OPTIMALISATIE VAN ZONNE-ENERGIEGEBRUIK VOOR WONINGEN MET EEN OPSLAGSYSTEEM

OPTIMALISATIE VAN ZONNE-ENERGIEGEBRUIK VOOR WONINGEN MET EEN OPSLAGSYSTEEM

© Holland Solar

Bram Hendriks

OPTIMALISATIE VAN ZONNE-ENERGIEGEBRUIK VOOR WONINGEN MET EEN OPSLAGSYSTEEM EEN ONDERZOEK NAAR DE INVLOED VAN HUISHOUDELIJK GEDRAG OP DE CONFIGURATIE VAN EEN ZONNE-ENERGIEOPSLAGSYSTEEM VOOR TUSSENWONINGEN

AFSTUDEERSCRIPTIE

B.J.C.M. HENDRIKS MAASTRICHT, DECEMBER 2009

2 29 december 2009

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

Colofon Plaats en datum:

Maastricht, december ’09

Periode:

april tot december

Academie:

Technische Universiteit Delft

Faculteit:

Civiele Techniek (CiTG) / Bouwkunde (BK)

Sectie:

Gebouwen & Civieltechnische Constructies

Uitgevoerd door:

Bram Hendriks

Studienummer:

1142941

E-mail:

[email protected] of [email protected]

In opdracht van:

Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs BV

Naam voorzitter:

Prof. dipl. ing. J.N.J.A. Vambersky

Instelling:

Technische Universiteit Delft Faculteit Civiele Techniek

Sectie:

Gebouwen & Civieltechnische Constructies

Naam commissielid:

Prof.ir. J.J.M. Cauberg

Instelling:

Technische Universiteit Delft Cauberg-Huygen Raadgevende Ingenieurs BV

Sectie:

Klimaatontwerp & Duurzaamheid / Bouwfysica

Naam commissielid:

Ir. E.R. van den Ham

Instelling:

Technische Universiteit Delft Faculteit Bouwkunde / Civiele Techniek

Sectie:


Naam commissielid:

Dr. ir. W.H. van der Spoel

Instelling:

Technische Universiteit Delft Faculteit Bouwkunde / Civiele Techniek

Sectie:


3 29 december 2009


Voorwoord In het kader van mijn studie Civiele Techniek aan de Technische Universiteit in Delft heb ik een onderzoek verricht naar de gevolgen van verschillen in huishoudelijk energiegebruik voor zonneenergieopslagsystemen. Het onderzoek is tot stand gekomen door mijn interesse voor de onderwerpen duurzaam bouwen en (duurzame) energie. Naar aanleiding van gesprekken met Prof. ir. J.J.M. Cauberg, bleek dat er belangstelling was voor bovenstaand onderzoek als zijnde een deelonderzoek van het grotere onderzoekskader ‘Energy Organizer’. Deze rapportage is een resultaat van het voorgenoemde deelonderzoek. Aanvankelijk had ik mij ten doel gesteld om alle ontwikkelingen die mijn onderzoek, en daarmee ook mijn opgestelde modellen doormaakte, nauwkeurig te registreren. Vervolgens zou mijn eindrapportage een samenvatting worden van de belangrijkste ontwikkelingen, resultaten en conclusies. In een van de latere vergaderingen met de leden van de afstudeercommissie bleek echter dat deze manier van verslaglegging leidde tot een veel te uitgebreide en gedetailleerde rapportage. Daarom is ervoor gekozen alleen de definitieve modellen en bijbehorende resultaten en conclusies op te nemen in het uiteindelijke afstudeerrapport dat hier voor u ligt. Gedurende de tien maanden waarin ik aan het onderzoek heb gewerkt, zijn er verschillende personen geweest die een belangrijke rol hebben gespeeld in de voortgang van dit onderzoek. Allereerst wil ik de al eerder genoemde Prof. ir. J.J.M. Cauberg bedanken voor het verschaffen van verschillende afstudeeronderwerpen. Ondanks dat ik enigszins kieskeurig ben geweest in het uitkiezen van een onderwerp, hoop ik dat hij tevreden zal zijn met mijn uiteindelijke keuze. Daarnaast ben ik hem dankbaar voor het regelen van een werkplaats bij Cauberg-Huygen BV. Verder wil ik graag Dr. ir. W.H. van der Spoel en ir. E.R. van den Ham bedanken voor de inhoudelijke begeleiding bij het onderzoek. Ik zal niet altijd met evenveel plezier terug denken aan de diepe dalen die ik heb gekend na kritische vragen en opmerkingen tijdens de verschillende voortgangsgesprekken. Desalniettemin ben ik ervan overtuigd dat dit heeft geleid tot een beter afstudeerwerk en daarvoor ben ik hen zeer dankbaar. Als laatste wil ik ook nog de voorzitter van de commissie Prof. dipl. Ing. J.N.J.A. Vambersky bedanken voor zijn interesse in het onderwerp en zijn kritische bijdrage tijdens de commissievergaderingen. Maastricht, 14 december 2009

4 29 december 2009


Inhoudsopgave SAMENVATTING ........................................................................................... 8 1.

INLEIDING ........................................................................................ 15

PROBLEEMANALYSE EN DOELSTELLING...................................... 16 PROBLEEMOMSCHRIJVING ................................................................................ 16 2.1.1 HISTORIE ZONNE-ENERGIE & WONINGBOUW ............................................................................. 16 2.1.2 HUIDIGE SITUATIE ZONNE-ENERGIE & WONINGBOUW................................................................. 17 2.1.3 GEVOLGTREKKING ..................................................................................................................20 2.2 PROBLEEMSTELLING ......................................................................................... 23 2.3 DOELSTELLING ................................................................................................. 24

2.

2.1

3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6

4. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3

4.5 4.5.1 4.5.2

PLAN VAN AANPAK .......................................................................... 25 OPZET PLAN VAN AANPAK ................................................................................ 25 LITERATUURONDERZOEK ..........................................................................................................26 AFBAKENING VAN HET PROBLEEM ..............................................................................................26 MODEL VOOR ENERGIEVRAAG WONINGEN .................................................................................. 26 MODEL VOOR HET OPSLAGSYSTEEM........................................................................................... 26 RESULTATEN ..........................................................................................................................27 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN..............................................................................................27 AFBAKENING VAN HET PROBLEEM ............................................... 28 KLIMAATDATA EN KLIMAATGEGEVENS ............................................................... 29 KLIMAATZONE (CFB) ..............................................................................................................29 HET REFERENTIEJAAR EN DE BIJBEHORENDE ZONNESTRALING ...................................................... 30 TEMPERATUUR ........................................................................................................................31 WONINGTYPE EN ENERGIEVRAAG ..................................................................... 32 REFERENTIEWONING VOOR HET ONDERZOEK ............................................................................... 32 RUIMTEVERWARMING ..............................................................................................................33 VERWARMING TAPWATER .........................................................................................................34 INTERNE WARMTEPRODUCTIE ...................................................................................................35 HET OPSLAGSYSTEEM ....................................................................................... 37 ALGEMEEN .............................................................................................................................37 COLLECTOR ...........................................................................................................................38 BUFFER ................................................................................................................................. 40 TRANSPORTMEDIUM EN LEIDINGEN............................................................................................42 WARMTEPOMP ........................................................................................................................43 FINANCIËLE AFBAKENING ................................................................................ 44 KOSTEN ................................................................................................................................ 44 BATEN .................................................................................................................................. 47 NETTO CONTANTE WAARDE .....................................................................................................48 RANDVOORWAARDEN MODELLERING ................................................................ 50 RANDVOORWAARDEN MODELLERING TRNSYS ........................................................................... 50 RANDVOORWAARDEN MODELLERING OPSLAGSYSTEEM ................................................................. 50

5.

SCENARIO’S ENERGIEVRAAG ........................................................ 52 5.1 REFERENTIESCENARIO 1 .................................................................................. 53 5.1.1 UITGANGSWAARDEN REFERENTIESCENARIO 1 ............................................................................. 53 5 29 december 2009


5.1.2 RESULTATEN SCENARIO 1........................................................................................................54

5.2

SAMENVATTING SCENARIO’S EN RESULTATEN ................................................... 62

5.2.1 BESCHRIJVING SCENARIO’S .....................................................................................................62 5.2.2 RESULTATEN SCENARIO’S ........................................................................................................62

6.

MODEL VAN EEN ZONNE-ENERGIE OPSLAGSYSTEEM ............... 65

6.1 6.2

INPUT.............................................................................................................. 66 REKENKERN ..................................................................................................... 67

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6

BESLISSINGSMODEL ENERGIESTROMEN ..................................................................................... 67 COLLECTORCIRCUIT ................................................................................................................69 ENERGIESTROOM NAAR DE BUFFER............................................................................................70 GEVRAAGDE TEMPERATUUR ......................................................................................................70 ENERGIESTROOM UIT DE BUFFER ..............................................................................................71 DE BUFFER ............................................................................................................................72

6.3

BEREKENING VAN RESULTATEN......................................................................... 73

6.3.1 TECHNISCHE RESULTATEN .......................................................................................................73 6.3.2 FINANCIËLE RESULTATEN .........................................................................................................76

7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4

7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4

7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5

7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5

RESULTATEN ..................................................................................... 78 REFERENTIESCENARIO ..................................................................................... 79 ALGEMENE INVLOED HUISHOUDEN OP CONFIGURATIE OPSLAGSYSTEEM............. 82 ALGEMEEN DEKKINGSGRAAD ....................................................................................................82 REALISEREN VAN 20% DEKKINGSGRAAD BIJ VERSCHILLENDE SCENARIO’S ..................................... 83 REALISEREN VAN ANDERE DEKKINGSGRADEN BIJ VERSCHILLENDE SCENARIO’S ................................ 89 CONCLUSIE............................................................................................................................92 INVLOED SYSTEEMPARAMETERS BIJ VERSCHILLENDE HUISHOUDENS .................. 95 INVLOED VARIATIE ORIËNTATIE EN STAND COLLECTOR................................................................ 96 INVLOED TOEGEPAST VERWARMINGSSYSTEEM .......................................................................... 100 INVLOED TOEPASSING WARMTEPOMP ...................................................................................... 103 CONCLUSIE.......................................................................................................................... 106 FINANCIEEL OPTIMALE SITUATIE VOOR HUISHOUDENS ................................... 108 FINANCIEEL OPTIMUM REFERENTIESCENARIO............................................................................ 109 SAMENVATTING FINANCIËLE OPTIMUM OVERIGE SCENARIO’S ..................................................... 111 RELATIE FINANCIEEL OPTIMUM EN GEDRAG HUISHOUDEN .......................................................... 112 GEVOLGEN FINANCIËLE PARAMETERS VOOR OPTIMUM ................................................................ 117 CONCLUSIE.......................................................................................................................... 121 OVERIGE RESULTATEN ................................................................................... 123 KLIMAAT 1995 VOOR ALLE SCENARIO’S ................................................................................... 123 VERANDERING BUFFERGEBRUIK BIJ EEN WARMTEPOMP .............................................................. 124 ENKEL ENERGIEVRAAG VOOR TAPWATER .................................................................................. 125 ENKEL ENERGIEVRAAG VOOR RUIMTEVERWARMING.................................................................... 127 MAXIMALE DEKKING MET ZONNE-ENERGIE ............................................................................... 128

8.

DISCUSSIE ...................................................................................... 130 8.1 BESCHOUWING PROBLEEMSTELLING, RESULTATEN EN DOELSTELLING .............. 130 8.1.1 INVLOED GEDRAG HUISHOUDENS OP DE CONFIGURATIE OPSLAGSYSTEEM .................................... 132 8.1.2 INVLOED SYSTEEMPARAMETERS BIJ VERSCHILLENDE HUISHOUDENS ............................................. 132 8.1.3 FINANCIEEL OPTIMALE SITUATIE............................................................................................. 134 8.2 OVERIGE OPMERKINGEN ................................................................................ 134

6 29 december 2009


9.

AFSLUITING .................................................................................... 136

9.1 9.2 9.3 9.4

CONCLUSIES .................................................................................................. 136 GEVOLGTREKKING .......................................................................................... 137 AANBEVELINGEN EN VERVOLGONDERZOEK ...................................................... 140 SLOT ............................................................................................................. 142

LITERATUURLIJST ................................................................................... 143 SYMBOLENLIJST ...................................................................................... 145 FIGURENLIJST .......................................................................................... 146 BIJLAGEN .................................................................................................. 147 BIJLAGE 1 ................................................................................................................ 147 BIJLAGE 2 ................................................................................................................ 150 BIJLAGE 3 ................................................................................................................ 172 BIJLAGE 4 ................................................................................................................ 184 BIJLAGE 5 ................................................................................................................ 190

7 29 december 2009


Samenvatting Probleemstelling en Doelstelling Tegenwoordig zijn de omstandigheden voor de toepassing van zonne-energiesystemen enorm verbeterd. In de toekomst zullen deze omstandigheden waarschijnlijk alleen nog maar beter worden. Het toepassen van zonne-energieopslagsystemen is vooralsnog niet of nauwelijks direct gerelateerd aan de energiebehoefte van huishoudens. De keuze voor een zonne-energiesysteem wordt voornamelijk bepaald door wat er gemiddeld geldt voor een woningtype. De belangrijkste vraag op voorhand is of er significant verschil zou zijn met de huidige manier van ontwerpen, als het zonne-energieopslagsysteem afgestemd wordt op de energievraag van het specifieke huishouden waar het systeem geïnstalleerd zal worden. Het gaat hier dus om de invloed van huishoudelijk gedrag voor energiegebruik op de configuratie van een algemeen of veelvoorkomend opslagsysteem. Om de voorgaande materie goed te beschouwen zijn probleemstellingen opgesteld. In eerste instantie leidt het feit dat een bepaald type woning geen eenduidig energievraagpatroon heeft (de omstandigheden per huishouden verschillen enorm) tot de eerste probleemstelling. De eerste probleemstelling stelt hier de vraag: is het mogelijk om met het gedrag van een huishouden een bepaling te maken voor het patroon van de energiebehoefte? Het doel hierbij is het ontwikkelen van een model dat de continue energiebehoefte van een bepaald huishouden en woningtype kan bepalen. Aangenomen dat de bovenstaande doelstelling gerealiseerd kan worden, dan volgt meteen de tweede probleemstelling: kan met behulp van de verkregen energiebehoefte voor de specifieke huishoudens bepaald worden wat voor zonne-energieopslagsysteem optimaal is voor het betreffende huishouden? De doelstelling kan hier het best beschreven worden als het ontwikkelen van een model dat, met behulp van de verkregen energiebehoefte van een huishouden, de prestaties van een opslagsysteem met opgegeven eigenschappen kan bepalen. De voorgaande twee doelstellingen vormen de basis voor de latere methode die wordt gebruikt om een antwoord te vinden op de hoofdprobleemstelling. Deze derde en belangrijkste probleemstelling luidt: is het mogelijk om algemene relaties te beschrijven tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype (gedrag van het huishouden) en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen? De belangrijkste (hoofd-) doelstelling om algemene relaties te beschrijven tussen het gedrag van het huishouden en de configuratie van het opslagsysteem is opgedeeld in drie subdoelstellingen: • het bepalen van de invloed van verschillende omstandigheden die de energievraag beïnvloeden op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem. • het bepalen van de invloed van variatie van opslagsysteemparameters op de prestaties van het systeem bij de verschillende energievraagscenario’s. • het bepalen van een financieel optimaal zonne-energieopslagsysteem bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s (huishoudens) en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden.

8 29 december 2009


Methode en Aanpak De eerste twee doelstellingen uit de voorgaande tekst representeren de aanpak en de methode. Het gaat hier dus om het ontwikkelen van data die de energiebehoefte van specifieke huishoudens beschrijft met behulp van TRNSYS en Excel. Daarnaast gaat het om het opstellen van het belangrijkste model uit het onderzoek (in Excel) dat de prestaties van een opslagsysteem met opgegeven configuratie kan beschrijven onder invloed van de opgegeven energiebehoefte. Scenario’s Energievraag De totale energievraag van een huishouden voor een zonne-energieopslagsysteem bestaat uit twee delen: de energievraag voor ruimteverwarming en de energievraag voor verwarming van tapwater. Met behulp van TRNSYS is een model opgesteld voor een tussenwoning. Met dit model wordt een voorspelling gedaan van de energiebehoefte voor ruimteverwarming bij verschillende soorten huishoudens. Een patroon van energieverbruik voor tapwater is overgenomen uit een onderzoek naar warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater bij eenzelfde tussenwoning. Dit patroon is vervolgens gebruikt voor een referentiescenario. Als een ander huishouden beschouwd wordt, dan wordt een nieuw energievraagpatroon voor tapwater verkregen door aanpassing van het referentiescenario. Aan de hand van de bovenstaande methodes is (op elk uur van het jaar) een energievraag te berekenen voor ruimteverwarming en voor verwarming van tapwater voor een specifiek huishouden. De grootte van beide vragen is afhankelijk van het gedrag van het huishouden (scenario). Onderstaand is per scenario een beschrijving gegeven van de uitgewerkte huishoudens of scenario’s. • • •

•

•

•

Scenario 1: Het referentiescenario waarin een standaard situatie is beschreven met klimaatdata uit 1964 en een tussenwoning volgens SenterNovem. Scenario 2: Dit scenario is eigenlijk hetzelfde als scenario 1. De enige wijziging is de toepassing van het extreem warme klimaatjaar uit 1995. Scenario 3: Ten opzichte van scenario 1 wordt deze tussenwoning bewoond door minder personen die daarbij ook nog minder aanwezig zijn. Het gevolg is dat minder wordt geventileerd. Ook wordt er minder interne warmte geproduceerd. Tevens zijn de tijden van verwarmen van ruimten aangepast aan de aanwezigheid van de bewoners. Scenario 4: Bij dit scenario is het patroon voor het gebruik van tapwater gedurende het jaar veel groter. In dit huishouden wordt veel meer warm tapwater gebruikt. Grotendeels wordt dat veroorzaakt door de aanwezigheid van een bad, maar ook door het langduriger gebruik van enkele tappunten. Scenario 5: Dit scenario is opgesteld om een bovengrens te creëren. De energievraag is hier hoog door een combinatie van hogere ventilatiewaarden, hogere verwarmingseisen en een tapwaterverbruik zoals in scenario 4. Scenario 6: Dit scenario is opgesteld om een ondergrens te creëren. De energievraag is hier laag door een combinatie van lagere ventilatiewaarden, lagere verwarmingseisen en een lager tapwaterverbruik ten opzichte van scenario 1.

