Optimalisatie van zonne-energiegebruik voor woningen door middel van opslagsystemen. Literatuurstudie

Optimalisatie van zonne-energiegebruik voor woningen door middel van opslagsystemen Een onderzoek naar de invloed van diverse factoren op de optimale configuratie van een korte termijn opslagsysteem voor woningen

Literatuurstudie

B.J.C.M. Hendriks (1142941) Delft, februari 2009

Optimalisatie van zonne-energieopslag voor woningen Een Literatuurstudie door B.J.C.M. Hendriks

Inhoudsopgave 1.

Pagina

INTRODUCTIE .................................................................................................... 4

2. LITERATUUR KLIMAATDATA EN KLIMAATGEGEVENS ............................................. 5 2.1 KLIMAATZONE .........................................................................................................5 2.1.1 CLASSIFICATIE ................................................................................................. 5 2.1.2 TOEGEPASTE KLIMAATZONE IN HET ONDERZOEK ................................................... 7 2.2 ZONNESTRALING ..................................................................................................... 9 2.2.1 ALGEMEEN ....................................................................................................... 9 2.2.2 ZONNESTRALING OP GEKANTELDE OF GEDRAAIDE VLAKKEN ................................. 12 2.2.3 DATA ZONNESTRALING.................................................................................... 15 2.3 TEMPERATUUR ...................................................................................................... 20 2.3.1 ALGEMEEN ..................................................................................................... 20 2.3.2 DATA TEMPERATUUR ....................................................................................... 21 3. LITERATUUR WONINGEN, WARMTEVRAAG EN WARMTEPRODUCTIE .................... 23 3.1 WONINGTYPEN: DE REFERENTIEWONINGEN............................................................... 23 3.1.1 REFERENTIEWONINGEN SENTERNOVEM ............................................................. 23 3.2 ENERGIE VOOR VERWARMING RUIMTE EN WARM TAPWATER........................................ 27 3.2.1 ALGEMEEN ..................................................................................................... 27 3.2.2 VERWARMING RUIMTE ..................................................................................... 28 3.2.3 WARMTAPWATER ............................................................................................ 29 3.3 INTERNE WARMTEPRODUCTIE .................................................................................. 35 4. LITERATUUR ENERGIE OPSLAGSYSTEMEN .......................................................... 37 4.1 OPSLAGDUUR EN OPSLAGMEDIUM ............................................................................ 37 4.1.1 OPSLAGDUUR: KORTE TERMIJN OPSLAG VS. LANGE TERMIJN OPSLAG ................... 37 4.1.2 OPSLAGMETHODE: VOELBAAR, LATENT OF CHEMISCH.......................................... 40 4.2 OPSLAGMETHODES ................................................................................................ 42 4.2.1 ZONNEBOILER ................................................................................................ 42 5. LITERATUUR SYSTEEMMODELLERING ................................................................. 52 5.1 MODELLERING OPSLAGSYSTEEM .............................................................................. 52 5.1.1 DE COLLECTOR .............................................................................................. 53 5.1.2 LEIDINGEN .................................................................................................... 55 5.1.3 OPSLAGVAT ................................................................................................... 59 5.1.4 PARAMETERS VOOR HET HELE SYSTEEM ............................................................. 62 6. GERELATEERDE WETENSCHAPPELIJKE ONDERZOEKEN ........................................ 64 6.1 ARTIKELEN EN PUBLICATIES .................................................................................... 64 6.1.1 WARMTE- EN KOUDEOPSLAG IN GRAVELBODEM MET BUITENLUCHT ......................... 64 6.1.2 SINGLE- AND MULTI-TANK STORAGE FOR SOLAR HEATING SYSTEMS: FUNDAMENTALS ......................................................................................................... 64 6.2 CONCLUSIE .......................................................................................................... 66 7. LITERATUUR KOSTEN EN OPBRENGSTEN............................................................ 67 7.1 ALGEMEEN ............................................................................................................ 67 7.2 KOSTEN COLLECTOR EN BUFFER .............................................................................. 67 2 6 november 2009


7.3 SUBSIDIE ............................................................................................................. 68 BIBLIOGRAFIE ............................................................................................................ 69 LIJST AFBEELDINGEN EN FIGUREN............................................................................... 71 BIJLAGEN ................................................................................................................... 72 KLIMAATCLASSIFICATIE VAN KÖPPEN-GEIGER ..................................................................... 73 TECHNISCHE INFORMATIE REFERENTIEWONINGEN ............................................................... 74

3 6 november 2009


1.

Introductie Literatuuronderzoek is het doen van een studie op basis van de inhoud van wetenschappelijke literatuur en andere documenten, zodanig dat een specifieke vraagstelling hiermee beantwoord zou kunnen worden. Hierbij is een onderscheid gemaakt in drie fases, zoals dat wel vaker gebeurd bij literatuuronderzoek. In de eerste fase wordt bepaald welke informatiebronnen in aanmerking komen om systematisch te doorzoeken. Hierbij worden vooral databases doorzocht van bibliotheken en databases met daarin wetenschappelijke artikelen. De tweede fase is het bepalen en uitvoeren van een zoekprofiel met zoekcriteria geformuleerd op een passende wijze die adequaat werkzaam is in de gekozen informatiebron. Dit kan een iteratie zijn aangezien de gevonden resultaten of het gebrek daaraan een aanleiding kunnen zijn om het zoekprofiel aan te passen. Dit vervolgens te herhalen over alle in aanmerking komende en gekozen informatiebronnen. Hierbij selecteer ik vervolgens literatuur waarin voor het behalen van de doelstelling relevante documenten of documentreferenties zouden kunnen staan. Deze informatie kan verschillende vormen hebben. Elektronische gegevens zijn erg gemakkelijk te gebruiken, omdat deze documenten het handigst zijn voor directe verwerking in verslagleggingen en deelrapporten. Toch zullen een heel aantal documenten in de vorm van boeken, artikelen of andere niet digitale documenten zijn, omdat deze stof beter te lezen is of omdat het gewoonweg niet beschikbaar is als elektronisch document. De derde fase is het verkrijgen en doorlezen van de gevonden literatuur en het bepalen van wat er interessant is voor het afstudeerwerk. De gefilterde informatie wordt in het literatuurverslag opgenomen, dat later weer gebruikt wordt voor de eindrapportage. De resultaten van de literatuurstudie worden als uitgangspunt gebruikt voor het uitvoeren van verder technischwetenschappelijk onderzoek. Als laatste moet hier nog gezegd worden dat internet in het algemeen uiteraard ook gezien kan worden als informatiebron. Er zijn echter wat kanttekeningen te maken over de betrouwbaarheid van de hier te vinden informatie, over de commerciële invloed op deze informatie en over de systematische manier van zoeken, waarbij de sortering van de gepresenteerde zoekresultaten niet alleen wordt bepaald door de mate van relevantie. Daarom is er hier geprobeerd het internet zoveel mogelijk te vermijden als direct informatiebron.

4 6 november 2009


2.

Literatuur Klimaatdata en Klimaatgegevens In dit hoofdstuk is de belangrijkste informatie uit literatuur samengevat die betrekking heeft op het klimaat in Nederland, waarbij speciale aandacht uitgaat naar zonnestraling en temperatuur. In de eerste paragraaf is een inleidend stuk te lezen over de klimaatzone waarin het onderzoek zal worden gedaan (zie ook ‘Afbakening van het Probleem’). In de paragrafen die hierop volgen worden de temperatuur en de zonnestraling in deze zone uitgebreid beschouwd. De bedoeling is dat met behulp van de literatuur die hier aan bod komt later in het onderzoek een goed beeld gevormd kan worden van het energieaanbod dat gebruikt kan worden door opslagsystemen. Tevens levert deze informatie input voor het later op te stellen model over energievraag van een bepaalde woning.

2.1

Klimaatzone

2.1.1

Classificatie Om een goede beschrijving te geven van het klimaat waarin dit onderzoek zich afspeelt gebruiken we hier de klimaatclassificatie van Köppen of ook wel de klimaatclassificatie van Köppen-Geiger genoemd (Peel, Finlayson et al. 2007). Het is een oorspronkelijk in 1918 door de Russisch/Duitse bioloog Wladimir Köppen ontworpen klimaatclassificatie, die later is verfijnd door de Duitse klimatoloog Rudolf Geiger. Het classificatiesysteem gaat uit van de plantengroei: de klimaatgrenzen werden op basis van minimale en maximale gemiddelde maandtemperatuur bepaald door het verspreidingsgebied van bepaalde planten. Köppen deelde het klimaat op drie niveaus in verschillende groepen in. Op niveau 1 wordt vooral een grove indeling gemaakt op basis van temperatuur en neerslag. Op niveau 2 wordt er verder opgesplitst aan de hand van de neerslagverdeling gedurende een jaar. Niveau 3 is gebaseerd op de temperatuurverschillen, vaak gaat het hier om een warm, gematigd of koel klimaat. Iedere groep op ieder niveau kreeg een letter. De vijf hoofdgroepen krijgen ieder een aparte hoofdletter (A t/m E). De twee kleinere niveaus krijgen ieder een kleine letter er achter geplakt. Zo kan er bijvoorbeeld een warm maritiem klimaat zijn, met neerslag in alle seizoenen (Cfa). De B- en Eklimaten krijgen ieder nog een hoofdletter als 2e letter. In sommige gevallen wordt ook een vierde letter toegekend. De indeling van verschillende zones is te zien in figuur 1. Voor een duidelijker overzicht wordt verwezen naar de bijlage ‘klimaatclassificatie van Köppen-Geiger’.

5 6 november 2009


Figuur 1: Wereldkaart der Klimaatclassificaties

Niveau 1: • A-klimaten of tropische klimaten: Gemiddelde temperatuur van de koudste maand is hoger dan 18°C. • B-klimaten of droge klimaten (aride klimaten): Te weinig neerslag voor boomgroei en permanente rivieren kunnen hier niet hun oorsprong hebben. • C-klimaten of gematigde klimaten (maritieme klimaten): Gemiddelde temperatuur van de koudste maand is tussen -3°C en 18°C • D-klimaten of landklimaten (continentale klimaten): Gemiddelde temperatuur van de koudste maand is lager dan -3°C, gemiddelde temperatuur van de warmste maand is hoger dan 10°C • E-klimaten of poolklimaten (polaire klimaten): Gemiddelde temperatuur van de koudste maand is lager dan -3°C, gemiddelde temperatuur van de warmste maand is lager dan 10°C. Niveau 2: De A-, C- en D-klimaten krijgen een extra (kleine) letter die een eventuele droge periode aangeeft: • s: droge zomer • w: droge winter • f: geen droge periode • m: moessonklimaat (alleen bij A-klimaten) Hierbij is het in een gebied zomer wanneer de zonstand hoog is en winter wanneer de zonstand laag is.

6 6 november 2009


De B-klimaten krijgen een extra hoofdletter: • S: Steppe (semi-aride); jaarlijks valt er ongeveer tussen de 200 en 400 mm neerslag. De werkelijke grens tussen het steppeklimaat, het woestijnklimaat en de andere klimaten wordt bepaald aan de hand van de droogte-index. • W: Woestijn (aride); jaarlijks valt er ongeveer minder dan 200 mm neerslag. De werkelijke grens tussen het steppeklimaat en het woestijnklimaat wordt bepaald aan de hand van de droogte-index. De E-klimaten krijgen ook een extra hoofdletter: • T: Toendra; in de warmste maand ligt de temperatuur tussen de 0 en 10 graden • F: IJskap; het hele jaar door ligt de gemiddelde maandtemperatuur onder het vriespunt • H: Hooggebergte; deze letter wordt toegekend wanneer een gebied op lagere breedtes dan 70 graden liggen, bijvoorbeeld de Alpen. Deze wordt in sommige bronnen echter ook wel eens los gezien van de E-klimaten[2] en als het H-klimaat geclassificeerd. Niveau 3: Voor C en D-klimaten • a: warm; de gemiddelde temperatuur in de warmste maand is hoger dan 22 graden • b: gematigd; de warmste maand is koeler dan 22 graden • c: koel; minder dan vier maanden per jaar is de gemiddelde maandtemperatuur hoger dan 10 graden • d: koud; de koudste wintermaand heeft een gemiddelde temperatuur lager dan -38 graden Voor B-klimaten • h: warm; gemiddelde jaartemperatuur hoger dan 18 graden. • k: koud; gemiddelde jaartemperatuur lager dan 18 graden. Nu de classificatie van de verschillende klimaatzones bekend is, kan het gekozen klimaat voor het onderzoek beter beschreven worden. In de volgende paragraaf wordt een uitgebreidere beschrijving gegeven van het beschouwde Nederlandse klimaat (Cfb klimaat). 2.1.2

Toegepaste Klimaatzone in het Onderzoek Het onderzoek wordt gedaan om een bescheiden bijdrage te leveren aan het vergroten van kennis over gebruik van thermische zonne-energie voor de Nederlandse bouwwereld. Daarom is het ook logisch om hier te kiezen voor de klimaatzone waarin Nederland zich bevindt (Cfb klimaat). De keuze voor deze zone is terug te vinden in ‘Afbakening van het Probleem’. Volgens de klimaatindeling van Köppen ligt Nederland in een gebied met een Cfb klimaat: • C=gematigd maritiem • f=geen uitgesproken droge periode (neerslag in alle maanden) • b=gemiddelde temperatuur van de warmste maand < 22°C, tenminste 4 maanden met een gemiddelde temperatuur boven 10°C. Ondanks het feit dat het klimaat van heel Nederland als een Cfb-klimaat wordt beschouwd, doen zich binnen de Nederlandse grenzen wel verschillen voor in de klimaatkenmerken. Voor dit

7 6 november 2009


onderzoek wordt echter het Cfb-klimaat in het algemeen als voldoende beschouwd en wordt er bij het opstellen van de randvoorwaarden geen rekening gehouden met het eventueel afwijken van bepaalde regio’s binnen Nederland van het Cfb-klimaat of gevonden gemiddelde data. Het weer wordt in Nederland sterk beïnvloed door verschillende luchtsoorten. Een luchtsoort is een hoeveelheid lucht van enkele honderden kilometers doorsnede en minstens 1 km dikte, waarin de temperatuur, de vochtigheid en de verontreinigingen in elk horizontaal vlak ongeveer dezelfde waarden hebben (Berendsen 2005). Als brongebied voor verschillende luchtsoorten kunnen bijvoorbeeld fungeren: oceanen, woestijnen, regenwouden en landijskappen. Hoe langer de lucht in hetzelfde gebied blijft, hoe beter ze de karakteristieke eigenschappen van dat gebied aanneemt. Luchtsoorten worden benoemd naar het brongebied waar ze vandaan komen. Zodra de drukverdeling wijzigt en de luchtsoort zich over het aardoppervlak gaat verplaatsen, zal ze als gevolg van de straling, geleiding of convectie geleidelijk van eigenschappen veranderen. De aanvoer van verschillende luchtsoorten brengt vaak een bepaald weertype met zich mee. Met dit gegeven wordt hieronder geprobeerd een overzicht te geven van de belangrijkste kenmerken van het huidige klimaat van Nederland. 2.1.2.1

Temperatuur In deze paragraaf worden de algemene eigenschappen van het klimaat op gebied van temperatuur in Nederland behandeld. In paragraaf 2.3 wordt ook naar de temperatuur gekeken, echter dit gaat over gevonden temperatuurdata uit metingen en data-analyse. De gemiddelde temperatuur in De Bilt wisselt van 2,8°C in januari tot 17,4°C in juli (periode 19712000). Voor de periode 1931-1960 bedroegen deze cijfers respectievelijk 1,7°C en 17,0°C (Berendsen 2005). De gemiddelde jaartemperatuur neemt in noordoostelijke richting af als gevolg van de in oostwaartse richting afnemende maritieme invloed. Deze afnemende maritieme invloed resulteert in een toename van de temperatuursverschillen in oostwaartse richting. Dat geldt zowel voor de dagelijkse als voor de seizoensgebonden schommelingen. Het verschil tussen de gemiddelde dagelijkse maximumtemperatuur in janurai bedraagt in Den Helder 17,9°C en in Winterswijk 23,0°C (periode 1931-1960). Zoals ook al eerder gezegd mogen deze kleine variaties in klimaatsomstandigheden binnen het Cfb-klimaat niets uitmaken voor de prestaties van het te onderzoeken systeem. Daarom laten we deze variaties buiten beschouwing, als we kijken naar de gevonden data voor temperatuur (en ook zonnestraling). Van grote betekenis voor de plantengroei is de lengte van het groeiseizoen. Dit is de periode waarbinnen de gemiddelde temperatuur boven de 5°C ligt. In De Bilt is dat gemiddeld 270 dagen per jaar. In het voorjaar is het in het zuiden van Nederland weer iets eerder warm. In juni warmt het land snel op, maar de zee is nog relatief koud. In het najaar treedt het omgekeerde effect op: de zee is dan warmer dan het land, en de isothermen lopen dan parallel aan de kust.

2.1.2.2

Wind De wind waait in Nederland voornamelijk vanuit het zuidwesten. Ook de krachtigste winden komen uit het zuidwesten. De gemiddelde windsnelheid neemt in oostelijke richting af, als gevolg van wrijving met het aardoppervlak. In het onderzoek zal weinig naar windrichting en snelheid gekeken worden. Mochten er gegevens nodig zijn over snelheden voor bijvoorbeeld convectieverliezen van een paneel voor warmtewinning, dan wordt er een redelijke aanname gedaan of zal de gewenste data te zijner tijd gezocht worden. 8 6 november 2009


2.1.2.3

Stadsklimaat Als laatste belangrijk principe bespreken we hier het stadklimaat (Berendsen 2005). Grote steden zijn vaak enkele graden warmer dan hun omgeving. Dit is vooral ’s winters, bij een temperatuur net onder het vriespunt, goed waarneembaar. Vaak ziet men dan op de velden buiten de stad sneeuw liggen, terwijl in de stad de sneeuw al gesmolten is. Dit komt doordat de bebouwde omgeving sneller warmte opneemt. ’s Nachts wordt deze energie wel weer uitgestraald als warmtestraling, maar een deel ervan wordt gereflecteerd door gebouwen en komt daarbij opnieuw ten goede aan het aardoppervlak. Bovendien wordt er in de stad zelf ook veel warmte geproduceerd, bijvoorbeeld door centrale verwarming van huizen, warm tapwater apparatuur, airconditioners, door het verkeer en door industrie. We gaan er bij dit onderzoek vanuit dat de gevonden data is gemeten in een stadklimaat.

2.1.2.4

Vergelijkbare Klimaatzones Omdat het interessant is voor een bepaald systeem om te weten of het ook toegepast zou kunnen worden buiten het Cfb-klimaat, wordt hier bekeken welke klimaten het dichtst in de buurt komen van het Cfb-klimaat. Hierdoor zou later met enige aanpassingen een ander (enigszins vergelijkbaar) klimaat toegepast kunnen worden op een systeem, om te bepalen of dit systeem ook onder andere omstandigheden redelijk kan functioneren. De eerste randvoorwaarde is dat vergelijkbare klimaten altijd gematigde klimaten (maritieme klimaten) zijn. Ze moeten dus een gemiddelde temperatuur van de koudste maand hebben tussen de -3°C en 18°C. Daarnaast lijkt het niet logisch om klimaten te nemen met een extreem droge periode in de zomer of de winter, aangezien gebieden zijn met veel hogere waarden voor zonnestraling in een bepaald seizoen. De klimaten die dan overblijven zijn de Cfa en Cfc klimaten. Beiden klimaten met een maritieme aard en geen droge periode. Het enige verschil met het Cfb klimaat is de gemiddelde temperatuur. Cfa zal over het algemeen warmer zijn en Cfc zal koeler zijn dan het Cfb klimaat.

2.2

Zonnestraling

2.2.1

Algemeen De zon is veruit de belangrijkste bron voor duurzame energie winning. In feite is windenergie en opwekking van energie met behulp van water getransformeerde zonne-energie. Deze energievormen worden dan ook wel eens indirecte zonne-energie genoemd. Dit hoofdstuk is gewijd aan zonnestraling, omdat kennis van deze radiatie uitermate belangrijk is voor dit onderzoek over optimalisatie van zonne-energieopslag. Figuur 2 geeft de belangrijkste eenheden weer die eventueel in dit hoofdstuk aan de orde kunnen komen. Voor zonne-energie zijn vooral de symbolen en eenheden voor radiatie in het rechter rijtje belangrijk. De eenheden en symbolen voor daglicht verwijzen enkel naar het visuele of zichtbare gedeelte van het licht, daar waar zonne-energie ook het onzichtbare ultraviolet en infrarood licht betreft.

