Klimaatregeling in kantoorgebouwen
Opleiding Energieverantwoordelijke - BIM
U zegt : “klimaatregeling ?..."
2
1
Kantoren zijn dikwijls gelegen langs grote invalswegen. De buitenlucht is vervuilt en het geluidsniveau kan zeer hoog liggen... 3
Doelstelling 1 : in eerste instantie is het wenselijk om aan de bewoners gezonde en zuivere lucht te bezorgen.
De lucht zal van op het dak genomen worden, gefilterd en gepulseerd worden in de lokalen
4
2
Het arbeidsregelment vereist een minimum van 30 m³ verse lucht per uur en per persoon. Wat stelt dit voor ?
Een persoon bezet gemiddeld 10 m². 5
Het arbeidsregelment vereist een minimum van 30 m³ verse lucht per uur en per persoon. Wat stelt dit voor ?
Indien de hoogte 3 m is het volume 30 m³. 6
3
Het arbeidsregelment vereist een minimum van 30 m³ verse lucht per uur en per persoon. Wat stelt dit voor ?
30 m³/uur zuivere lucht is dus de lucht van het lokaal éénmaal per uur vernieuwen.
7
Doestelling 2 : In een tweede stap, wenst men de thermische lasten te compenseren, die vrij groot kunnen zijn gedurende de zomer. Zon door het dak
De verlichting
Zon door de ramen De kantoor toestellen
De verwarming
De bezetters
8
4
Thermisch balans in de zomer:
Voorbeeld voor het lokaal van 30 m³, op een hete zomerdag : • • • • •
zon ramen : 300 W/m² * 2 m² = zon muren :10 W/m² * 10 m² = Computer : = Verlichting : = Bezetter : =
TOTAAL :
600 W 100 W 140 W 100 W 60 W
= 1.000 W
9
Conclusie van de thermische balans : 1° Max. vermogen van de koeling = 1000 W voor 10 m², of 100 W/m² 2° Zon = 70 % van de warmteaanvoer !
10
5
Zou men de het lokaal kunnen afkoelen met verse lucht op 15°C ?
Helaas, niet... Vermogen = debiet x ρc x ∆T° = 3 m³/u.m² x 0,34 Wh/m³.K x (25-15) K = 10 W/m², Dus slechts 10% van de maximum koude noden... Meestal is een echte klimaatregeling noodzakelijk.
11
Er zijn veel verschillende klimaatregelingen mogelijk. We kunnen ze in 3 groepen verdelen: 1 : klimaatregeling « alles lucht » 2 : klimaatregeling « lucht + water » 3 : klimaatregeling « direct » Bekijken we de drie groepen :
12
6
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
De lucht wordt behandeld in een luchtbehandelingsgroep en wordt vervolgens naar de verschillende lokalen geduwd. 13
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
Eerste probleem : Om 100 W/m²te behalen moet men 10 maal meer lucht aan 15°C pulseren dan gezuiverde lucht ! ... Opgelet, t’zal trekken ! 14
7
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
Tweede probleem: Om energie te besparen, zal 90% van de lucht gerecycleerde lucht zijn 15 en 10% zal verse lucht zijn.
Eerste groep : klimatisatie « Alles Lucht »
Probleem 3 : Het verbruik van de ventilatoren is zeer hoog, daarbij: 20 % transport energie… die in warmte wordt omgezet !!!
16
8
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
Voordeel : de klimaatregeling « alles lucht » laat "free cooling" toe van het gebouw. Met 1 kWh in de ventilatoren, kan men 3,3 kWh koude verkrijgen via « gratis » verse buitenlucht, vooral gedurende de nacht.
17
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
Toepassing 1 : De klimaatregeling « alles lucht » met constant debiet wordt vooral toegepast in cafeteria’s, conferentie zalen, ... (want daar is ieder geval veel verse lucht noodzakelijk).
18
9
Eerste groep : klimaatregeling « alles lucht »
Toepassing 2 : De klimaatregeling « alles lucht » met variabel debiet wordt toegepast in 19 ondergrondse lokalen, vergaderzalen,…
Nieuw ! Laten we de twee problemen scheiden: - Een leiding brengt de zuivere lucht, - De koude en warmte worden afzonderlijk geleverd door warmwater (60°C) of ijswater (6°C). De groep van klimaatregeling « lucht+water » is geboren!
20
10
Tweede groep : klimaatregeling « lucht + water » 9 Voorbeeld 1 : de ventilo-convector
Een ventilator blaast op 2 warmtewisselaars, gevoed met warm of koud water.
