunt
Horizontale afstand zwaartepunt
1
2,16
6,53
2
2,13
6,72
3
2
5,02
We nemen elk zwaartepunt van een blok en we duiden dit in het groen aan (Z1, Z2 en Z3). Dan gaan we kijken hoeveel graden de pulsielucht daalt (ΔT/2) en zo de daarbij horende enthalpiedaling(Δh) aflezen via het Mollier diagram. Als we de enthalpiedaling hebben, dan weten we hoeveel kJ per kg lucht we uitsparen.
ΔT1: verschiltemperatuur van pulsie en extractie in blok 1 ΔT2: verschiltemperatuur van pulsie en extractie in blok 2 ΔT3: verschiltemperatuur van pulsie en extractie in blok 3
We duiden in het zwart de toestandverandering aan van Z1, Z2 en Z3 naar de toestand achter de recuperatiebatterij in de inlaatleiding Z1’, Z2’ en Z3’. De temperatuursdaling in pulsielucht gaat op het Mollier diagram horizontaal naar beneden omdat er geen vocht wordt weggevoerd of toegevoegd. Om onze enthalpieverandering Δh af te lezen, zetten we dit uit op de enthalpieschaal (zie potlood). Tabel 4.41 Enthalpie verschil per blok Blok ΔT/2 Δh (KJ/kg) 1
2,75
2
2
4,75
4
3
6,75
5
Nu kennen we de hoeveelheid energie die bespaard wordt per blok en per kg droge lucht. We rekenen verder uit hoeveel kg lucht er per jaar gebruikt wordt. Hieruit kunnen we dan de energiebesparing uitrekenen. We moeten het soortelijk volume van de lucht kennen om daaruit het totale volume van de lucht (vocht + droge lucht) voor 1kg droge lucht te bepalen. We kunnen dit berekenen met volgende formule: Formule 4.6
Met v = m³ lucht per kg droge lucht, x = g water per kg droge lucht en t = aantal °C van de lucht. We bepalen het soortelijk volume van de lucht bij de ventilatoren, omdat het debiet aan de ventilatoren gekend is. De ventilator staat achter alle verwarmings- en koelingsbatterijen en ook achter de bevochtiger. De luchttoestand is daar geregeld op 16°C en er heerst een relatieve vochtigheid van 75%. Deze toestand komt overeen met 8,5 g water per kg droge lucht. Volgens formule 4.6 bekomen we dan 0,83 m³ vochtige lucht per kg droge lucht.
96
Het luchtdebiet wordt geregeld door de ventilatoren. Ze hebben een nominaal debiet van 80.000 m³/u. Overdag zijn er meer luchtwisselingen vereist dan ’s nachts. Het gemiddeld percentage van het nominaal debiet overdag is 80% en ’s nachts 70%. De drie pulsieventilatoren worden alle drie op hetzelfde percentage geregeld.
Hieruit bekomen we volgende resultaten (tabel 4.42) Tabel 4.42 Jaarlijks luchtverbruik per blok overdag Blok Luchtdebiet * 80% (m³/h) Aantal uren m³ vochtige lucht kg droge lucht 1
192.000
407
78,14*10^6
94,1*10^6
2
192.000
140
26,88*10^6
32,4*10^6
3
192.000
36
6,91*10^6
8,3*10^6
Via tabel 4.41 en tabel 4.42 rekenen we de energiebesparing na. De energiebesparing is gelijk aan het product van Δh en hoeveelheid droge lucht. We rekenen kJ om naar MWh (factor 1/(3600*1000)). We bekomen: Tabel 4.43 Energiebesparing per blok dag Blok 1
Energie in MWh/jaar 52,31
2
35,98
3
11,57
Op dezelfde manier komen we via figuur 4.56 de resultaten voor de nacht die weergegeven zijn in tabel 4.44
Figuur 4.56 Mollier diagram nacht 18u10 tot 8u10
97 Tabel 4.44 Energiebesparing per blok nacht Blok
Energie in MWh/jaar
1
10,12
We kunnen adiabatisch koelen 613 uren van de 8760 uren per jaar toepassen. De totale energiebesparing is dan 109,98 MWh/jaar. Met drie gelijkaardige luchtinstallaties bekomen we in heel het gebouw een besparing van 329,94 MWh/jaar. De recuperatiebatterij in het PJRC kan zowel verwarmen als koelen met de uitgaande lucht. Zonder adiabatisch koelen, bespaard het ook een gedeelte van de koeling als de ingaande lucht hoger is dan 20°C. Deze recuperatiebatterij krijgt zonder adiabatische koeling uitblaaslucht van 20°C in dag en 17°C in de nacht i.p.v. 14°C overdag en 10°C in de nacht. We gaan hier verder niet op in. Deze regeling moet verder nog meer in detail bestudeerd worden om de exacte effecten hiervan na te gaan. In een warm en droog