9 6 november 2009


Figuur 2: Belangrijke Eenheden voor Radiatie en Daglicht

De radiatie van de zon op een afstand van de zon tot de loopbaan van de aarde wordt beschreven met (Quaschning 2005):

Figuur 3: Zonnestraling bij de omloop van de aarde om de zon

De afstand van de zon tot de aarde is echter niet constant en varieert tussen 1,47·108 en 1,52·108 km. Dit veroorzaakt een variatie in de radiatie, Ee, die ligt tussen de 1325 W/m2 en 1420 W/m2. Het gemiddelde van deze twee waarden is de zonneconstante E0: 1367

(2.1)

2 /

Deze waarden kan dan worden aangenomen net buiten de atmosfeer van de aarde op een oppervlak loodrecht op de zonnestraling. Waarden gemeten op het aardoppervlak zijn gewoonlijk lager dan de zonneconstante. Verschillende invloeden van de atmosfeer reduceren de straling. Deze invloeden zijn (Quaschning 2005): • reductie door reflectie van straling door de atmosfeer; • reductie door absorptie in de atmosfeer (voornamelijk O3, H2O, O2 and CO2); • reductie door Rayleigh verstrooiing; • reductie door Mie verstrooiing.

10 6 november 2009


Moleculaire luchtdeeltjes met een diameter kleiner dan de golflengte van het licht veroorzaken Rayleigh verstrooiing. De invloed van ‘Rayleigh verstrooiing’ vergroot met afnemende golflengte van het licht. Stofdeeltjes en andere luchtvervuiling veroorzaakt ‘Mie verstrooiing’. De diameter van deze deeltjes is groter dan de golflengte van het licht. ‘Mie verstrooiing’ is voor een belangrijk deel afhankelijk van de locatie. In hooggebergtes is het aandeel relatief laag, terwijl het aandeel ‘Mie verstrooiing in industriële gebieden vrij hoog is. De elevatie van de zon (die afhankelijk is van de tijd van het jaar) heeft ook een grote invloed op de Figuur 4: Reductie van zonnestraling straling die uiteindelijk terecht komt op het aardoppervlak. De bewolking en het weer zijn daarnaast ook belangrijk. De dagelijkse radiatie in Europa kan waarden bereiken in de zomer van 7,5 kWh/(m2 dag), terwijl een enkele dag in de winter een waarde kan bereiken die lager ligt dan 0.1 kWh/(m2 dag). Figuur 5 laat het verschil in zonnestraling zien tussen een dag in de zomer (zonder wolken) en een (bewolkte) dag in de winter voor Nederland.

Zonnestraling Horizontaal vlak in Nederland 900 800 Zonnestraling [W/m2

700 600 500 Zonnestraling 28 juni

400

Zonnestraling 28 December

300 200 100 0 0

5

10

15

20

Tijd [uur] Figuur 5: Zonnestraling in Nederland in de zomer en winter

Zoals in de bovenstaande figuur te zien is, wordt het stralingsvermogen in Nederland een stuk verminderd tot 1000 W/m2. Dit stralingsvermogen hebben we alleen in de zomer op een optimistisch zonnige dag. In Nederland is de lucht vaak bewolkt, zodat er een gemiddeld stralingsvermogen is dat nog lager ligt.

11 6 november 2009


2.2.2

Zonnestraling op Gekantelde of Gedraaide Vlakken De hoeveelheid invallende straling op een bepaald vlak is een belangrijk gegeven, wanneer men gebruik wil maken van zonnestraling voor energieopslag systemen. Data van zonnestraling is over het algemeen beschikbaar voor het horizontale vlak. Daarbij zijn er verschillende metingen voor diffuse zonnestraling en directe zonnestraling. Een combinatie van beide levert de globale zonnestraling op het vlak op. Een verandering of verdraaiing t.o.v. de horizontale stand heeft invloed op de opvallende straling voor het verdraaide vlak. De theorieën voor verrekening van opvallende zonnestraling op een willekeurig gedraaid of gekanteld vlak is hier uitgebreid behandeld (Quaschning 2005). De zonnehoek van inval θhor op een horizontaal vlak is een directe functie van de zonnehoogte θz. Deze hoek wordt ook wel de zenithoek genoemd: (2.2)

90°

De berekening van de hoek van inval bij een gekanteld vlak θtilt is complexer. De azimuthoek van het vlak αt beschrijft de afwijking van het zuiden. Als het vlak naar het westen gericht is, is αt positief. De inclinatie of glooiingshoek γt beschrijft de kanteling of helling van het oppervlak. Als het vlak horizontaal ligt, dan is γt gelijk aan nul. In figuur 6 zijn deze hoeken goed te zien.

Figuur 6: Definitie van de zonnehoek van inval op een gekanteld vlak

De hoek van inval θtilt is de hoek tussen de vector s in de richting van de zon en de normaal vector n loodrecht op het vlak. De positie van de zon is gedefinieerd in bolcoördinaten en zal dus getransformeerd moeten worden naar een Cartesisch coördinatenstelsel met basisvectoren noord, west en zenit voor verdere berekeningen. De vectoren s en n worden hiermee: ·

, ·

,

·

,

(2.3)

·

,

(2.4)

12 6 november 2009


Beide vectoren zijn hiermee genormaliseerd en dit betekent voor de invalshoek van de zon op een gekanteld vlak θtilt dat deze berekend kan worden door een vectorvermenigvuldiging van deze twee vectoren: θ

arccos

·

arccos

·

·

arccos

·

·

·

·

·

·

· (2.5)

·

De globale zonnestraling Eg,tilt op een gekanteld vlak bestaat uit de directe zonnestraling Edir,tilt, de diffuse zonnestraling Ediff,tilt en de grondreflectie Erefl,tilt (een factor die niet bestaat voor horizontale oppervlakken): ,

2.2.2.1

,

,

(2.6)

,

Directe Zonnestraling op Gekantelde Vlakken Het horizontale vlak in figuur 7 met een oppervlak Ahor ontvangt dezelfde stralingsenergie als een kleiner oppervlak As welke loodrecht op de invallende straling staat. Met: ,

,

·

,

(2.7)

·

en ·

(2.8)

·

Figuur 7: Zonnestraling op een horizontaal oppervlak Ahor en een oppervlak As loodrecht op de straling

Hieruit volgt dat: ,

,

(2.9)

,

Hiermee wordt duidelijk dat de directe zonnestraling Edir,s op een vlak loodrecht op de straling hoger is dan de directe zonnestraling op een horizontaal vlak Edir,hor. Dit feit wordt meegenomen bij het ontwerpen van een zonne-energie systeem. Het kantelen van een vlak voor warmtewinning 13 6 november 2009


van een energiesysteem vergroot de energieopwekking van dit systeem. Dit is vooral belangrijk bij locaties met een hoge breedtegraad en dus lage zonnestanden. Met formule (2.5) voor θtilt wordt de directe zonnestraling op een gekanteld oppervlak: ,

,

(2.10)

De directe zonnestraling op een gekanteld vlak kan als volgt worden berekend met behulp van data van straling op een horizontaal vlak: ,

(2.11)

·

,

Echter, voor lage zonnestanden kunnen kleine variaties in de zonnestraling op het horizontale vlak leiden tot hele hoge stralingswaarden op het gekantelde vlak. Daarom moet altijd gecontroleerd worden of de berekende zonnestraling op een gekanteld vlak onder een vastgesteld maximum ligt. 2.2.2.2

Diffuse Zonnestraling op Gekantelde Vlakken Er zijn twee verschillende benaderingen voor het schatten van het aandeel diffuse hemelstraling Ediff,tilt op een gekanteld vlak. Het gaat hier om een isotrope en een anisotrope benadering. De isotrope benadering gaat er van uit dat de diffuse straling constant is verdeeld over de gehele hemelkoepel. Een belangrijke conclusie die hieruit voort vloeit is dat bij deze benadering de isotrope diffuse straling op een gekanteld vlak altijd lager is dan de diffuse straling op een horizontaal vlak, omdat een ontvanger geen diffuse straling ziet achter het gekantelde vlak. De diffuse straling Ediff,tilt op een gekanteld vlak met een vlakkanteling γt kan direct worden bepaald uit de diffuse straling Ediff,hor op een horizontaal vlak: ,

· · 1

,

(2.12)

γ

De isotrope methode zoals die hier is beschreven is toepasbaar voor het maken van een redelijke schatting. Er zal hier niet verder op de anisotrope methode worden ingegaan en de isotrope methode zal dan ook gebruikt worden, als het nodig blijkt om de diffuse straling op een gekanteld vlak te berekenen. 2.2.2.3

Grondreflectie Voor het berekenen van de grondreflectie Erefl,tilt is een isotrope benadering voldoende, omdat anisotrope methodes slechts insignificant beter waren. Met de globale zonnestraling EG,hor op een horizontaal vlak, de albedo A en de via de grond gereflecteerde straling Erefl,tilt op een vlak met kantelingshoek γt levert: ,

,

·

· · 1

(2.13)

γ

De waarde van de albedo A beïnvloedt de accuraatheid van de berekeningen merkbaar. Tabel 1 laat een aantal waarden zien voor de albedo bij verschillende oppervlakken. Bij onbekende waarden neemt men meestal A=0.2.

14 6 november 2009


Tabel 1: Albedo voor verschillende oppervlakken

2.2.3

Oppervlak

Albedo A

Gras (zomer) Droog gras Onbewerkt veld Gravel Beton, verweerd Beton, schoon Cement, schoon Rode steen Asfalt Hout Water (γs>45°) Water (γs>30°) Water (γs>20°) Water (γs>10°) Verse Sneeuwlaag

0.25 0.28-0.32 0.26 0.18 0.20 0.30 0.55 0.44 0.15 0.05-0.18 0.05 0.08 0.12 0.22 0.80-0.90

Data Zonnestraling De data voor zonnestraling heeft een belangrijk aandeel in dit onderzoek. Niet alleen zorgt het voor de toevoer van energie voor opslag met behulp van een gekozen systeem. Ook draagt de radiatie van de zon bijvoorbeeld bij aan de interne warmteproductie door inval van zonnestraling door de ramen. Daarnaast is het belangrijk al enige kennis over stralingsdata van de zon voor handen te hebben. Dit aangezien later in het onderzoek een uitgebreide analyse gedaan zal worden om de relatie tussen energieaanbod (zonnestraling) en energievraag (van een referentiewoning) duidelijker te krijgen. De data die hier gebruikt is, is tweedelig. De ene klimaatdata is afkomstig uit NEN 5060:2009nl (Instituut 2009), de andere data is afkomstig van de TRNSYS site. De in de norm beschreven klimaatgegevens hebben betrekking op de klimatologische omstandigheden over de periode 19862005. De NEN 5060 heeft op basis van de normreeks NEN-EN-ISO 15927 klimatologische gegevens geselecteerd voor energiegerelateerde toepassingen in Nederland. De selectiemethoden die in de norm staan beschreven leiden tot drie sets klimaatgegevens, elk toegesneden op specifieke toepassingen. Een klimaatreferentiejaar bestaat hierdoor uit 12 maanden die uit verschillende jaren afkomstig kunnen zijn. De klimaatdata afkomstig van de TRNSYS is continue data van een verschillend aantal jaren de jaren 1964 t/m 1980 en 1987 t/m 2000. Tabel 2: Selectie Maanden Klimaatjaar Energieberekening

In dit literatuuronderzoek is er in geval van de NEN data voorlopig voor gekozen om de referentie-klimaatgegevens te kiezen die horen bij het bepalen van de energiebehoefte. (De andere twee sets klimaatgegevens zijn opgesteld voor TO- en warmtebehoefte simulatieberekeningen en ontwerpberekeningen van het koelvermogen.) De keuze voor deze klimaatgegevens is gemaakt om de eenvoudige reden dat de overige twee sets data te hoge waarden bevatten voor de globale zonnestraling. In vergelijking met een willekeurig compleet jaar zal zelfs de gekozen set klimaatdata (NEN 5060-bijlage A2) vrij hoog uitvallen. In eerste instantie kan eventueel toch met deze dataset gemodelleerd 15 6 november 2009

Maand

Jaar

Januari Februari Maart April Mei Juni Juli Augustus September Oktober November December

2003 2004 1992 2002 1986 2000 2002 2000 1992 2004 2001 2003


worden. Echter omdat nog niet bekend is wat de meest geschikte data is om in dit onderzoek te gebruiken, is er voor gekozen nog enkele datasets van complete jaren achter de hand te houden. Als er later in het onderzoek meer duidelijkheid is over de eisen die gesteld worden aan de data (bv. het moet een compleet jaar zijn of mag geen gemiddelde hoge waarden voor zonnestraling hebben) wordt een keuze gemaakt voor een bepaalde datareeks. Verder is voor het uitleggen van enkele principes in deze paragraaf zowel de data van NEN 5060 als de data van TRNSYS gebruikt (TRNSYS 2008). Zo kan bijvoorbeeld met de TRNSYS data een redelijke vergelijking gemaakt worden tussen verschillende jaren om een beter begrip te krijgen van het verloop van zonnestraling over het jaar. Echter met de data uit de NEN is meer te zeggen over extreme waarden, hoge gemiddelden, piekwaarden, standaardafwijkingen en andere varianties. De diverse data voor zonnestraling is ontstaan door het uitvoeren van een aantal verschillende metingen. Per uur zijn er gedurende verschillende jaren de volgende belangrijke stralingsgrootheden gemeten: • globale horizontale zonnestraling (W/m2) (zie paragraaf 2.2.2); • diffuse horizontale zonnestraling (W/m2) (zie paragraaf 2.2.2); • directe horizontale zonnestraling (W/m2) (zie paragraaf 2.2.2); • directe normale straling (W/m2); Verder zijn er nog een aantal belangrijke grootheden die niet direct onder stralingsgrootheden vallen, maar wel directe invloed hebben op stralingsgrootheden of verbanden leggen tussen de gevonden grootheden. Deze factoren zijn: • azimut (de horizontale component in het horizon-coördinatenstelsel); • zonnehoogte (de verticale component in het horizon-coördinatenstelsel); • bewolkingsgraad (geeft aan welk percentage van de hemel met wolken bedekt is). Welke relaties de voorgaande grootheden hebben kan voor het grootste deel teruggevonden worden in paragraaf 2.2.1 en 2.2.2. Om een beeld te schetsen van zonnestraling gedurende een jaar is in figuur 8 de globale zonnestralingsenergie uitgezet voor het jaar 1964 op een horizontaal vlak. Duidelijk zijn de hogere waarden te zien in de zomerperiode en de lagere waarden in de winterperiode. De maximale waarde voor de straling in dit jaar was 865 W/m2 en werd bereikt eind mei. Wanneer er aangenomen wordt dat een gemeten waarde in een bepaald uur voor dit gehele uur geldt, kan de totale opvallende energie over het gehele jaar bepaald worden. Voor het horizontaal vlak uit figuur 8 van 1 m2 levert dit een energieopbrengst van 985 kWh (3546 MJ).

16 6 november 2009


Zonnestraling [W/m2]

Zonnestraling op Horizontaal Vlak in 1964 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Zonnestraling

Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dec Figuur 8: Globale zonnestraling in 1964 op een horizontaal vlak

Het is interessant om te vergelijken met andere jaren om een indruk te krijgen van de grootte van variaties. Dit is voor een aantal jaren (1998, 1999 en 2000) gedaan. In figuur 9 is de globale zonnestralingsenergie uitgezet voor het jaar 2000 op een horizontaal vlak. Een soortgelijk patroon valt weer te zien als het vergeleken wordt met de data uit 1964. De maximale waarde voor de straling in dit jaar was 956 W/m2 en werd bereikt midden juli. Wanneer weer aangenomen wordt dat een gemeten waarde in een bepaald uur voor dit gehele uur geldt, kan de totale opvallende energie over het gehele jaar bepaald worden. Voor het horizontaal vlak uit figuur 9 van 1 m2 levert dit een energieopbrengst van 937 kWh (3373 MJ).


Zonnestraling op Horizontaal Vlak in 2000 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Zonnestraling

Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dec Figuur 9: Globale zonnestraling in 2000 op een horizontaal vlak

Als er met de voorgaande wetenschap gekeken wordt naar het verloop van zonnestraling uit het gekozen referentiejaar van NEN 5060, dan is weer een vergelijkbaar patroon te zien in het stralingsverloop gedurende het jaar. Dat geeft aan dat de data vrij representatief is voor wat betreft het verloop. Ook de extreme waarde voor de uur-gemiddelde straling lijkt redelijk met 883 W/m2. Wanneer weer aangenomen wordt dat een gemeten uurgemiddelde voor dit hele uur geldt, kan de totale opvallende energie over het gehele jaar bepaald worden. Voor het horizontaal vlak uit figuur 10 van 1 m2 levert dit een energieopbrengst van 1014 kWh (3650 MJ). Dit is zoals verwacht aan de hoge kant en kan dus redelijk positieve waarden opleveren voor de energielevering van een collector. Het lijkt dus verstandig om voor de zonnestralingsdata niet te kiezen voor de data uit NEN 5060, maar te modelleren met zonnestralingsdata van een compleet

17 6 november 2009


jaar. Tijdens het modelleren van de woning en het modelleren van het opslagsysteem zal een betere conclusie getrokken kunnen worden over de invloed van het gebruik van een bepaalde datareeks.


Zonnestraling op Horizontaal vlak in Referentiejaar NEN 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Zonnestraling

Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dec

Figuur 10: Globale zonnestraling in referentiejaar NEN op een horizontaal vlak

In paragraaf 2.2.2 werd al toegelicht wat de invloed van een verandering van de positie van een vlak was op de invallende zonnestraling. Hieronder is te zien wat er gebeurd wanneer het vlak zich in verticale positie bevindt met een oriëntatie op het noorden, oosten, zuiden of westen. Hierbij is de referentie weer het horizontale vlak van 1m2 uit het jaar 1964.

Figuur 11: Opvallende zonnestralingsenergie bij verschillende oriëntaties 18 6 november 2009


De patronen die waar te nemen zijn in de bovenstaande figuren lijken vrij logisch te verklaren wanneer er gekeken wordt naar zogenaamde zonnepad diagrammen. Als bijvoorbeeld een vlak op het zuiden genomen wordt zoals dat is te zien in de bovenstaande figuur dan blijkt dat de piekwaarden voor zonnestraling in de wintermaanden hoger ligt dan in de zomermaanden. In figuur 12 is duidelijk te zien dat gedurende de zomermaanden de zon veel later na opkomst op het oppervlak straalt dan in de winter (de hele dag) en veel eerder weer van het oppervlak verdwijnt. Daarnaast komt natuurlijk het feit dat de zon tijdens de wintermaanden veel lager staat en dus bijna loodrecht op het verticale oppervlak staat (zie ook paragraaf 2.2.2.1).

Figuur 12: Een Vlak Gericht op het Zuiden

Als een vlak op het oosten genomen wordt zoals dat is te zien in figuur 11 dan is te zien dat het patroon lijkt op dat van een horizontaal vlak. In figuur 13 is duidelijk te zien dat gedurende de zomermaanden de zon veel meer uren het oppervlak zal bestralen dan gedurende de winter. Daarnaast komt wel het feit dat de zon tijdens de wintermaanden veel lager staat en dus bijna loodrecht op het verticale oppervlak staat (zie ook paragraaf 2.2.2.1).

19 6 november 2009


Figuur 13: Een Vlak Gericht op het Oosten

Voor de overige twee vlakken kan eenzelfde soort redenering volstaan met behulp van de bovenstaande zonnepad diagrammen. Bij het gebruik van zonnecollectoren voor het opvangen van zonnestraling zal echter nooit een bepaalde oriëntatie aangehouden worden met een verticaal vlak. Hier zijn deze voorbeelden wel gebruikt om de invloed van een bepaalde oriëntatie te laten zien. Wanneer in de praktijk een zonnecollector geplaatst wordt, zal echter rekening gehouden moeten worden met een aantal factoren. Zo is er de mogelijke oriëntatie van bevestiging (bv. dakvlakken gelegen op het noordoosten en zuidwesten) en de beschikbare hoek waaronder een collector kan worden bevestigd (bv. dak heeft een helling van 45°). Wanneer dergelijke aannamen voor een woning gedaan zijn, wordt met de theorie beschreven in paragraaf 2.2.2 berekend wat de opvallende straling zal zijn. Vooralsnog is de afstelling van een collector in Nederland optimaal als deze een hoek heeft van 42° en precies op het zuiden is gericht bij alleen warmtapwater verwarming. Wanneer de collector onderdeel is van een zonneboilercombi systeem en dus ook dient voor ruimteverwarming dan is de ideale hoek 52° en is de oriëntatie nog steeds op het zuiden gericht (SenterNovem 2008).

2.3

Temperatuur

2.3.1

Algemeen De algemene theorie over de temperatuur in Nederland is voor het overgrote deel al behandeld in paragraaf 2.1.2. Daarom wordt hier niet veel meer uitgewijd over het tot stand komen van een bepaald klimaat en bijbehorende temperaturen. In de volgende paragraaf wordt meteen de data uit zowel NEN 5060 als data van een compleet referentiejaar 1964 (TRNSYS 2008) gebruikt, om een beeld te geven van de buitentemperatuur waarmee gemodelleerd zal worden.