21
Tweede groep : klimaatregeling « lucht + water » 9 Voorbeeld 2 : koude plafond
Water op 16° koelt het vals plafond, de radiator verwarmd.
22
11
"koel hoofd en warme voeten" geen ventilator, ¾ dus geen lawaai, ¾ geen trek, systeem « lucht + water" ¾ temperatuur regeling per lokaal geen condensatie in de lokalen ¾ minder bacteriologisch risico
23
Tweede groep : klimaatregeling « lucht + water » 9 Voorbeeld 3 : de koude balk
Statische balk
Dynamische balk
De koude wisselaars worden direct onder of in de plafonds geïntegreerd.
24
12
Nog een nieuw idee ! Indien de koeling enkel nodig is in een beperkt aantal lokalen, kan men een climatisator plaatsen : geen intermediair medium (lucht, water) het is een kleine frigo die in direct werkt. In het lokaal plaatst men een verdamper die koude levert. Buiten wordt een condensor geplaatst die de warmte afgeeft. De groep van de « directe » klimaatregeling is geboren!
25
Derde groep : de « directe » klimaatregeling 9 voorbeeld 1 : de klimatisator
De verdamper levert koude
De condensor geeft de warmte af.
26
13
Derde groep : de « directe » klimaatregeling 9 Voorbeeld 2 : het DRV net
Goed gezien : een klimatisator kan omgekeerd werken en kan dus werken als een warmtepomp. Vandaar de mogelijkheid om ofwel koude ofwel warmte te produceren. Dit is de DRV klimatisatie (Variabel Koelvloeistof Debiet).
27
Actie van de Energie Verantwoordelijke ? • Voor een nieuw schets van gebouw – Zoeken naar al de manier om thermische last te verminderen (zon, kantoorautomatisering, verlichting,…) – Als men beslist te koelen ondanks alles, hou een strategie voor ogen om eerst de buitenlucht te gebruiken voor de koeling
• Voor een bestaande installatie – De grootste verbruikers identificeren : • Het verse luchtdebiet • De temperaturen en vochtigheidseisen • Het vernietigen van warmte en koude • De goede efficientievan de condensor van de koelmachine 28
14
1ste deel : klimatisatie van een nieuw gebouw
Welk budget ? • Investering Gemiddelde installatieprijs van 150 €/m² tegen 40 €/m² voor een gewone verwarmingsinstallatie …
• Exploitatie
(bron: Kantoor 2000)
Verwarming (4 c€ /kWh) – Gebouwen van vóór 1975 : – Gebouwen van na 1975 :
in kWh/ m² x jaar van 100 tot 180 van 40 tot 150
Elektriciteit (8…10 c€ /kWh)
– Niet-geklimatiseerde gebouwen: – Geklimatiseerde gebouwen:
van 30 tot 100 van 100 tot 160 30
15
Hebben we, door onze gebouwen te isoleren, het probleem niet van de winter naar de zomer verschoven ?...
31
Vergelijking tussen een typekantoorgebouw uit 1960 en een recent gebouw … Verbruik = Vermogen x Tijd Vermogen :
32
16
Tijd:
Æ De buiten T° is hoger dan 24°C gedurende 150 h/jaar, d.w.z. 2 % van de tijd … 33
Æ Grotere vraag naar afkoeling … maar vooral naar een buitenT° tussen 15 en 22°C ! 34
17
De elektriciteitsposten worden groter door de kosten van de elektrische kWh: Bâtiment 600 Coût de la consommation 500
éclairage Consommation en énergie primaire
400
k W h/ m 300 2, et fr/ m 200
100
équipement
ventilos-convecteurs des locaux ventilateurs de pulsion
Consommation du bâtiment
préparation de l'air : énergie latente préparation de l'air : énergie sensible refroidissement des locaux chauffage des locaux
0
35
Æ Noodzaak van een totaalstrategie !
Het zijn in de eerste plaats de architecturale opbouw (beglazing), de binneninrichting (burotica, verlichting, … ), … die de vraag creëren! 36
18
1° Ontwerp van de gebouwenschil ? Geen volledig glazen gevels, opgepast met horizontale koepels, met atria, …
? Aanvoer van de zon bij een heldere lucht in functie van de oriëntering. 37
?
Een dubbele gebouwenschil is een ontoereikende oplossing voor een thermisch probleem dat de architect zelf heeft geschapen: de glazen doos ! 38
19
Wat telt is het oordeelkundige evenwicht van licht en warmte, … en dus een stabiele binnenomgeving !