De resultaten voor de energiebehoefte van de huishoudens (scenario’s) zijn opgenomen in tabel 1.

9 29 december 2009


Tabel 1: Samenvatting Resultaten van verschillende Energievraagscenario's Evrg;rvw;cum (MJ)

Evrg;tap;cum (MJ)

Evrg;tot;cum (MJ)

Ezon;hor;cum (MJ/m2)

Evrg;rvw;max (MJ)

Evrg;tap;max (MJ)

Evrg;tot;max (MJ)

20.802 16.426 18.774 20.802 26.965 15.669

11.360 11.360 11.360 16.023 16.023 7.843

32.163 27.786 30.134 36.826 42.988 23.511

3.532 3.652 3.532 3.532 3.532 3.532

18,7 17,9 11,2 18,7 19,5 16,5

9,6 9,6 9,6 26,1 26,1 6,3

19,7 20,0 18,3 33,0 33,4 17,7

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

De uitleg van de bovenstaande symbolen is weergegeven in tabel 2. Tabel 2: Definitie Symbolen Evrg;rvw;cum (MJ) Evrg;tap;cum (MJ) Evrg;tot;cum (MJ) Ezon;hor;cum (MJ/m2) Evrg;rvw;max (MJ) Evrg;tap;max (MJ) Evrg;tot;max (MJ)

Cumulatieve Energievraag Ruimteverwarming Cumulatieve Energievraag Verwarming Tapwater Cumulatieve Energievraag Totaal (rvw+tap) Cumulatieve Zonne-energie per m2 (horizontaal vlak) Piekwaarde voor een uur Energievraag Ruimteverwarming Piekwaarde voor een uur Verwarming Tapwater Piekwaarde voor een uur Energievraag Totaal

Met deze data is teruggekeken naar de invloed van het huishoudelijk gedrag op het energieverbruik. Allereerst leidt een warmer klimaat tot een aanzienlijk lagere energievraag voor ruimteverwarming. Bij het vergelijken van grote verschillen (scenario 5 en 6) is het verschil in energievraag voor ruimteverwarming bijna een factor 2. Het verschil in energievraag voor verwarming van tapwater is meer dan een factor 2 in de uiterste gevallen. De totale vraag in een jaar kan ook een factor 2 verschillen voor verschillende huishoudens. De gevonden energievraag per huishouden zal dienen als invoer voor het model van een zonne-energieopslagsysteem. Model van een Zonne-energieopslagsysteem Om het zoeken naar een optimale configuratie van een opslagsysteem bij een specifieke energiebehoefte mogelijk te maken, is een model opgesteld. De bedoeling is niet geweest om een realistisch model te maken van een specifieke installatie, maar om een representatief model te maken voor zonne-energieopslagsystemen in het algemeen. De resultaten moeten een goede indruk geven van de werking en prestaties van een opslagsysteem en van de consequenties als gevolg van variërend huishoudelijk gedrag. Het model is opgesteld in Excel en de korte beschrijving ervan is hier opgedeeld in: • Collectorcircuit • Energiestroom naar de buffer • Energiestroom uit de buffer • Weergave Resultaten Collectorcircuit De zonne-energie Qz;t verwarmt het transportmedium dat de collector instroomt met temperatuur Tcol;in;t welke afhankelijk is van de buffertemperatuur aan het eind van vorig uur Tbuffer;t-1. Van de opvallende zonne-energie gaat een deel verloren door radiatie en convectie. De overgebleven energie zorgt voor een temperatuurstijging van het transportmedium naar een temperatuur

10 29 december 2009


Tcol;uit;t. Met deze temperatuur kan na het verrekenen van energieverliezen voor leidingtransport een potentiële energie berekend worden die de buffer kan bereiken met een temperatuur Tz;pot;t. Energiestroom naar de buffer Nu wordt besloten of deze energie daadwerkelijk kan worden gebruikt. Dit is afhankelijk van de temperatuur Tz;pot;t van de potentiële energie Ez;pot;t op tijdstip t en de buffertemperatuur Tbuffer;t-1. Als de temperatuur van de potentiële energie hoger is dan de buffertemperatuur kan de energie in de buffer worden opgenomen. Extra voorwaarde is dat er maar maximaal zoveel energie opgenomen kan worden, dat het temperatuurniveau van de buffer niet hoger wordt dan de temperatuur van de binnenkomende potentiële zonne-energie. Energiestroom uit de buffer In deze beschrijving is geen verschil gemaakt tussen de energievraag voor tapwater en de energievraag voor ruimteverwarming. Echter beide energievragen kunnen in het uur t voorkomen. Dit leidt tot een complexer beslissingsprocedure voor het plaatsvinden van energiestromen. De kern van de beslissingprocedure is voor beide energievragen (ruimteverwarming en tapwater) hetzelfde en dit wordt kort beschreven. Als de buffertemperatuur Tbuffer;t-1 hoger is dan de temperatuur Tvrg;t horend bij de energievraag Evrg;t, dan kan de bufferenergie gebruikt worden. Extra voorwaarde is dat er maar maximaal zoveel energie onttrokken kan worden, dat het temperatuurniveau van de buffer niet lager wordt dan de temperatuur van de energievraag (uitzondering is het systeem met warmtepomp). Het systeem met warmtepomp kan, wanneer de temperatuur Tbuffer;t-1 lager is dan de gevraagde temperatuur Tvrg;t, de buffertemperatuur met X°C opschroeven om alsnog aan de vraag te voldoen. Weergave Resultaten Het model wordt gebruikt voor het genereren van resultaten. De parameters die belangrijk zijn voor de manier waarop het opslagsysteem functioneert of voor de netto contante waarde staan in tabel 3. Tabel 3: Belangrijkste Parameters die functioneren Systeem bepalen Grootheid

Eenheid m2

Grootte Collector

Joule

Grootte Buffer Stand & Oriëntatie Collector Collectorsoort (Optische Efficiëntie, a1, a2) Maximale Temperatuursmarge X Warmtepomp COP Warmtepomp

° °C -

Minimale en Maximale Temperatuur Afgiftesysteem Soortelijke Warmte Transportmedium

°C Wh/kg·°C kg/m2·u

Massastroom Transportmedium Levensduur Opslagsysteem

Jaar

Jaarlijkse Inflatie en Nominale rentevoet

%

Energiekosten Nederlandse Net

Euro

Jaarlijkse Prijsstijging Energie

%

In tabel 4 zijn de belangrijkste resultaten opgesomd die de prestaties van het opslagsysteem weergeven.

11 29 december 2009


Tabel 4: Resultaten die de Prestaties van het gekozen Opslagsysteem beschrijven Index

Resultaten

E

Energieverlies in de buffer

Eenheid Joule

F

Totale Opvallende Zonne-energie (op de collector)

Joule

I

Aantal uren in gebruik

Je

Totale Energievraag

Joule

K

Cumulatieve Energie Opgenomen

Joule

L

Cumulatieve Energie Afgegeven

Joule

M

Energie Onttrokken t.b.v. tapwater

Joule

N

Energie Onttrokken t.b.v. ruimteverwarming

Joule

L/Je

Dekkingsgraad Opslagsysteem

Fractie

P

Netto Contante Waarde (NCW)

Euro

Q

Aanschafkosten Opslagsysteem

S T

Resterende Energie nodig

Euro Joule

Besparing Energie (Gas) van het Net

Joule

uur

Met deze resultaten worden zowel technische alsook financiële prestaties van het opslagsysteem beschouwd.

Resultaten Het hoofddoel was om met het Excel model relaties te beschrijven tussen enerzijds het huishouden en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. Dit is gebeurd door: 1. het bepalen van de algemene invloed van verschillende omstandigheden (die de energievraag beïnvloeden) op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem; 2. het bepalen van de invloed van variatie van systeemparameters op de prestaties van het opslagsysteem bij de verschillende energievraagscenario’s (huishoudens); 3. het bepalen van een financieel optimaal zonne-energieopslagsysteem bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden; 1. Algemene Invloed huishouden op Configuratie Opslagsysteem Bij het genereren van deze resultaten ging het om het bepalen van de invloed van verschillen in huishoudelijk gedrag op de configuraties van zonne-energieopslagsystemen. Als puur naar technische prestaties van het opslagsysteem wordt gekeken, dan is het volgende te zeggen over de resultaten: • In alle gevallen geldt dat de gewenste configuratie van het opslagsysteem verschilt per huishouden of scenario. De variatie is daarbij afhankelijk van een aantal factoren. • Een hogere eis voor de dekkingsgraad (L/Je) levert grotere verschillen tussen de gewenste collector of buffer bij elk huishouden. Toch kan een vrij bescheiden eis voor de dekkingsgraad (10%) nog steeds leiden tot een grootste gewenste configuratie die 165% tot 175% is van de kleinste gewenste collector- of buffergroottes. • Hoe kleiner het vooraf vastgestelde collectoroppervlak, hoe groter het verschil tussen de gewenste buffers voor elk huishouden bij eenzelfde eis voor de dekkingsgraad. • Hoe kleiner de vooraf vastgestelde buffer, hoe groter het verschil tussen het gewenste collectoroppervlakken voor elk huishouden bij eenzelfde eis voor de dekkingsgraad.

12 29 december 2009


2. Invloed Systeemparameters bij verschillende Huishoudens Deze resultaten zijn gegenereerd om de invloed te bepalen van het variëren van systeemparameters (zie tabel 3) op de prestaties van het opslagsysteem bij de verschillende huishoudens. Ook hier is puur naar de technische prestaties van het systeem gekeken. De systeemparameters hebben (allemaal behalve het toepassen van een warmtepomp) bij benadering alleen invloed hebben op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Elk huishouden heeft dus evenveel baat of nadeel bij het aanpassen van de systeemparameters. Er is geen scenario dat wezenlijk anders reageert dan de andere scenario’s op het veranderen van deze systeemparameters. Het is daardoor niet mogelijk om met kennis van de energiebehoefte de prestaties te verbeteren door systeemparameters te veranderen. 3. Financieel Optimale Situatie voor Huishoudens Deze resultaten zijn opgesteld om te bepalen welk financieel optimaal zonne-energiesysteem bij de verschillende huishoudens hoort en daarnaast om te bepalen wat het effect is van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden. De netto contante waarde berekening is gebruikt als ‘tool’ om de invloed het energiegedrag van een huishouden op de keuze voor een financieel optimaal opslagsysteem in kaart te brengen. Uit de resultaten blijkt dat de configuratie van een financieel optimaal opslagsysteem behoorlijk kan variëren afhankelijk van het gedrag van een huishouden. Het verschil in configuratie van een opslagsysteem kan oplopen tot boven de 100% (bijvoorbeeld collectoren tussen de 5 m2 en 10m2 in de hier uiterste gevallen). Daarnaast leidt het verbeteren van het financiële klimaat voor een zonne-energiesysteem, door verhoging van de energieprijsstijging, tot grotere gewenste opslagsystemen en tevens tot een grotere variatie in gewenste systeemgroottes bij verschillende huishoudens. Ook geldt dat bij een positiever financieel klimaat voor zonneenergieopslagsystemen, door alternatie van rente en inflatie, de variatie in systeemgrootte bij verschillende huishoudens iets groter te worden.

Conclusies en Aanbevelingen Door middel van het opgestelde model voor zonne-energieopslagsystemen zijn goede adviezen uit te brengen voor een optimaal opslagsysteem bij een specifiek huishouden op basis van financiële of technische gronden. Het opgestelde model kan na dit afstudeeronderzoek dus nog een functie vervullen. Een mogelijke optie is om een aangepaste en verder gedetailleerdere variant ervan te gebruiken voor het adviseren van huishoudens bij de aanschaf van een opslagsysteem. De advisering kan zowel geschieden op technisch als op financieel gebied. Een probleem is dat niet vooraf bekend is hoe een bepaald huishouden in een woningtype zich gedraagt. Het opgestelde energiegedrag van een huishouden is hier natuurlijk een theoretische benadering, maar hoe kan een energiegebruikspatroon van een huishouden in de praktijk bepaald worden? Een aanknopingspunt voor dit probleem is een rekenkundig hulpmiddel zoals de ‘ECalculator’. De E-Calculator berekent de energielasten op basis van de kenmerken van de woning, het aantal personen dat er gaat wonen en het energiegedrag. Deze ontwikkelde methode is een stap in de richting van het inspelen op het huishoudelijk gedrag voor besparing van energie. Het geeft ook meteen aan dat de hier behandelde materie tegenwoordig veel aandacht krijgt. Het integreren van de twee modellen zal echter aandacht vereisen en dit is dan ook een suggestie voor een vervolgonderzoek. 13 29 december 2009


Als de technische prestaties van een zonne-energieopslagsysteem met het model bekeken worden, dan zijn de variaties in de gewenste systeemgrootte bij verschillende huishoudens significant. Met deze kennis wordt aanbevolen om het huishoudelijke energiegedrag te onderzoeken en op basis daarvan een keuze te maken voor de afmetingen van een zonneenergieopslagsysteem. Als de systeemparameters (bv. collectorstand) bij alle huishoudens hetzelfde zijn, zorgen deze parameters ongeacht hun waarde voor dezelfde variaties in systeemgrootte bij verschillende huishoudens. De parameters van een opslagsysteem kunnen worden gewijzigd om het gebruik van zonne-energie en daarmee de prestaties van het systeem te optimaliseren. Het is echter niet mogelijk om met kennis van het huishoudelijk gedrag het gebruik van zonne-energie te optimaliseren door de systeemparameters aan te passen. De systeemparameters hebben immers alleen invloed op de absolute prestaties van een opslagsysteem, maar zorgen niet voor veranderingen van de variatie van systeemgroottes bij verschillende huishoudens. De financiële prestaties van een zonne-energieopslagsysteem zijn nu bekeken. Hieruit blijkt dat de afhankelijkheid van het financiële klimaat bepaalt of de variaties in systeemgrootte bij verschillende huishoudens significant zijn. Met deze kennis wordt aanbevolen om, alleen zodra het financiële klimaat gunstig is, het huishoudelijk gedrag voor energiegebruik te onderzoeken en op basis daarvan een keuze te maken voor de afmetingen van een zonne-energieopslagsysteem. Het model biedt de mogelijkheid om te onderzoeken wanneer er een gunstig financieel klimaat ontstaat. Hoe slechter het financiële klimaat is voor investering in zonne-energieopslag, hoe gemakkelijker het wordt om te kiezen voor een standaard opslagsysteem dat afmetingen heeft die onafhankelijk van het huishoudelijk gedrag zijn gekozen. Parameters die het financiële klimaat beschrijven (rente, energieprijsstijging, inflatie) hebben dus wel invloed op de variatie van gewenste systeemgrootte bij verschillende huishoudens. Wanneer de parameter zo verandert dat dit leidt tot een gunstiger financiële klimaat voor een zonneenergieopslagsysteem, dan wordt de variatie in gewenste systeemgrootte groter. Hoe gunstiger het financiële klimaat is voor investering in zonne-energieopslag, hoe sterker het wordt aangeraden om de opslagsystemen (grootte) af te stemmen op het huishoudelijk gedrag. Wanneer de parameter zo verandert dat dit leidt tot een slechter financiële klimaat voor een zonne-energieopslagsysteem, dan wordt de variatie in gewenste systeemgrootte kleiner. Het wordt dus gemakkelijker om te kiezen voor een standaard opslagsysteem met afmetingen die onafhankelijk zijn van huishoudelijk energiegedrag.

14 29 december 2009


1.

Inleiding Tegenwoordig bestaan er, ten opzichte van een aantal jaren geleden, veel betere omstandigheden voor de toepassing van zonne-energiesystemen bij woningen. In de toekomst zullen deze omstandigheden waarschijnlijk alleen nog maar beter worden door uitputting van fossiele brandstoffen en de bewustwording van de vervuiling voor het milieu die deze brandstoffen met zich mee brengt. Het toepassen van zonne-energieopslagsystemen bij woningen is echter niet of nauwelijks direct gerelateerd aan de mogelijke energiehuishouding van een woningtype, terwijl al lang bekend is dat het energiegebruik per huishouden in hetzelfde woningtype enorm kan verschillen. Voorheen maar ook nu nog wordt de keuze voor een vrij standaard zonneenergieopslagsystemen vooral bepaald door wat er gemiddeld geldt voor het betreffende woningtype. Of de keuze voor een zonne-energieopslagsysteem gerechtvaardigd is zonder daarbij rekening te houden met de daadwerkelijke energiebehoefte van een huishouden, wordt in dit rapport onderzocht. Om deze vraag te beantwoorden, zal voor een aantal verschillende soorten huishoudens die in eenzelfde woningtype wonen een patroon voor de energiebehoefte ontwikkeld moeten worden. Door een model te maken van een opslagsysteem voor zonne-energie, die onderworpen kan worden aan de verschillende energievraagpatronen, kan een indicatie verkregen worden van de optimale configuratie van het opslagsysteem per huishouden. Door vergelijking van de resultaten voor elk huishouden, kan een conclusie gevormd worden die hoort bij de voorgaande vraagstelling. In dit onderzoek is gekozen voor het woningtype ‘tussenwoning’. Daarbij is voor het zonneenergieopslagsysteem dat in deze woning toegepast zal worden, gekozen voor een systeem dat zowel kan voorzien in de energievraag voor verwarming van tapwater als ook in energievraag voor ruimteverwarming. De energiebehoeften van verschillende huishoudens wordt ontwikkeld in TRNSYS en het zonne-energieopslagsysteem wordt gemodelleerd in Excel. In hoofdstuk 2 wordt een uitgebreidere probleemomschrijving gegeven. Hierdoor wordt beter duidelijk gemaakt hoe de probleemstelling en doelstelling, die ook in dit hoofdstuk zijn opgenomen, tot stand zijn gekomen. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 toegelicht hoe voor het oplossen van het probleem te werk is gegaan in een plan van aanpak. Hoofdstuk 4 beschrijft de afbakening of omkadering van het onderzoek. Na de afbakening kan begonnen worden met de kern van het afstudeerwerk. De ontwikkelde verschillende energiebehoeftes voor de huishoudens met behulp van TRNSYS zijn beschreven in hoofdstuk 5 en in hoofdstuk 6 is het model voor het zonne-energieopslagsysteem in Excel toegelicht. Met de voorgaande informatie en modellen kunnen de resultaten worden gegenereerd (hoofdstuk 6). Met behulp van deze resultaten wordt tot slot een conclusie gevormd in hoofdstuk 7.