20 6 november 2009


Data Temperatuur Ook hier geldt weer dat de data die gebruikt is, afkomstig is uit NEN 5060:2009nl (Instituut 2009). De in deze norm beschreven klimaatgegevens hebben betrekking op de klimatologische omstandigheden over de periode 1986-2005. De NEN 5060 heeft op basis van de normreeks NENEN-ISO 15927 klimatologische gegevens geselecteerd voor energiegerelateerde toepassingen in Nederland. De selectiemethoden die in de norm staan beschreven leiden tot drie sets klimaatgegevens, elk toegesneden op specifieke toepassingen. Een klimaatreferentiejaar bestaat hierdoor uit 12 maanden die uit verschillende jaren afkomstig kunnen zijn. Voor de data over temperatuur is hetzelfde referentiejaar gekozen uit de NEN 5060 als bij de data voor zonnestraling. Hier geldt dan ook weer dat de data voor temperatuur vrij hoge waarden leveren in vergelijking met een gemiddeld jaar. Dit wordt veroorzaakt doordat de data uit de norm het doel heeft om omstandigheden te creëren, waarin men zodanig kan ontwerpen dat het uiteindelijke ontwerp het merendeel van de tijd voldoet aan de eisen. Als er een vergelijking gemaakt wordt tussen het referentiejaar uit de NEN 5060 voor energieprestatie berekeningen (A2) en het referentiejaar 1964 van de TRNSYS site, dan is te zien dat de gemiddelde temperatuur uit de NEN 5060 meer dan een 1°C hoger ligt (9,1°C tegen 10,4°C). Of nog steeds in eerste instantie met de dataset uit NEN 5060 gemodelleerd moet worden is de vraag. Door hogere zonnestraling wordt het vermogen van de collector positief beïnvloed. Door hoge gemiddelde buitentemperaturen worden de overdrachtsverliezen bij de collector verkleind (zie paragraaf 5.2.1). Ook worden warmteverliezen van de woonruimten verkleind. Zoals al eerder voorgesteld is, kan ervoor worden gekozen om enkele datasets van complete jaren te gebruiken in plaats van de data uit de NEN 5060. Tijdens het modelleren van de woning en het modelleren van het opslagsysteem zal een betere conclusie getrokken kunnen worden over de invloed van het gebruik van een bepaalde datareeks.

Buitentemperatuur in 1964 35 30 25 Temperatuur [°C]

2.3.2

20 Buitentemperatuur

15 10 5 0 ‐5

‐10 ‐15 Figuur 14: Het verloop van de Buitentemperatuur in 1964

21 6 november 2009


In figuur 12 is het verloop van de temperatuur over het jaar 1964 te zien. Hierin is duidelijk het verschil te zien tussen zomer en winter. Piektemperaturen bereiken een waarde van rond de 32°C en minimum temperaturen liggen rond de -12°C. De gemiddelde temperatuur over het gehele jaar is 9,1°C. Ook het verloop over enkele dagen lijkt vrij logisch, waarbij fluctuaties tussen dag en nacht zijn te zien in figuur 13.

Buitentemperatuur in Juli 1964 Temperatuur [°C]

25 20 15 Buitentemperatuur

10 5 0

1 juli 2 juli 3 juli 4 juli 5 juli Figuur 15: Buitentemperatuur 1 t/m 5 juli in 1964

Van de jaren 1964 t/m 1980 tot en van 1987 t/m 1995 zijn alle gemiddelde temperaturen en zonnestralingsdata per uur voor handen voor de gekozen klimaatzone. Afhankelijk van de keuzes in de afbakening zal een specifieke datareeks van een bepaald jaar gekozen worden.

22 6 november 2009


3.

Literatuur Woningen, Warmtevraag en Warmteproductie In dit hoofdstuk is de belangrijkste informatie samengevat die betrekking heeft op het energiegebruik of ook wel de energievraag van een woning. Deze energievraag heeft verschillende invloedsfactoren, waar het woningtype er één van is. De verschillende gestandaardiseerde woningtypen en de gekozen woningtypen voor het afstudeeronderzoek worden besproken in paragraaf 3.1. In de paragrafen die hierop volgen komt het energiegebruik voor verwarming, warm tapwater en voor overige apparatuur aan bod. De laatste paragraaf gaat over het energiegedrag van bepaalde huishoudens. De bedoeling is dat met behulp van de literatuur die hier aan bod komt later in het onderzoek een goed beeld gevormd kan worden van de energievraag bij woningen.

3.1

Woningtypen: de Referentiewoningen

3.1.1

Referentiewoningen SenterNovem Om een aantal basisvoorwaarden zoals de veiligheid en gezondheid van bewoners te kunnen waarborgen, is het opstellen van regels voor de bouw en het bouwproces noodzakelijk. Doordat deze regels omvangrijk en bovendien steeds sterk in beweging zijn, is het planvormingsproces vaak onoverzichtelijk en gecompliceerd. Sinds december 1995 dient bij de bouwaanvraag van nieuwe woningen en utiliteitsgebouwen een berekening van de energieprestatiecoëfficiënt, EPC, te worden toegevoegd. De EPC-eis waaraan de woningen moeten voldoen is in de loop der tijd meerdere malen aangescherpt. Om in een vroegtijdig stadium van het planvormingsproces verantwoorde keuzes te kunnen maken en vooraf meer grip te krijgen op de haalbaarheid van de beoogde kwaliteit, is er op bouwlocaties behoefte aan representatieve referenties, waarmee de consequenties van kwaliteitsbeslissingen kunnen worden doorgerekend. Door vooraf bijvoorbeeld de kosten van het beoogde kwaliteitsniveau te bepalen en op grond daarvan realistische beslissingen te nemen, wordt voorkomen dat tijdens de planontwikkeling kwaliteit moet worden ingeleverd om binnen het gestelde budget te blijven. De referentiewoningen kunnen gebruikt worden om dergelijke afwegingen te maken. In dit afstudeeronderzoek gaat het niet zozeer om het doel van deze referentiewoningen, maar meer om het voor handen hebben van een representatieve woning. De samenstelling van de referentiewoningen is gebaseerd op een schematische weergave van de werkelijkheid om zo de toekomstige situatie zo nauwkeurig mogelijk te kunnen benaderen. Daarom lijkt het gebruik van een door SenterNovem opgestelde referentiewoning hier een goede keuze. Afwijkingen in vormen en toegepaste maatregelen zullen in veel gevallen voorkomen. Om er voor te zorgen dat de geselecteerde zes referentiewoningen toch een zo groot mogelijk deel van de nieuwbouwmarkt dekken is bij het opstellen van de referentiewoningen per woningtype een onderverdeling gemaakt in een variant voorzien van een gebalanceerd ventilatiesysteem met warmteterugwinning en een variant voorzien van zelfregelende roosters met mechanische afzuiging. Beide varianten worden in de woningbouw veelvuldig toegepast. De keuze voor een bepaald type woning komt uitgebreid aan de orde in paragraaf 3.1.2 en ook in het de ‘Afbakening

23 6 november 2009


van het Probleem’. Op grond van de hedendaagse eisen die worden gesteld aan de woningbouw zijn de volgende referentiewoningen ontwikkeld: • Appartementencomplex • Galerijcomplex • Hoekwoning • Tussenwoning • Twee-onder-een-kapwoning • Vrijstaande woning Deze woningen vervangen de drie bestaande SenterNovem referentiewoningen uit 1999. Wanneer uitgangspunten worden gewijzigd is het niet meer toegestaan om naar deze woningen te verwijzen als zijnde een 'SenterNovem referentiewoning'. Uitgangspunt bij het ontwikkelen van deze woningen zijn de voorschriften en waarden zoals deze op 1 januari 2006 golden. Het belangrijkste uitgangspunt is dat de Energieprestatiecoëficiënt (EPC) van de woningen ten hoogste gelijk is aan 0,8. 3.1.1.1

Algemene Bouwkundige Uitgangspunten Bij het opstellen van de referentiewoningen is als uitgangspunt gehanteerd dat de woningen herkenbaar moeten zijn en een goede afspiegeling moeten geven van de huidige bouwproductie. De eengezinswoningen zijn allen voorzien van een zadeldak, de twee appartementengebouwen hebben een plat dak. In alle woningen is uitgegaan van een voldoende hoge thermische capaciteit. Dit houdt in dat de woningscheidende wanden, binnenspouwbladen en vloeren massief zijn uitgevoerd. Dit zorgt er voor dat de kans op oververhitting in de zomerperiode wordt verminderd. Om te kunnen voldoen aan de EPC-eis van 0,8, is het noodzakelijk dat de woningen goed geïsoleerd worden. Dit is ook een eerste stap die gezet moet worden om te komen tot een goed ontwerp. In de referentiewoningen wordt daarom uitgegaan van een minimale isolatie van de geveldelen van Rc 3,0 m2K/W en het dak Rc 4,0 m2K/W. In veel gevallen kan met deze isolatiewaarden en een goede installatie voldaan worden aan de EPC-eis. In enkele gevallen is het noodzakelijk om het isolatieniveau te verhogen naar Rc = 4,0 m2K/W voor de geveldelen en Rc = 5,0 m2K/W voor het dak. Voor alle woningtypen is uitgegaan van de isolatiewaarden en bijbehorende details die in de SBRpublicatie Referentiedetails Woningbouw genoemd worden. Een onderscheid is gemaakt tussen basisdetails en comfortdetails. De comfortdetails hebben een hogere isolatiewaarde. In de referentiewoningen wordt zowel gebruik gemaakt van de basisdetails als van de comfortdetails. Bij het opstellen van de tekeningen (zie ook bijlage Technische Informatie Referentiewoningen) van de woningen is uitgegaan van de comfortdetails. Bij alle woningen is gerekend met de uitgebreide methode voor de lineaire warmteverliezen. Hierbij is gebruikgemaakt van de psi-waarden die in de SBR-publicatie Referentiedetails

24 6 november 2009


Woningbouw genoemd worden. Doordat in de praktijk niet altijd precies conform de basis- of comfortdetails wordt gebouwd, is bij de berekening van de EPC van de woningen telkens uitgegaan van een opslag op de psi-waarden van 25%. Dit betekent dus dat de psi-waarde die in de SBR-publicatie genoemd is, in de berekening is vermenigvuldigd met 1,25. Veel nieuwbouwwoningen worden (nog) niet opgeleverd met een vaste buitenzonwering. Om grote problemen ten aanzien van oververhitting van de woning in de zomer te voorkomen is het aan te raden om de woning op de zonbelaste gevels van een vaste buitenzonwering te voorzien. Toepassing van buitenzonwering lijkt een logische keuze, immers in de zomerperiode wordt warmte geweerd, waardoor koeling niet nodig is, en in de winterperiode kan de zonnewarmte binnengelaten worden. In alle referentiewoningen is uitgegaan van vaste buitenzonwering op de zonbelaste gevels. 3.1.1.2

Algemene Installatietechnische Uitgangspunten Voor alle woningtypen zijn twee varianten aangemaakt: een variant met mechanische afzuiging en een variant met gebalanceerde ventilatie met HR-warmteterugwinning. De keuze hiervoor is ingegeven vanuit de constatering dat er in Nederland zowel een groot aantal woningen met gebalanceerde ventilatie wordt ontwikkeld, als woningen met een natuurlijk ventilatiesysteem. Om te kunnen voldoen aan de EPC-eis van 0,8 worden in deze twee varianten verschillende maatregelen toegepast. Zo kan in de woning met gebalanceerde ventilatie veelal volstaan worden met een minder zware isolatie, en hoeft een zonneboiler niet toegepast te worden. Voor warmtapwater is er een grotere spreiding in rendementen die de systemen van verschillende leveranciers behalen. Bij de selectie van rendementen moet niet uitgegaan worden van de allerbeste rendementen. Er moet een veilige waarde voor het rendement aangehouden worden. Hierdoor is men vrij in de keuze van een leverancier van bepaalde systemen. Dit betekent tevens dat er in de praktijk toestellen te vinden zijn die een beter rendement behalen.

3.1.1.3

Tussenwoning De rijwoningen vertegenwoordigen bijna 50% van de woningproductie in Nederland. Van die 50% is bijna driekwart een tussenwoning. In totaal is 36,5% van de nieuwbouwwoningen een tussenwoning. 20% van de rijwoningen wordt in de huursector gerealiseerd, 80% in de koopsector. De oppervlakte van een tussenwoning bedraagt gemiddeld 125 m2. In een tussenwoning zijn doorgaans drie slaapkamers aanwezig. Een tussenwoning komt in verschillende uitvoeringen voor, zowel met een zadel- of een lessenaarsdak als met een plat dak. Een zadeldak komt relatief vaak voor. Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006). Figuur 16: Tussenwoning

25 6 november 2009


3.1.1.4

Hoekwoning De rijwoningen vertegenwoordigen bijna 50% van de woningproductie in Nederland. Van die 50% is circa een kwart een hoekwoning. In totaal is 13,5% van de nieuwbouwwoningen een hoekwoning. De oppervlakte van een hoekwoning bedraagt gemiddeld 127 m2. In een hoekwoning zijn doorgaans drie slaapkamers aanwezig. Een hoekwoning komt in verschillende uitvoeringen voor, zowel met een zadel- of een Figuur 17: Hoekwoning lessenaarsdak als met een plat dak. Een zadeldak komt relatief vaak voor. Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006).

3.1.1.5

Twee-Onder-een-Kapwoning De twee-onder-een-kapwoningen vertegenwoordigen circa 13% van de woningproductie in Nederland. Het merendeel van de twee-onder-een-kapwoningen wordt gerealiseerd in de koopsector. De oppervlakte van een twee-onder-eenkapwoning bedraagt gemiddeld 142 m2. In een tweeonder-een-kapwoning zijn doorgaans drie slaapkamers aanwezig. Een twee-onder-een-kapwoning komt in verschillende uitvoeringen voor, zowel met een zadel- of een lessenaarsdak als met een plat dak. Een zadeldak komt relatief vaak voor. Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006). Figuur 18: Twee-onder-een-kapwoning

3.1.1.6

Vrijstaande Woning De vrijstaande woningen vertegenwoordigen circa 5% van de woningproductie in Nederland. Alle vrijstaande woningen worden gerealiseerd in de koopsector. De oppervlakte van een vrijstaande woning bedraagt gemiddeld 164 m2. In een vrijstaande woning zijn doorgaans drie slaapkamers aanwezig. Een vrijstaande woning komt in verschillende uitvoeringen voor, zowel met een zadel- of een lessenaarsdak als met een plat dak. Een zadeldak komt relatief vaak voor. Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006).

3.1.1.7

Galerijcomplex Appartementen vertegenwoordigen circa 33 % van de woningproductie in Nederland. Een derde van de appartementen wordt in de huursector gerealiseerd, tweederde in de koopsector. De oppervlakte van een appartement in de koopsector bedraagt gemiddeld 105 m2; in dit gemiddelde zijn zowel luxe penthouses als eenvoudige galerijwoningen opgenomen. Een appartement in de

26 6 november 2009

Figuur 19: Vrijstaande Woning

Figuur 20: Galerijwoningen


huursector is vaak kleiner. Een appartement is veelal voorzien van twee slaapkamers. Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006). 3.1.1.8

Appartementencomplex Appartementen vertegenwoordigen circa 33 % van de woningproductie in Nederland. Een derde van de appartementen wordt in de huursector gerealiseerd, tweederde in de koopsector. De oppervlakte van een appartement in de koopsector bedraagt gemiddeld 105 m2; in dit gemiddelde zijn zowel luxe penthouses als eenvoudige galerijwoningen opgenomen. Een appartement is veelal voorzien van twee slaapkamers. Hoewel in de MNW (Monitor Nieuwe Woningen) geen onderscheid gemaakt wordt in verschillende typen appartementen is er door SenterNovem voor gekozen om naast het galerijcomplex ook een appartementencomplex op te nemen met wat grotere woningen (oppervlakte per woning circa 92 m2). Voor kenmerken van deze woning wordt verwezen naar de bijlage ‘Technische Informatie Referentiewoningen’ (SenterNovem 2006).

Figuur 21: Appartementencomplex

3.2

Energie voor Verwarming Ruimte en Warm Tapwater

3.2.1

Algemeen Voor de voorgenoemde woningtypen heeft SenterNovem het gemiddelde energiegebruik per vierkante meter per jaar opgenomen in het rapport over de referentiewoningen (SenterNovem 2006). Per installatietype ziet dit er voor de woningtypen als volgt uit: Tabel 3: Jaarlijkse Energieverbruik (MJ/m2)

Woningtype Tussenwoning Hoekwoning Twee-onder-een-kap Vrijstaande woning Galerijwoning Appartement

Mechanische Afzuiging 359 403 401 417 351 346

Gebalanceerde Ventilatie 340 383 392 418 342 337

Dit energieverbruik volgt uit EPC berekeningen en hierbij wordt energieverbruik meegenomen voor verwarming van de ruimte, verwarming van tapwater, maar ook bijvoorbeeld het gebruik van ventilatoren voor ventilatie en verlichting. Energieverbruik voor bijvoorbeeld huishoudelijke apparaten blijft bij deze waarden wel buiten beschouwing. Het totale jaarlijkse energieverbruik per woningtype in kWh ziet er als volgt uit: Tabel 4: Jaarlijkse Energieverbruik per Woning in kWh

Woningtype Tussenwoning (124,3 m2) 2

Hoekwoning (124,3 m ) Twee-onder-een-kap (147,7 m2)

Mechanische Afzuiging

12396 13915 16452

27 6 november 2009

Gebalanceerde Ventilatie

11739 13224 16083


Vrijstaande woning (169,5 m2) 2

Galerijwoning (81,7 m ) Appartement (92,1 m2)

19634 7966 8852

19681 7761 8622

Omdat in de afbakening van het probleem een keuze is gemaakt voor de tussenwoning, is alle volgende informatie en data toegespitst op de tussenwoning (zie ook ‘Afbakening van het Probleem’). In figuur 22 is de warmtevraag voor ruimteverwarming en tapwater verwarming per maand te zien voor een tussenwoning (Boonstra, Clocquet et al. 2006).

Warmtevraag Tussenwoning [kWh/m2] 14 12

kWh/m2

10 8 6 Warmtevraag [kWh/m2]

4 2 0

Figuur 22: Maandelijkse Warmtevraag Tussenwoning in kWh/m2

Het bovenstaande komt neer op een warmtevraag van ongeveer 70 kWh/m2 per jaar voor de tussenwoning. Omgerekend is dit 8701 kWh voor de gehele tussenwoning in een jaar. Als dat vergeleken wordt met het totale jaarlijkse energiegebruik uit tabel 4, kan geconcludeerd worden dat grofweg 75% van de energievraag bestemd is voor verwarming van de ruimte en verwarming van tapwater. Het overige deel komt op rekening van posten als verlichting en ventilatoren. Dit zijn ook de twee energieposten die in dit onderzoek van groots belang zijn. Om een beter beeld te krijgen van de afzonderlijke posten ‘Verwarming Ruimte’ en ‘Warmtapwater’, worden deze onderwerpen in de volgende twee paragrafen apart behandeld. 3.2.2

Verwarming Ruimte Er is geen continue data van de energievraag voor verwarming gedurende het jaar. Dit is dan ook onder andere waarom een TRNSYS model gemaakt moet worden. In deze paragraaf wordt de literatuur behandeld die bij het opstellen van een model belangrijk kan zijn. Daarnaast worden enkele karakteristieke gegevens beschouwd van energiegebruik voor verwarming aangaande de tussenwoning. Zo kan er ook later bij de modellering bekeken worden of de resultaten in de buurt komen van de realiteit.

28 6 november 2009


3.2.2.1

Warmtebehoefte volgens de NEN 5128 Volgens de NEN norm (Normalisatie-instituut 2004) bestaat de warmtebehoefte uit het transmissie- en ventilatiewarmteverlies over het stookseizoen verminderd met de benutte warmtewinst door zonnestraling en interne warmteproductie over dezelfde periode. Een benuttingsfactor bepaalt daarbij hoeveel van de warmtewinst wordt gebruikt om de warmtebehoefte terug te dringen. ;

;

;

(3.1)

;

Hierbij is Qverlies;verw: ;

;

(3.2)

;

En met QT;verw en QV;verw: ;

;

;

(3.3)

;

;

;

(3.4)

In de bovenstaande vergelijkingen is: - HT;verw is de getalswaarde van de warmteverliescoëfficiënt door transmissie van de desbetreffende verwarmde zone voor verwarming - HV;verw is de getalswaarde van het specifieke warmteverlies door ventilatie van de desbetreffende verwarmde zone voor verwarming , is de over de periode gemiddelde ingestelde binnentemperatuur, in °C, waarvoor ; de volgende waarde moet worden aangehouden: voor verwarming: -

;

= 18;

is de over de periode gemiddelde buitentemperatuur, in °C waarvoor de in tabel A.1 gegeven waarden moeten worden aangehouden; t is de rekenwaarde voor de lengte van de beschouwde periode.