39
40
20
Gebruik van zonneschermen…
41
42
21
2° « light » interne bijdragen
Platte schermen
Controle van de verlichting 43
3° Het ontwerp van de klimaatregeling moet de afkoeling via buitenlucht omvatten:
Het grootste deel van de vraag naar energie voor afkoeling gebeurt voor een buitenT° < 24°C...
44
22
Indien het belangrijkste deel van de vraag van koude energie nodig is bij een buitentemperatuur < 24°C, … het gebouw moet zichzelf kunnen afkoelen • Strategie 1 : • door de variabele permeabiliteit van de schil = free-cooling (nacht of dag + nacht) Strategie 2 : • door de circulatie van koudwater door het gebouw, afgekoeld water op een « natuurlijke wijze » • Strategie 3 : • door de integratie van verse buitenlucht in het climaatsysteem, zodanig ontworpen om het complement aan gekoelde lucht enkel te leveren in de zeer warme periodes.
Directe koeling
Indirecte koeling.
45
De valorisatie van verse buitenlucht lijkt ook een antwoord te zijn op het "sick building syndrome"
Het sick building syndrome caracteriseerd zich door een onkonfortabel gevoel en bepaalde reacties zoals verstopte neus droge keel, hoofdpijn, vermoeidheid….. 46
23
Om de van de buitenlucht te genieten, kiezen we voor een « opendak » gebouw…
... En we houden de klim voor de hitte golven !!
47
Strategie 1 : De directe koeling door de lucht
48
24
1 Unilaterale ventilatie
49
Een « lucht doorlaatbare » gevel?
50
25
2 Transversale ventilatie
51
Een « lucht doorlaatbare » gevel?
transversale ventilatie
... en een bijkomende mechanische ventilatie bij windstilte 52
26
3 Ventilatie door thermische trek
53
4 Hybride ventilatie (extractie door een ventilator)
54
27
Een gevel die « doorlaatbaar » is voor lucht?
55
Een gevel die «doorlaatbaar» is voor lucht?
56
28
57
Voorbeeld: PROBE Rooster van mei tot september
Rooster 0.8*1.2 m² Bescherming tegen de zon 58
29
Voorbeeld: PROBE Rooster 0.4 * 1.2 m²
Bescherming tegen de zon
59
Voorbeeld : PROBE 20 15 10 5
cross ventilation
single-sided, turn position
single-sided, tumble position
18 Aug
17 Aug
16 Aug
15 Aug
14 Aug
13 Aug
12 Aug
11 Aug
10 Aug
9 Aug
8 Aug
7 Aug
6 Aug
5 Aug
28 July
27 July
26 July
25 July
0 24 July
-1
air change per hour (h )
25
infiltration 60
30
Voorbeeld : IVEG
61
Schouwen voor natuurlijke ventilatie
62
31
Voorbeeld : IVEG
63
64
32
Gedeeltelijk vals plafond
--> Luchtcirculatie boven en onder het valse plafond
65
Doeltreffende bescherming tegen de zon
Versterkte isolatie 66
33
Voorbeeld : IVEG 35
30
25
20
15
10 Sun, 18-06
M on, 19-06
Tue, 20-06 T_2A07
T_1A15
W ed, 21-06 T_0A03
Thu, 22-06
Fri, 23-06
OUTSIDE
67
• Bij gebrek aan doorlaatbare gevels, plaatsen van toestellen die de verse lucht integreren
Radiator+ ventilator 30... 200 m³/u
68
34
Oplossing 2 : Het koelwater moet aan het dak op natuurlijke wijze kunnen worden afgekoeld
Maar aangezien de afkoeling vooral ‘s nachts gebeurt, moet het gebouw voldoende inert zijn ...
69
Koelgroep tijdens hittegolf
70
35
Twee logische toepassingen met «natuurlijke» koeling
71
Voorbeeld : de koudeplafonds in de kantoren
72
36
Idealiter zullen de koudeplafonds moeten werken bij een hoge watertemperatuur (in aan 17°C en out aan 19°C). Ok, het afkoelingsvermogen zal minder zijn …
Maar in het tussenseizoen liggen de behoeften lager en is de T° van de buitenlucht lager, vooral ‘s nachts …
73
Free-chilling mogelijk, Overdag (tussenseizoen) en ‘s nachts: 1° Aanbrengen van een luchtkoeler parallel met de koelinstallatie
74
37
2° - By-pass van de koelmachine naar de koeltoren,
75
Wanneer moet men toch koelen ? 1° - Bepaal de koellast van de lokalen 2° - Als de warmtelasten (intern + extern) > 50 ...60 W/m², moet men koelen. 3° - Grootteorden : Koelplafonds = 80 W/m² Ventiloconvectoren = 100-120 W/m² Computerzalen : … 200 W/m²… 4° - Evaluatiehulpmiddel : Thermische balans van een lokaal in zomer : zie Energie+/climatisation/calculs
38
77
Welke zijn de beperkingen van de natuurlijke koeling?