15 29 december 2009


2.

Probleemanalyse en Doelstelling Het analyseren van een probleem is de eerste stap op weg naar de oplossing ervan. Hoewel het verleidelijk is om vooral bij dit afstudeerproject direct over mogelijke oplossingen na te denken, is het veel beter om eerst na te denken over het probleem op zich. Pas na een grondige probleemanalyse kan de passende oplossing bedacht worden.

2.1

Probleemomschrijving

2.1.1

Historie Zonne-energie & Woningbouw De introductie van zonne-energieopslagsystemen vond in de vorm van zonneboilers al plaats in de periode na de eerste energiecrisis in 1974. Na een korte periode van experimenten kon er een goed product verkocht worden en werden er zonneboilers in mondjesmaat weggezet. De productiebedrijfjes die waren opgezet waren gewend aan lage overheadkosten en zo kon toch nog geld worden uitgetrokken voor de ontwikkeling van verbeterde producten. In deze tijd waren de omstandigheden en het verkoopklimaat toch matig tot slecht voor duurzame energie opwekkers. Dit had verschillende oorzaken. Door een relatief hoge kostprijs van het product in vergelijking met de relatief lage besparingen veroorzaakt door lage prijzen van andere alternatieven werden zonneenergie opslagsystemen van 1980 tot 1995 voornamelijk aan idealisten verkocht. Dat de kostprijs van andere alternatieven voor energielevering in het verleden veel lager waren dan tegenwoordig is goed te zien in figuur 1 [1]. De systemen voor opslag van zonneenergie hadden voorheen ook lagere rendementen dan de rendementen die tegenwoordig gehaald worden. In de jaren 70 en 80 waren zonne-energie opslagsystemen nog niet uitgerust met de technieken die er anno 2009 zijn. Ook andere mogelijkheden tot energiebesparing zijn er debet aan dat de zonneboiler nooit echt is doorgebroken. De verkoop van zonneboilers ligt al jaren rond 8000 stuks per jaar.

Figuur 1: Kostprijs Aardgas en Elektriciteit

16 29 december 2009


Toch werden er door het verstrekken van een subsidie op zonneboilers hier en daar ook andere geïnteresseerden aangetrokken. De subsidie op de zonneboiler was echter geen garantie: dan was er wel subsidie, dan was er geen subsidie, dan was de subsidiepot leeg. De productie van zonneenergieopslagsystemen werd er hierdoor dus een van hollen en stilstaan. Een laatste minder directe, maar zeker niet onbelangrijke, reden voor het matige gebruik van duurzame energiesystemen was het feit dat men nog niet zozeer geconfronteerd werd met het broeikaseffect en de gevolgen hiervan. De mondiale bewustwording van het feit dat gebruik van fossiele brandstoffen niet zonder consequenties blijft, was nog geen onderwerp van grote discussie. Dit kwam pas later, bijvoorbeeld door het Verdrag van Kyoto. 2.1.2

Huidige Situatie Zonne-energie & Woningbouw Tegenwoordig lijkt de toepassing van duurzame energiesystemen zoals de zonneboiler weer meer kans te krijgen. Door een aantal redenen is het gebruik van duurzame energie de afgelopen tijd enorm in populariteit gestegen. De voornaamste twee redenen zijn misschien wel de uitputting van fossiele brandstoffen (met bijbehorende stijging van de kostprijs van conventionele energie) en (de bewustwording van) de aantasting van het milieu.

2.1.2.1

Uitputting Fossiele Brandstoffen Sinds de jaren zestig worden er steeds minder nieuwe voorraden olie opgespoord. Vanaf de jaren tachtig worden er minder nieuwe voorraden gevonden dan er aan olie gewonnen wordt, zoals te zien is in figuur 2. Bovendien zijn de gevonden oliereserves steeds moeilijker te winnen [2]. De voornaamste conventionele alternatieven voor olie zijn gas, Figuur 2: Voorraden en Productie Olie kolen en kernenergie. De gasproductie zal enkele tientallen jaren later dan olie teruglopen. Het op grote schaal verbranden van kolen zal de klimaatproblemen verder verergeren. Er bestaat ook een enorme aversie bij het publiek tegen een verdere expansie van de het gebruik van kernenergie door de gevaren en risico´s die het gebruik met zich meebrengt. Bovendien is ook Uranium, de grondstof voor kernenergie, niet onbeperkt beschikbaar. In eerste instantie zal het energiegebruik zo ver mogelijk teruggedrongen moeten worden door energiebesparing. De resterende energievraag kan dan met duurzame bronnen ingevuld worden. Zonne-energie is een dergelijk duurzame energiebron; onuitputtelijk, regionaal op te wekken en niet belastend voor het milieu.

17 29 december 2009


Wanneer je de kosten voor thermische zonne-energieproducten omrekent naar een equivalente gasprijs kom je nu in de grootste marktsegmenten uit op de huidige gasprijs voor kleinverbruikers (zie figuur 3). Dit bespaart bij een stijgende gasprijs op termijn dus geld [2]. Het succes van thermische zonne-energie is daarmee voor een groot deel afhankelijk van de prijsontwikkeling van fossiele brandstof in de toekomst. In minder ontwikkelde marktsegmenten, met ongunstiger distributie- en montagestructuur, komen nu nog hogere prijzen voor. Naarmate de markt groeit, zullen steeds meer marktsegmenten op een lager prijsniveau uitkomen. Ook lijkt de winning van energie op een duurzame manier in de toekomst beter mogelijk door de Figuur 3: Prijsontwikkeling Gas en Thermische Zonne-energie dalende ontwikkelingskosten en productiekosten van duurzame energie producten in combinatie met een betere kwaliteit. Door verbetering van de kwaliteit en dus het rendement van de systemen kan er beter geconcurreerd worden met conventionele alternatieven voor energieopwekking. Naast het voorgaande feit is natuurlijk ook de levensduur van de zonne-energiesystemen van enorm belang. Dit is de maximale periode waarover de investering in duurzame energie terugbetaald moet worden. Dus hoe langer de levensduur van het systeem, hoe voordeliger dit is voor het terugverdienen van de investering. Over het algemeen ligt deze in de orde grootte van 20 jaar. 2.1.2.2

Aantasting Milieu Broeikasgassen zoals kooldioxide (CO2) en methaan (CH4) zijn noodzakelijk voor het leven op aarde. Zonder het gasmengsel in de atmosfeer zou de gemiddelde temperatuur -18 graden Celsius zijn. De gemiddelde wereldtemperatuur bedraagt nu ongeveer 12 graden Celsius boven nul. Maar de concentratie broeikasgassen (en voornamelijk kooldioxide) is dertig procent gestegen sinds de industriële revolutie van tweehonderd jaar geleden. Het versterkte broeikaseffect dat hiervan het gevolg is, brengt klimaatveranderingen met zich mee die schadelijk kunnen uitpakken voor het leven op aarde [3]. De CO2 emissie is dus een belangrijke maatstaaf voor het bepalen van de invloed van energiegebruik op het milieu. Als we kijken naar het percentage CO2 uitstoot per sector in Nederland volgens het CBS [4], dan is de verdeling (in 2007) zoals te zien is in figuur 4.

18 29 december 2009


Emissie Broeikasgassen 2007 in Nederland [%] 16%

CO2‐emissie industrie‐ en energiesector

3% 48%

14%

CO2‐emissie verkeer en vervoer CO2‐emissie gebouwde omgeving

19%

CO2‐emissie landbouw Emissies overige broeikasgassen

Figuur 4: Emissie broeikasgassen 2007 in Nederland

Afgezien van het grote aandeel dat de industrie- en energiesector levert, zijn alle andere posten ongeveer van dezelfde grootte. Anno 2009 is de post ‘overige emissies’ zelfs gedaald tot beneden het aandeel dat de gebouwde omgeving levert. De gebouwde omgeving is goed voor 28 Mton aan emissie CO2, waarvan een groot deel veroorzaakt wordt door de subsector huishoudens. Hieruit mag geconcludeerd worden dat het toepassen van duurzame energiebronnen in de woningbouw een behoorlijke bijdrage kan leveren aan het reduceren van emissies.

Energieverbruik 2007 in Nederland [%] 16%

13% Energiebedrijven

15%

Industrie 44%

12%

Huishoudens Verkeer en vervoer Overige energie‐afnemers

Figuur 5: Energieverbruik 2007 in Nederland

Ook als het totale energieverbruik in Nederland wordt bekeken, dan is te zien dat huishoudens een substantieel aandeel hebben in het totale energieverbruik. De 12% van het totale energieverbruik, te zien in figuur 5, lijkt op het eerste vrij gezicht weinig voor huishoudens. Bekijkt

19 29 december 2009


men echter de post ‘overige energieafnemers’ dan bestaat deze uit land- en tuinbouw, bouw, en handel, diensten en overheid. Relatief gezien lijkt het er dus op dat er een hoop winst te halen is bij de toepassing van duurzame energie bij woningbouw. Meer en meer mensen zullen dit in de toekomst beseffen waardoor de neiging tot aanschaf van duurzame energiesystemen zal toenemen. Zonne-energie lijkt de meest toegankelijke manier van duurzame energietoepassing bij gebruik op kleinere schaal zoals woningen. Verschillende mogelijkheden op het gebied van zonneenergieopslag op kleine schaal is de voornaamste reden voor deze toegankelijkheid. Uit praktische ervaring kan gezegd worden dat in Nederland de zon voldoende lijkt te schijnen om opslagsystemen goed te laten functioneren. 2.1.2.3

Overheidsbeleid De productwaarden voor zonne-energie zijn, zoals al eerder te lezen was, vooral nog maatschappelijk van aard. Voor het ontstaan van een massamarkt zijn echter harde marktwaarden nodig. De overheid heeft dit al op een aantal manieren proberen te creëren door de maatschappelijke waarden via regelgeving te vertalen naar marktwaarden. Voorbeelden hiervan zijn het systeem van verhandelbare emissierechten en de energieprestatie waardering in de nieuwbouw. Deze vrij recente ingrepen hebben hun invloed al gehad op Na de introductie van de Energie Prestatie Norm (EPN), waarbij er van overheidswege eisen werden gesteld aan een energiezuiniger ontwerp van de woningen, werd het aantrekkelijker om systemen voor het winnen van thermische zonne-energie ook in nieuwbouwwoningen te installeren. Door de steeds toenemende verscherpte eisen voor de nieuwbouwwoning, kan een zonneboiler zich in de nieuwbouwwoning steeds gemakkelijker handhaven. Dit ondanks het feit dat er naast de zonneboiler diverse andere mogelijkheden voor energiebesparende producten en toepassingen werden ontwikkeld zoals de gebalanceerde ventilatie met warmteterugwinning en de warmtepomp [5]. Ook subsidie op duurzame energiesystemen is een maatregel die steeds vaker gebruikt wordt door de overheid. In het verleden leek deze maatregel niet goed van de grond te komen. Of de omstandigheden tegenwoordig dusdanig veranderd zijn dat subsidie nu wel leidt tot een groei in toepassing van zonne-energiesystemen zal nog moeten blijken. De sleutel tot een massamarkt is namelijk waarde creëren. Investeringssubsidies doen over het algemeen het tegenovergestelde. Zogenaamde ‘teruglever vergoedingen’ bij zonnestroom creëren wel waarde, maar dat is niet aan de orde voor thermische zonne-energie. Soms is het echter onvermijdelijk om in sommige marktsegmenten tijdelijk investeringssubsidies toe te passen om de gewenste schaalvergroting te realiseren die een kostprijsverlaging mogelijk maakt. Dit wordt tegenwoordig dus weer geprobeerd.

2.1.3

Gevolgtrekking Uit de voorgaande paragraaf 2.1.2 blijkt dat er tegenwoordig, ten opzichte van een aantal jaren geleden, betere omstandigheden heersen voor de toepassing van zonne-energiesystemen. In de toekomst zullen deze omstandigheden waarschijnlijk nog beter worden. Als naar het ontwerp van zonne-energieopslagsystemen gekeken wordt, rijzen een aantal vragen met het oog op de huidige en toekomstige omstandigheden. 20 29 december 2009


Het toepassen van zonne-energieopslagsystemen (zonneboilers) is vooralsnog niet of nauwelijks direct gerelateerd aan de mogelijke energiehuishouding van een woningtype. Voorheen maar ook nu nog wordt de keuze voor een (vrij standaard) zonne-energieopslagsystemen vooral bepaald door wat er gemiddeld geldt voor het betreffende woningtype: ‘Zonneboilers worden meestal gedimensioneerd op een dekking van ca. 50 % van de energiebehoefte voor warm tapwater. Voor een gemiddeld huishouden betekent dit een collectoroppervlak van 2.7 - 2.8 m² en een voorraadvat van ca. 100 tot 200 liter.’ [6]

De toegepaste zonneboilers hebben dus een redelijk standaard collectorgrootte en een standaard grootte van het boilervat die vooral afhankelijk zijn van het woningtype. De energievraag bij verschillende huishoudens die woonachtig zijn in eenzelfde woningtype kunnen enorm verschillen. Een factor 2 verschil in grootte van de energievraag is geen uitzondering en voor wat betreft het gebruikspatroon gedurende een periode kunnen er ook grote verschillen optreden. Naast het feit dat er standaard opslagsystemen zijn voor een gemiddelde energievraag die hoort bij een woningtype, zijn er ook standaard ‘EPC pakketten’ ontwikkeld die bij elk woningtype een standaard zonneboilersysteem voorschrijven voor het behalen van een EPC waarde: ‘Er worden onder andere standaard EPC-pakketten gepresenteerd……Het zal voor bouwers een steeds grotere uitdaging worden om aan de EPC eis te voldoen. Toepassing van duurzame energie wordt daardoor steeds aantrekkelijker. De zonneboiler is eenvoudig toe te passen en levert een bijdrage tot het behalen van de EPC eis………Bij de huidige berekeningsmethode komt de EPC verlaging ten gevolge van een groter oppervlak niet overeen met de werkelijke energiebesparing, deze is minder.’ [7]

De toegepaste zonne-energiesystemen hebben hier dus weer een standaard collectorgrootte en een standaard grootte van het opslagvat die vooral afhankelijk is van de te halen EPC waarde en de EPC-reductie die het opslagsysteem levert. Ook hier wordt geen rekening gehouden met mogelijke variaties in energievraag per huishouden. Voorgaand zijn twee voorbeelden van hoe een keuze gemaakt wordt voor een zonneenergieopslagsysteem. In beide gevallen bewijst dit dat er vooralsnog vrij weinig rekening gehouden wordt met de daadwerkelijke situatie voor de energievraag in een woningtype die er zal optreden afhankelijk van het huishouden. Dit is natuurlijk moeilijk in te schatten omdat: - niet bekend is bij nieuwbouw wat bewoners precies gaan verbruiken en hoe het verbruikspatroon er precies uit ziet; - niet bekend is bij bestaande bouw wat jaarlijks precies verbruikt wordt en wat het verbruikspatroon is doordat dit zelden of nooit continu geregistreerd wordt; - niet bekend is wat voor gewoontes binnen een huishouden wat voor energievraagpatroon opleveren; Het probleem is dus dat er van tevoren weinig of geen kennis is over de toekomstige energievraagpatronen van een huishouden. Een oplossing hiervoor zou kunnen zijn om onderzoek te doen naar de gevolgen van een bepaalde eigenschap of handeling van een huishouden (zoals aanwezigheid, ventilatiegedrag, manier van warm tapwaterverbruik) op de energievraag. Later

21 29 december 2009


kunnen dan eigenschappen van een huishouden gekoppeld worden aan gevolgen voor het energievraagpatroon. Toch is de belangrijkste vraag op voorhand of er veel verschillen zouden zijn met de huidige manier van ontwerpen, wanneer er meer bekend is over de energievraag van het specifieke huishouden waar het zonne-energieopslagsysteem geïnstalleerd zal worden. Wijkt een ideaal opslagsysteem behorend bij een specifieke energievraag van een huishouden veel af van de standaard toegepaste zonneboilers? Of levert een groot verschil in energievraag (-patroon) een dusdanig kleine aanpassing op ten opzichte van het standaard systeem zodat het maken van een systeem toegespitst op een specifiek huishouden nutteloos is? Dit zijn vragen die aan de hand van dit onderzoek beantwoordt zullen moeten worden. Onderzoek naar het gedrag van specifieke opslagsystemen zoals systemen met geïntegreerd boilervat in de collector [8], systemen met meerdere tanks [9], systemen met PCM als opslagmedium [10] etc. is al veel gedaan. De bedoeling van dit onderzoek is dan ook niet om specifieke systemen te onderzoeken. Het gaat vooral om de gevolgen van verschillende omstandigheden voor de configuratie van een algemeen of veelvoorkomend opslagsysteem. Hoe dit opslagsysteem er voor dit onderzoek uit moet zien, zal later in de ‘Afbakening van het Probleem’ aan de orde komen.