De theorie voor de energievraag ten behoeve van ruimteverwarming is hier niet gedetailleerder uitgewerkt dan hierboven is gedaan, omdat dit werk is dat later in een TRNSYS model zal worden gedaan. Daarom is het genoeg om informatie te hebben over de orde grootte van energiebehoefte zoals dat in paragraaf 3.2.1 al aan bod kwam. Hiermee kan een indicatie verkregen worden of de gegenereerde data met het TRNSYS model realistisch is. 3.2.3

Warmtapwater

3.2.3.1

Energiegebruik Ook voor de post warm tapwater geldt dat er geen representatieve continue data gedurende een jaar bekend is voor een referentiewoning. Echter, het creëren van een realistisch verloop aan de hand van een model is hier een stuk moeilijker dan bij de simulatie van de energievraag voor ruimteverwarming. Het doel van deze paragraaf is dus het opstellen van een verloop voor energiegebruik dat bestemd is voor warm tapwater. Hierbij is voor energiegebruik voor warm tapwater bij de tussenwoning het rapport ‘watergebruik in woningen en warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater’ geraadpleegd (Roijakkers, B.V. et al. 2004). De onderstaande tabel is ook afkomstig uit deze documentatie en geeft een goede indicatie van het dagelijkse watergebruik van een tussenwoning. 29 6 november 2009


Tabel 5: Tapwatergebruik voor de tussenwoning Oorzaak watergebruik

Gemiddeld daggebruik per huishouden (L/dag)

Toevoer temperatuur (°C)

Afvoer temperatuur (°C)

Energieverbruik voor verwarmen (KJ)

Wasbak Koudwater tappunt Wasmachine Vaatwasser Toilet

17 146 58 25 20 16 8 50 14 60

40 40 55 40 13 40 13 13 13 13

35 34 50 38 13 38 13 60, 40 & 24 13 & 65 13

1917 16468 10177 2820 0 1804 0 0 0 0

Totaal

421

Bad Douche Aanrecht

33186

Belangrijk hierin is vooral de kennis over het gebruik van water met een bepaalde temperatuur. Hieruit kan vervolgens berekend worden hoeveel energie er gemiddeld nodig is op een bepaalde dag om tapwater te verwarmen. Met de soortelijke warmte van water c, de opgenomen watermassa m en de temperaturen van het koud water Tk en warm water Tw wordt dit: ·

(3.5)

·

Bij de volgende berekeningen zijn een aantal aannamen gedaan voor het bepalen van het energiegebruik voor tapwater. • Allereerst is de soortelijke warmte van water 4186 J/(kg.K) en heeft water een soortelijke massa van 998 kg/m3. Daarnaast heeft het water dat vanuit het leidingenstelsel de woning binnen komt een temperatuur van 13°C; • De beschouwde woning heeft alleen een douche en gebruik van water voor een bad wordt hier dus buiten beschouwing gelaten; • Voorlopig wordt uitgegaan van een tussenwoning zonder warmteterugwinning (dit kan eventueel in latere modellen aangepast worden); • Warm water (dus geen heetwater) wordt verkregen door het mengen van heetwater en koudwater. Door een juiste mengverhouding van het heetwater en koudwater wordt de gewenste watertemperatuur verkregen; • Heet water heeft een temperatuur van 65°C en koudwater een temperatuur van 13°C; • De te onderscheiden watertemperaturen zijn: 13°C voor koudwater, 65°C voor heetwater, 40°C voor de mengkraantemperatuur van douche, aanrecht en wasbak en nog eens 55°C voor de mengkraantemperatuur van het aanrecht. In de onderstaande tabellen zijn nu voor alle (sanitaire) voorzieningen in de tussenwoning die warm tapwater gebruiken de tappatronen weergegeven. Het verloop van het gebruik van tapwater over de dag in een grafiek zal in latere documenten van dit afstudeerwerk nog aan bod komen (bijvoorbeeld ‘Energievraag Scenario’s’). De tabellen bevatten voor iedere voorziening de watertoevoer volumestromen, de tijdsintervallen voor hoe lang het water stroomt, de waterhoeveelheden per taphandeling en per dag, de bijbehorende watertemperaturen, de tijdstippen van watergebruik, de warmtestromen en de warmtehoeveelheden. Het gebruik van 30 6 november 2009


koud tapwater is hier niet opgenomen in de tabellen, omdat dit niet relevant is voor het berekenen van de warmtevraag voor warm tapwater. Dit is ook de reden dat huishoudelijke apparaten zoals de vaatwasser en de wasmachine hier niet bij staan. Deze apparaten verwarmen zelf het water. Tabel 6: Gegevens Tapwater Douche Warmwatergebruik Douche Volume

Watergebruik per douche

73 liter (conform NEN 5128)

Watergebruik per dag Toevoer

146 liter (2 keer per dag douchen)

Temperatuur

40°C

Debiet

0,160 l/s

Debiet 65°C

0,083 l/s

Debiet 13°C

0,077 l/s

Tijdsinterval

7 min 36 sec (456 sec)

Tijdstippen douche nemen

7:15 uur & 23:30 uur

Warmtehoeveelheid per douche

8.278.200 Joule

Warmtehoeveelheid per dag

16.556.400 Joule

Warmtestroom

18.154 Watt

Voor de douche van de tussenwoning kan geconcludeerd worden dat voor een dag een hoeveelheid energie nodig is van 16.6 MJ. Dit kan berekend worden door te bepalen hoeveel energie nodig is om water van 13°C op te warmen naar 65°C en vervolgens te vermenigvuldigen met de hoeveelheid benodigd water van 65°C. Een andere manier is om te bepalen hoeveel energie nodig is om water van 13°C op te warmen naar 40°C en vervolgens te vermenigvuldigen met de hoeveelheid benodigd water van 40°C. Dit geeft voor beide berekeningen dezelfde waarde (op afrondingsfouten na). Tabel 7: Gegevens Tapwater Wasbak Warmwatergebruik Wasbak Volume

Watergebruik per taphandeling

4 liter (conform NEN 5128)

Watergebruik per dag Toevoer

16 liter (4 taphandelingen per dag)

Temperatuur

40°C

Debiet

0,081 l/s

Debiet 65°C

0,042 l/s

Debiet 13°C

0,039 l/s

Tijdsinterval

49 seconden

Tijdstippen taphandeling

7:00, 7:30 & 23:15 en 23:45 uur

Warmtehoeveelheid per taphandeling Warmtehoeveelheid per dag

453.600 Joule 1.814.400 Joule

Warmtestroom

9.257 Watt

Voor de wasbak van de tussenwoning kan geconcludeerd worden dat voor een dag een hoeveelheid energie nodig is van 1.8 MJ. Dit kan weer op dezelfde manier berekend worden door te bepalen hoeveel energie nodig is om water van 13°C op te warmen naar 65°C en vervolgens te vermenigvuldigen met de hoeveelheid benodigd water van 65°C.

31 6 november 2009


Voor het aanrecht van de tussenwoning is aangenomen dat het water uit de aanrechtkraan drie verschillende temperaturen kan hebben. Namelijk koud water (13°C), warm water van 40°C en warm water van 55°C. Het totale watergebruik aan de aanrechtkraan bedraagt 83 liter per dag. In de volgende twee tabellen is te zien hoe de verdeling is over de verschillende temperaturen (40°C en 55°C). Voor het aanrecht van de tussenwoning kan geconcludeerd worden dat voor een dag een hoeveelheid energie nodig is van 12.9 MJ. Deze hoeveelheid energie is opgebouwd uit 10.2 MJ voor het water met een temperatuur van 55°C en 2.7 MJ voor het water met een temperatuur van 40°C. Tabel 8: Gegevens Tapwater Aanrecht met Water van 55°C Warmwatergebruik aanrecht met watertemperatuur 55°C Volume

Toevoer

Watergebruik per keer • Kort spoelen • Handmatig vaatwas • Lang spoelen

1,0 liter 7,0 liter 3,0 liter (conform NEN 5128)

Temperatuur

55°C

Debiet

0,103 l/s

Debiet 65°C

0,083 l/s

Debiet 13°C

0,020 l/s

Tijdsinterval • Kort spoelen • Handmatig vaatwas • Lang spoelen Tijdstippen taphandeling

10 sec 68 sec 29 sec 8:00, 10:00, 11:00, 13:00, 13:05, 13:25, 13:27, 13:29, 16:30, 18:00, 18:05, 18:25, 18:27, 18:29, 20:00, 20:10, 22:00, 23:00 564 sec 10.169.282 Joule

Totaal tijd Warmtehoeveelheid per dag

Tabel 9: Gegevens Tapwater Aanrecht met Water van 40°C Warmwatergebruik aanrecht met watertemperatuur 40°C Volume

Toevoer

Watergebruik per keer • Kort handen wassen • Lang handen wassen • Korte tap

1,0 liter 3,0 liter 0,7 liter (conform NEN 5128)

Temperatuur

40°C

Debiet

0,160 l/s

Debiet 65°C

0,083 l/s

Debiet 13°C

0,077 l/s

Tijdsinterval • Kort handen wassen • Lang handen wassen • Korte tap Tijdstippen taphandeling

6 sec 19 sec 4 sec 9:00, 9:05, 10:30, 10:35, 10:45, 11:30, 11:32, 11:34, 14:00, 14:30, 14:35, 14:45, 14:48, 14:51, 15:00, 16:00, 16:10, 16:20, 19:30, 19:35, 19:40, 19:45, 19:50, 21:00, 22:30 151 sec 2.722.627 Joule

Totaal tijd Warmtehoeveelheid per dag

32 6 november 2009


Het totaal aan energiegebruik voor de tussenwoning aan warm tapwater komt met de voorgaande energiegebruiken voor de voorzieningen op ongeveer 31,3 MJ per dag (te zien in tabel 5). Het continue verloop van het energiegebruik over 24 uur voor warm tapwater is te zien in figuur 23. In deze paragraaf is nu een goede indicatie verkregen van hoe de energievraag voor tapwater eruit zal zien. Tabel 10: Tapwatergebruik voor de tussenwoning per dag

Oorzaak watergebruik

Gemiddeld daggebruik per huishouden (L/dag)

Toevoer temperatuur (°C)

Energieverbruik voor verwarmen (KJ)

Douche Aanrecht

146 58 25 16 245

40 55 40 40

16501 10197 2826 1808 31269

Wasbak Totaal

Energiegebruik [J]

Verloop van Energiegebruik voor Warmtapwater 10000000 9000000 8000000 7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Tijd [uur]

Energiegebruik

Figuur 23: Globaal Verloop Energiegebruik Gedurende de Dag

Voor het verwarmen van water zijn een heel aantal systemen beschikbaar met verschillende rendementen. Bij de keuze voor een installatie die in het TRNSYS model die het warm tapwater moet verwarmen, kan het verstandig zijn om een installatie te kiezen die vergelijkbaar is met de installatie die er zal zijn in het latere model met warmteopslag. De keuze voor het installatietype is ook terug te vinden in de ‘Afbakening van het Probleem’. 3.2.3.2

Legionella Om up-to-date regels op te stellen voor alle leidingwaterinstallaties is de norm NEN 1006 in januari 2002 ingrijpend gewijzigd. De norm geeft de volksgezondheidskundige, veiligheidskundige en civieltechnische eisen waaraan alle leidingwaterinstallaties moeten voldoen. De nieuwe NEN 1006 bleek echter onvoldoende toegesneden op het Bouwbesluit 2003; uitsluitend de bouwtechnische eisen voor drinkwater of warmwater waren van toepassing. NEN heeft daarom

33 6 november 2009


een herziening van het normblad gedaan. Deze herziening uit 2005 wordt hier gebruikt. In de onderstaande tekst uit de NEN norm (Normalisatie-instituut 2005) komen de eisen naar voren die het belangrijkste zijn voor dit onderzoek.

“De temperatuur aan het mengtoestel of aan het tappunt in een woninginstallatie zonder circulatie moet bij gebruik conform de ontwerpcondities ten minste 55°C zijn. De temperatuur aan het mengtoestel of aan het tappunt in een woninginstallatie met circulatie en in een collectief leidingnet moet bij gebruik conform de ontwerpcondities ten minste 60°C zijn. Bij warmtapwatervoorzieningen en warmtapwaterinstallaties met circulatie moet de temperatuur van het water in de retourleiding(en) bij gebruik conform de ontwerpcondities ten minste 60°C zijn.” “In verband met de eis in de norm dat de temperatuur van het warme water aan het mengtoestel of aan het tappunt ten minste 60°C moet zijn, moet er bij externe levering van warmtapwater, zoals bijvoorbeeld stadsverwarming, rekening mee worden gehouden dat de vereiste temperatuur aan het mengtoestel of aan het tappunt wordt bereikt. Bij warmtapwatervoorzieningen en -installaties met circulatie moet de temperatuur van het water in de retourleiding(en) direct voor het warmtapwatertoestel bij gebruik conform ontwerpcondities ten minste 60°C zijn. Bij het opstellen van deze eis is er in eerste instantie van uitgegaan dat aan tappunten voor warmwater de temperatuur van het water geschikt moet zijn voor alle voorkomende huishoudelijke gebruiken waaronder die van schoonmaak en vaatwas (55°C). Omdat in collectieve installaties en installaties met een circulatiesysteem het risico op groei van legionella groter is, is ter preventie van legionella gekozen voor een temperatuur van minimaal 60°C. Bij het opstellen van deze eis is ervan uitgegaan dat de temperatuur alleen in uitzonderingsgevallen niet wordt gehaald, bijvoorbeeld in geval van piekbelasting en het gebruik van nachtstroomboilers. Staan op de warmtapwaterinstallatie achter een mengtoestel met een ingestelde temperatuur < 55°C uitsluitend tappunten aangesloten voor huishoudelijke gebruiken waarvoor een lagere temperatuur volstaat, bijvoorbeeld voor persoonlijke hygiëne (37 °C – 40°C), dan wordt geacht te zijn voldaan aan de eisen in de norm uit oogpunt van veiligheid en doelmatigheid. Wanneer het vanuit het oogpunt van de volksgezondheid nodig blijkt, moet ter preventie van legionella aan de tappunten na het mengtoestel een minimale temperatuur van 60°C kunnen worden bereikt. Het nieuw aanleggen van warmtapwaterinstallaties met circulatie waarbij de temperatuur van het circulerende water tussen 25°C en 50°C ligt of mogelijk is (mengwaterinstallaties), is in verband met legionellapreventie, te ontraden.” “Bij het opstellen van de eis, dat aan de tappunten de temperatuur ten minste 55°C moet zijn, is ervan uitgegaan dat de temperatuur van het water geschikt moet zijn voor alle voorkomende huishoudelijke gebruiken. Voor woninginstallaties met circulatie wordt verwezen naar de toelichting bij collectieve warmtapwatervoorzieningen en -installaties. Bij toepassing van een centraalthermostaat wordt, afhankelijk van de leidingconfiguratie, aanbevolen ter preventie van legionella een temperatuur van minimaal 60°C aan de tappunten na de centraalthermostaat mogelijk te maken.”

34 6 november 2009


De eisen zoals die hierboven zijn opgesteld in de NEN 1006:2002/A1:2005 nl gelden als randvoorwaarden voor het te modelleren systeem. De keuze van een systeem met of zonder circulatieleidingen komt aan bod in de ‘Afbakening van het Probleem’ en hieruit zal dus ook blijken wat de minimale temperaturen voor tapwater in het systeem moeten zijn. De NEN 1006 schrijft in feite minimaal 60°C voor bij de tappunten in geval van een circulatieleiding. In dit onderzoek zijn we vooral geïnteresseerd in de temperatuurvraag bij de buffer. Het lijkt verstandig om voor de vraag dan een hogere temperatuur bij de buffer aan te nemen, omdat dan nog rekening wordt gehouden met temperatuursverlies tijdens transport. Voorlopig wordt hier 5°C extra bovenop de eis bij de tappunten aangehouden voor de gevraagde temperaturen bij de buffer (dus 65°C in geval van een circulatieleiding).

3.3

Interne Warmteproductie In de ‘Afbakening van het Probleem’ is gesteld dat er niet wordt gekeken naar het energiegebruik van overige elektrische apparaten. Het gaat in dit onderzoek enkel en alleen om het verbruik van energie voor het verwarmen van de woning of het verwarmen van tapwater. Toch wordt er in deze paragraaf gekeken naar het energieverbruik van verschillende apparaten die tot de groep ‘overig’ behoren. De reden hiervoor is dat er door het energieverbruik van deze apparaten een redelijk grote hoeveelheid warmte vrij kan komen. Deze warmte zal een significante bijdrage leveren aan de interne warmte productie. Naast deze apparatuur bestaat de interne warmte verder nog uit warmteproductie door personen (lichaamswarmte) en warmteproductie door verlichting. Voor alle voorgaande posten van interne warmteproductie is het moeilijk om een voorspelling te maken van de grootte van de warmteproductie in de tijd. Volgens NEN 5128 is de verdeling van de warmteafgifte door interne bronnen over woon- en slaapzones van een woning zoals in tabel 10 weergegeven. Tabel 11: Interne Warmtelast bij Woningen volgens NEN 5128

Tijd [uur]

07:00 - 17:00 17:00 - 23:00 23:00 - 07:00 etmaalgemiddeld

Slaapzone [W/m2]

Woonzone [W/m2]

2 dagen per week

5 dagen per week

8 20 2 9

2 4 6 3,83

1 1 6 2,67

Verwarmde Zone Gemiddeld [W/m2] 4,64 10,93 4 6

Deze data is vooral een referentie voor later onderzoek. In TRNSYS zijn een aantal mogelijkheden om de interne warmtelast te verwerken in het model. Dit is ook de reden dat de theorie voor de berekening van interne warmtelast en invloeden daarvan op de temperatuur van een ruimte hier niet verder worden behandeld. In figuur 24 is nog een indicatie te zien voor de interne warmtelast gedurende de week. Daarnaast is in tabel 11 nog het elektriciteitsverbruik van een verschillend aantal apparaten te zien, wat een goede graadmeter is voor de hoeveelheid warmte dat deze apparaten produceert.

35 6 november 2009

Optimalisatie van zonne-energieopslag voor woningen

Interne Warmtelast [W/m2]

Een Literatuurstudie door B.J.C.M. Hendriks

Interne Warmtelast in Woningen per m2 Ag

25

Woonzone

20

Slaapzone

15

Totaal

10 5 0

ma di wo do vr za

zo

Figuur 24: Interne Warmtelast Gedurende Verloop van een Week voor Woningen

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de warmteproductie van enkele huishoudelijke apparaten. Hier moet misschien later nog naar worden teruggekeken tijdens het opstellen van het TRNSYS model, wanneer het gaat om interne warmteproductie. Tabel 12: Elektriciteitsverbruik van Huishoudelijke apparaten (230 volt) in kWh/jaar

Apparaat koelkast vrieskist wasmachine ventilatie verlichting diversen (tv etc.)

totaal standaard afwasmachine droogtrommel elektrisch koken

totaal extra

Gemiddeld

Zuinig

Geavanceerd

350 500 400 500 800 350

90 180 240 275 150 200

50 100 115 75 150 200

2900

1135

690

500 520 700

310 350 400

165 180 280

1720

1060

625

36 6 november 2009


4.

Literatuur Energie Opslagsystemen Dit hoofdstuk geeft de belangrijkste informatie die betrekking heeft op verschillende energieopslagsystemen. Er zijn tal van systemen met een nog groter aantal mogelijkheden. In paragraaf 4.1 wordt het onderscheidt gemaakt tussen korte en lange termijn opslag. Vervolgens wordt er ook een keuze gemaakt voor de te onderzoeken opslagtermijn (zie ook Afbakening van het Probleem’). In de paragrafen die hierop volgen komen de belangrijkste opslagmethodes, die van toepassing zijn op de gekozen termijn, aan de orde. Het doel van dit hoofdstuk is dat met behulp van de literatuur die hier aan bod komt, later in het onderzoek een goed beeld gevormd kan worden van de eigenschappen van opslagsystemen. Dit zal in een later stadium het modelleringproces van een bepaald type systeem ook moeten vereenvoudigen.