klimaat valt hiermee het meeste te besparen. Het nadeel is dat deze technologie redelijk wat water nodig heeft en dat dit ter beschikking moet zijn. Koelwater koelen met koude buitenlucht In de koelplafonds lopen leidingen waardoor koelwater stroomt. Dit koelwater wordt ingesteld op de dauwpunttemperatuur van de ruimte plus 2°C om condensatie van het aanwezige vocht op het plafond te voorkomen. Het koelwater dat erdoor stroomt wordt via een warmtewisselaar gekoeld met het koelwater van het PJRC. Dit koelwater onttrekt de warmte uit de ruimte. In koudere periodes (kouder dan 6°C ) kunnen we koelwater produceren met koude buitenlucht waardoor we minder koelwater moeten aanmaken op traditionele manier. Zo bekomen we ‘free cooling’. Via IMS vinden we een benodigde koeling in de winter van 40 kW. We hebben ongeveer 4 volle maanden met een gemiddelde dagtemperatuur onder de 6°C. (figuur 4.57). We nemen aan dat we in deze periode het volledig vermogen aan koelwater kunnen besparen. Dit geeft een energiebesparing van 115,2 MWh/jaar.
Figuur 4.57 Jaarlijks temperatuursverloop
Bij Janssen Pharmaceutica gebruiken we al ‘free cooling’ bij de aanmaak van het koelwater in de koeltorens. Deze techniek lokaal gebruiken levert ons een besparing bij het transport van het koelwater. Transport van het koelwater voor PJRC vraagt 123,25 MWh/jaar. Dit kunnen we 4 van de 12 maanden besparen (of 33%), tijdens koude periodes gebruiken we maar 22% van het normale gebruik aan koelwater. Zo bekomen
98
we een besparing op transport van 8,95 MWh/jaar. Verder onderzoek moet uitwijzen of deze optie rendabel is. Recirculatie van de lucht Door een aandeel van de uitgaande lucht terug te gebruiken, kan een grote hoeveelheid energie bespaard worden omdat er minder buitenlucht behandeld moet worden. Met 100% buitenlucht werken is één van de vereisten. Daarom kan dit niet gebruikt worden in onze labo’s. Het zou is reeds toegepast op het Atrium en een aantal andere zones. Frequentiesturing Frequentiesturing van de ventilatoren is al gebeurd waar het mogelijk is. Optimale regeling HVAC Bij een grote koelvraag vanuit een lokaal gebeurt het dat andere lokalen aangesloten op dezelfde distributiekanalen dezelfde koeling krijgen. Zo wordt soms teveel koeling gevraagd, waardoor er energieverlies is. Een voorbeeld hiervan is het analytisch labo waar veel meer interne warmtelast aanwezig is. De regeling kan eens nagekeken worden om te zien of het nog steeds doet wat ervan verlangd wordt. Dit omdat tussen het afstellen van de regeling en nu een grote periode zit waar af en toe een aantal aanpassingen gebeurd zijn.
Mogelijke besparingen in de distributie van het HVAC-systeem Ontwerpen van leidingen Eerder was al aangegeven dat het vermogen dat naar ventilatoren gaat, afhankelijk is van het drukverschil in de leidingen en het debiet van de lucht. Door een goed ontwerp van de leidingen is er minder drukverschil in de leidingen en gaat er minder energie verloren. Drukverschil wordt voornamelijk veroorzaakt door vernauwingen en de lengte van de leidingen. Bij een ringsysteem waar toevoer en afvoer van de lucht gedeeltelijk via een gemeenschappelijk distributieleiding gebeurt, is de lengte van de leidingen beperkt (figuur 4.58 en 4.59). Bovendien is een ringstructuur makkelijk uitbreidbaar. Bij een traditioneel systeem heeft men per lokaal een toevoerleiding voorzien wat resulteert in meer leidingen dan bij het ringsysteem. De HVAC-distributie bij PJRC is al via een ringsysteem geoptimaliseerd.
99
Figuur 4.58 Klassiek HVAC-verdeling (rode is latere uitbreiding)
Figuur 4.59 Ringstructuur
Plaats van toevoegen en afzuigen lucht Door de plaats van toe- en afvoer van lucht goed te kiezen kan de vraag naar koeling geminimaliseerd worden. Koude lucht blaast men rechtstreeks in de werkruimte terwijl de afzuiging gebeurt bij de grotere plaatselijke interne warmtelasten.