22 29 december 2009


2.2

Probleemstelling Uit de voorgaande probleemomschrijving kunnen een aantal belangrijke knelpunten gehaald worden, die de kern vormen voor dit afstudeerproject. Deze knelpunten zijn hieronder als de belangrijkste probleemstellingen van het onderzoek opgesteld: •

Voor een bepaald type woning bestaat geen eenduidig energievraagpatroon aangezien de omstandigheden per huishouden enorm kunnen verschillen. De eerste probleemstelling stelt hier de vraag: is het mogelijk om naar aanleiding van het gedrag van een huishouden een bepaling te maken voor het patroon van de energiebehoefte van dat huishouden?

•

Door de verscheidenheid van energievraagpatronen bij een bepaald woningtype onder verschillende omstandigheden (verschillende huishoudens), kan het niet zo zijn dat voor al deze verschillende omstandigheden eenzelfde standaard zonne-energieopslagsysteem optimaal is. De tweede probleemstelling is: kan met behulp van de verkregen energiebehoefte voor de specifieke huishoudens bepaald worden wat voor zonne-energieopslagsysteem optimaal is voor het betreffende huishouden?

•

Eigenschappen van een zonne-energieopslagsysteem voor woningen worden gekozen op basis van een woningtype of EPC eis, maar staan totaal los van de mogelijke relatie met de specifieke energievraag van een huishouden. Daarbij is er nog te weinig theorie voorhanden die een relatie beschrijft tussen enerzijds de omstandigheden van een huishouden met bijbehorende energievraag en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. De derde probleemstelling stelt de vraag: is het mogelijk om algemene relaties te beschrijven tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype (gedrag van het huishouden) en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen.

23 29 december 2009


2.3

Doelstelling In het onderzoek zal naar een aantal doelstellingen toe gewerkt worden. Aan de hand van de probleemstellingen van paragraaf 2.2 zijn deze doelstellingen hieronder opgesteld. •

Het ontwikkelen van een model om zo gedetailleerde scenario’s van de continue energievraag van een bepaald huishouden en woningtype te verkrijgen.

•

Het ontwikkelen van een model dat, met behulp van de verkregen scenario’s voor de specifieke energievraag van een huishouden en woningtype, kan bepalen wanneer een opslagsysteem met opgegeven configuratie een optimale prestatie levert.

•

Met behulp van de hiervoor ontwikkelde modellen is het hoofddoel om algemene relaties te beschrijven tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype (gedrag van het huishouden) en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. Dit kan gedaan worden door: • het bepalen van de invloed van verschillende omstandigheden (die de energievraag

beïnvloeden) op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem; • het bepalen van de invloed van variatie van systeemparameters op de prestaties

van het opslagsysteem bij de verschillende energievraagscenario’s; • het bepalen van een financieel optimaal zonne-energieopslagsysteem bij de

verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden;

24 29 december 2009


3.

Plan van Aanpak In dit hoofdstuk wordt beschreven in welke volgorde een aantal aspecten van het afstudeerwerk worden behandeld en wat per aspect onderzocht gaat worden. Deze aspecten vormen ook de basis van de inhoud van de afstudeerrapportage. Er is allereerst een stroomdiagram gemaakt van de te volgen stappen in het onderzoek. Bij de paragrafen 3.1.1 tot en met 3.1.5 is vervolgens een toelichting gegeven bij de inhoud van de afzonderlijke stappen uit het stroomdiagram.

3.1

Opzet Plan van Aanpak In het onderstaande diagram zijn van boven naar onder de stappen te zien in chronologische volgorde die doorlopen moeten worden tijdens het afstudeertraject. In de hierop volgende paragrafen worden de stappen toegelicht. Literatuuronderzoek

Afbakening Probleem

Optimalisatie van korte termijn zonne-energieopslag in woningen Model EnergievraagScenario's

Resultaten

Model Opslagsysteem

Klimaatgegevens

Resultaten

Conclusies en Aanbevelingen

Figuur 6: Stroomdiagram Plan van Aanpak

25 29 december 2009


3.1.1

Literatuuronderzoek Voordat begonnen kan worden aan het daadwerkelijk onderzoek moet eerst een studie worden verricht naar wat allemaal al bekend is over de energievraag van een bepaald type woning en wat bekend is over zonne-energiegebruik en -opslag bij woningen. Hiermee kan worden voorkomen dat bij deelonderwerpen een compleet onderzoek wordt verricht, terwijl de benodigde informatie al voorhanden is. De gevonden informatie zal voor een groot deel in de vorm van een literatuurstudie verwerkt worden. Het belangrijkste deel zal gebruikt worden of terugkomen in de afstudeerrapportage.

3.1.2

Afbakening van het Probleem Als meer duidelijkheid is verkregen over wat al aan onderzoek gedaan is, betreffende energiegebruik en zonne-energieopslag bij woningen, dan is ook bekend welke aspecten het meest voor onderzoek in aanmerking komen. Aan de hand van deze kennis kan het probleem afgebakend worden. Deze afbakening heeft een aantal intenties: •

Een beter beeld krijgen van het onderzoek in zijn geheel;

•

De complexiteit binnen de perken houden door middel van randvoorwaarden;

•

Binnen de gestelde afstudeertijd voldoende diepgang creëren, door te vermijden dat er te veel in de breedte wordt onderzocht;

Een voorbeeld van afbakening zou kunnen zijn het beperken tot een bepaald type woning of het bepalen van de klimaatomstandigheden. Hierbij moet dan bijvoorbeeld ook weer gedefinieerd worden hoe een bepaald woningtype eruit ziet. Dit alles valt onder de noemer ‘Afbakening van het Probleem’. 3.1.3

Model voor Energievraag Woningen Na de afbakening van het probleem wordt met behulp van de gevonden literatuur allereerst een model opgesteld voor de energievraag bij een woningtype onder specifieke omstandigheden gedurende het jaar. Door variatie van parameters moet het in het model mogelijk zijn om een benadering te geven van de energievraag van een beperkt aantal verschillende omstandigheden. Deze modellering zal hoogst waarschijnlijk gemaakt worden in de TRNSYS omgeving. Dit model zal de basis vormen voor het verdere onderzoek en hier zal dan ook enige tijd aan gewijd moeten worden. Uit het TRNSYS model kan enorm veel data afgeleid worden. De afbakening zal ook hieraan banden moeten leggen en zal bijvoorbeeld een eis moeten stellen aan de hoeveelheid energievraagscenario’s die bekeken worden (de verschillende omstandigheden waarin een gekozen woningtype zich bevindt) of aan de hoeveelheid data die wordt onttrokken aan het model.

3.1.4

Model voor het Opslagsysteem Na afronding van het bovengenoemde is de modellering van een opslagsysteem voor het gekozen woningtype aan de orde. Het opslagsysteem wordt gemodelleerd in een Excel model. De eigenschappen van het opslagsysteem, zoals de buffergrootte en collectorgrootte, moeten door de gebruiker van het model te kiezen zijn. De invoer voor het model is de gekozen klimaatdata uit

26 29 december 2009


een referentiejaar en een energievraagscenario gevonden met het voorgaande TRNSYS model. Met behulp van het model zullen resultaten gegenereerd worden, waarmee de doelstellingen gerealiseerd kunnen worden. De bedoeling is niet om een zo realistisch mogelijk model te maken van een specifieke installatie, maar om een representatief model te maken voor zonneenergieopslagsystemen in het algemeen. De resultaten van het model moeten een goede indruk geven van de algemene werking van een opslagsysteem en de consequenties voor dit systeem als gevolg van variërende omstandigheden. 3.1.5

Resultaten De belangrijkste resultaten die met behulp van het Excel model moeten worden gegenereerd zijn eigenlijk al genoemd in de doelstelling. Het gaat vooral om: - het genereren van configuraties van een zonne-energieopslagsysteem bij verschillende omstandigheden voor de energievraag. - het genereren van prestaties (bij verschillende energievraagscenario’s) van het zonneenergieopslagsysteem bij verschillend ingevoerde parameters voor de eigenschappen van dit systeem. - het berekenen van financieel optimale zonne-energieopslagsystemen bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s.

3.1.6

Conclusies en Aanbevelingen Uiteindelijk zullen de resultaten uit de voorgaande paragraaf leiden tot conclusies over relaties tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. Daarnaast zullen er hoogst waarschijnlijk aanbevelingen zijn voor eventuele vervolgonderzoeken.

27 29 december 2009


4.

Afbakening van het Probleem In het hoofdstuk ‘Probleemanalyse en Doelstelling’ is in feite al een kader opgesteld voor het te onderzoeken onderwerp, door een probleem- en doelstelling op te stellen. Het gekozen onderwerp is op dit moment nog erg breed. Het is daarom verstandig om vooraf strikte maatregelen op te stellen voor wat wel en wat niet tot de te onderzoeken stof hoort. In deze afbakening wordt met behulp van het literatuuronderzoek een keuze gemaakt voor verschillende randvoorwaarden en aannamen om zo het onderzoek verder af te bakenen. Er is hiervoor bij elke opgestelde aanname of randvoorwaarde een oordeel gevormd op basis van de informatie die beschikbaar is in de literatuurstudie. Hierbij wordt ook beargumenteerd wat tot de keuze van een bepaald alternatief heeft geleid. Voor enkele aannamen of randvoorwaarden is het niet eenvoudig om deze voorafgaand aan het daadwerkelijke onderzoek direct vast te stellen. Toch wordt hier geprobeerd om een kritische afbakening te maken van het te onderzoeken model. Mochten randvoorwaarden niet correct zijn opgesteld of aan verandering onderhevig zijn, dan wordt dit nadien gecorrigeerd in deze afbakening. De indeling van de afbakening is enigszins vergelijkbaar met die van het gedane literatuuronderzoek. Hoofdstuk 4.1 behandelt de randvoorwaarden voor de klimaatomgeving, temperatuur en de gebruikte klimaatdata. Vervolgens wordt in hoofdstuk 4.2 een kader opgesteld voor de te gebruiken referentiewoning, installaties van deze woning en te gebruiken data voor de energievraag. In hoofdstuk 4.3 staan de randvoorwaarden die zijn toegepast voor het ontwerp van een zonne-energieopslagsysteem. Hierbij moet bijvoorbeeld worden gedacht aan het type collector dat wordt gebruikt en diens eigenschappen en eigenschappen van de buffer. Hoofdstuk 4.4 gaat over de financiële afbakening van het daarvoor behandelde opslagsysteem. Daarbij komen randvoorwaarden aan de orde voor schatting van de kosten en baten en tevens worden enkele randvoorwaarden behandeld die nodig zijn voor een netto contante waarde berekening. Het laatste hoofdstuk 4.5 beschrijft kort de randvoorwaarden voor de modelleringen in TRNSYS en Excel.

28 29 december 2009


4.1

Klimaatdata en Klimaatgegevens

4.1.1

Klimaatzone (Cfb) 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 wordt hier, voor het klimaat waarin het onderzoek zich afspeelt, gekozen voor de Cfb-klimaatzone die heerst in Nederland. Een Cfb klimaat betekent het volgende [11]: • 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.

Figuur 7: Wereldkaart met Klimaatzones

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 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. Voor eventueel vervolgonderzoek is het interessant om te weten in welke andere klimaten het opslagsysteem ook toegepast zou kunnen worden buiten het Cfb-klimaat. Daarom is in de literatuurstudie bekeken welke klimaten het meest overeenkomen met het Cfb klimaat. Enigszins vergelijkbare klimaten lijken de Cfa en Cfc klimaten. Dit zijn dan klimaten waarvoor waarschijnlijk vergelijkbare conclusies zouden kunnen gelden zoals die later in deze rapportage aan de orde komen.

29 29 december 2009


Als laatste wordt het principe ‘stadklimaat’ hier besproken [12]. De globale betekenis van dit principe is dat het klimaat in grote steden gemiddeld vaak enkele graden warmer is dan hun omgeving. In het onderzoek gaan we er nu vanuit dat de gebruikte data is verworven door metingen in een stadklimaat. 4.1.2

Het Referentiejaar en de Bijbehorende Zonnestraling Vooralsnog zijn er in de literatuurstudie twee verschillende datareeksen gebruikt. De ene klimaatdata is afkomstig uit NEN 5060:2009nl [13], de andere data is afkomstig van de TRNSYS site [14]. Beide datareeksen bevatten informatie voor elk uur van een jaar. In deze afbakening is de keuze gemaakt om verder te gaan met de klimaatdata voor één geheel jaar, afkomstig van de TRNSYS site. Er is hier niet gekozen voor de klimaatdata uit NEN 5060, omdat deze data opgesteld is aan de hand van maatgevende waarden voor afzonderlijke maanden. Deze, uit verschillende jaren afkomstige maanden, zijn vervolgens bij elkaar gevoegd om referentiejaren te vormen voor het berekenen van energieprestatie of temperatuuroverschrijding. Het probleem van deze data voor het onderzoek is dat door de hoge gemiddelde temperaturen en hoge waarden voor zonnestraling het energieaanbod enorm lijkt toe te nemen. Dit zou het energieopslagsysteem te veel in positieve zin kunnen beïnvloeden. In gemiddelde jaren zal (zoals ook beschreven in de literatuurstudie) het energieaanbod een stuk lager liggen. Ook dient de kanttekening gemaakt te worden dat door de klimaatdata uit de NEN 5060 de warmtevraag bij gebouwen afneemt door hogere gemiddelde waarden. Dit zal eveneens positieve invloed hebben op het opslagsysteem. In dit onderzoek is voor de klimaatdata gekozen uit referentiejaar 1964, zoals dat in het verleden ook vaak gedaan is bij andere bouwen installatieprojecten. Toch is het interessant om klimaatveranderingen niet volledig buiten beschouwing te laten. Om deze reden is klimaatdata uit de jaren 1995 en 2000 achter de hand gehouden om later in het afstudeertraject te bepalen hoe klimaatrobuust het zonne-energieopslagsysteem is. De hoek en oriëntatie van een vlak waarop de straling valt is bepalend voor de hoeveelheid zonnestraling per vierkante meter. Vooralsnog is in de gekozen klimaatdata alleen de straling gegeven op een horizontaal vlak (zie figuur 8). [14]

Figuur 8: Zonnestraling uit de Klimaatdata op een Horizontaal Vlak

30 29 december 2009


Met behulp van de aanwezige data kan in een later stadium echter de zonnestraling vallend op een collector met een bepaalde oriëntatie en afstellingshoek berekend worden. Bij het bepalen van de hoeveelheid zonnestraling die op een vlak valt wordt in dit onderzoek geen rekening gehouden met schaduwverliezen. Er wordt dus aangenomen dat directe straling, diffuse straling en grondreflecties niet gehinderd worden door enige vorm van beschaduwing. 4.1.3

Temperatuur Voor de temperatuur wordt de data aangehouden die hoort bij het gekozen referentiejaar. Dit is dus de data uit 1964 welke in het verleden ook al vaker gebruikt is bij andere onderzoeken die bouwen installatietechnisch gerelateerd zijn. Zoals in de vorige paragraaf al werd gezegd is het toch interessant om de gevolgen van veranderingen in het klimaat niet volledig buiten beschouwing te laten. Om deze reden wordt klimaatdata uit de jaren 1995 en 2000 achter de hand gehouden. In figuur 9 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.