4.1

Opslagduur en Opslagmedium Er zijn grofweg drie typen thermische opslag: voelbare opslag, latente opslag en chemische opslag. Daarnaast kunnen opslagsystemen ook nog worden onderverdeeld in verschillende temperatuur niveaus. Zo is er lage temperatuuropslag voor systemen met temperaturen onder de 100°C, middelmatige temperatuuropslag voor systemen met temperaturen tussen de 100°C en 500°C en hoge temperatuuropslag voor temperaturen boven de 500°C. De keuze voor een type thermisch opslagsysteem is hoofdzakelijk afhankelijk van de duur van opslag (dag-, week-, maandof seizoenopslag), economische haalbaarheid, gebruiksomstandigheden, etc. Het gebruik van thermische energieopslag kan bijdragen aan efficiënt energiegebruik en energieomzetting. Efficiënte energieopslagsystemen minimaliseren thermische verliezen en bereiken een hoog percentage aan energie terugwinning gedurende de extractie van de opgeslagen energie met weinig verlies/degeneratie in temperatuurniveau. In de volgende deelparagrafen (4.1.1 en 4.1.2) wordt aandacht besteed aan de duur van perioden waarmee thermische energie opgeslagen kan worden en aan de manier waarop opgeslagen kan worden.

4.1.1

Opslagduur: Korte Termijn Opslag vs. Lange Termijn Opslag Het opslaan van warmte is een belangrijk onderdeel van verschillende systemen voor duurzame energie en andere energie-efficiënte installaties. Door gebruik te maken van warmteopslag wordt het rendement van dergelijke systemen aanzienlijk vergroot. Warmteopslag speelt vooral een belangrijke rol bij systemen met actieve zonne-energie. Ook bij systemen met warmtepompen en warmtekrachtkoppeling kan warmteopslag van belang zijn. Een belangrijk onderscheid is te maken in opslagsystemen voor enerzijds de korte en anderzijds de lange termijn. Lange termijn energieopslag moet compenseren voor de seizoensfluctuaties, daar waar korte termijn opslag warmte moet bufferen over perioden van enkele uren tot een paar dagen. Zowel de lange als de korte termijn energieopslag systemen zijn weer onder te verdelen in verschillende categorieën. Deze zijn te zien in het boomdiagram van figuur 22. Bij de deelgroepen waar enkel een streepje te zien is, betekent dit dat er een verscheidenheid aan mogelijkheden is (te veel om op te nemen in het diagram).

37 6 november 2009


Opslag Thermische Energie

Korte Termijn Opslag

Lange Termijn Opslag

Actief Systeem

Voelbare Opslag

Tanksysteem

Bodem (zand/kleilaag)

Actief Systeem

Passief Systeem

Latente Opslag

Chemische Opslag

Voelbare Opslag

Latente Opslag

PCM

-

-

PCM

Voelbare Opslag

Tanksysteem

Bodem (zand/kleilaag)

Aquifer

Overig

Figuur 25: Boomdiagram voor Verschillende Methodes Energieopslag

Zoals te zien in de bovenstaande figuur zijn er veel verschillende manieren voor energieopslag. In de volgende paragrafen wordt niet alles behandeld. Alleen de onderwerpen die relevant lijken of die interessant zijn voor het onderzoek worden hier behandeld. In 4.1.1.1 en 4.1.1.2 worden respectievelijk de korte en de lange termijn opslag behandeld. Het gaat hierbij voornamelijk over de duur van de opslag en de meest geschikte systemen. 4.1.1.1

Korte Termijn Het is lastig een exacte definitie te geven van ‘korte termijn opslag’. Er wordt hier aangenomen dat het gaat over opslag van warmte met een duur van enkele uren tot maximaal een paar dagen. Eventueel kan korte termijn energieopslag ook nog een duur hebben van enkele weken tot maanden, zolang het maar te kort is voor seizoensopslag. Echter, in dit onderzoek zal een beperking gesteld worden voor de duur van de opslag; zijnde enkele uren tot maximaal een paar dagen. In het boomdiagram van figuur 25 is te zien dat korte termijn energieopslag bestaat uit zowel een passieve als een actieve kant. De passieve kant heeft vooral te maken met het gebruik van opgeslagen energie, zonder tussenkomst van allerlei installaties (denk bijvoorbeeld aan voelbare warmteopslag in de wanden van de woning). De actieve kant gebruikt juist wel installaties en dit is dan ook het deel van de korte termijn opslag waarop het onderzoek gericht is. In het boomdiagram is te zien dat een actief systeem voor korte termijn energieopslag over drie verschillende mogelijkheden beschikt. Chemische opslag wordt hier buiten beschouwing gelaten, omdat uitwerking van deze methode waarschijnlijk een te scheikundig/werktuigbouwkundig karakter zal hebben. Daarnaast lijken de twee andere methodes voor de woningbouw geschikter. Voor de voelbare warmteopslag is het tanksysteem het meest interessant. Resterend zijn dan de volgende twee opties voor korte termijn energieopslag: • Tank of watervat: Een bekend voorbeeld hiervan is het voorraadvat van een zonneboilersysteem. Dit vat is bedoeld voor de opslag van warm water van maximaal ca. 80°C tot 90°C voor uiterlijk enkele dagen. Een andere toepassing is bijvoorbeeld het tijdelijk opslaan van restwarmte van een WK-installatie; 38 6 november 2009


•

Fase veranderingsmateriaal of zoutopslag: De opslag is gebaseerd op een faseverandering van de stof die verwerkt is in het bouwmateriaal (van vloeibaar naar gestold, enz.). Opslag in zouten en andere fase veranderingsmaterialen is nog duur en wordt daarom slechts experimenteel toegepast.

Voor het onderzoek is niet zozeer gekozen voor een bepaalde specifieke opslagtermijn. Echter, wordt er wel meer gericht op korte termijn opslag, omdat dit een systeem is dat meer past bij de woningbouw zoals die hier als kader gebruikt is. Omdat in de ‘Afbakening van het Probleem’ later is gekozen voor een korte termijn opslag door middel van een (water-) tank of opslagvat, komt dit veel uitgebreider aan de orde in de paragrafen over het gekozen opslagsysteem. Vandaar dat hier geen aandacht meer wordt besteed aan de opslagmethodes voor korte termijn en de lange termijn opslag relatief iets meer aandacht krijgt. 4.1.1.2

Lange Termijn Bij opslag voor lange termijn moet men denken aan een half jaar. Hierdoor is seizoenopslag mogelijk. De in de zomer ingevangen (zonne-) warmte wordt enkele maanden opgeslagen zodat deze in de winter weer gebruikt kan worden. Ook bij WK installaties kan, zo is de verwachting, een seizoenopslag zinvol zijn. Lange termijnopslag is naar verhouding nog redelijk kostbaar. In Nederland zijn op het moment wel al een aantal bouwprojecten met lange termijn warmteopslagsystemen gerealiseerd. Lange termijn opslagsystemen zullen in de toekomst een nog belangrijker onderdeel gaan uitmaken van 'energieneutraal' bouwen. Lange termijn energieopslag heeft een aantal belangrijke eigenschappen. Zoals hiervoor al genoemd, is de opgeslagen warmte bedoeld voor een lange periode (bv. de gehele winter). Dit betekent dat de opslagsystemen grote volumes moeten bezitten om aan de energiebehoefte te kunnen voldoen. Dergelijke grote volumes kunnen zijn (SenterNovem 2005): • Kunstmatige opslagbassins: Bijvoorbeeld een watervoorraad. Diverse uitvoeringen zijn mogelijk zoals een metalen of betonnen tank, of een in de bodem uitgegraven put met bekleding; • Aquifer opslag: Dit is een watervoerende bodemlaag. Een voor warmte-opslag geschikte aquifer bestaat meestal uit een zandlaag die is omgeven door 'waterdichte' (horizontale) lagen klei. De grondwaterstromen in de zandlaag mogen slechts een Figuur 26: Warmteopslag met een Aquifer beperkte snelheid hebben om warmteverliezen te beperken. De warmte wordt bij een aquifer rechtstreeks in het (grond)water en het zand opgeslagen. Aquifers kunnen gebruikt worden voor zowel opslag van hoge als lage temperatuur; • Grond, steengroeven en steen opslag: Bijvoorbeeld een buizenstelsel in zand-, klei- en veenlagen. De (zonne)warmte wordt via een buizenstelsel aan de bodem afgegeven en

39 6 november 2009


weer teruggewonnen. Ook bij dit systeem mogen de grondwaterstromen natuurlijk niet te groot zijn. Een ander belangrijk onderscheid dat bij lange termijn warmteopslagsystemen wordt gemaakt is het verschil in temperatuurniveau: • hoge temperaturen, van ca. 40 °C gemiddeld over het jaar; • lage temperaturen, tot ca. 20 °C gemiddeld over het jaar. Uit het bovenstaande is overigens af te leiden dat warmtepompen essentieel zijn om de warmtevoorraad van dit niveau te kunnen gebruiken voor verwarmingsdoeleinden. Zonder warmtepompen behaald het systeem gewoonweg te lage temperaturen voor het transportmedium om aan de verwarmingsbehoeften te voldoen zoals die in de winter kunnen voorkomen. De warmteopslag op de lange termijn wordt echter niet verder bekeken in dit onderzoek. In de afbakening van het probleem is een kader opgesteld waar lange termijn opslag buiten valt. Enkel korte termijn energieopslag is hier interessant en daarom wordt er hier niet verder uitgewijd over lange termijn energieopslag. 4.1.2

Opslagmethode: Voelbaar, Latent of Chemisch Energieopslag kan plaatsvinden door middel van voelbare warmteopslag, chemische warmteopslag bij producten met een omkeerbare chemische reactie of door latente warmteopslag. De keuze voor een van deze soorten opslag hangt af van de aard van het proces. Voor bijvoorbeeld het verwarmen van water is het logisch om de warmte voelbaar op te slaan in (ander) water. Bij passieve verwarming wordt opslag verkregen door voelbare warmteopslag in bouwelementen. Bij gebruik van fotovoltaïsche of fotochemische processen is het dan weer vanzelfsprekend om chemische warmteopslag te gebruiken. In de onderstaande paragrafen worden kort de belangrijkste eigenschappen geschetst van de drie boven beschreven opslagmethodes.

4.1.2.1

Voelbare Warmteopslag Thermische energie kan opgeslagen worden als voelbare of latente warmte. Systemen die energie opslaan als voelbare warmte gebruiken de warmtecapaciteit van een materiaal en de mogelijkheid van dit materiaal om van temperatuur te veranderen gedurende het proces van opladen en ontladen. De temperatuur stijgt wanneer energie wordt geabsorbeerd en daalt wanneer energie onttrokken wordt. Het opladen en ontladen van een materiaal bij voelbare warmteopslag kan

40 6 november 2009


gezien worden als een volledig omkeerbaar proces voor een oneindig aantal cyclussen, gedurende de levensduur van het systeem. De voelbare warmte Q die toegevoegd of onttrokken wordt aan een materiaal door het veranderen van de temperatuur van T1 naar T2 bij gelijke druk is gelijk aan:

(4.1) Waarin M de massa (kg) is, Cp is de specifieke warmtecapaciteit (J/kg °C), ρ is de dichtheid (kg/m3) en V is het volume van het materiaal (m3). Zoals uit de bovenstaande vergelijking blijkt, kan een materiaal met grotere specifieke warmtecapaciteit en dichtheid, meer energie opslaan per eenheid van volume. Daarnaast zijn er natuurlijk andere parameters die de prestaties van het opslagsysteem beïnvloeden zoals: de omgevingstemperatuur, de werkingstemperatuur, de thermische geleiding, dampspanning, relatie tussen het opslagmedium en de opslagruimte, stabiliteit van het materiaal bij de hoogste temperatuur uit de cyclus en de kosten van het systeem. Voelbare warmteopslag kan worden onderverdeeld in vloeibare opslag, opslag in een vast medium en duale opslag. Omdat er in dit onderzoek gewerkt zal worden met een collector die warmte door middel van het medium ook zal moeten verplaatsen naar de opslaglocatie is in de ‘Afbakening van het Probleem’ de keuze gemaakt voor warmteopslag in een vloeibaar medium. Van de beschikbare vloeistoffen kan water gezien worden als meest geschikt medium voor opslag onder de 100°C. Water heeft de volgende voordelen: • Overvloedig aanwezig en dus bijna kosteloos; • Gemakkelijk te behandelen, niet giftig en niet brandbaar; • Stroming kan tot stand worden gebracht door drukverschil (thermische verschillen); • Het heeft een hoge dichtheid, hoge specifieke warmte, goede thermische conductiviteit en lage viscositeit; • Kan als opslagmedium en eveneens als transportmedium worden gebruikt; • Laden en ontladen van de thermische energie kan gelijktijdig plaatsvinden. De nadelen van water kunnen echter ook randvoorwaarden van het systeem vormen. De specifieke nadelen van water zijn hier: • Gelimiteerde temperatuursrange voor het gebruik tussen de 0°C en 100°C. • Hoge dampspanning bij hoge temperaturen; • Een corrosief medium; • Lage oppervlaktespanning (lekt gemakkelijk); • Moeilijk een gelaagdheid in aan te brengen. Water heeft een hoger warmtecapaciteit van 4186 J/kg·K bij een standaard temperatuur en druk. Gecombineerd met de redelijk lage thermische conductie eigenschappen van water (0,56 J/m·s·K bij 0°C en stijgend tot 0,68 J/m·s·K bij 100°C) levert dat een bruikbaar opslagmedium. 4.1.2.2

Latente Warmteopslag In een zogenoemde latente warmteopslag wordt de warmte niet opgeslagen in een temperatuurverhoging, maar in een faseovergang. De materialen die hiervoor worden gebruikt worden faseovergangsmaterialen genoemd, vaak afgekort met PCM (van het Engelse Phase 41 6 november 2009


Change Materials). Voor het laten smelten van een PCM is veel warmte nodig, die weer vrijkomt zodra het materiaal stolt. Omdat het materiaal bij het smelten of stollen niet van temperatuur verandert wordt deze vorm van warmteopslag latent (verborgen) genoemd. Het grote voordeel van deze warmteopslagtechniek is dat in een beperkt smelt-temperatuurbereik zeer veel warmte kan worden opgeslagen. De meeste PCM’S vallen in één van drie categorieën: paraffines, vetzuren of zouten. Paraffines (’kaarsvet’) en vetzuren (onder andere stearinezuur) hebben als belangrijk voordeel dat ze eenvoudig toepasbaar zijn. Ze zijn niet giftig en niet corrosief. De smeltenthalpie, de hoeveelheid warmte die in een faseovergang kan warden opgeslagen, is echter relatief gering in vergelijking met de andere optie, evenals de warmtegeleiding. Zouten, zoals calciumchloride of natriumacetaat presteren in deze opzichten een stuk beter. Zij zijn echter vaak zeer corrosief, zodat extra aandacht moet worden besteed aan de bescherming van bijvoorbeeld het opslagvat. 4.1.2.3

Chemische Warmteopslag Eerder is al geschreven over de opslag van voelbare warmte in een temperatuurverhoging en over opslag in latente warmte in een faseovergang. Er is echter nog een derde principe: de opslag van warmte in chemische bindingsenergie. In dat geval wordt warmte toegevoegd aan een materiaal, dat vervolgens in een endotherme reactie wordt gesplitst in twee componenten. De warmte kan op een later tijdstip weer worden teruggekregen door deze twee componenten bij elkaar te voegen, waarbij ze exotherm reageren tot het oorspronkelijke materiaal. Waar in een batterij of een accu een chemische reactie wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken, wordt er in dit geval warmte mee opgewekt. Materialen die geschikt zijn voor chemische warmteopslag zoals silicagel of zeoliet zijn zeer poreus en beschikken daarom over een zeer groot oppervlak. Er kan daarom veel water worden geadsorbeerd in een beperkt volume. Dit leidt tot een hoge opslagdichtheid. Een sorptie-opslag kan drie tot zes keer zoveel warmte opslaan als een even grote wateropslag. Een ander belangrijk voordeel is dat er geen opslagverliezen optreden. Bij het laden van de opslag wordt de oorspronkelijke stof gesplitst in twee componenten, die gescheiden van elkaar kunnen worden bewaard. Zolang de stoffen niet bij elkaar worden gebracht komt er ook geen warmte vrij. Een verliesloze opslag is voor vrijwel alle toepassingen interessant, maar in het bijzonder voor de seizoensopslag van (zonne-)warmte.

4.2

Opslagmethodes Doordat in de ‘Afbakening van het Probleem’ de keuze is gemaakt om lange termijn opslag buiten beschouwing te laten en in dit onderzoek enkel en alleen korte termijn opslag te behandelen komen in deze paragraaf dan ook alleen opslagsystemen aan de orde voor de korte termijn. De zonneboiler is de manier van opslag die het meest lijkt overeen te komen met het opslagsysteem dat in dit onderzoek gebruikt zal worden(zie ook weer ‘Afbakening van het Probleem’). Dit is dan ook de reden dat de zonneboiler uitgebreider beschouwd wordt.

4.2.1

Zonneboiler Een zonneboiler zet zonnestraling om in warmte en slaat die warmte op in een voorraadvat met water. Geeft de zon niet voldoende warmte, dan zorgt een naverwarming ervoor dat er altijd voldoende warm water beschikbaar is. De hoofdonderdelen van een zonneboiler zijn de 42 6 november 2009


zonnecollector, de leidingen, het voorraadvat, de regeling, de isolatie en de eventuele naverwarming. Deze zijn te zien in figuur 20. • De zonnecollector vangt het invallende zonlicht op en zet het om in warmte. De collector geeft de warmte door aan een vloeistof die de zonnewarmte van de collector naar het opslagvat brengt. • De vloeistof circuleert in de leidingen tussen de collector en het voorraadvat. De vloeistof neemt warmte op in de collector en geeft die af aan het water in het voorraadvat. De afgekoelde vloeistof stroomt dan weer naar de collector terug om opnieuw op te warmen. Wanneer het vat boven de collector is geplaatst gebeurd dit automatisch door drukverschil; warm water stijgt op; een pomp is niet nodig. Als het vat zich onder de collector bevindt, zal het water met een pomp actief moeten worden rondgepompt. • Het voorraadvat zorgt ervoor dat de door de zon geproduceerde warmte Figuur 27: Schematische weergave van zonneboiler wordt vastgehouden tot op het moment dat er warm water nodig is. Bij voldoende zonnestraling kunnen de zonnecollectoren het water in het voorraadvat opwarmen tot boven de 60°C. • Als de zon niet voldoende warmte levert, zorgt de naverwarming ervoor dat de gewenste temperatuur bereikt wordt. De naverwarming is mogelijk een elektrische weerstand, een doorstroomtoestel op gas of een CV-ketel. Bij een duoboiler zit de naverwarming in het voorraadvat. Er zijn vier soorten zonneboilers: de zonneboilercombi, de standaard zonneboiler, de cvzonneboiler en de compactzonneboiler. De verschillen zitten vooral in de inhoud van de boiler en in de naverwarmer die past bij de installatie (SenterNovem 2005).

Standaard zonneboiler Een standaardzonneboiler bestaat uit een collector van meestal ca. 3 m² (standaard collector 1.8 x 1.8 m) en een los voorraadvat van 80 tot 120 liter. Als naverwarmer wordt in de regel een combiketel toegepast. Een Figuur 28: Standaard Zonneboiler standaard zonneboiler heeft een los voorraadvat. Als globale afmetingen heeft een standaard zonneboilervat een diameter van ca. 65 cm en een hoogte van 100 - 120 cm. Een alternatief is een liggend vat, van 130 cm lengte en vijftig centimeter doorsnede. Hierbij moet het vat hoger zijn gelegen dan de collector. Omdat warm water opstijgt, stroomt het warme

43 6 november 2009


collectorwater dan vanzelf naar het vat zonder hulp van een pomp. Dit systeem heet een thermosifon.

Compacte zonneboiler Een compacte zonneboiler is een zonneboiler waarbij leidingwater direct in een goed geïsoleerde collector wordt verwarmd. De collector en het voorraadvat zijn geïntegreerd, waardoor er dus geen apart vat nodig is. De watervoorraad bedraagt 70 tot 170 liter. Omdat de watervoorraad in de collector zit, is deze dikker en zwaarder dan de collector van een standaardzonneboiler. Dit is echter voor de gangbare daken geen plobleem. Een compacte zonneboiler is voorzien van een Figuur 29: Compacte Zonneboiler compact systeem.

CV-zonneboiler Een cv-zonneboiler is een zonneboiler met een extra warmtewisselaar in het voorraadvat. Het vat heeft een inhoud van ongeveer 120 tot 240 liter. De extra warmtewisselaar is aangesloten op de cv-ketel en houdt het bovenste gedeelte van het boilervat op minimaal 60°C. Omdat direct uit het voorraadvat wordt getapt is het comfort hoger dan bij een zonneboiler plus combiketel. Een cv-zonneboiler kan in principe gecombineerd worden met een willekeurige cv-ketel. Een cv-zonneboiler heeft altijd een los voorraadvat met een diameter van ca. 65 cm en een hoogte van Figuur 30: CV-Zonneboiler 140-160 cm. Een cv-zonneboiler is voorzien van een gepompt systeem.