Het BIM heeft een software gerealiseert op de « haalbaarheidsevaluatie voor een natuurlijke koeling in de gebouwen van de tertiaire sector ». www.ibgebim.be/soussites/alter_clim 78
39
Advies en studies in duurzame architectuur Activiteiten: • Begeleiding en uitwerking van een voor-project. • Thermische simulaties, natuurlijke verlichting, economische evaluaties • Audits in het vooruitzicht van renovaties van gebouwen • Begeleiding van het project : plans, lastenboeken, dossiers voor vergunningen en prijsaanvragen • Begeleiding bij de uitvoering • Begeleiding bij het inwerking stellen van het gebouw, opleiding van de gebouwbeheerders en informatie van de gebruikers • Opvolging van het gebouw gedurende de bezetting 79
2 de deel : Verbeteren van een bestaande installatie
40
Verbetering 1 : Verminder het aandeel verse lucht • Ratio : het pulsiedebiet verse lucht / aantal aanwezige personen ?
Æ te verminderen tot 30 m³/h/pers. Door wijzigen van de verhouding van de riemschijven Het verwarmen van 1.000m³/h/seizoen vraagt 1.000 liter olie (kantooruren : 10u/d 5d/7) 81
Verbetering 1 : Verminder het aandeel verse lucht
> Het debiet verse lucht regelen in functie van de effective bezettingsgraad. • Is rendabel indien we de behandeling van 2.000.000 m³ kunnen besparen (1.000 m³/h x 2.000 h). • hulpmiddelen : – Aanwezigheidsdetector – CO2 sonde – horloge (cafeteria, keuken) – ...
Beheer van een unizone systeem enkele flux 82
41
Verbetering 1 : Verminder het aandeel verse lucht
> Climatisatie door dynamische koude-balken ?
Opgelet : de vermogens van koudeplafonds en -balken zijn zwak ; ---> tendens om het verse lucht debiet te verhogen... hoog verbruik in de winter!
83
Verbetering 2 : Aanpassen van de eisen van T° en vochtigheid Bevochtiging door verneveling
Bevochtiging door stoom
84
42
Twee verschillende thermische processen :
85
• Traditionneel, regeling luchtwassers door «dauwpunt» :
Voorbeeld : evolutie voor een dauwpunteis van 14°C, een pulsie van 32°C en een omgevingstemperatuureis van 22°C 86
43
Verbetering 2 : De setpoints van T° en vochtigheid aanpassen 1° Verbetering van de regeling door dauwpunt ! Oplossingen : • In een eerste plaats is het belangrijk om het dauwpunt temperatuur te verlagen in de winter en te verhogen in de zomer. Dit kan manueel of automatisch door de regeling. • De werking van de luchtbevochtiger zal gestuurd worden door een vochtigheidsonde in de omgeving of in de centrale afvoerleiding. • Opleggen dat de luchtbevochtiger volledig stopt boven een bepaalde buitentemperatuur: bvb 8°C.
• ... >>> Meer details in Energie+ 87
Verbetering 2 : Aanpassen van de setpoints van T° en luchtbevochtiging 2 de ontvochtigingsenergie beperken
Oplossing : de koudebatterij wordt enkel geregeld in functie van de omgevingstemperatuur (en niet voor de ontvochtiging). Opm.: behalve in gevallen waar ontvochtiging nodig is (de lokalen met klimaatregeling via koudeplafonds of koudebalken en de zalen waar het strikt aanhouden van de omgevingsomstandigheden noodzakelijk is).
88
44
Opmerking: opgepast met het afstellen van de richtwaarde als meting bij hergebruik !
89
Verbetering 3 : als warmte – én koudeproductie, voorzien in een neutrale zone
Nee
Ja
90
45
Verbetering 4 : in het tussenseizoen de inblaastemperatuur van de hygiënische lucht beperken
Als aangeblazen lucht aan 20°C, Als buitenT° 15°C, energieverlies !
91
Verbetering 5 : verhogen van het prestatievermogen van de koudegroep
92
46
De werking van de koudegroep ?
93
We vertrekken van de klimaatregelaar
94
47
Binnen verdamper
Buiten condensor
95
In de omgeving :
Door de warmte van het lokaal op te nemen zal de koelvloeistof opwarmen en verdampen.