Figuur 9: Het verloop van de Buitentemperatuur in het Jaar 1964

31 29 december 2009


4.2

Woningtype en Energievraag

4.2.1

Referentiewoning voor het onderzoek De rijwoningen vertegenwoordigen bijna 50% van de woningproductie in Nederland. Van die 50% is bijna driekwart een tussenwoning. Van het totaal aantal nieuw gebouwde woningen is 36,5% een tussenwoning [15]. Dit woningtype heeft hiermee het grootste aandeel in de woningmarkt en is daarom het meest interessant voor toepassing bij dit onderzoek. Het kan zijn dat het in een later stadium of voor een vervolgstudie interessant is om nog andere woningtypen te bekijken. Zo kan wederom de robuustheid van het opslagsysteem worden bekeken. Vooralsnog wordt hier echter de tussenwoning aangehouden die afkomstig is uit de referentiewoningen van SenterNovem [16]. De technische tekeningen voor de referentietussenwoning zijn terug te vinden in bijlage 1. Figuur 10: Tussenwoning

De keuze van een installatiepakket is in dit stadium eigenlijk nog niet heel belangrijk, omdat het hier primair gaat om het bepalen van de energie die nodig is om een ruimte op temperatuur te krijgen. Toch is er een keuze gemaakt voor een installatieconcept om bij latere modellering enige houvast te hebben. Bij de gekozen referentiewoning ‘tussenwoning’ zijn er door SenterNovem een tweetal standaard installatiepakketten opgesteld. Hier wordt gekozen voor de woning met mechanische afzuiging en zelfregelende roosters. Dit betekent zoveel als natuurlijke ventilatietoevoer en afvoer van de ventilatielucht met behulp van gelijkstroom ventilatoren. Dit alles gebeurt zonder warmteterugwinning. Het verwarmingssysteem van de referentie is opgebouwd uit een HR-107 ketel die aangesloten is op een lage temperatuur verwarming (LTV) met behulp van vloerverwarming en eventuele LT radiatoren. De componenten voor de afgifte van warmte worden hier overgenomen. Echter, omdat er in dit onderzoek gewerkt zal worden aan een model voor de levering van warmte met zonne-energie, zal de HR-107 ketel later vervangen worden door een ander (zonne-energie) verwarmingssysteem. De belangrijkste keuze het bovenstaande installatiepakket is de inzet van duurzame energiebronnen als zonne-energie met lage temperatuur verwarming veel efficiënter is. Een andere optie zou niet logisch zijn. Later zal toch gekeken worden wat de gevolgen zijn van bijvoorbeeld hoge temperatuur verwarming (HTV) in combinatie met het zonne-energiesysteem. Voor het verwarmen van tapwater is gekozen voor een integratie met de gekozen verwarmingsinstallatie. (Voorlopig is dus gekozen voor een HRww C4 combi toestel, maar hiervoor geldt dezelfde opmerking als voor de HR-107 ketel). De randvoorwaarden voor de installaties zoals de regeling en afstelling van de thermostaat, de ventilatie en andere factoren die afhankelijk zijn van het huishouden worden apart voor ieder scenario van een huishouden behandeld in ‘Scenario’s Energievraag’. De keuze voor deze woning en dit installatieconcept stelt randvoorwaarden aan de volgende parameters:

32 29 december 2009


Tabel 5: Parameters Referentiewoning

Bouwkundige gegevens

Waarde

Beukmaat Woningdiepte Verdiepingshoogte Gebruiksoppervlakte Verliesoppervlakte Rc waarde gevel Rc waarde dak Rc waarde begane grondvloer U-waarde ramen U-waarde voordeur

5,1 m 8,9 m 2,6 m 124,3 m2 156,9 m2 3,0 m2K/W 4,0 m2K/W 3,0 m2K/W 1,8 W/m2K 2,5 W/m2K

Installatietechnische gegevens Type Type Type Type

verwarmingsinstallatie ventilatiesysteem ventilatoren warm tapwatersysteem

HR-107 ketel met vloerverwarming en LT radiatoren Zelfregelende roosters met mechanische afzuiging Gelijkstroom ventilatoren Combiketel HRww C4

Nog eens wordt hier gemeld dat de installatietechnische gegevens die hierboven genoemd zijn, in een later stadium niet gebruikt hoeven te worden. Dit is een houvast voor de latere modellering in TRNSYS. Er zal immers onderzoek gedaan worden naar een opslagsysteem voor zonnewarmte. Dit is waarschijnlijk niet te combineren met een aantal van de bovenstaande componenten. Het te ontwikkelen model wordt opgesteld voor een enkele woning (zie ook paragraaf 4.3.1). Woonwijken of stadsdelen worden hier gezien als modelleringen op te grote schaal en vallen hier buiten het opgestelde kader. De laatste belangrijke noot in deze paragraaf is dat er vooralsnog wordt uitgegaan van een situatie waarin het systeem toegepast wordt bij een nieuwbouwwoning en dus niet bij bestaande bouw. Dit kan gevolgen hebben voor latere conclusies. 4.2.2

Ruimteverwarming Dit onderzoek is gebaat bij een vrij nauwkeurige inschatting van de energievraag gedurende het referentiejaar om zo bruikbare informatie te verkrijgen voor de latere modellering van het opslagsysteem. Het voorspellen van energievraag voor ruimteverwarming wordt met het programma TRNSYS gedaan. Hiermee zal voor verschillende huishoudens een scenario met een energievraagpatroon voor ruimteverwarming worden ontwikkeld. Bij het berekenen van de energievraag voor ruimteverwarming in TRNSYS zullen de randvoorwaarden gebruikt worden die in de voorgaande paragrafen aan de orde zijn gekomen. Dit levert zowel bouwkundige en installatietechnische voorwaarden. Het is belangrijk om een aantal significante verschillen door te voeren bij de scenario’s, zodat energievraagpatronen tot stand komen met reële variaties. De verschillen tussen de scenario’s en bijbehorende resultaten komen aan de orde in het hoofdstuk ‘Scenario’s Energievraag’. Ook worden hier per scenario de randvoorwaarden genoemd voor de regeling en afstelling van de thermostaat, de ventilatie en andere factoren die afhankelijk zijn van het huishouden. Omdat een gevraagde temperatuur die hoort bij energievraag voor ruimteverwarming niet zonder meer bekend is, zal hier een aanname voor gedaan moeten worden. De beste manier waarop een temperatuur bepaald kan worden die geschikt is bij een gevonden energievraag, is door het 33 29 december 2009


benutten van een stooklijn. In een stooklijn is de benodigde temperatuur voor ruimteverwarming uitgezet tegen de buitentemperatuur. Op deze manier kan op elk moment van het referentiejaar bepaald worden welke temperatuur het verwarmingssysteem eist voor het verwarmen van een ruimte. De exacte bepaling van de stooklijn, zoals die in het latere model is opgenomen, is voor het referentiejaar terug te vinden in bijlage 3 (‘Gevraagde Temperatuur’). In figuur 11 is een voorbeeld te zien van een stooklijn.

Stooklijn

70,0

Tvraag Ruimteverwarming [°C]

60,0 50,0 40,0 Data Tvraag bij Tbuiten

30,0

Stooklijn 20,0 10,0 0,0

‐10,0

‐5,0

0,0

5,0 10,0 Buitentemperatuur [°C]

15,0

20,0

25,0

Figuur 11: Voorbeeld van een Stooklijn

4.2.3

Verwarming Tapwater Wanneer het gaat om een combi zonne-energieopslagsysteem, moet aan de gebruikerszijde gekeken worden naar de energiestromen die daadwerkelijk uit de opslag gehaald kunnen worden. Naast het energiegebruik voor ruimteverwarming is dit dan ook het energiegebruik voor verwarming van tapwater. Als het energiegebruik op elk moment van het referentiejaar voor verwarming van tapwater gemodelleerd moet worden, zal er iets bekend moeten zijn over de volumestromen (gebruikerspatroon) van water bij een huishouden. Een eerste gebruikerspatroon is overgenomen uit een onderzoek bij een tussenwoning naar warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater [17]. Met behulp van de temperatuurniveaus bij de volumestromen te kijken kan bepaald worden wat de bijbehorende energiestromen zijn. De energiestromen voor een gemiddelde dag zijn in tabel 6 te zien. Deze dag is gekozen als gemiddelde dag die dan ook gebruikt is gedurende het gehele jaar. Bij enkele scenario’s zal gevarieerd worden ten opzichte van de hier gekozen referentie energiestromen voor warm tapwater. Voor het verkrijgen van de referentie energiestromen voor verwarming van tapwater zijn een aantal aannamen gedaan: • Voor het gebruikerspatroon wordt uitgegaan van een vaak voorkomende (gemiddelde) dag.

34 29 december 2009


•

• • •

•

Voor het tappatroon van warmwater is uitgegaan van het tappatroon zoals vermeldt in ‘NEN 5128: Energieprestatie van woonfuncties en woongebouwen – Bepalingsmethode’. December 2001. Leidingverliezen zijn buiten beschouwing gelaten. Voor de temperatuur van het koud water wordt uitgegaan van een temperatuur van 13°C. Voor de temperatuur van het heetwater wordt uitgegaan van een benodigde temperatuur van 65°C [18]. Dit is 5°C hoger dan de eis van 60°C ter voorkoming van legionella, omdat de uiteindelijke temperatuur bij het mengpunt 60°C moet zijn. Er wordt dus vrij globaal rekening gehouden met een temperatuursverschil tussen bron en mengpunt. Het koud water met een temperatuur van 13°C en het heetwater met een temperatuur van 65°C worden gemengd in mengkranen. Hierbij is aangenomen dat de heetwaterkraan volledig geopend is en dat met behulp van de koudwaterkraan de gewenste temperatuur wordt geregeld (mengverhouding tussen koud water en heetwater).

De bovenstaande aannamen [17] leiden tot energiestromen ten behoeve van tapwater op een gemiddelde dag, zoals die te zien zijn in tabel 6. Tabel 6: Energiestromen voor Verwarming Tapwater

Uur van de dag 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

4.2.4

Uur van de dag

Energiestroom (J)

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

0 0 0 0 0 0 9.116.119 180.306 216.368 468.797 504.858 0

Energiestroom (J) 4.020.833 576.981 342.582 432.735 0 4.020.833 504.858 703.195 108.184 288.490 9.639.008 0

Interne Warmteproductie Bij het simuleren van het energiegebruik van verschillende scenario’s wordt alleen rekening gehouden met de energievraag voor verwarming van de ruimtes en verwarming van tapwater. Energiegebruik voor elektrische apparaten wordt niet meegenomen, omdat deze elektrische energie ook niet eenvoudig aan de gebufferde thermische energie kan worden onttrokken. Wel wordt de interne warmteproductie van zowel grote elektrische apparatuur en personen meegenomen in de berekeningen voor ruimteverwarming. Deze warmte heeft namelijk een behoorlijke invloed op de energievraag voor ruimteverwarming. In TRNSYS zullen verschillende warmtebronnen ingevoerd worden, waaronder verlichting, computer, kooktoestel, televisie en personen. De grootte van de interne warmteproductie is per ruimte natuurlijk verschillend. Voor elke ruimte is de interne warmteproductie terug te vinden in het hoofdstuk ‘Scenario’s Energievraag met TRNSYS’. Voor de warmteproductie van personen is uitgegaan van de NEN-ENISO 7730 [19]. De verlichting heeft een vermogen van 13 W/m2, waarbij 70% van de warmte wordt verspreid door middel van convectie en 30% door radiatie. Koken wordt gezien als een pure convectieve verspreiding van de warmte en heeft een constant vermogen gedurende de kooktijd

35 29 december 2009


van 1260 kJ/uur. Ook de televisie is op eenzelfde wijze gemodelleerd. De tijden waarop televisie gekeken wordt door de bewoners is de warmteverspreiding door dit apparaat puur convectief met een grootte van 720 kJ/uur. De warmteproductie van de computer ligt tussen de 230W en 280W, afhankelijk van het wel of niet gebruiken van een printer (tussen de 800 en 1000 kJ/uur).

36 29 december 2009


4.3

Het Opslagsysteem

4.3.1

Algemeen Zoals ook al in de het plan van aanpak werd verteld, is het niet de bedoeling om een zo realistisch mogelijk model te maken van een specifieke installatie, maar juist om een representatief model te maken voor zonne-energieopslagsystemen in het algemeen. De resultaten van het model moeten een goede indruk geven van de algemene werking van een opslagsysteem en de consequenties voor dit systeem als gevolg van variërende omstandigheden. In de afbakening voor het opslagsysteem is geprobeerd om zo min mogelijk randvoorwaarden te stellen aan variabelen die het opslagsysteem direct beïnvloeden (collectorgrootte, buffergrootte etc.). Voor het type systeem is gekozen voor een opslagsysteem voor zonne-energie dat lijkt op een zonneboiler combi. Een zonneboilercombi is een gepompt systeem. De warmte in het vat wordt gebruikt voor tapwater verwarming en ruimteverwarming. De bijdrage aan ruimteverwarming is gering in een woning met een geringe warmtebehoefte. De naverwarming van het cv- en tapwater is hierbij geïntegreerd, maar gebeurt gescheiden in het voorraadvat.

Figuur 12: Uitgangspunt voor het Model is de Zonneboiler Combi

Het later in het Excel model te ontwerpen opslagsysteem is net als de zonneboilercombi uitgerust met een collector voor het opvangen van de zonnewarmte en een buffer in de vorm van een tank waarin de opgevangen warmte kan worden opgeslagen en waaraan warmte kan worden onttrokken voor zowel tapwater als ruimteverwarming. Figuur 12 suggereert dat het tapwater direct aan de buffer wordt onttrokken. In het ontwerp dat in dit onderzoek aan de orde komt zal dit gebeuren met behulp van een warmtewisselaar. Het opslagmedium is vooralsnog water. Het model moet het echter mogelijk maken om later een ander opslagmedium te definiëren zodat veranderingen als gevolg van een ander opslagmedium inzichtelijk gemaakt kunnen worden. Het transport van de zonnewarmte gebeurt met behulp van leidingen en een vloeibaar transportmedium. In dit onderzoek worden twee varianten voor het opslagsysteem toegepast. De eerste variant maakt gebruik van een warmtepomp voor het verhogen van het temperatuurniveau van zonnewarmte indien dit niet voldoende hoog is. Alle overige verwarming die nodig is en niet geleverd kan worden met zonnewarmte wordt ook geleverd door de warmtepomp met een andere bron (bv. buitenlucht). De tweede variant is een opslagsysteem dat alleen gebruik maakt van zonne-energie indien het temperatuurniveau in de buffer voldoende is. De resterende energie die geleverd moet worden, wordt geleverd door een gasgestookt systeem. Het verschil tussen deze varianten is alleen relevant voor de financiële berekeningen. Anders gezegd: het model van variant 1 met een uitgeschakelde warmtepomp moet dezelfde resultaten geven als variant 2. Een uitgebreide uitleg van het zonne-energieopslagsysteem en de werking ervan zal aan de orde komen in hoofdstuk 6.

37 29 december 2009


Verder is hier ook een beperking gesteld aan de schaalgrootte waarop het opslagsysteem wordt toegepast. Het gaat om een te ontwikkelen model voor een enkele woning. Woonwijken of stadsdelen worden hier gezien als modelleringen op een te grote schaal en vallen hier buiten het opgestelde kader. 4.3.2

Collector

4.3.2.1

Type Voor het type collector wordt een vlakke plaat collector aangehouden. De vlakke plaat collector is eigenlijk een ondiepe bak. 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 en bestaat uit één of meerdere metalen platen die onder invloed Figuur 13: Vlakke Plaat Collector 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 14 worden de energiestromen bij een collector geïllustreerd [20]. De manier waarop de verliezen bepaald worden komt aan de orde in paragraaf 4.3.2.3.

Figuur 14: Energiestromen bij een Vlakke Plaat Collector

4.3.2.2

Grootte, stand en oriëntatie Er wordt geen aanname gedaan voor de grootte van de collector. Hiervoor geldt juist dat dit een parameter is van het systeem die moet voortvloeien uit de analyse van de energievraagscenario’s en zonne-energie. Er wordt dus een ontwerpvrijheid gehandhaafd. De collectorstand en oriëntatie wordt ook niet vastgesteld. In het latere TRNSYS model zal voor een aantal standen en oriëntaties de opvallende zonnestraling worden berekend. Omdat niet alle standen en oriëntaties interessant zijn en omdat het berekenen van zonnestraling op een specifiek vlak een bewerkelijke bezigheid is zijn alleen de belangrijkste standen en collectororiëntaties hier vastgesteld voor later gebruik. Deze zijn te zien in tabel 7.

38 29 december 2009


Tabel 7: Collectorstanden en Oriëntaties

4.3.2.3

Oriëntatie

Collectorstand

Zuid Zuid Zuidwest Zuidwest Zuidoost Zuidoost -

45° 90° 45° 90° 45° 90° Horizontaal

Energieverliezen Omdat het latere model een keuzevrijheid moet hebben voor het type vlakke plaat collector en de grootte ervan zijn eenduidige kenmerken en dimensies van de collector voor het berekenen van energieverliezen niet aanwezig. Toch is het belangrijk om energieverliezen van de collector te verdisconteren met de totale energieopname. De energieverliezen van een collector zijn van een dusdanige vorm en grootte dat deze niet te verwaarlozen zijn. Daarom worden de formules voor berekening van verliezen van de collector verwerkt in het model met hierin variabelen die afhankelijk zijn van het collectortype en de collectorgrootte. Ook de buitentemperatuur en de collectortemperatuur spelen hierbij een rol. Voor de collectorverliezen zijn de volgende aannames gedaan: • • • •

•

De omgevingstemperatuur van de collector is gelijk aan de buitentemperatuur op het betreffende uur van het referentiejaar. De gemiddelde temperatuur van de collector is gelijk aan de som van de temperaturen van het inkomende en uitgaande transportmedium gedeeld door twee. Het verschil tussen de omgevingstemperatuur en de collectortemperatuur levert ∆T. De optische efficiëntie is normaal ook enigszins afhankelijk van de hoek van inval en het zonnespectrum. Voor hele exacte berekeningen moeten deze effecten ook meegenomen worden. In deze afbakening wordt echter gesteld dat deze berekeningen het doel voorbij schieten en de optische efficiëntie is hier dan ook constant afhankelijk van het collectortype. Rendementsverliezen van de collector worden berekend met behulp van de formule: 4.1 Met: : optische efficiëntie collector E: opvallende zonne-energie (J/m2). Ac: collectoroppervlak (m2). Qrc: verliezen als gevolg van radiatie en convectie bij de collector (J).

•

Hier is Qrc het energieverlies door radiatie en convectie. Dit wordt met verliescoëfficiënten a1 en a2: ∆

∆

· 3600

4.2

De voorgaande formules worden gezien als algemene theorie voor vlakke plaat collectoren en zijn afkomstig uit ‘Understanding Renewable Energy Systems’ [20].

39 29 december 2009


•

•

De verliesfactoren voor het rendement van de collector zijn vooralsnog gelijk gesteld aan die van een representatief geachte vlakke plaat collector (een paradigma solar 500). De factoren zijn η0=0,8 a1=3,79 W/m2·K en a2=0,009 W/m2·K [20]. Het model moet de mogelijkheid bieden tot keuze voor een andere vlakke plaat collector. Qout is de energie die wordt gebruikt om het transportmedium op te warmen van Tcol;in;t naar Tcol;uit;t.