Zonneboilercombi Een zonneboilercombi is een gepompt systeem, waarbij het voorraadvat en de cv-brander geïntegreerd zijn. De warmte in het vat wordt gebruikt voor tapwater verwarming en ruimteverwarming. De bijdrage aan ruimteverwarming is echter gering, vooral in een woning met een geringe warmtebehoefte; een goed geïsoleerde woning met een kort stookseizoen. De naverwarming van het cv- en tapwater is geïntegreerd, maar gebeurd gescheiden in Figuur 31: Zonneboiler Combi het voorraadvat. Vanwege de relatief lage temperaturen in het boilervat is een zonneboilercombi zeer goed geschikt voor lage temperatuurverwarming. De zonneboilercombi is door zijn vrij grote watervoorraad in afmetingen

44 6 november 2009


vergelijkbaar met een flinke boiler die een diameter heeft van ca. 65 cm en een hoogte van 145 cm. Nu enigszins duidelijk is hoe de verschillende boilersystemen werken, is het verstandig een keuze te maken voor een bepaald type zonneboiler alvorens dieper in te gaan op de afzonderlijke componenten van het systeem en diens eigenschappen. In de ‘afbakening van het probleem’ is een keuze gemaakt voor een systeem dat zowel energie voor warmtapwater als voor ruimteverwarming kan leveren. Dit betekent dat de componenten van de zonneboilercombi hier het beste beschouwd kunnen worden, aangezien het te ontwikkelen opslagsysteem hier het meeste op zal lijken. In de volgende deelparagrafen komen de afzonderlijke componenten aan bod met hun belangrijkste eigenschappen die zeer waarschijnlijk belangrijk zullen zijn voor de modellering van het zelf gemodelleerde opslagsysteem in dit onderzoek. 4.2.1.1

De Collector De collector is waarschijnlijk het belangrijkste deel van de zonneboiler. Hij vangt het zonlicht, zet dit licht om in warmte en geeft deze warmte af aan langsstromend water. Er zijn verschillende soorten collectoren. Echter voor de gekozen zonneboilercombi, lijkt de vlakke plaat collector de meest voor de hand liggende keuze. De belangrijkste andere collector is de vacuüm-buiscollector. Deze collector wordt echter weinig toegepast in Nederland, aangezien de meeropbrengsten van extra rendement niet opwegen tegen de hogere kosten voor dit collectortype.

Figuur 32: Collectoren voor een Zonneboilersysteem

De vlakke plaat collector bestaat uit een ondiepe bak die meestal een oppervlak heeft van rond de 3m2. In deze bak zijn de verschillende onderdelen in lagen aangebracht. Achtereenvolgens bestaat de bak uit een (glazen) afdeklaag, een absorber en isolatiemateriaal. De absorber is het hart van de collector. Hij bestaat uit één of meerdere metalen platen die onder invloed van zonnestraling opgewarmd worden. In de platen zijn door middel van kanaaltjes of buizen ruimtes aangebracht waar water doorheen kan stromen. Het water voert een deel van de warmte af naar het opslagvat. Er zal echter ook een deel van de warmte verloren gaan, doordat de warme absorptieplaat energie verliest aan de omgeving. Hoe minder energie verloren gaat, des te beter is de collector. In figuur 26 worden de energiestromen bij een collector geïllustreerd. Figuur 33: Energiestromen bij een Vlakke Plaat Collector

45 6 november 2009


De isolatie van de behuizing aan de zijkanten en achterkant van de collector is van een hoogwaardige kwaliteit om energieverliezen tot een minimum te beperken. Toch zijn een aantal energieverliezen bij de collector niet te vermijden. Deze energieverliezen zijn voor het grootste deel afhankelijk van het verschil in temperatuur van de absorber en de buitentemperatuur. De verliezen kunnen worden onderverdeeld in convectie- en radiatieverliezen (en een heel klein deel conductieverliezen). Een glasplaat bedekt de collector en voorkomt een groot deel van de convectieverliezen. Daarnaast reduceert het glas verliezen door warmtestraling van de absorber op dezelfde manier als een broeikas dat doet. Echter, het glas reflecteert ook een klein deel van de opvallende zonnestraling welke dus niet bij de absorber terecht kan komen. In figuur 27 is het bovenstaande te zien met nog enkele belangrijke verliezen toegevoegd. Alle afgebeelde percentages zijn genomen ten opzichte van de initiële waarde van Φe.

Figuur 34: Energie Omzetting in de Zonnecollector en Mogelijke Verliezen

Het glas reflecteert en absorbeert dus een klein gedeelte van de zonnestraling Φe zoals ook te zien is in figuur 28, maar het grootste gedeelte zal doorgelaten worden. De reflectie ρ, absorptie α en transmissie τ beschrijven dit proces. De som van deze waarden moet 1 zijn (Quaschning 2005):

(4.2)

1 De overeenkomstige energiestromen zijn:

·

·

·

(4.3)

Figuur 35: Energiestromen in Glazen Afdekplaat

De absorptie van de zonnestraling warmt de glasplaat op. Als het glas in een warmte equilibrium bevindt, moet het de geabsorbeerde straling weer uitzenden. In dit geval is de uitgestraalde energie Φe gelijk aan de geabsorbeerde energie Φa. Of ook wel α is gelijk aan ε. De bovenstaande

46 6 november 2009


theorie (met eventuele toevoegingen voor convectie en conductie) is ook geldig voor de rest van de energiestromen in de collector zoals die te zien zijn in figuur 27. Voor uitgebreidere theorie over het rendement van de collector wordt verwezen naar paragraaf 5.2.1. Het resterende deel van deze paragraaf wordt gebruikt voor het beschrijven van de materialen en de opbouw van een collector. Deze materialen zullen later ook in het onderzoek gebruikt worden voor een modellering. Aan de ene kant moet de afdekplaat zoveel mogelijk zonnestraling doorlaten. Aan de andere kant moet het de straling die de absorber afgeeft zoveel mogelijk tegenhouden en moet het de convectieverliezen aan de omgeving reduceren. De meeste collectoren gebruiken daarom een plaat die gemaakt is van ijzerarm enkelglas met een hoge lichtdoorlatendheid. De behuizing van de collector kan gemaakt worden van plastic, metaal of hout. Deze behuizing moet de afdekglasplaat aan de voorkant dusdanig afsluiten dat er geen warmte kan ontsnappen en er geen vuil, ongedierte of vochtigheid in de collector kan komen. Veel collectoren hebben daarnaast een behuizing met geïntegreerde ventilatie om te voorkomen dat vocht aan de binnenkant van de collector condenseert op de binnenzijde van de glasplaat. Het materiaal voor de isolatie van de achterzijde moet weerstand kunnen bieden tegen hoge temperaturen en moet zeer goed isolerend zijn. Geschikte materialen zijn polyurethaan schuim (PUR) of minerale wol. Belangrijk is ook dat de isolatie en alle andere materialen niet met elkaar verbonden zijn door middel van bindingsmiddelen die verdampen bij hogere temperaturen, omdat deze kunnen condenseren tegen de glasplaat. Dit reduceert weer de zoninstraling. De collector kan temperaturen bereiken van rond de 200°C. Alle materialen moeten daarom deze temperatuur kunnen weerstaan. Om deze reden is de absorber gewoonlijk gemaakt van metalen zoals koper, staal of aluminium. Absorbers van koper komen tegenwoordig het meest voor. Het is een welbekend fenomeen dat zwarte materialen zonlicht zeer goed absorberen en opkunnen warmen tot hogere temperaturen. Metalen hebben normaal gesproken echter geen zwarte oppervlakken en moeten om deze reden dus gecoat worden. 4.2.1.2

Zonneboilercombi Opslagvat Zonne-energie is een sterk tijdsafhankelijke energiebron. Energiebehoeften voor verschillende doeleinden zijn eveneens tijdsafhankelijk, maar hebben vaak een geheel ander patroon. Als gevolg hiervan is het nodig om zonne-energie op te kunnen slaan, om een substantieel deel van de energiebehoefte te kunnen leveren met zonne-energie. Bij een systeem zoals de zonneboilercombi gebeurt deze opslag in het opslagvat of buffervat zoals dat schematisch te zien is in figuur 36.

47 6 november 2009


Zonne-energie

Collector

Leidingen

Buffervat

Leidingen

Warmte Afgifte

Warmtevraag

Regelsysteem

Figuur 36: Plaats van het Opslagvat in het Systeem

De temperatuur van het medium (water) in het vat wordt bepaald door de hoeveelheid zonneenergie die de collector de uren daarvoor opgevangen heeft en door de hoeveelheid water die aan het vat onttrokken is. In het geval van de zonneboilercombi komt daar nog bij dat er warmte onttrokken wordt, bestemd voor ruimteverwarming. Al met al heeft dat tot gevolg dat de temperatuur in het vat schommelt tussen de 10°C en 90°C. Meestal wil een eindgebruiker echter een vaste temperatuur van het water dat uit de kraan komt, bijvoorbeeld 60°C. Dat betekent dat het water uit het voorraadvat nog extra verwarmd moet worden als de temperatuur te laag is. (Of bijgemengd moet worden met koud leidingwater als de temperatuur te hoog wordt, maar dit wordt weinig toegepast.) Bij een zonneboilercombi is de naverwarmer geïntegreerd met het opslagvat voor zonnewarmte. Het boilervat is extra groot (ongeveer 240 liter) en heeft een ingebouwde gasbrander. Een aparte cv-ketel of combiketel is dus niet nodig. Het collectorcircuit geeft via een warmtewisselaar warmte af aan het tapwater in de boiler. Indien de zon het water niet tot de gewenste temperatuur verwarmt, zorgt de ingebouwde gasbrander voor naverwarming. Hiertoe wordt het bovendeel van de boiler door de gasbrander op een vaste temperatuur gehouden. Voor ruimteverwarming is boven de gasbrander een warmtewisselaar ingebouwd die is aangesloten op het cv-circuit. Het cvwater wordt via deze warmtewisselaar opgewarmd en geeft zijn warmte aan het verwarmingssysteem in de woning af. De zonneboilercombi is zeer geschikt in combinatie met een ruimteverwarmingsysteem waarbij lage temperaturen worden gebruikt. Als er warm tapwater nodig is schakelt de cv-pomp zo nodig uit om het tapwater voorrang te geven bij het naverwarmen. De bijdrage van de zonnewarmte aan ruimteverwarming lijkt vooraf minimaal door verschil in tijd tussen vraag en aanbod van de energie. Echter, als er voldoende collectoren zijn opgesteld kan er misschien ook een significante bijdrage worden geleverd aan de ruimteverwarming. Dit is tevens een onderdeel van het beoogde onderzoek. Op de plek van het opslagvat moeten een aantal voorzieningen aanwezig zijn of aangesloten worden. Natuurlijk dient er een aansluiting te zijn op het koude en warme waterleidingnet in huis. Ook moet er een aansluiting zijn van de radiatoren op de warmtewisselaar voor ruimteverwarming 48 6 november 2009


in het opslagvat. Voor de afvoer van het overtollige water dat vrijkomt uit de ontlastklep moet een waterafvoerbuis aanwezig zijn (bijvoorbeeld een 32mm afvoerbuis aangesloten op de riolering). Bij een zonneboilerinstallatie moet tevens een thermostatisch mengventiel gemonteerd zijn. Dit is vaak niet standaard aangebracht. Een ventiel verkleint de kans op verbranding. Het water uit het voorraadvat kan bij zomerse omstandigheden namelijk erg warm zijn. Het verhoogt bovendien het comfort. De toevoer voor koud water zit aan de onderzijde en de warmwatertoevoer zit aan de bovenzijde, zodat een goede warmtegelaagdheid in de tank verkregen wordt. In het midden van de tank zit veelal een opening voor de integratie van temperatuursensoren ten behoeve van het meet- en regelsysteem. Belangrijke theorieën voor de modellering van een opslagvat zoals berekening van de opslagcapaciteit, warmteverliezen, temperatuurniveaus etc. komen aan de orde in paragraaf 5.2.3. 4.2.1.3

Leidingen en Isolatie Een opslagsysteem voor warmte met behulp van een zonneboiler vereist natuurlijk leidingen. Deze leidingen transporten het warmte overbrengingsmedium (water) van de zonnecollector naar de warmtebuffer en weer terug. Aan de andere zijde van de buffer zorgen de leidingen voor transport van het medium naar de afgiftesystemen voor de gebruiker. De plaats van deze componenten in het systeem is te zien in figuur 37. Zonne-energie

Collector

Leidingen

Buffervat

Leidingen

Warmte Afgifte

Warmtevraag

Regelsysteem

Figuur 37: Plaats van de Leidingen in het Opslagsysteem

Vanuit energetisch perspectief zorgen leidingen voor ongewenste warmteverliezen. Ze spelen haast geen rol in ruimteverwarming, behalve voor een korte tijd gedurende de winter waarin de leidingen een erg kleine contributie leveren aan vraag naar ruimteverwarming. Als de leidingen slecht of helemaal niet geïsoleerd zijn, verspillen ze een het overgrote deel van de warmte die ze transporteren naar een opslagvat of naar de eindgebruiker. Bij het gehele zonneboilersysteem moeten de leidingen dus zeer zorgvuldig worden geïsoleerd. De isolatie moet bestand zijn tegen temperaturen van 100 °C en op het dak ook tegen vocht. Het collectordebiet, of ook wel de hoeveelheid water (of een ander warmte transportmedium) dat door de collector stroomt per uur, wordt beïnvloed door de lengte en de diameter van de leidingen. Aan de ene kant moet het collectordebiet zo hoog mogelijk zijn, zodat de collector

49 6 november 2009


efficiëntie niet afneemt als gevolg van te hoge collector temperaturen. Aan de andere kant, mag het debiet niet te hoog zijn om de energie voor het rondpompen van het medium binnen de perken te houden. Het berekenen van een geschikt debiet en geschikte aan- en afvoertemperaturen van het medium in de leidingen komt aan de orde in paragraaf 5.2.2. Ook wordt hier een methode beschreven voor het berekenen van de leidingverliezen. 4.2.1.4

Pomp en Regelsysteem Bij zonneboilers is het volgende onderscheid te maken ten aanzien van de werking van de pomp en regelsystemen: Gepompt systeem Het collectorcircuit is voorzien van een pomp. Zodra de collector warmer is dan het tapwater in het voorraadvat, start de pomp. Deze pompt de collectorvloeistof op, uit een terugloopvat, naar de collector. Daar wordt deze vloeistof opgewarmd en vervolgens naar het voorraadvat getransporteerd. Hier wordt de warmte via een warmtewisselaar overgedragen aan het tapwater. Zodra de collector kouder is dan het voorraadvat, stopt de pomp en de collectorvloeistof loopt terug in het terugloopvat. Dit gebeurt ook wanneer het tapwater in het voorraadvat te hoog (80 à 90 °C) wordt. Het terugloopsysteem is zo ongevoelig voor vorst en oververhitting. De vloeistof is (in Nederland) vaak normaal leidingwater zonder toevoeging. De meeste Nederlandse zonneboilers behoren tot het gepompte systeem. Enige belangrijke aandachtspunten: • De onderkant van de collector moet minimaal 0,2 m. boven de bovenkant van het terugloopvat (dit is meestal aangebracht in het voorraadvat) geïnstalleerd worden. • De standaard pompen in de huidige systemen hebben een opvoerhoogte van maximaal ongeveer 4 meter. Dit bepaalt dus voor een belangrijk deel de plek van het voorraadvat tenzij een andere, grotere pomp wordt geïnstalleerd. Een dergelijk pomp kost echter extra energie. Een andere mogelijkheid is om een los terugloopvat dichterbij de collector te monteren. Thermosifon systeem De thermosifon zonneboiler werkt zonder pomp. Het voorraadvat ligt boven de collector. Wanneer de collectorvloeistof in de collector opgewarmd wordt, stijgt deze door natuurlijke werking naar het vat. De natuurlijke circulatie spaart ongeveer 50 tot 100 kWh (=15 à 25 m3 a.e.) per jaar voor de pomp uit. Om het circulatiesysteem tegen vorst te beschermen moet er een middel worden toegevoegd. Dit moet voorzien zijn van een KIWA/ATA-attest. Ook is er een voorziening tegen het te warm worden van het voorraadvat: Een thermosstatische klep gaat open en loost heet water. Koud leidingwater zorgt voor de koeling. Het voorraadvat kan bijvoorbeeld in de nok van een zolder aangebracht worden, mits de afstand tot de collector niet meer is dan circa 3 meter. Compact systeem Bij dit systeem zijn het voorraadvat en de collector in één behuizing ondergebracht. Er is geen collectorcircuit, het tapwater wordt direct opgewarmd. Aan de onderzijde moet de collector grenzen aan een ruimte waar de temperatuur minimaal 10 °C bedraagt. Ook dit collectorsysteem is voorzien van een beveiliging tegen te hoge temperaturen in het voorraadvat.

50 6 november 2009


Enkel in het gepompte systeem komt een regelsysteem voor. Dit is wel het systeem dat hoogstwaarschijnlijk straks het meest in aanmerking komt voor een modellering. Daarom is ook de informatie belangrijk die het deel over het thermosifon systeem geeft belangrijk. Hieruit kan gehaald worden dat het gebruiken van een pomp ongeveer 50 tot 100 kWh per jaar kost. Het gaat daarbij wel om elektrische energie en dit zal daarom niet direct in het model opgenomen worden. Het gaat hier namelijk over het gebruik van warmte en niet elektriciteit. 4.2.1.5

Warmteafgifte Componenten De componenten en elementen van een warmtapwater- en verwarmingssysteem die zorgen voor de afgifte lijken niet direct bij de zonneboilercombi te horen. Toch is deze paragraaf gewijd aan dergelijke componenten, aangezien de keuze van het zonneboilersysteem een invloed heeft op de werking van de afgiftecomponenten maar ook andersom. Er is hier vooral beargumenteerd waarom bepaalde type componenten voor het afgiftesysteem zijn gekozen en wat hun relatie is tot het zonneboilersysteem. Zonne-energie

Collector

Leidingen

Buffervat

Leidingen

Warmte Afgifte

Warmtevraag

Regelsysteem

Figuur 38: Plaats van Warmte Afgifte in het Systeem

We beschouwen hier voornamelijk een zonnewarmte opslagsysteem dat zowel kan voorzien in verwarming van tapwater als in verwarming van ruimtes. Bij een dergelijk systeem moet een weloverwogen keuze gemaakt worden voor afgiftesystemen. Voor tapwaterverwarming zijn deze afgiftesystemen vrijwel hetzelfde als de afgiftesystemen bij een opslagsysteem dat enkel en alleen voorziet in tapwaterverwarming. De ruimteverwarming behoeft echter een ander systeem dan een conventioneel warmte-afgitesysteem. Het verwarmen van ruimtes met behulp van een zonneenergie opslagsysteem werkt het beste als de warmte in huis wordt verspreid door middel van lage temperatuur distributie systemen. Dit kan met vloer- of wandverwarming. Speciale lage temperatuur radiatoren of convectoren zijn ook geschikt. Warmteverspreiding via Lage Temperatuur Verwarming (LTV) werkt namelijk met watertemperaturen van maximaal 55°C. LTV vergt daardoor minder bijverwarming dan gewone radiatoren. Het voordeel van een LTV systeem is dat het zeer comfortabel is terwijl het door de lage temperatuur veel energiezuiniger is dan een CV systeem dat met een veel hogere temperatuur werkt. De toepassing van lagere watertemperaturen leidt tot geringere distributieverliezen in de warmtenetten en een beduidend hoger rendement van de opwekking zelf.

51 6 november 2009


5.

Literatuur Systeemmodellering In dit hoofdstuk is de belangrijkste informatie samengevat die betrekking heeft op het modelleren van de gevonden problemen. In de eerste paragraaf (5.1) zal worden weergegeven hoe het globale model van een bepaald opslagtype gemodelleerd kan worden. Het doel van dit hoofdstuk is dat met behulp van de literatuur die hier aan bod komt later in het onderzoek een goed model opgesteld kan worden voor een opslagsysteem. Misschien zal de theorie die hier aan bod komt niet allemaal bruikbaar zijn voor het latere model. Echter, alles dat relevant lijkt, wordt hier opgenomen zodat later een keuze gemaakt kan worden voor het wel of niet verwerken van de theorie in het model.