96
48
Buiten :
Door de warmte af te geven aan de buitenlucht zal de koelvloeistof afkoelen en condenseren. 97
Om de temperatuur te verhogen :
Een gas warmt zich op waneer het samengedrukt wordt, het gas zal door de compressor gaan.
98
49
Om de temperatuur te verlagen :
Een gas koelt af waneer het ontspannen wordt, het gas zal door een ontspanner gaan.
99
Alle elementen samen :
100
50
Hernemen we de klimaatregelaar :
101
Binnen verdamper
Buiten condensor
102
51
Op esthetisch vlak is het zelden een kunstwerk !
103
Prachtig uitzicht vanuit een wolkenkrabber in New-York : De daken staan vol met condensors en koeltorens om de warmte te verwijderen uit de gebouwen. 104
52
Toepassing : De koelkast in de keuken.
105
Toepassing : de klimaatregelkast in het informaticalokaal
106
53
Toepassing : De koudwater bereiding van het gebouw
107
Extract van een catalogus van een fabrikant :
108
54
Extract van een catalogus van een fabrikant :
109
Verbetering 5 : verhogen van de performantie van de koelmachine
Doel : kan men de verdampingstemperatuur verhogen en de condensatietemperatuur verlagen?
1°C meer voor verdamping, is 3 % minder verbruik. 1°C minder voor condenor, is 3 % minder verbruik. 110
55
• de verdampingstemperatuur verhogen
Toepassing : Afkoeling bij hoge temperatuur kiezen: • Koudeplafonds, koude balken • Ventiloconvectoren op maat bij 12-16°C i.p.v. 6-11°C
• verdampings T° aangepast in functie van het seizoen 111
• de condensatietemperatuur verlagen
1°C minder bij de condensator betekent 2 tot 3 % minder verbruik.
Toepassing: Voorkeur geven aan werking bij een lage temperatuur van de condensator : • Grote condensatoroppervlakken, • Gesloten koeltoren met waterverstuiving, • Elektrische reduceerklap die kan werken bij een klein drukverschil tussen HP en BP. 112
56
Qualiteitscontrole van de uitwisseling aan de condensor : Luchtcondensor
Watercondensor
T°condensatie – T° intredelucht :
T°condensatie – T° uittredewater :
max 15 tot 20 K
max 6 tot 10 K Climatisatie
113
Het hercirculeren van lucht rond de koeltoren vermijden.
114
57
Verbetering 7 : koelmachine – rendement verhogen ! Kiezen voor compressoren met een een hoog COP volgens de Euroventnorm.
Exigé
Conseillé
Refroidissement par air / Monobloc / Refroidissement seul
Groupe de production d'eau glacée
2,30
2,55
Refroidissement par air / Monobloc / Réversible
2,35
2,60
Condenseur à air à distance / Refroidissement seul
2,95
3,25
Refroidissement par eau / Monobloc / Refroidissement seul
3,50
4,00
Refroidissement par eau / Monobloc / Réversible ·
application eau glacée 12°C / 7°C
3,40
3,70
·
application eau glacée 23°C / 18°C (refroidissement de sols)
4,45
4,80
115
Vervolgens behouden van de COP .
Geen specialist ? Vraag het behoud van de "COP" aan de onderhoudsfirma ! Boven een koelvermogen van 150 kW, zou de COP moeten kunnen worden opgevolgd: • elektriciteitsmeter op de voeding van de machine • energiemeter tussen de ingang en de uitgang van het koelwaternet.
116
58
Samenvatting • Voor een nieuw gebouw – Zoeken naar de manier om thermische last te verminderen vooraleer koeling te gebruiken – Als men beslist te koelen ondanks alles, hou een strategie voor ogen om eerst de buitenlucht te gebruiken voor de koeling
• Voor een bestaande installatie – De grootste verbruikers identificeren : • • • •
Het verse luchtdebiet De temperaturen en vochtigheidseisen Het vernietigen van warmte en koude De goede efficientievan de condensor van de koelmachine 117
Meer details ? • afmetingen, verlies van belasting, isolatieniveau, ... :
Bestek Energie+
(80 blz. HVAC !)
• rechtvaardiging, rentabiliteit, uitwerking, ... :
CD-Rom Energie+ • energetische exploitatie van de installaties :
"Gids voor REG-exploitatie" op de CD-Rom Energie+ • Bestek Onderhoud en Energielabel onderhoud
... beschikbaar bij het BIM : mail aan Michel Dethier
[email protected]
118
59
Dank voor uw motivatie ... en aarzel niet om suggesties te doen! J. Claessens
[email protected] 119
60