De overblijvende energie na vermindering van de energieverliezen van de collector is de energie die dus uiteindelijk leidt tot het opwarmen van het transportmedium. Het precieze verloop van de energiestromen voor het collectorcircuit zoals die in het model verwerkt zijn komen aan de orde in hoofdstuk 6. 4.3.3

Buffer

4.3.3.1

Type 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 zonneenergie op te kunnen slaan, om een substantieel deel van de energiebehoefte te kunnen leveren met zonne-energie. Bij een systeem zoals hier gemodelleerd zal worden is een opslagvat of buffervat met een (vloeibaar) opslagmedium het meest geschikt. Het opslagvat is hier puur bedoeld voor het verwerken van zonne-energie. Een warmtepomp die achter de buffer staat zal het temperatuurniveau van zonne-energie uit de buffer extra kunnen verwarmen (zie paragraaf 4.3.5). De warmte die niet geleverd kan worden door zonne-energie (met of zonder warmtepomp) wordt voorzien door conventionele energielevering wat niet in het model voor de buffer opgenomen zal worden.

4.3.3.2

Figuur 15: Buffervat

Grootte en Opslagmedium Er wordt weer geen aanname gedaan voor de grootte van de buffer. Hiervoor geldt juist dat dit een parameter is van het systeem die moet voortvloeien uit de analyse van de energievraagscenario’s en zonne-energie. Het gaat erom dat er met het model een inschatting verkregen kan worden voor de maximale energie die opgeslagen moet worden. Aan de hand van deze energiegrootte wordt een indicatie gegeven voor de grootte van de buffer. Er wordt dus wederom een ontwerpvrijheid gehandhaafd. Ten aanzien van de eigenschappen van het opslagmedium worden ook vooralsnog geen aannames gedaan. Als het mogelijk is om in het model een keuzevrijheid te handhaven voor de eigenschappen van het opslagmedium in de buffer zal dit zeker gedaan worden. Wanneer dit toch niet mogelijk blijkt in verband met bijvoorbeeld het berekenen van de bufferverliezen (hiervoor is een oppervlak van het buffervat nodig), wordt voorlopig water aangehouden als opslagmedium. Wel gaat het hier om voelbare warmteopslag en niet om latente of chemische opslag.

40 29 december 2009


Energieverliezen De verliezen door opslag van thermische zonne-energie in de buffer zijn afhankelijk van de omgevingstemperatuur en de temperatuur van het opslagmedium, de materialen en isolatie van de buffer en de dimensies van het systeem (bv. volume buffer). Om de grootte van deze verliezen goed in te kunnen schatten, zonder het gehele systeem meteen concreet te definiëren, zijn een aantal aannames gedaan: • Als er geen zonne-energie in de boiler is opgeslagen is de boilertemperatuur gelijk aan de omgevingstemperatuur. • Wanneer de buffer volledig is gevuld dan is de maximale temperatuur in de buffer bereikt. • Om een redelijke inschatting te kunnen maken van de temperatuursverschillen, moet er een maximaal temperatuurniveau in de buffer worden aangenomen. Dit maximale temperatuurniveau is vastgesteld op 80°C en is gebaseerd op afstellingen van zonneboilers uit de praktijk [21]. • Met een omgevingstemperatuur (constante binnentemperatuur van 20°C) levert dit een ∆Tmax van 60°C. • Het energieverlies is ook afhankelijk van de hoeveelheid energie in de buffer. Dit is logisch aangezien meer energie in het vat bij eenzelfde volume en druk inherent is aan een hogere temperatuur in het vat. Dit betekent dus dat er een groter temperatuurverschil is en dus een groter verlies. • De ∆Tmax in combinatie met de maximale energiehoeveelheid in de buffer levert een globaal temperatuurniveau voor elk energieniveau dat de buffer heeft op een uur t. • Met behulp van onderstaande formule uit ‘Understanding Renewable Energy Systems’ [20] wordt het energieverlies van de buffer door stilstand bepaald. · •

4.3

·

Hierbij is een verliescoëfficiënt k van 0,5 aangehouden. De oppervlakte A van het buffervat wordt berekend door een kubus water uit te bepalen die het maximaal opgegeven aantal joule bufferruimte net kan opslaan.

Het energieverlies is zo gemodelleerd dat elk uur het aandeel van de energiehoeveelheid die aan het einde van vorig uur in de buffer aanwezig was verloren gaat. Deze modellering in combinatie met bovenstaande aannames levert een exponentiële daling van het temperatuurniveau, wanneer er geen energie toegevoegd of onttrokken wordt aan de buffer. Een typische temperatuursdaling, die hier ook is weergegeven in figuur 16, wordt puur en alleen veroorzaakt Temperatuur [graden]

4.3.3.3

Temperatuurdaling in de Buffer 60 50 40 30 20 10 0 0

400

600

800

Tijd [uren] Figuur 16: Karakteristieke Temperatuurdaling in de Buffer

door opslagverliezen van de buffer.

41 29 december 2009

200

1000


4.3.4

Transportmedium en Leidingen

4.3.4.1

Type Er wordt in paragraaf 4.3.4.3 een schatting gemaakt voor leidingverliezen. Dit is eigenlijk de belangrijkste reden dat hier een keuze gemaakt moet worden voor een transportleiding van de collector naar de buffer. Er is hier gekozen voor een koperen leiding met een buitendiameter van 15 mm (dp= 15 mm) en een isolatie van de leiding van 30 mm dik (dI= 0,075 m) met een thermische geleiding van = 0,040 W/(m·K).

4.3.4.2

Lengte De gekozen lengte van de leiding is 10 meter vanaf de collector naar de buffer. Ook dit is eigenlijk alleen belangrijk voor het schatten van de energieverliezen veroorzaakt door transport van de energie. Er is aangenomen dat de collector op het dak van de referentiewoning is bevestigd en dat er grofweg 10 meter leiding nodig is om de afstand naar de buffer te overbruggen.

4.3.4.3

Energieverliezen De verliezen voor transport van thermische zonne-energie naar de buffer zijn afhankelijk van de omgevingstemperatuur van de leidingen en de temperatuur van het transportmedium in de leidingen, de materialen en isolatie van de leidingen en de lengte van de leiding. Om de grootte van deze verliezen goed in te kunnen schatten, zijn een aantal aannames gedaan: • De omgevingstemperatuur is gelijk aan de omgevingstemperatuur van de buffer en is constant verondersteld op 20°C. • De temperatuur van de leidingen op uur t is gelijk aan de temperatuur van het transportmedium in de leidingen op uur t. • Het verschil in temperatuur ∆Tlv;t tussen leiding en omgeving op tijdstip t is dan gelijk aan het verschil van de bovenstaande twee temperaturen. • De energieverliezen voor transport van de collector naar de buffer worden als volgt berekend: · · •

;

· 3600

4.4

De warmte overdrachtscoëfficiënt is berekend op 0,1465 W/(m·K): 4.5 ·

Met: dI: buitendiameter van de isolatie in (m). λ: thermische geleiding isolatie (W/(m K)). dp: buitendiameter van de transportleiding (m). α: oppervlakte warmte overdrachtscoëfficiënt van de isolatie naar lucht 10 W/(m2 K). Als laatste noot moet weer gezegd worden dat het er niet om gaat een specifiek systeem te creëren, maar om een redelijke schatting te maken van het energieverlies door het transport van de warmte. In het latere model moet het mogelijk zijn te variëren met bijvoorbeeld de lengte van de leidingen.

42 29 december 2009


4.3.5

Warmtepomp In dit onderzoek zijn er twee mogelijkheden zijn voor het opslagsysteem te onderscheiden. Het eerste is een opslagsysteem waarin alle resterende warmte geleverd wordt door een conventioneel gasgestookt systeem en waarbij het opschroeven van de buffertemperatuur niet mogelijk is. Bij het tweede systeem wordt een warmtepomp gebruikt om de temperatuur van de buffer te kunnen opschroeven en wordt tevens alle resterende energie geleverd door de warmtepomp. Voor dit laatste systeem worden geen financiële berekeningen uitgevoerd, omdat hiervoor een gedetailleerdere modellering van de warmtepomp nodig is. Een warmtepomp is een apparaat dat duurzame omgevingswarmte van een laag naar een hoger en bruikbaar temperatuurniveau brengt. De warmte kan worden onttrokken aan de omgeving: bodem, water, lucht of afvalwarmte. In dit geval onttrekt de warmtepomp de warmte aan de buffer van het systeem waar zonnewarmte in is opgeslagen. Voor het aandrijven van de warmtepomp is een beperkte hoeveelheid primaire energie nodig. In principe wordt deze primaire energie geleverd door elektriciteit of aardgas. Verder kan onderscheid gemaakt worden tussen de compressiewarmtepomp en de absorptiewarmtepomp. In dit onderzoek wordt de warmtepomp alleen gebruikt om te kijken naar de technische toegevoegde waarde van een systeem. Het model met de warmtepomp is voor de financiële berekeningen te grof om een degelijke schatting van de kosten en baten van het opslagsysteem te maken. Bij deze berekeningen wordt een warmtepomp dus niet gebruikt.

4.3.5.1

Type Er is in dit onderzoek gekozen voor een compressiewarmtepomp. Hierbij wordt de transportvloeistof in de warmtepomp met behulp van een compressor samengeperst. Deze compressor wordt aangedreven door een elektromotor. Dit betekent dat elektrische energie gebruikt wordt voor de primaire energie zoals die hierboven genoemd werd.

4.3.5.2

Rendement Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt in de Coëfficiënt of Performance (COP); de verhouding tussen de afgegeven energie en de opgenomen energie. De COP is dus altijd groter dan 1; het rendement is altijd meer dan 100%. Richtlijnen voor de COP van warmtepompen in woningen en gebouwen zijn [22]: • Elektrische warmtepomp: 2,5 à 5,0 • Gasmotor warmtepomp: 1,2 à 2,0 • Absorptiewarmtepomp: 1,0 à 1,5 De aangenomen COP voor de gebruikte elektrische compressiewarmtepomp in dit onderzoek is 4,0. Dat betekent dat 75% van de afgegeven energie afkomstig is uit de bron en 25% van de afgegeven energie is elektrische (primaire) energie. Ofwel de energie die de warmtepomp afgeeft is 4 keer zo groot als de benodigde primaire energie.

43 29 december 2009


4.4

Financiële Afbakening Het doel van de financiële afbakening is om een basis te leveren voor een latere netto contante waarde berekening die in het model verwerkt zal worden. De bedoeling is dus niet om bijvoorbeeld eenduidige kosten voor een bepaalde collector of buffer te beschrijven maar om te achterhalen wat globaal de kosten per eenheid van grootte zijn voor verschillende elementen van het systeem. Zo kan dan in het model een berekening opgesteld worden waarmee voor elke grootte van een opslagsysteem een grove kostprijs kan worden berekend. Het is altijd lastig om aannames te doen voor de kosten en baten van elementen van een systeem zonder dat daar specificaties zoals afmetingen bij genoemd zijn. Vaak verlopen de kosten voor elementen niet lineair met de systeemgrootte. Wanneer een model gemaakt wordt waarin systemen met een zeer verschillende grootte ingevoerd moeten kunnen worden, dan kan er voor de kosten en baten van het systeem niet veel meer gedaan worden dan het maken van een schatting. Toch zijn aannames voor kosten en baten hier niet zomaar gedaan. Veronderstellingen die gedaan worden voor kosten en baten van het opslagsysteem zijn van grote invloed op de uiteindelijk resultaten voor bijvoorbeeld de netto contante waarde van het opslagsysteem. Door goed weer te geven wat aangenomen is voor bepaalde kosten en baten, kan later gemakkelijk terug gekeken worden naar de oorzaken van een bepaald verkregen netto contante waarde. Om een reëel beeld te vormen van de kosten is het nodig geweest een aantal kostenposten te onderzoeken (literatuuronderzoek) en eventueel hiervoor aannames te doen. Het gaat dan om een grote verscheidenheid aan kostenposten. Er kan gedacht worden aan bijvoorbeeld variabele en vaste kosten van een collector en buffer, kosten voor warmtetransportfaciliteiten zoals bv. leidingen, kosten voor meet- en regelsystemen, installatie van het systeem etc. Daarnaast moet natuurlijk ook een goed inzicht worden verkregen in de baten van zonne-energieopslag om het financiële totaalbeeld in kaart te brengen. Daarom worden ook de belangrijkste inkomsten of besparingen van het opslagsysteem behandeld. In dit geval gaat het vooral om de eventueel te ontvangen subsidie van de overheid en de besparing op energiekosten. Het gaat om de kosten van het systeem waarbij geen warmtepomp is gebruikt en waarbij de resterende energievraag geleverd wordt door een gasgestookt systeem. Er zal een vervolgonderzoek gedaan moeten worden naar de kosten en baten van een warmtepompsysteem. Als laatste zal hier een korte toelichting gegeven worden over de Netto Contante Waarde methode die gebruikt wordt en de aannames die hiervoor zijn gedaan. Om deze methode te gebruiken is ook kennis nodig van de rentevoet en inflatie en de fluctuatie in energieprijzen. Deze onderwerpen zullen ook hier worden besproken.

4.4.1

Kosten In dit hoofdstuk is geprobeerd om een goede schatting te maken van verschillende kosten die een opslagsysteem met zich meebrengt. De hoofdzaak is het bepalen van de kosten voor collector, buffer, meet- en regelsysteem, warmtetransportfaciliteiten en kosten voor het installeren van het totale systeem. De kosten kunnen later in het onderzoek nog veranderd worden, maar voorlopig worden de onderstaande berekeningen gebruikt. Als een kostenpost veranderd in een latere fase

44 29 december 2009


dan zal in het betreffende hoofdstuk de nieuwe berekening van de kosten weergegeven worden. Het gaat hier, zoals ook al eerder aangegeven, om de kosten van het systeem waarbij geen warmtepomp is gebruikt en waarbij de resterende energievraag geleverd wordt door een gasgestookt systeem. 4.4.1.1

Kosten Collector 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 zonneboilerfabrikanten [23]. Uit de kostprijzen voor zonneboilersystemen 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. Op basis van de literatuurstudie en de prijzen van fabrikanten is dus gekozen voor de kosten in euro van een collector: 300

300

4.6

Door verschillende oorzaken zoals verbetering van productie en ontwikkeling van de techniek zal de prijs in toekomst nog dalen, maar daar wordt hier geen rekening mee gehouden. De investeringsdatum zal in het heden plaatsvinden. 4.4.1.2

Kosten Buffer De kosten voor de buffer zijn erg moeilijk in te schatten. Dit komt vooral doordat er nog geen beslissingen zijn gemaakt voor de specifieke eigenschappen en vormen van de buffer. Bij het bepalen van de kostprijs is uitgegaan van een tank zoals die ook in een zonneboiler wordt toegepast. Dit wordt weer gedaan door middel van de totaal prijzen van opslagsystemen te bekijken van zonneboilerfabrikanten [23]. De kosten voor een buffer zijn als volgt: - 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 grove benadering levert dit ongeveer een kostprijs van 2 euro per liter grootte en een vaste prijs van 600 euro voor de buffer. Uit de kostprijzen voor zonneboilersystemen blijkt dat het toevoegen van 1 liter aan de buffer ongeveer 2 euro kost en dat de buffer een vaste prijs van ongeveer 600 euro heeft. Op basis van de literatuurstudie en de prijzen van fabrikanten is dus gekozen voor de kosten in euro van een buffervat: 2

600

4.7

Door verschillende oorzaken zoals verbetering van productie en ontwikkeling van de techniek zal de prijs in toekomst nog dalen, maar daar wordt hier geen rekening mee gehouden. De investeringsdatum zal in het heden plaatsvinden. 4.4.1.3

Kosten Warmtetransportsysteem De componenten die de warmte moet transporteren van de collector naar de buffer en van de buffer naar de afgiftecomponenten zullen ook kosten met zich meebrengen. Met verschillende bestaande opslagsystemen als referentie is af te leiden dat deze kosten vooral gevormd door kosten voor installering en niet zozeer door de kosten van de materialen die ervoor gebruikt

45 29 december 2009


moeten worden. De kosten voor installatie van het totale opslagsysteem komen aan de orde in paragraaf 4.4.1.6. De materiële kosten voor de warmtetransportcomponenten zijn afhankelijk van de te overbruggen lengte, het aantal bevestigingspunten, isolatie etc. Er zullen leidingen gelegd moeten worden van de collector naar de buffer en er zullen leidingen gelegd worden die aangesloten moeten worden op de bestaande leidingen van afgiftesystemen. Er is uitgegaan van een totale benodigde lengte aan transport van 15 meter. Een grove schatting geeft 20 euro voor een meter leiding met isolatie en bevestiging. Aangezien er ook retourleidingen zijn, wordt dit bedrag in de berekening verdubbeld. De kosten voor warmtetransportelementen zien er als volgt uit: 40

4.8

Hierbij dient de kanttekening gemaakt te worden dat de grove schatting hier geoorloofd is aangezien de kosten van de leidingen een relatief klein aandeel hebben ten opzichte van de andere kosten. Ook zullen de kosten niet veel variëren aangezien de totale lengte niet veel groter kan worden dan hier is gekozen. 4.4.1.4

Kosten Warmtepomp Het systeem waarin de warmtepomp gebruikt wordt, is niet gedetailleerd genoeg om een goede netto contante waarde mee te berekenen. Toch zal er hier wat worden gezegd over de kosten van een warmtepomp, ondanks dat de variant met de warmtepomp niet gebruikt zal worden in de kostenberekening van het model. Een warmtepomp kost per woning €2000-5000 (zonder subsidies, installatiekosten en BTW). De investeringskosten zijn afhankelijk van de projectgrootte en de toepassing [22].

4.4.1.5

Kosten Meet- en Regelsysteem Bij het bepalen van de kosten van het meet- en regelsysteem is enkel een grove schatting gemaakt. De kosten van een meet- en regelsysteem zijn hier vastgesteld op 500 euro onafhankelijk van de grootte van het opslagsysteem. Dit kan later eventueel aangepast worden.