5.1

Modellering Opslagsysteem Er is in de ‘Afbakening van het Probleem’ gekozen voor een opslagsysteem dat lijkt op een zonneboiler als meest ideaal opslagsysteem om op korte termijn energie te bufferen en distribueren. In dit hoofdstuk wordt de theorie behandeld die komt kijken bij het modelleren van een dergelijk systeem. De hier beschreven (reken-) methodes moeten dusdanig beschreven zijn dat het nuttig is om in latere Matlab & Simulink modellering te gebruiken. De indeling van het hoofdstuk is voor het grootste deel eenzelfde als in hoofdstuk 4.2.1. De theorie in de volgende paragrafen gaat vooral over het berekenen van energiestromen en energieverlies van componenten in het systeem. Het verlies van energie (of temperatuur) kan voor het gehele systeem beschreven worden als de som van alle afzonderlijke verliezen. In figuur 36 is het gehele systeem te zien en met behulp van deze afbeelding kan een goede schatting gemaakt worden van de belangrijkste factoren die energieverliezen veroorzaken. Zonne-energie

Collector

Leidingen

Buffervat

Leidingen

Warmte Afgifte

Warmtevraag

Regelsysteem

Figuur 39: Het Complete Opslagsysteem van Zonne-energielevering tot Warmteafgifte

Van links naar rechts in de afbeelding kunnen de volgende significante verliezen opgesomd worden om zo bij een totaalverlies (of rendement) voor het gehele systeem te komen:

52 6 november 2009


∆T totaal verlies is gelijk aan de som van: • ∆T collector; • ∆T leidingen van collector naar opslagtank; • ∆T ingang opslagtank; • ∆T opslagverlies; • ∆T uitgang opslagtank; • ∆T leidingen van opslagtank naar afgiftecomponenten; • ∆T afgiftecomponenten. De verliezen voor de ingang en uitgang van de opslagtank zullen in de modellering opgenomen worden bij de opslagverliezen van de tank zelf. Bij het genereren van de energievraag van een bepaald woningtype (in TRNSYS) zal de energievraag berekend moeten worden bij de buffer. Als dit gedaan wordt dan hoeft er geen rekening gehouden te worden met de verliezen ten gevolge van de afgiftecomponenten en ten gevolge van het transport naar deze afgiftecomponenten. In de onderstaande paragrafen worden de theorieën behandeld voor de energiestromen en temperatuurverdeling bij de collector, de leidingen van collector naar opslagtank en bij de tank of buffer. Als laatste worden er in paragraaf 5.1.4 nog enkele theorieën behandeld voor het gehele systeem. 5.1.1

De Collector Nadat in paragraaf 4.2.1.1 de opbouw en globale werking van de collector is beschreven, zal dit hoofdstuk een beschrijving geven van de berekening van de collector prestaties en efficiëntie. Dit is nodig voor de output van het gehele collectorsysteem. De collector zet zonnestraling E, met transmissie τ door het afdekglas op het collectoroppervlak AC, direct om in warmte. De energie output van de zonnecollector reflectie- en convectieverliezen en en door radiatie . ·

wordt gereduceerd door de (5.1)

·

De convectieverliezen en de radiatieverliezen kunnen gecombineerd worden in . Het stralingsverlies van selectieve absorbers is veel lager dan het stralingsverlies van nonselectieve absorbers. Een vacuüm tussen de afdekkende glasplaat en de absorber kan de convectieverliezen reduceren, zoals bij een vacuüm vlakke plaat collector. De reflectieverliezen kunnen geschat worden met behulp van de reflectie ρ van de straling die de glasplaat passeert. Met: (5.2)

en ·

·

(5.3)

·

Wordt de collector energie output: ·

·

(5.4)

· 1

53 6 november 2009


Gebruik makend van de absorptie α=1-ρ voor de absorber, wordt de vergelijking: ·

·

·

·

(5.5)

·

· .

Waarin

wordt de optische efficiëntie genoemd. Het beschrijft de efficiëntie van de collector zonder enige verliezen door convectie of warmtestraling. Dit is alleen het geval als de temperatuur van de absorber gelijk is aan de temperatuur van de omgeving (buitentemperatuur). De thermische verliezen QRC zijn afhankelijk van de collector temperatuur en de omgevingstemperatuur evenals van de coëfficiënten a1 en a2: ·

·

·

·

·

·

(5.6)

als ook de verliescoëfficiënten a1 en a2 te zien voor In Figuur 40 zijn de optische efficiënties verschillende collectoren. De verliezen van vacuüm-buis collector zijn veel lager dan de hier gekozen (niet vacuüm) vlakke plaat collector, door de hogere efficiëntie bij lage buitentemperaturen of lage waarden voor zoninstraling. De verliescoëfficiënten worden meestal geschat op basis van collectortests. Sommige berekeningen gebruiken alleen de enkelvoudige verliescoëfficiënt a in plaats van a1 en a2.

Figuur 40: Optische Efficiëntie en de verliescoëfficiënten a1 en a2 van verschillende collectoren

In het laatste geval is het niet mogelijk op alleen a2 te elimineren, omdat grote orde fouten kan veroorzaken. De coëfficiënt a moet een schatting zijn apart van de metingen. Het collector referentieoppervlak AC moet altijd gegeven zijn bij de collector parameters. Het is mogelijk om de collectorefficiëntie parameters te bepalen door te refereren aan het absorber oppervlak, het openingsoppervlak of het totale collector oppervlak. Het absorberoppervlak wordt gebruikt als referentie voor de volgende berekeningen. De collectorefficiëntie kan berekend worden gebruik makend van de energieoutput van de collector en de zonnestraling E, welke op het collectoroppervlak valt. Met:

·

Wordt de collector efficiëntie:

54 6 november 2009


·

·

·

(5.7)

Figuur 40 laat typische collector efficiëntie zien voor een vlakke plaat collector. De warmteverliezen worden groter met stijgende temperatuurverschillen tussen de collector en de omgeving. Bij een lage zonnestraling neemt de efficiëntie sneller af. Bijvoorbeeld voor zonnestralingwaarden van maar 200 W/m2 wordt de output van de collector in dit voorbeeld nihil bij een temperatuurverschil van ongeveer 40°C.

Figuur 41: Collectorefficiëntie bij Verschillende Stralingswaarden en Temperatuursverschillen

De stagnatietemperatuur van de collector kan ook uit de bovenstaande figuur gehaald worden. De stagnatietemperatuur is de temperatuur waarbij de energieoutput en de efficiëntie van de collector gelijk zijn aan nul. Bij een zonnestraling van 400 W/m2 is de stagnatietemperatuur van de collector ongeveer 75°C hoger dan de buitentemperatuur. De stagnatietemperatuur kan boven de 200°C uitkomen bij zonnestraling van rond de 1000 W/m2. Dit is ook de reden dat collectormaterialen gekozen moeten worden die bestand zijn tegen hoge temperaturen over langere perioden. Bij de bovenstaande berekeningen voor de collector efficiëntie zijn alleen geldig als er geen wind is; convectieverliezen zullen stijgen bij hogere windsnelheden. Aanpassingen van de verliesfactoren kunnen hiermee rekening houden. De optische efficiëntie is ook afhankelijk van de hoek van inval en het zonnespectrum. Voor hele exacte berekeningen moeten deze effecten ook meegenomen worden. In de ‘Afbakening van het Probleem’ is echter gesteld dat deze berekeningen het doel voorbij schieten en deze worden dan ook niet meegenomen in de modellering. 5.1.2

Leidingen Het collectordebiet dat door de leidingen stroomt, kan berekend worden met behulp van de eerder verkregen collector energie output , de soortelijke warmte van het transportmedium en de gewenste temperatuurverschillen ∆ van de warmtetransportvloeistof tussen collector instroom en uitstroom (Quaschning 2005):

55 6 november 2009


(5.8)

·∆

Gebruik makend van de vergelijking voor de collector energie output (paragraaf 5.2.1), wordt de bovenstaande vergelijking: · ·

·

·

·

·

(5.9)

·∆

En het collectordebiet per eenheid van collectoroppervlak wordt hiermee: ·

·

· ·∆

· ·

· ·∆

(5.10)

0.8 en 4 W/ m K warmt een Bijvoorbeeld, een vlakke plaat collector met transportmedium op met een soortelijke warmte van 0,96 Wh/ kg K van 35 naar 45 . Bij een buitentemperatuur van 20 , een gemiddelde collector temperatuur van 40 en een zonnestraling van E=800 W/m2 is het vereiste collectordebiet gelijk aan

′

58.3 kg/ m u . (5.11)

∆ en

(5.12) In de vergelijking voor het collectordebiet ′ verschaft de collector uitstroomtemperatuur een collector instroomtemperatuur (Quaschning 2005): ·

· ·

·

(5.13)

·

wordt Als het debiet wordt verlaagd naar 18 kg/(m2u) en de collector instroom temperatuur constant gehouden in het voorgaande voorbeeld, dan zal de collector uitstroomtemperatuur toenemen tot 65°C en de gemiddelde collectortemperatuur zal stijgen naar 50°C. Naar aanleiding hiervan zal de collector efficiëntie dalen van 70 naar 65 procent. Een dergelijk of zelfs kleiner debiet wordt gebruikt in thermosifon en zogenaamd lage-debiet systemen. Het collectordebiet kan ook worden weergegeven in liter per uur of liter per vierkante meter per uur. Deze volumestroom is afhankelijk van de massastroom en de dichtheid : (5.14)

·

Voor water met een dichtheid die iets lager ligt dan 1 kg/liter (of een dichtheid van ongeveer 1,06 kg/liter met toegevoegd antivries vloeistof), is de numerieke waarde van het volumetrisch debiet bijna gelijk aan de massastroom. De oppervlakte van de doorsnede van een leiding Ap in de collector cyclus en de stroomsnelheid vp van het transportmedium bepalen de benodigde leidingdiameter dp: ·

56 6 november 2009


Dit levert: · ·

·

·

(5.15)

·

De benodigde leidingdiameter dp voor een systeem met een collectoroppervlak AC=5 m2, een stroomsnelheid vp=1m/s, een oppervlakte gerelateerde massastroom van ′ 50 kg/ m u en een dichtheid van 1060 / is iets minder dan 10 mm. In figuur 42 zijn een aantal veelgebruikte diameters te zien voor commerciële koperleidingen. Een 12x1 koperleiding met een binnendiameter van 10mm lijkt geschikt voor het bovenstaande voorbeeld. Echter in werkelijkheid, worden altijd diameters gekozen die net iets groter zijn. Wrijving in de leiding remt het transportmedium af en veroorzaakt drukverlies wat gereduceerd kan worden door voor een grotere diameter te kiezen.

Figuur 42: Parameters voor veel gebruikte Leidingen

De totale lengte van de leidingen wordt in de meeste gevallen hoofdzakelijk bepaald door de locatie van de collector en de opslagtank. De volgende deelparagrafen berekenen de warmteverliezen voor leidingen met een gekozen diameter en isolatie. Daarbij is een onderscheid gemaakt tussen opwarmingsverliezen en circulatieverliezen. 5.1.2.1

Opwarmingsverliezen Leidingen Wanneer de collector buiten gebruik is, bijvoorbeeld gedurende de nacht, koelen de verbonden leidingen met daarin het transportmedium af tot deze de omgevingstemperatuur hebben bereikt. Wanneer de warmtecyclus weer in gang gezet wordt, moeten de leidingen en het transportmedium weer opgewarmd worden, voordat ze warmte kunnen overbrengen van de collector naar het opslagvat. Hieruit volgt dus dat er energie nodig is om zowel de leidingen als het transportmedium, dat zich in deze leidingen bevindt, te verwarmen. Om leidingen met massa mp en warmtecapaciteit cp en het transportmedium met massa mHTF en warmtecapaciteit cHTF van een temperatuur naar een temperatuur te brengen is QPheatup nodig voor n omlopen (Quaschning 2005): ·

·

·

·

·

·

·

(5.16)

Het opwarmingsverlies voor een 20 meter lange koperen leiding met een doorsnede van 15x1 mm is nu berekend als voorbeeld. Er wordt verondersteld dat de leiding gevuld is met een mengsel van water en antivries vloeistof. Dit moet verwarmd worden van een temperatuur 20 naar

57 6 november 2009


50 . De massa van de leiding met een soortelijke warmte van cp=0.109 Wh/(kg K) is mp=7,8 kg en de massa van het transportmedium met een soortelijke warmte van cHTF=0,96 Wh/(kg K) en dichtheid 1,06 / is mHTF=2,82 kg. Met · 3,6 / , wordt het opwarmingsverlies voor één opwarmingscyclus (n=1): QPheatup = 108 Wh Er zijn bijkomende opwarmingsverliezen voor kleppen, pompen en andere componenten van het leidingsysteem. Deze verliezen kunnen op dezelfde manier berekend worden als de massa en soortelijke warmte van deze componenten bekend is. 5.1.2.2

Circulatieverliezen Leidingen Als de leidingen en het transportmedium eenmaal zijn opgewarmd, veroorzaken ze nog steeds warmteverliezen aan de omgeving. Een leiding met een lengte l, warmte overdrachtscoefficient k’ en een omgevingstemperatuur met continue circulatie gedurende de circulatietijd tcirc produceert circulatieverliezen van: · ·

(5.17)

·

De warmte overdrachtscoëfficiënt (5.18) ·

kan worden berekend door gebruik te maken van de thermische conductiviteit van de isolatie van een leiding met buitendiameter dp en een buitendiameter van de isolatie dI. De warmtegeleidingcoëfficiënten van verschillende materialen zijn eenvoudig op te zoeken in willekeurige documentatie over technische zaken (bv. polytechnisch zakboek). Voor de oppervlakte warmte overdrachtscoëfficiënt van de isolatie naar lucht worden lineaire geïnterpoleerde waarden gebruikt tussen de = 10 W/(m2 K) voor k’= 0,2 W/(m K) en = 15,5 W/(m2 K) voor k’= 0,5 W/(m K). Het voorbeeld uit de vorige deelparagraaf is hier ook gebruikt om de circulatieverliezen van een 20 meter lange 15x1 mm koperen leiding (dp= 15 mm) te berekenen. De oppervlakte warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt aangenomen op = 10 W/(m2 K). Met de warmte overdrachtcoëfficiënt voor een isolatielaag van 30 mm dik (dI= 0,075 m) en een thermische geleiding van = 0,040 W/(m K) kan met behulp van (5.18) een schatting worden gemaakt van k’= 0,1465 W/(m K). Hiermee worden de circulatieverliezen voor de leidingen bij een omgevingstemperatuur van 20 en een warmte transportmedium temperatuur van 50 met een circulatietijd van tcirc= 8 uur: Qcirc = 703 Wh. De circulatieverliezen van een 20m lange leiding met een diameter van 22 mm en een isolatie dikte van 10 mm voor een temperatuurverschil tussen warmte transportmedium en omgevingstemperatuur van 40°C en een circulatietijd van 10 uur, kunnen oplopen tot wel Qcirc= 2500 Wh. Dit laat goed zien dat de isolatie zo goed mogelijk moet zijn om te vermijden dat het grootste deel van de warmte op weg naar het opslagvat verloren gaat. Ook de leidinglengte moet 58 6 november 2009


zo kort mogelijk gehouden worden en bij de leidingbevestiging moeten koudebruggen voorkomen worden. Wanneer de leidingen gelegd worden, moet in acht genomen worden dat deze behoorlijk uit kunnen zetten als gevolg van temperatuurwisselingen. Als het regelsysteem de circulatie in de collector stopt, koelen de leidingen en het transportmedium weer af. Op een tijd t1 met een omgevingstemperatuur en een warmtetransportmedium met een temperatuur van is de opgeslagen warmte in de leidingen (Quaschning 2005): ·

(5.19)

·

De warmte wordt gereduceerd door de warmtestroom: (5.20)

· · De opgeslagen warmte op tijd t2 wordt: · ·

(5.21)

·

Met een temperatuur van het transportmedium: ··

1

·

·

·

(5.22)

Echter, deze formule is enkel en alleen geldig voor kleine tijdsintervallen omdat de continu veranderende temperatuur van het transportmedium beschouwd moet worden voor de berekening van de warmtestroom. Voor langere tijdsintervallen, kan de temperatuur van het transportmedium op tijd t2 berekend worden met het tijdsinterval t2-t1 onderverdeeld in n kleine tijdsintervallen ∆t. Met:

∆

(5.23)

De temperatuur van het transportmedium wordt nu:

1 Ten slotte, ∆

·· ∆

·

·

(5.24)

0, t1= 0 en t2= t geeft: · ·

·

·

0

(5.25)

Een 20 meter lange koperen leiding met een isolatiedikte van 30 mm (k’= 0,15 W/(m K)) en met (c·m)eff = 3.6 Wh/K bij een omgevingstemperatuur van 20 koelt af van 50 naar 33

in een uur. Als de collector cyclus opnieuw opstart moeten de leidingen opnieuw

opgewarmd worden met de boven beschreven opwarmingsverliezen. 5.1.3

Opslagvat Het opslagvat is in feite de kern van de modellering en dan ook de basis voor het onderzoek. Met behulp van het opslagvat kunnen energieopbrengsten verdeeld worden over de tijd. Wanneer een tijdsafhankelijke energievraag L en een tijdsafhankelijke energieopbrengst Qu beschouwd worden,

59 6 november 2009


is te zien dat gedurende een gedeelte van de tijd de beschikbare energie (Qu) de energievraag of (belasting van het systeem, L) overschrijdt. Gedurende andere gedeeltes van de tijd zal de belasting of energievraag L groter zijn dan de opbrengst Qu. Door een opslagvat tussen de opbrengsten van de collector en de warmtevraag van gebruikers te zetten, kunnen vraag en aanbod beter op elkaar afgestemd worden. Voor de zonneboiler(combi) is het niet haalbaar om aan alle warmtevraag (L) te voldoen met zonne-energie gedurende lange perioden. Dit is dan ook de reden dat een extra hulpenergiebron nodig is. Er wordt dan aan de totale energievraag L voldaan door een combinatie van zonneenergie Qz (lager dan Qu door verliezen) en energie geleverd door de hulpbron QA. De energieopslagcapaciteit bij een uniforme temperatuurverdeling (geen temperatuurgelaagdheid) in de tank bij een eindig temperatuurverschil is (Duffie and Beckman 2006): (5.26)

∆

Waar Qs de totale warmteopslag capaciteit is voor een omloop die werkt onder een temperatuursrange ∆Ts en met een massa van het medium in de tank m (water). De temperatuursrange waarbinnen een systeem kan werken heeft een ondergrens die bepaald wordt door de benodigdheden van het proces. De bovengrens kan worden bepaald door het proces, de dampspanning van het medium of het collector warmteverlies. Voor een tank zonder temperatuurgelaagdheid, zoals te zien in figuur 42, wordt de energiebalans: (5.27) Waarbij Qu de bijkomende energiestroom is en Ls uitgaande energiestroom geleverd door de energievraag van de gebruiker. Ta’ is de omgevingstemperatuur van de tank (die niet hetzelfde hoeft te zijn als de buitentemperatuur van de collector). De term (UA)s is het product van de verliescoëfficiënt en het verliesoppervlak van het water in het opslagvat.