4.4.1.6

Kosten Installeren Systeem Ook voor het installeren van het gehele opslagsysteem is gekozen voor een schatting aan de hand van de sommatie van alle voorgaande kostenposten. De installatiekosten van een standaard zonneboilercombi bedragen gemiddeld 400 tot 600 euro bij een nieuwbouwwoning [6]. De totale kosten van een zonneboilercombi variëren daarbij van 3100 tot 4500 euro. De kosten voor het installeren van het geheel zullen rond 10% van de som van alle voorgaande kosten liggen.

4.4.1.7

Onderhoudskosten De onderhoudskosten van een zonneboilersysteem zijn relatief laag in vergelijking met traditionele warmwater-installaties. Deze kosten liggen over het algemeen veel lager dan de besparing die een zonneboiler elk jaar oplevert. De jaarlijkse kosten voor onderhoud zijn opgesteld met behulp van een aantal referentieprojecten waarvoor onderhoudskosten bekend zijn uit een rapport van ECN voor zonneboilers [24]. De onderhoudskosten van een zonneboilersysteem zijn voor dat project vastgesteld op 2% van de investeringskosten. Het gaat hier echter wel over zonneboilers die alleen voorzien in verwarming van tapwater. Hier wordt aangenomen dat er een hoger percentage van de investeringskosten aan onderhoud besteedt moeten worden omdat het hier gaat om een intensiever gebruikt energiesysteem. Er wordt vooralsnog een onderhoudspercentage van 4% van

46 29 december 2009


de investeringskosten per jaar aangehouden voor alle componenten van het zonneenergieopslagsysteem. Voor de warmtepomp staat is in de voorgenoemde rapportage een grootte van de onderhoudskosten aangehouden van 3% per jaar van de investeringskosten. Deze waarde wordt hier ook gebruikt. 4.4.1.8

Totale Investeringskosten De totale investeringskosten voor het systeem zijn eenvoudig te bepalen door alle voorgaande kostenposten behalve de onderhoudskosten te accumuleren. Hiermee is een van de belangrijkste invoeren voor de latere berekening van de Netto Contante Waarde bekend. Daarnaast zijn de belangrijkste periodieke kosten van het systeem de onderhoudskosten. Deze zullen jaarlijks in het NCW model ingevoerd worden.

4.4.2

Baten In dit hoofdstuk is geprobeerd een goede schatting te maken van de verschillende baten die een opslagsysteem heeft. De baten worden hier vooral gevormd door de energiebesparing die jaarlijks gehaald wordt door zonne-energiegebruik en door de subsidie in het geval van bestaande bouw.

4.4.2.1

Energiebesparing Een opslagsysteem voor zonne-energie is voornamelijk gunstig door de besparing aan energiekosten. Omdat de zonne-energie op bepaalde momenten gebruikt kan worden, hoeft er geen energie van het net gebruikt te worden. Dit scheelt aanzienlijk in de energiekosten. Het maken van een schatting of prognose van de energiebesparing moet met het uiteindelijke model mogelijk zijn. Het maken van een dergelijke schatting is lastig omdat er een aantal lastig vast te stellen variabelen zijn die meestal ook nog eens een grote variatie in de tijd kennen. Het gaat dan vooral om de energieprijzen, de stijging van deze prijzen en jaarlijkse rendementsverliezen van het opslagsysteem. De jaarlijkse besparing als gevolg van een zonne-energie opslagsysteem kan als volgt benaderd worden:

1

1

)

4.9

Met: Kb: Kostenbesparing in jaar t (euro). KEnet: Kosten van ‘het net’ voor de geleverde energie in jaar t0 (euro/GJ). ∆KEnet: Jaarlijkse stijging van de energiekosten (%). t: het betreffende jaar t waarvoor de kostenbesparing wordt uitgerekend (jaar). t0: het referentiejaar t0 (2009). Ebesp: Energiebesparing in het referentiejaar (GJ). Rverl: Jaarlijkse afname van de prestaties van het systeem (%). De energieprijs die betaald moet worden voor afname van energie van het net is in dit onderzoek gelijkgesteld aan de gemiddelde prijs voor energie geleverd met gas. (Voorheen werd al vastgesteld dat energie nodig voor de warmtepomp of voor de resterende verwarming allemaal geleverd wordt in de vorm van elektrische energie). De prijs van een kubieke meter gas is ongeveer 61 eurocent [25]. Dit komt neer op een prijs van ongeveer 19 euro per Gigajoule (KEnet). Doordat fossiele brandstoffen steeds schaarser worden, zal de energieprijs blijven stijgen zolang we deze grondstof blijven gebruiken. In een eerder bekeken rapport voor het gebruik van zonneenergie in de toekomst door Solar Holland werd een prognose gedaan voor energieprijsstijging 47 29 december 2009


van aardgas in de komende jaren [2]. Hierin werd een jaarlijkse stijging van 8% aangehouden. De rapportage is opgesteld voorafgaand aan tijden van economische crisis. Hierdoor kan de gemiddelde prijsstijging van aardgas hoger zijn opgesteld dan deze de komende jaren daadwerkelijk is. Misschien is een energieprijsstijging zoals hiervoor genoemd wordt dan te optimistische maar voorlopig gaan we hier toch uit van een prijsstijging van 8% per jaar (∆KEnet). Deze stijging is vooral belangrijk voor de NCW. De energiebesparing (energie die niet uit het net gehaald hoeft te worden) zal in het model berekend moeten worden voor het referentiejaar (Ebesp). Dit is gelijk aan de daadwerkelijk afgeleverde zonne-energie gedeeld door het rendement voor afleveren conventionele energie (aardgas, aangezien alleen de variant zonder de warmtepomp in de financiële berekening aan de orde komt). Het rendement van aardgas voor het opwekken en transporteren van energie voor tapwater is hier 70% en voor ruimteverwarming 95%. Het rendementsverlies van het totale systeem over de jaren is ook erg van belang, omdat dit verlies invloed heeft op de te besparen energie en dus indirect op de jaarlijkse energiekostenbesparing. Voor de jaarlijkse afname van de prestaties van het systeem door slijtage ondanks onderhoud, wordt een redelijk arbitraire waarde aangehouden van 0,5%. Dit kan later gevarieerd worden om de invloed ervan te bekijken. 4.4.2.2

Subsidie Er zijn verschillende subsidie regelingen om investering in duurzame energie te stimuleren. De regeling Stimulering Duurzame Energieproductie (SDE) is een vergoeding voor teruglevering van elektriciteit en niet voor de investering. Vanaf 1 september 2008 is er ook subsidie mogelijk voor zonneboilers, warmtepompen en Micro-warmtekracht-ketels (HRe-ketels). Deze subsidieregeling heet Duurzame Warmte voor bestaande woningen en dit is de subsidie die verwerkt wordt in het model. De aanschaf van een opslagsysteem voor bestaande bouw (zonneboiler) lijkt op dit moment zonder subsidie niet rendabel. Daarom geeft de regeling Duurzame Warmte voor bestaande woningen subsidie op zonne-energieopslagsystemen. Dit geldt niet voor nieuwbouw. In het model zal een keuze voor bestaande bouw of nieuwbouw verwerkt moeten worden, zodat er rekening gehouden kan worden voor het wel of niet verkrijgen van subsidie. Bij de aanschaf van kleine opslagsystemen met een collectoroppervlak tot en met zes vierkante meter bedraagt de subsidie in het eerste jaar 200 euro per Gigajoule. Voor grotere systemen geldt een subsidie van 180 euro per Gigajoule [26]. De subsidie is alleen het eerste jaar van gebruik beschikbaar.

4.4.3

Netto Contante Waarde Het aantonen van de financiële haalbaarheid van een project is erg belangrijk. Een investering in een dergelijk project wordt zelden of nooit gedaan als van te voren niet bekend is of deze investering terugverdiend kan worden gedurende de levensduur. Bij een project zoals een duurzaam energieopslagsysteem vinden inkomsten, besparingen en uitgaven plaats op zeer verschillende tijdstippen gedurende de levensduur. In dit geval is er vooral de behoefte om kosten en baten op deze verscheidene tijdstippen met elkaar te verrekenen zonder daarbij de tijdsfactor te verwaarlozen. Een geschikte methode hiervoor is de Netto Contante Waarde berekening. De exacte methode voor het berekenen van de netto contante waarde komt aan de orde in paragraaf 6.3.2 en de bijbehorende bijlage 3 (‘Financiële Resultaten’). Hier worden de belangrijkste aannames beschreven die gedaan zijn ten behoeve van de Netto Contante Waarde berekening. De investering voor het zonne-energieopslagsysteem wordt in een keer gedaan in het referentiejaar t0. In het daarop volgende jaar levert het systeem voor het eerst zonne-energie op. 48 29 december 2009


Dit is dan ook het jaar waarin eventuele subsidie plaats zal vinden. Vooralsnog is er gekozen voor nieuwbouw waardoor er geen subsidie verstrekt zal worden. Toch moet de optie mogelijk zijn om voor bestaande bouw te kiezen, waardoor subsidie verrekend wordt. De levensduur van een duurzaam energiesysteem zoals dat hier wordt behandeld ligt in de orde grootte van 20 jaar [2]. Dit is dan ook de levensduur die wordt aangehouden in de NCW berekening. 4.4.3.1

Rentevoet en inflatie Duidelijk moge zijn dat bij lange perioden, kleine veranderingen in de gehanteerde disconteringsvoet leiden tot een groot verschil in de contante waarde van hetzelfde toekomstige bedrag. In feite is de onzekerheid die bestaat over toekomstige rente- en inflatieontwikkelingen een vrijwel niet op te lossen probleem. Bij het beoordelen van een contante waarde is het dan ook van moeilijk om een redelijke schatting te maken van de disconteringsvoet. Zowel rentevoet als inflatie kunnen vrij arbitraire waarden hebben. Het gaat namelijk niet om het creëren van een zo exact mogelijke schatting van de NCW maar om een indicatie van de grootte van de NCW en vooral om de alternaties van NCW waarden als gevolg van verandering van bepaalde omstandigheden. Een schatting van de rente en inflatie is voor dit soort beschouwingen voldoende. De inflatie is bepaald met behulp van documentatie die opgesteld is door het CPB [27]:

‘Vorig jaar werd in de Macro Economische Verkenning 2009 nog een oplopende inflatie geraamd. De olieprijs had toen net een piek van 144 dollar per vat bereikt. Slechts enkele maanden later was het juist de angst voor deflatie, die de kop opstak. De wereldeconomie ging in een recordtempo onderuit en hetzelfde gold voor de grondstoffenprijzen. Ondertussen is ook het risico op deflatie weer afgenomen: doordat de ergste krimp achter de rug lijkt, zijn de grondstofprijzen zelfs weer enigszins opgelopen. De inflatie wordt nu geraamd op 1% in zowel 2009 als 2010.’ In de bovenstaande referentie is een prognose gemaakt voor de inflatie in 2009 en 2010 van ongeveer 1%. Dit lijkt enigszins laag voor de komende 20 jaar (levensduur opslagsysteem), maar voorlopig wordt deze waarde aangehouden. De bepaling van een geschikte rentevoet is nog complexer dan het vinden van een representatieve inflatie. Dezelfde bron is gebruikt voor de rente. In figuur 17 is een tabel uit de publicatie te zien die de economische kerngegevens van Nederland weergeeft voor 2009 en 2010. Het nominale renteniveau is hier 4%. Dit wordt ook aangenomen voor de nominale rentevoet bij de netto contante waarde berekening.

Figuur 17: Tabel uit Macro Economische Verkenning 2010 van CPB

49 29 december 2009


4.5

Randvoorwaarden Modellering

4.5.1

Randvoorwaarden Modellering TRNSYS Om een voorspelling van energievraag voor ruimteverwarming te maken wordt het programma TRNSYS gebruikt. Alvorens te beginnen met het maken van een model in TRNSYS is het verstandig om eerst na te gaan welke informatie nodig is voor het onderzoek en in welke vorm deze informatie gepresenteerd dient te worden. De belangrijkste informatie die met het TRNSYS model gegenereerd moet worden is opgesomd in tabel 8. Zoals al eerder werd gesuggereerd, is het erg verstandig om overal dezelfde tijdseenheid voor geproduceerde data te hebben. Daarnaast is het wel zo prettig om rekening te houden met de eenheid van elke grootheid op het moment van simulatie. De gekozen eenheden in TRNSYS zullen later weer gebruikt worden in het Excel model dat een zonne-energieopslagsysteem beschrijft. De eenheden die horen bij de gegenereerde informatie zijn ook opgenomen in tabel 8. Dezelfde eenheden worden gedurende het gehele ontwikkelingsproces (dus in opvolgende modellen) gebruikt. In de resultaten zal sommige informatie gepubliceerd worden met een andere eenheid, omdat dit de leesbaarheid vaak ten goede zal komen. Tabel 8: Grootheden en Eenheden uit TRNSYS model

Grootheid Jaar Maand Dag Uur van de dag Uur van het jaar Energievraag ruimteverwarming op uur t Buitentemperatuur Zonnestraling op een vlak Zuid onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuid onder 90° Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 90° Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 90° Zonnestraling op een horizontaal vlak

Symbool t Evrg;rvw;t Te Qz;z45;t Qz;z90;t Qz;zw45;t Qz;zw90;t Qz;zo45;t Qz;zo90;t Qz;hor;t

Eenheid Uur Joule/uur °C Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2

Het gaat hier om het programma TRNSYS 15 met IISiBAT 3 (versie 3.0.0.26). De data wordt uitgelezen naar .dat files die later te importeren zijn in Excel. De visuele weergave van de energievraag voor ruimteverwarming is gemaakt met de zogenaamde Type65 applicatie. In hoofdstuk 5 komen de randvoorwaarden aan de orde die zijn gebruikt voor het genereren van de energievraag voor ruimteverwarming, zoals de aanwezigheid, de regeling van de thermostaat, de tijdstippen van spuiventilatie etc. 4.5.2

Randvoorwaarden Modellering Opslagsysteem Voor de benadering van het gedrag van een zonne-energieopslagsysteem onder gegeven omstandigheden is Excel gebruikt. Alvorens te beginnen met het maken van een model in Excel is het ook hier verstandig om eerst na te gaan welke informatie gegeven is (invoer) en welke informatie uiteindelijk gewild is voor het onderzoek en in welke vorm deze informatie gepresenteerd dient te worden. De data die ingevoerd wordt is de hiervoor gepresenteerde data die afkomstig is uit TRNSYS voor de energievraag voor ruimteverwarming en de data die eerder 50 29 december 2009


bepaald was in paragraaf 4.2.3 voor de energievraag voor tapwater. Het is voor het proces van het onderzoek gemakkelijk om door te werken in de eenheden die gegeven zijn voor de ingevoerde data. De belangrijkste resultaten die met het TRNSYS model gegenereerd moeten worden zijn opgesomd in tabel 9. Tabel 9: Belangrijkste Resultaten die Excel Model moet leveren

Grootheid Maximale Opslag Energieverlies in de buffer Totale Energievraag Cumulatieve Energie Opgenomen Cumulatieve Energie Afgegeven Energie Onttrokken t.b.v. tapwater Energie Onttrokken t.b.v. ruimteverwarming Dekkingsgraad Opslagsysteem Energie nodig voor Warmtepomp Energie nodig voorziening wanneer zonne-energie niet gebruikt wordt

Index

B E Je K L M N L/Je R S

Eenheid Joule Joule Joule Joule Joule Joule Joule Fractie Joule Joule

Verder moet het model de gelegenheid bieden tot variatie van systeemparameters zoals de bufferen collectorgrootte, maar ook de soort collector, maximale temperatuur die de warmtepomp kan toevoegen aan de buffertemperatuur etc. Deze parameters met hun eenheden zijn te zien in tabel 10. Tabel 10: Belangrijkste Parameters die gewijzigd kunnen worden in het Model

Grootheid Grootte Collector Grootte Buffer Oriëntatie Collector Stand Collector Soort Collector (Optische Efficiëntie, a1, a2) Maximale Temperatuursmarge X Warmtepomp COP Warmtepomp Minimale Temperatuur Verwarmingssysteem Maximale Temperatuur Verwarmingssysteem Soortelijke Warmte Transportmedium Massastroom Transportmedium Levensduur Opslagsysteem Jaarlijkse Afname Rendement Jaarlijkse Inflatie Jaarlijkse Nominale Rentevoet Energiekosten Nederlandse Net Jaarlijkse Prijsstijging Energie

Eenheid m2 Joule ° °C °C °C Wh/kg·°C kg/m2·u Jaar % % % Euro %

De waarden voor de uitgangspunten uit tabel 10 of veranderingen ten opzichte van referentiewaarden zullen bij het genereren van resultaten in het betreffende hoofdstuk worden genoemd. De bovenstaande uitgangspunten worden verwerkt in het Excel model, dat gemaakt wordt in Microsoft Office Excel 2007. 51 29 december 2009


5.