Figuur 43: Ongelaagde opslag van massa m met temperatuur Ts en omgevingstemperatuur Ta'

Vergelijking (5.27) moet worden geïntegreerd over de tijd om te bepalen of de lange termijn prestaties van de opslag voldoende zijn. Er zijn veel mogelijke manier om dit te doen. Met gebruik van een simpele Euler Integratie levert dit (Duffie and Beckman 2006): ∆

(5.28)

·

60 6 november 2009


Dus de temperatuur in de opslagtank aan het eind van een uur is berekend met behulp van de temperaturen aan het begin van het uur. Als laatst moet hier nog gezegd worden dat Qu de gezamenlijke term is voor energie geleverd door de zonnecollector als ook de energie geleverd door de gasbrander die in het vat verwerkt zit. De term voor energieverlies (UA)s bestaat voor een deel uit het cilinderoppervlak van de tank vermenigvuldigd met de verliescoëfficiënt en voor een deel uit de sferische delen van de tank (bodem en kap) met elk hun verliescoëfficiënt. Deze termen voor (UA)s vermenigvuldigd met het temperatuursverschil geeft het totale energieverlies van de opslagtank: 2·

,

(5.29)

,

Figuur 44: Cilindrische Opslagtank Zonneboiler

De term voor het cilindergedeelte (UA)s;cil is: ,

(5.30)

·

,

Met (5.31)

·

,

Waar k’ de warmte overdrachtscoëfficiënt is, lcyl de lengte van de cilinder en waar Ts de gemiddelde temperatuur in het opslagvat is en Ta’ de omgevingstemperatuur van het opslagvat. De warmte overdrachtscoëfficiënt wordt gedefinieerd door de warmtegeleidingscoëfficiënt van de isolatie λ, de oppervlakte warmte overdrachtscoëfficiënt α tussen isolatie en lucht, als ook de buitendiameter do en de binnendiameter di van het cilindrische isolatiedeel van de tank:

·

·

(5.32) ·

Met een temperatuursverschil tussen het opslagvat en de omgevingstemperatuur van het vat, de warmte overdrachtscoëfficiënt k en het oppervlak van de sferische kappen Asfer wordt het warmteverlies bij de sferische gedeeltes van de tank: ,

,

(5.33)

·

61 6 november 2009


Met (5.34)

·

,

Hierin wordt de warmte overdrachtscoëfficiënt k:

(5.35)

De oppervlakte warmte overdrachtscoëfficiënt α1 van de tankwand naar de isolatie kan geschat worden op α1=300 W/(m2K). Voor de opslagtank uit dit onderzoek wordt aangenomen dat deze dezelfde vorm heeft als de tank uit figuur 41. Het enige verschil is dat de beschouwde opslagtank waarschijnlijk rechtop zal staan in plaats van de liggende tank uit deze figuur. De oppervlakte warmte overdrachtscoëfficiënt α2 van de isolatie naar de aangrenzende lucht kan dan berekend worden met: Voor horizontale delen met warmtetransport omhoog: 2.3

·

(5.36)

/

Voor horizontale delen met warmtetransport omlaag: 1.7

·

(5.37)

/

Voor verticale delen met warmtetransport naar de zijkant: 2.2

·

(5.38)

/

Met r en h gedefinieerd in figuur 43 kan voor de oppervlakte van de sferische kappen worden gevonden: (5.39)

2 · · 5.1.4

Parameters voor het hele Systeem Naast de jaarlijkse vraag naar warmte voor tapwater, moeten ook de behoefte op de kortere termijn in de beschouwing meegenomen worden. Als er significante verschillen zijn tussen verscheidene dagen of als er aanzienlijke verschillen zijn tussen de seizoenen zomer en winter, dan zal de configuratie van het zonne-energie opslagsysteem veranderen. In dit geval zijn computersimulaties (later op te stellen model moet deze functie hebben) nodig voor een exacte bepaling van de afmetingen van het opslagsysteem en moet tevens een goede schatting kunnen geven van de output. De warmtevraag QD, de warmteverliezen (leidingverliezen QPheatup, circulatieverliezen Qcirc en opslagverliezen QS) en de output van het zonne-energiesysteem Qout definiëren de hoeveelheid opgeslagen warmte benodigd: Qreq = QD + QPheatup + Qcirc + QS – Qout

(5.40)

Naast de leidingverliezen van de collector naar de buffer zijn er ook verliezen van de leidingen van de buffer naar de afgiftesystemen. Deze verliezen kunnen op soortgelijke manier worden

62 6 november 2009


berekend. In dit geval worden deze laatste verliezen echter opgeteld bij de energievraag, waardoor deze groter wordt (in feite hetzelfde). Een belangrijke parameter voor een zonne-energiesysteem kan de Solar Fraction SF zijn. Deze parameter beschrijft het aandeel van de energievraag waaraan wordt voldaan met zonne-energie. Het wordt gedefinieerd als de ratio van de warmte die de zonne-energiecyclus toevoegt aan de opslag en de totale energievraag die bestaat uit energievraag en verliezen: (5.41) Zonne-energiesystemen die alleen voorzien in de warmtebehoefte voor warmtapwater zijn over het algemeen ontworpen voor Solar Fractions SF van 50 tot 60 procent. Dit is een compromis tussen de gewenste hoge SF en economische afwegingen. Een andere belangrijke parameter voor de analyse van een opslagsysteem is de solar collector cycle efficiency ηcc. Het beschrijft de totale efficiëntie van het zonne-energie opslagsysteem. Het wordt gedefinieerd als de ratio van de jaarlijkse warmte die het circulatiesysteem in de buffer brengt en de jaarlijkse opvallende zonnestraling bij de collector. Met een jaarlijkse zonnestraling Hsolar op de collector en een collectoroppervlak Ac, wordt de solar collector cycle efficiency ηcc: ·

(5.42)

·

Deze solar collector cycle efficiency ligt meestal tussen de 20 en 50 procent in een klimaat als dat van Nederland. Naast de technische kwaliteiten van het systeem heeft de Solar Fraction SF veel invloed op de solar collector cycle efficiency ηcc.

63 6 november 2009


6.

Gerelateerde Wetenschappelijke Onderzoeken In de voorgaande literatuur is enkel en alleen gekeken naar bruikbare theorie voor het onderzoek. Zo is er gekeken naar geschikte klimaatdata die realistische randvoorwaarden voor het systeem moet opleveren. Daarnaast is bekeken welke referentiewoningen het meest representatief zijn voor de Nederlandse bouwmarkt, zodat het systeem gebaseerd kan worden op veel voorkomende situaties. Ook is voor bestaande overeenkomstige opslagsystemen beschouwd welke eigenschappen deze hebben. Dit zou vervolgens in de modellering van een systeem toegepast kunnen worden. Echter het integraal bekijken van bestaande wetenschappelijke onderzoeken met een vergelijkbaar karakter is tot buiten beschouwing gebleven. In dit hoofdstuk is onderzocht of er relevant onderzoeken zijn gedaan die een zelfde karakter hebben als het onderzoek dat hier gedaan wordt.

6.1

Artikelen en Publicaties

6.1.1

Warmte- en koudeopslag in gravelbodem met buitenlucht (Stieber and Reichel 2009) De luchtdoorstroom gravelopslag is in dit geval een dagopslag en werkt door middel van benutting van het enthalpieverschil tussen de buitenlucht en de gravel. De voor de ventilatie benodigde buitenlucht doordringt het opslaglichaam en geeft bij een koudevraag zijn meegevoerde warmte af aan de gravel/grind. In geval van een warmtevraag (winter) is de werking precies omgekeerd. Verschil: - Ander transportmedium (lucht); - Ander opslagmedium (gravel); - Het opslagmedium kan ‘op’ raken en moet geregenereerd of opgeladen worden; - Veel aandacht nodig voor karakteristieke eigenschappen opslagmedium. Overeenkomst: - Eveneens korte termijn energieopslag mogelijk (ongeveer een dag); - Een simulatie die te verwachten intredings- en uittredingstemperaturen, temperaturen van het opslagmedium en energiestromen oplevert; - Voordat gesimuleerd wordt moeten er een aantal aannamen gedaan worden voor bv. materiaaleigenschappen; - Ontworpen voor een vergelijkbaar klimaat (Cfb).

6.1.2

Single- and Multi-Tank Storage for Solar Heating Systems: Fundamentals (Mather, Hollands et al. 2002)

64 6 november 2009


In dit onderzoek is zowel experimenteel als analytisch gekeken naar de mogelijkheid om lage temperatuur zonnewarmte op te slaan in een opslagsysteem met meerdere tanks. Hierbij zijn de tanks in serie gezet, zodat de warmte van de collector door alle tanks stroomt.

Figuur 45: Schematische opstelling van het opslagsysteem met meerdere tanks in cascade

Ook de circulatieleiding die van en naar de warmte afgiftebronnen stroomt door alle tanks. Hiermee is in feite een fysieke gelaagdheid aangebracht. In het theoretische geval dat bij de warmtewisselaars geen verliezen optreden en het aantal tanks naar oneindig gaat, kan worden verwacht dat dit systeem een volledig thermodynamisch omkeerbare energieopslag geeft. Een belangrijk principe van dit onderzochte systeem is dat van ‘vrije convectieve actie’. In figuur 46 is dit principe toegelicht. Wanneer de temperatuur van het water dat de tank instroomt vanuit

Figuur 46: Werking van vrije convectieve actie in de tanks

de collector hoger is dan de temperatuur in de tank, dan zal het water zich vermengen door stroming in de tank (a). Als het water dat de tank instroomt een lagere temperatuur heeft dan de temperatuur in de tank, dan zal enkel het water dat zich dicht bij de warmtewisselaar bevindt afkoelen. Doordat er geen stroming optreedt in de tank behoudt het bovenste gedeelte ongeveer dezelfde temperatuur (b). Voor de warmtewisselaar die boven door de tank stroomt, geldt hetzelfde principe. Wanneer de afvoer van de warmte afgiftesystemen een temperatuur heeft die hoger is dan de temperatuur in de tank gebeurd er weinig (c). Bij een lagere temperatuur dan de temperatuur in de tank treedt vermenging op (d).

65 6 november 2009


Verschil: - Geen mogelijkheid om water dat kouder is dan de tank om te leiden; - Geen mogelijkheid voor warm tapwater; - Enkel opslag voor zeer korte termijn; - Meerdere tanks zorgen voor opslag in op verschillende temperatuurniveaus. Overeenkomst: - Zelfde transportmedium (water); - Zelfde opslagmedium (water); - Opslagsysteem heeft veel weg van een gewone zonneboiler.

6.2

Conclusie Naast de bovenstaande twee artikelen zijn er nog een heel aantal andere artikelen doorgelezen. Echter, om al deze artikelen zo uitgebreid te beschrijven als hierboven lijkt enigszins zinloos. Daarom zijn hieronder alleen nog een aantal referenties genoemd van beschouwde artikelen. Aan de hand van deze publicaties en wetenschappelijke artikelen kan een oordeel gegeven worden over wat er uniek is aan het onderzoek en welke aspecten al eerder zijn behandeld in vergelijkbare onderzoeken. Maar belangrijker is misschien nog wel dat deze artikelen een idee geven van hoe (zonne-) energieopslagsystemen beoordeeld worden en welke parameters gebruikt worden voor prestaties. Daarnaast kunnen er door het lezen van de artikelen ideeën opgedaan worden voor concepten die in dit onderzoek toegepast kunnen worden. Andere wetenschappelijke literatuur die bekeken is ter informatie (artikelen die voor het onderzoek niet gebruikt zullen worden zijn hier niet genoemd): (Hobbi and Siddiqui 2009) - Een beschouwing van de prestaties van een geforceerd (gepompt) systeem voor alleen tapwaterverwarming met behulp van TRNSYS. De parameters en grafieken uit dit artikel kunnen een goede referentie zijn voor hoe er in dit onderzoek straks een beoordeling gegeven moet worden aan de prestaties van het systeem. (Spur, Fiala et al. 2006) - Een beschouwing van de werking van zonneboilersystemen door middel van TRNSYS simulaties en validatie met een testopstelling. (Sutthivirode, Namprakai et al. 2009) - Een onderzoek om de thermische efficiency te verbeteren van een zonne-energie opslagsysteem met een ingebouwde waterpomp. Hierbij gaat het om een redelijk unieke opstelling voor het opslagsysteem met tanks op verschillende hoogtes en een viertal collectoren.

66 6 november 2009


7.

Literatuur Kosten en Opbrengsten De modellering van de kosten in het model zal later uitgebreid aan bod komen in het document ‘Financiële Analyse’. Hier wordt de belangrijkste gevonden informatie over kosten en opbrengsten uiteengezet. Wat hiervan later in de modellering gebruikt zal worden valt nog te bezien. Daarnaast moet gezegd worden dat voor de kosten de waarden die gepubliceerd zijn door enkele leveranciers zijn genomen. Later zal een keuze gemaakt moeten worden voor een bepaalde kostprijs of zullen gemiddelde waarden gekozen worden.

7.1

Algemeen De prijs van een standaard zonneboiler ligt tussen 2.000 en 4.000 euro, afhankelijk van het type en het gewenste comfort, zoals het aantal plaatsen in huis waar gelijktijdig (veel) warm water getapt moet kunnen worden. Als er een nieuw warmwatertoestel aanschaft moet worden én een zonneboiler gekocht wordt, komen de aanschafkosten dus bovenop de prijs van een warmwatertoestel. Voor een zonneboilercombi (die ook voor woningverwarming zorgt) moet iets meer betaald worden. Aanschafprijzen variëren tussen 3.000 en 5.000 euro. (MilieuCentraal 2009) Het gaat in dit onderzoek misschien niet zozeer om een specifieke zonneboiler, maar er wordt gericht op een soortgelijke opslag. Het gaat daarbij verwarming van zowel tapwater als ruimtes. Daarom worden hier de kosten beschreven van een zonneboilercombisysteem en worden variabele en vaste kosten voor de componenten van het systeem afgeleid van de kosten van een zonneboilercombi.

7.2

Kosten Collector en Buffer De belangrijkste parameters voor het berekenen van de kosten van een zonneenergieopslagsysteem zijn de kosten voor de collector en de kosten voor de buffer. In de onderstaande alinea’s worden enkele voorbeelden gegeven van kosten voor de collector en kosten voor de buffer. Hierbij is weer gekeken naar de kosten voor zonneboiler (-combi) systemen. De kosten voor een buffer zijn ongeveer als volgt (Alp-Sun 2008): - Een buffervat van 200 liter kost 1000,89 euro; - Een buffervat van 300 liter kost 1057,98 euro; - Een buffervat van 400 liter kost 1473,78 euro; - Een buffervat van 500 liter kost 1657,04 euro. Met een hele grove benadering levert dit ongeveer een kostprijs van 2 euro per liter grootte en een vaste prijs van 600 euro voor de buffer. Deze zelfde referentie geeft voor het regelsysteem inclusief pomp veiligheidskleppen, manometers etc. een prijs van tussen de 550 en 650 euro. De prijs van de collector is moeilijker in te schatten en dit wordt gedaan door middel van de totaal prijzen van opslagsystemen te bekijken van deze zelfde referentie (Alp-Sun 2008). Enkele opslagsystemen met bijpassende prijzen zijn te zien in tabel 13.

67 6 november 2009


Tabel 13: Kostprijzen van enkele verschillende Zonneboilersystemen

aantal aantal opp m² Zonneboiler Volume personen collectoren bruto 3 tot 4

2

4,190

5 tot 6

3

6,285

3 tot 4

2

4,190

5 tot 6

3

6,285

3 tot 4

2

4,190

5 tot 6

3

6,285

5 tot 6

3

6,285

5 tot 6

4

8,380

7 tot 10

5

10,475

300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 300 L (geëmaileerd staal) 400 L (geëmaileerd staal) 500 L (geëmaileerd staal)

Referentie Eco VL-LP 2/300 incl. op schuin dak set Eco VL-LP 3/300 incl. op schuin dak set Eco VL-LP 2/300 incl. stoel 45° vr plat dak Eco VL-LP 3/300 incl. stoel 45° vr plat dak

prijs excl btw € 2.960,30 € 3.541,10 € 3.054,99 € 3.656,62

Eco VL-LP 2/300 incl. inbouw set

€ 3.146,44

Eco VL-LP 3/300 incl. inbouw set

€ 3.734,72

Comf. Vl-LP 3/300 incl. op schuin dak set Comf. Vl-LP 4/400 incl. op schuin dak set Comf. Vl-LP 5/500 incl. op schuin dak set

€ 3.629,10 € 4.631,33 € 5.421,11

Uit de bovenstaande tabel blijkt dat het toevoegen van ongeveer 2 m2 collector ongeveer 600 euro kost. Uit de kosten van de buffer en het regelsysteem (totaalprijs – bufferprijs - prijs regelsysteem) kan gehaald worden dat een collector een vaste kostprijs heeft van ongeveer 300 euro heeft en een variabele prijs van ongeveer 300 euro per m2.

7.3

Subsidie De aanschaf van een zonneboiler lijkt op dit moment zonder subsidie nog niet rendabel. Daarom geeft de regeling Duurzame Warmte voor bestaande woningen subsidie op zonneboilers, naast subsidie op warmtepompen en micro-warmtekrachtinstallaties. Er is voldoende subsidiebudget om in vier jaar in totaal tussen 50.000 en 60.000 zonneboilers aan te schaffen. (SenterNovem 2008) Voor dit onderzoek is nog niet zeker wat voor opslagsysteem gekozen wordt en of er wel een specifiek systeem gekozen wordt. Daarom is het ook nog niet duidelijk of de subsidie moet worden opgenomen in de berekening van de kosten en baten. Hier zal echter een beschrijving gegeven worden over hoe de subsidie werkt zodat later een keuze gemaakt kan worden voor het wel of niet implementeren van de subsidieregeling. De subsidieregeling Duurzame Warmte voor bestaande woningen is bedoeld voor particuliere woningbezitters in Nederland. Ook woningcorporaties en vereniging van eigenaren kunnen gebruikmaken van de subsidieregeling. De woning, waar de zonneboiler wordt geïnstalleerd, moet opgeleverd zijn vóór 1 januari 2008. Voor de aanschaf van kleine zonneboilers met een collectoroppervlak tot en met zes vierkante meter zal in het eerste jaar de subsidie 200 euro per GigaJoule bedragen. Voor grotere zonneboilers geldt een subsidie van 180 euro per GigaJoule. Voor de meest gangbare zonneboiler betekent dit een gemiddelde subsidie van 600 tot 1000 euro.

68 6 november 2009


Bibliografie Alp-Sun (2008). "PRIJZEN VAN VLAKKE PLAAT COLLECTOREN EN KITS." 2009, from http://www.alp-sun.be/. Berendsen, H. J. A. (2005). Landschap in delen : overzicht van de geofactoren. Assen, Koninklijke Van Gorcum. Boonstra, C., R. Clocquet, et al. (2006). Passiefhuizen in Nederland. Boxtel, Aeneas. Duffie, J. A. and W. A. C. A. T. Beckman (2006). Solar engineering of thermal processes. Hoboken, Wiley. Hobbi, A. and K. Siddiqui (2009). "Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS." Solar Energy 83(5): 700-714. Instituut, N. N. (2009). Hygrothermische eigenschappen Referentieklimaatgegevens. NEN 5060:2009 nl NEN. Delft, NEN: 38 blz.

van

gebouwen

-

Mather, D. W., K. G. T. Hollands, et al. (2002). "Single- and multi-tank energy storage for solar heating systems: fundamentals." Solar Energy 73(1): 3-13. MilieuCentraal (2009). "Zonneboiler." Retrieved 23 april, 2009, from www.milieucentraal.nl. Normalisatie-instituut, N. (2004). Energieprestatie van woonfuncties en woongebouwen Bepalingsmethode. NEN 5128 (nl). NEN. Delft, NEN: 219 blz. Normalisatie-instituut, N. (2005). Algemene voorschriften voor leidingwaterinstallaties. NEN 1006:2002/A1:2005 nl. N. N. NEN. Delft, Nederlands Normalisatie-instituut: 25 blz. Peel, M. C., B. L. Finlayson, et al. (2007) Updated world map of the Koppen-Geiger climate classification. vol.1, 12 blz. Quaschning, V. (2005). Understanding renewable energy systems. London; Sterling, VA, Earthscan. Roijakkers, R., C.-H. R. I. B.V., et al. (2004). "Watergebruik in woningen en warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater." 34 blz. SenterNovem (2005). "Warmte-opslag." Retrieved 28 april http://www.senternovem.nl/epn/maatregelen/verwarming/warmte-opslag.asp. SenterNovem (2005). www.senternovem.nl/epn.

"Zonneboiler(combi)."

Retrieved

20-12-2005,

2009, 2005,

from from

SenterNovem (2008). "Financiele Steun." Duurzame Warmte: Zonneboiler. Retrieved 31-07-2009, from www.senternovem.nl/duurzamewarmte/subsidie-informatie. SenterNovem (2008, 29-12-2008). "Zonnewarmtewinst - actief." Retrieved 05-05-2009, 2009, from http://www.senternovem.nl/epn/maatregelen/verwarming/zonnewarmtewinst_actief.asp. SenterNovem, V. (2006). "Referentiewoningen Nieuwbouw; Kompas Energiebewust Wonen en Werken." vol.2: 28 blz.

69 6 november 2009


Spur, R., D. Fiala, et al. (2006). "Performances of modern domestic hot-water stores." Applied Energy(83): 18. Stieber, R. and M. Reichel (2009). "Materialeigenschaften und Eingabegrößen für die Simulation von Schotterspeichern." HLH Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG Heft 2: 5 blz. Sutthivirode, K., P. Namprakai, et al. (2009). "A new version of a solar water heating system coupled with a solar water pump." Applied Energy 86(9): 1423-1430. TRNSYS, T. E. S. S. (2008). "TRNSYS, The Transient Energy System Simulation Tool." Retrieved 05-05-2009, 2009, from http://www.trnsys.com/.

70 6 november 2009


Lijst Afbeeldingen en Figuren

71 6 november 2009


Bijlagen

72 6 november 2009

Optimalisatie van zonne-energieopslag voor woningen Een afstudeerplan door B.J.C.M. Hendriks

klimaatclassificatie van Köppen-Geiger

73 6 november 2009


Technische Informatie Referentiewoningen Tussenwoning

74 6 november 2009


75 6 november 2009


Hoekwoning

76 6 november 2009


77 6 november 2009


Twee-onder-een-kapwoningen

78 6 november 2009


79 6 november 2009


Vrijstaande Woning

80 6 november 2009


81 6 november 2009


Galerijcomplex

82 6 november 2009


83 6 november 2009


Appartementencomplex

84 6 november 2009


85 6 november 2009


86 6 november 2009

Optimalisatie van zonne-energiegebruik voor woningen door middel van opslagsystemen. Literatuurstudie

Recommend Documents