Scenario’s Energievraag De totale energievraag van een huishouden die kan worden onttrokken aan een beoogd zonneenergieopslagsysteem bestaat uit twee delen. Dit zijn de energievraag voor ruimteverwarming en de energievraag voor verwarming van tapwater. Beide energievragen moeten op elk uur van het jaar bepaald worden voor verschillende huishoudens die allemaal woonachtig zijn in de gekozen tussenwoning. In dit hoofdstuk worden beide energievragen voor verschillende huishoudens bepaald. Met behulp van TRNSYS 15 en IISiBat 3.0.0.26 is een model opgesteld voor een referentiewoning van SenterNovem en wel de tussenwoning. Met behulp van dit model kan een voorspelling gedaan worden voor de energiebehoefte voor ruimteverwarming van een tussenwoning onder verschillende omstandigheden. De data van de energiebehoefte onder verschillende omstandigheden kan later dan gebruikt worden voor het opstellen van een energievraagpatroon van een huishouden (scenario’s). Voor de opbouw van het model wordt verwezen naar bijlage 2 (‘Beschrijving TRNSYS model’). Bij het genereren van data voor energievraag voor ruimteverwarming in TRNSYS is erop gelet dat er uurlijkse data wordt verkregen. Zoals ook al eerder in de afbakening gesteld, is het verstandig om overal dezelfde tijdseenheid voor data te hebben. Zo is alle data zonder meer als in- en uitvoer geschikt en is de data gemakkelijk te vergelijken. Als het energiegebruik voor verwarming van tapwater gemodelleerd moet worden, zal er iets bekend moeten zijn over de volumestromen (gebruikerspatroon) van water bij een huishouden. Een eerste gebruikerspatroon is overgenomen uit een onderzoek naar warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater bij eenzelfde tussenwoning [17]. Met behulp van de temperatuurniveaus bij de volumestromen te kijken kan bepaald worden wat de bijbehorende energiestromen zijn. Het patroon voor tapwaterverbruik wordt vervolgens gebruikt in het referentiescenario 1. Wanneer een ander huishouden bekeken wordt met een ander tappatroon, dan zal gekeken worden naar de verandering van de volumestromen ten opzichte van de gevonden referentie volumestromen. Met de nieuwe volumestromen wordt een nieuw energievraagpatroon voor tapwater ontwikkeld worden voor het betreffende huishouden. Met de bovenstaande berekeningen is (op elk uur van het jaar) een energievraag te berekenen voor ruimteverwarming en verwarming van tapwater. De grootte van beide vragen is afhankelijk van het huishouden. Enkele huishoudens met diens specifieke energievraag worden hier uitgewerkt. De verschillende ontwikkelde energievraagpatronen voor huishoudens worden scenario’s genoemd. Het eerste ontwikkelde scenario gaat uit van een vrij gemiddeld huishouden. Dit wordt het referentiescenario. In de volgende paragraaf 5.1 wordt de uitwerking van het referentiescenario 1 uitgebreid beschreven met daarbij alle randvoorwaarden en resultaten. Naast dit referentiescenario zijn nog 5 andere scenario’s gemaakt die het energievraagpatroon van een ander huishouden in hetzelfde woningtype weergeven. De verschillen met het originele scenario zijn daarbij kort beschreven. De daadwerkelijke veranderingen ten opzichte van referentiescenario 1 zijn in detail beschreven in de bijlage 2. De samenvatting van de zes scenario’s met bijbehorende resultaten is terug te vinden in paragraaf 5.2.

52 29 december 2009


5.1

Referentiescenario 1

5.1.1

Uitgangswaarden Referentiescenario 1 Het klimaat dat is toegepast bij het model voor (referentie-) scenario 1 is het klimaat uit 1964. Hierbij is vooral de input van de temperatuur- en zonnestralingdata voor elk uur van het jaar van belang. De invloed van het klimaat op het gebouw kan in TRNSYS worden verwerkt door middel van relaties tussen een outputcomponent voor klimaatdata en de input van een gebouwmodel. De verschillende zones van de tussenwoning en de bijbehorende oppervlaktes zijn te zien in tabel 11. Hierbij is een onderverdeling gemaakt in verwarmde en onverwarmde zones. Het lijkt hier dat er iets is afgeweken van de tussenwoning zoals die in de literatuurstudie aan bod komt. Dit omdat de totale oppervlakte (132,6 m2) verschilt met de totale gebruiksoppervlakte uit de literatuur (124,3 m2). Dat komt echter doordat er bij de gebruiksoppervlakte geen oppervlakken meegeteld worden met een vrije hoogte kleiner dan 1,5 meter. Het verschil zit dus in de zolder waar een schuin dak boven ligt. Het gaat dus wel gewoon om dezelfde tussenwoning. Tabel 11: De Zones van de Tussenwoning

Grootte (m2) Verwarmde zones Woonkamer Hal Slaapkamer 1 Slaapkamer 2 Slaapkamer 3 Overloop eerste verdieping Badkamer Onverwarmde zones Toilet Berging Zolder Totaal

34,07 7,37 11,76 15,36 6,39 4,90 5,62 1,12 1,98 44,02 132,59

Zone Zone Zone Zone Zone Zone Zone Zone

1 2 5 6 7 8 9

Zone 3 Zone 4 Zone 10

In de referentiewoningen is, zoals al eerder in de afbakening van het probleem genoemd werd, uitgegaan van een minimale isolatie van de geveldelen van Rc 3,0 m2K/W en voor het dak Rc 4,0 m2K/W. Andere randvoorwaarden kunnen worden toegeschreven aan een van de zones van de tussenwoning uit tabel 11. De randvoorwaarden die per zone worden beschreven kunnen worden onderverdeeld in de volgende onderwerpen: • Initiële Waarden • Koeling • Ventilatiesoorten • Interne Warmteproductie • Comfort • Infiltratie • Verwarming Per zone wordt voor de beschrijving van deze verschillende uitgangswaarden of randvoorwaarden verwezen naar bijlage 2 (‘Uitgangswaarden Scenario 1’). Voor dit referentiescenario 1 zijn hier alle

53 29 december 2009


randvoorwaarden per zone opgenomen. In het geval van de overige scenario’s zullen alleen nog de veranderingen ten opzichte van het referentiescenario in de bijlagen zijn te vinden. Met het opgestelde TRNSYS model en de voorwaarden zoals die in de bijlage staan, kan voor het referentiescenario 1 een energievraagpatroon voor ruimteverwarming worden berekend. Het energievraagpatroon voor tapwater is in dit geval voor elke dag van het jaar hetzelfde als de energiestromen zoals die te zien waren in paragraaf 4.2.3. Met deze gegevens is in de volgende paragraaf 5.1.2 beschreven hoe de energievraag gedurende het jaar van scenario 1 eruit ziet. 5.1.2

Resultaten Scenario 1 In deze paragraaf komen de resultaten aan de orde voor de energievraag van het eerste huishouden dat wordt gesimuleerd. De resultaten zijn verdeeld over verschillende subparagrafen. Hierin worden de resultaten per afgekaderd onderwerp beschreven. Eerst wordt een korte beschrijving gegeven van de temperaturen die er in de verschillende zones heersen gedurende het jaar (paragraaf 5.1.2.1). Daarna wordt beschreven hoe het verloop van de energievraag voor ruimteverwarming is met deze temperaturen als voorwaarden (eis) voor de verschillende zones. De energievraag voor tapwater is al eerder beschreven maar wordt in paragraaf 5.1.2.3 nog eens kort toegelicht. Vervolgens wordt de gebruikte klimaatdata ook nog iets duidelijker in beeld gebracht in paragraaf 5.1.2.4. Als laatste is een overzicht toegevoegd van de cumulatieve data voor energievraag en energieaanbod bij referentiescenario 1.

5.1.2.1

Temperaturen van de Zones De temperatuur van de verschillende zones is niet van direct belang voor dit onderzoek. Voor de modellering van het opslagsysteem is het vooral belangrijk om de energievraag van het huishouden te bepalen. Toch is het interessant om een beeld te krijgen van het temperatuurverloop van de buitentemperatuur en het temperatuurverloop van de zones. Met behulp van het temperatuurverloop van verschillende zones kan terug gekeken worden of een verhoging van de temperatuurseis ook een logische verandering van het energiegebruik teweeg brengt.

Figuur 18: Buitentemperatuur 1964

In figuur 18 is de droge bol temperatuur te zien zoals die er in 1964 was. Dit is samen met de waarden voor zonnestraling uit dat jaar een van de belangrijkste input geweest voor het TRNSYS

54 29 december 2009


model. Deze temperatuur wordt hier weergegeven zodat de relatie van de binnentemperaturen van verschillende zones met de buitentemperatuur te zien is. In figuur 19 is de operatieve temperatuur in de woonkamer weergegeven. Duidelijk is te zien dat de verwarming is ingesteld op een temperatuur van 21°C. Gedurende de winter zal de verwarming het grootste deel van de tijd aan staan, terwijl in de zomer de verwarming geen enkel moment nodig is. De periode van verwarming is ongeveer van half september tot half april (uur 6775 – uur 2500 van het jaar).

Figuur 19: Operatieve Temperatuur van de Woonkamer

In figuur 20 zijn de operatieve temperaturen van de belangrijkste andere zones te zien.

Figuur 20: Operatieve Temperaturen van de Overige Belangrijkste Zones

55 29 december 2009


Van linksboven met de klok mee zijn dit slaapkamer 1, slaapkamer 2, slaapkamer 3 en de badkamer. Met deze temperaturen voor de verschillende zones in het achterhoofd kan gekeken worden naar het verloop van de energievraag voor ruimteverwarming van deze tussenwoning in de volgende paragraaf. 5.1.2.2

Energievraag Ruimteverwarming Het belangrijkste gedeelte van de resultaten uit het TRNSYS model is natuurlijk het verloop van de energievraag in de tijd. Allereerst is in figuur 21 de vraag naar energie voor ruimteverwarming in de tijd te zien. Het vraagpatroon loopt van 1 tot en met 8760 uur, waarbij het eerste uur ook het eerste uur van 1 januari is. In de figuur is duidelijk te zien dat de energievraag voor ruimteverwarming alleen in de winterperioden aanwezig is.

Figuur 21: Energievraag in Joule per Uur voor Ruimteverwarming gedurende een Jaar

De waarden die uit de bovenstaande grafiek te lezen zijn, zijn totaalwaarden per uur in joule. De hoogste waarde voor de energievraag in een uur liggen hier rond de 1,9·107 Joule. Dit komt neer op een uurwaarde van 19 MJ of 5,3 kWh. Uit de figuur is dat moeilijk af te leiden maar in de data is de exacte piek in december waar te nemen. De gecumuleerde energievraag voor ruimteverwarming gedurende dit jaar is te zien in figuur 22. Als deze figuur bekeken wordt met de voorgaande figuur in het achterhoofd, is Figuur 22: Cumulatieve Energievraag

56 29 december 2009


het verloop ervan vrij logisch. Het geeft een goede indruk van de totale energievraag van een voorafgaande periode. Ook is uit deze grafiek af te lezen wat de totale energievraag voor het gehele jaar is. In dit referentiescenario 1 komt het totaal op 2,08·1010 joule. Dit komt neer op ongeveer 20.800 MJ of 5.780 kWh. Deze waarden zijn van dezelfde orde grootte als waarden uit voor referenties die gevonden waren in de literatuurstudie. Het ging dan bijvoorbeeld om een EPC berekening voor dezelfde tussenwoning uitgevoerd door SenterNovem [15], waarbij het energiegebruik voor ruimteverwarming uitkomt op 22.680 MJ of 6.300 kWh. Om de data van de energievraag iets uitgebreider te laten zien, is hier ook nog het verloop van de energievraag gedurende een week in de herfst (6744 uur tot 6912 uur) laten zien in figuur 23. In figuur 24 is het verloop van de energievraag gedurende een willekeurige dag in de winter (1176 uur tot 1200 uur) te zien.

Figuur 23: Energievraag Gedurende een Week

Het lijkt niet nuttig om hier verder in te gaan op de precieze waarden van de datareeks die hierboven te zien is. Het gaat alleen om het krijgen van een indruk van het patroon zoals dat gedurende een week kan optreden. Natuurlijk is het gedurende weken in de winter of zomer weer totaal anders, dan hierboven. Figuur 24: Energievraag Ruimteverwarming op een Dag in de Winter

57 29 december 2009


De totaalwaarden en de piekwaarden van de energievraag voor ruimteverwarming zijn hiermee bekend voor scenario 1. In de laatste paragraaf 5.1.2.5 is een overzicht te zien voor alle data met daarin ook de belangrijkste data van energievraag voor ruimteverwarming bij scenario 1. 5.1.2.3

Energievraag Tapwater Voor de energievraag naar tapwater is bij dit scenario het verloop aangehouden zoals dat in de literatuurstudie al eerder aan bod kwam. Het verloop over een dag is te zien in figuur 25.

Figuur 25: Verloop Energievraag voor Warm Tapwater gedurende een Dag

Het hanteren van dit dagverloop voor elke dag van het jaar resulteert in een energie dagverbruik van ongeveer 31 MJ en een totaalverbruik van 11410 MJ per jaar (3170 kWh). De piekwaarde op een dag (en dus ook de piekwaarde voor het gehele jaar) van de energievraag voor tapwater is 9,6 MJ. De totaalwaarden en de piekwaarden van de energievraag voor verwarming van tapwater zijn hiermee bekend voor scenario 1. In de laatste paragraaf 5.1.2.5 is een overzicht te zien voor alle data met daarin ook de belangrijkste data van energievraag voor verwarming van tapwater bij scenario 1. 5.1.2.4

Zonne-energie Het TRNSYS model plot ook de opvallende zonne-energie op verschillende vlakken, zodat dit later gebruikt kan worden in het model dat het opslagsysteem beschrijft. De vlakken waarop de zonnestraling wordt geregistreerd zijn zuid 45°, zuid 90°, zuidwest 45°, zuidwest 90°, zuidoost 45°, zuidoost 90° en horizontaal. Andere vlakken zijn niet interessant omdat deze vlakken te weinig opleveren aan zonne-energie. Dit werd mede geconcludeerd door informatie uit de literatuurstudie, waar ook onderzoek is gedaan naar de invloed van de oriëntatie en stand van een vlak op de opvallende zonnestraling. In deze paragraaf (figuur 26) is alleen de output weergegeven voor het horizontale vlak. Dit moet een representatieve weergave geven voor de zonne-energie in het gekozen klimaatjaar 1964. Wanneer er andere klimaatdata wordt gebruikt kan dit worden vergeleken met deze data om een snelle indicatie te krijgen van de verschillen.

58 29 december 2009


Figuur 26: Zonne-energie op het Horizontale Vlak in 1964

In figuur 26 is de zonne-energie die op een horizontaal oppervlak van 1 m2 valt voor het jaar 1964. Voor de verticale as is dezelfde schaal aangehouden als bij de energievraag uit figuur 21, zodat een vergelijking gemakkelijk te maken is. De maximale waarden voor zonne-energie op een horizontaal vlak van 1 m2 in 1964 liggen rond de 3,0·106 joule per uur. De totale geleverde energie door de zon op het voorgaand besproken oppervlak van 1 m2 komt op 3,53·109 joule. Dit komt overeen met 3.532 MJ of 980 kWh. De resultaten voor de overige oriëntaties en standen van het vlak zijn te zien in tabel 12. Tabel 12: Zonne-energie vallend op Vlak van 1 m2

Oriëntatie Zuid Zuid Zuidwest Zuidwest Zuidoost Zuidoost Horizontaal

Stand 45° 90° 45° 90° 45° 90° 0°

Totaal (MJ) 4.062 3.001 3.677 2.686 3.913 2.956 3.532

Piekwaarde (MJ) 3,78 4,03 3,57 2,84 4,42 5,57 3,11

De totaalwaarden en de piekwaarden van de energievraag voor zonne-energie zijn hiermee bekend voor referentiescenario 1. In de laatste paragraaf 5.1.2.5 is een overzicht te zien voor alle data met daarin ook de belangrijkste data van energievraag voor zonne-energie. 5.1.2.5

Combinatie Data en Cumulatieve Data In deze paragraaf worden tot slot belangrijke datareeksen gecombineerd in één grafiek en wordt essentiële cumulatieve data weergegeven voor het referentiescenario 1. Zo is in figuur 27 de voorgaande totale energievraag (tapwater + ruimteverwarming) en het aanbod aan zonne-energie (op een horizontaal vlak van 1 m2) weergegeven in één figuur. De energievraag lijkt vele malen hoger en hoewel dit natuurlijk ook zo is, moet dit wel gerelativeerd worden aangezien het hier gaat om zonne-energie op een horizontaal oppervlak van 1 m2. Daarnaast lijkt het alsof er een constant energievraag is gedurende de zomer. Dit komt doordat de energievraag op een hele grote x-as is geplot. Hierdoor liggen de pieken dicht op elkaar waardoor de pieken een constante lijn lijken te vormen. Dit is echter gezichtsbedrog. 59 29 december 2009


Figuur 27: Combinatiegrafiek Energievraag Scenario 1 en Horizontale Zonne-energie op 1m2

De cumulatieve lijnen voor energievraag (roze) en het energieaanbod van de zon (rood, vlak van 1m2) zijn te zien in figuur 28. Deze zijn puur en alleen bedoeld voor het opdoen van theoretische kennis over de data. Het is natuurlijk niet mogelijk om de zonne-energie met het gekozen type opslagsysteem voor een heel jaar zonder verliezen op te slaan. Toch wordt er met behulp van deze grafieken een goed idee verkregen van de orde van grootte van de energievraag en het aanbod.

Figuur 28: Cumulatieve Energievraag en -aanbod

In de tabel 13 is de belangrijkste informatie over het energieverbruik van het huishouden in referentiescenario 1 te zien en tevens zijn de heersende eigenschappen voor zonne-energie te zien.

60 29 december 2009


Tabel 13: Overzicht Resultaten Referentiescenario 1

Gegeven Cumulatieve Energievraag Ruimteverwarming Cumulatieve Energievraag Tapwaterverwarming Cumulatieve Energievraag Totaal (Ruimte+Tap) Cumulatieve Zonne-energie per m2 (hor) Piekwaarde Energievraag Ruimteverwarming Piekwaarde Zonne-energie Piekwaarde Tapwaterverwarming Piekwaarde Energievraag Totaal

Periode

Waarde

Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Uur (8697) Uur (3204) Uur (23 van de dag) Uur (8634)

20.753 MJ 11.410 MJ 32.163 MJ 3.532 MJ 18,7 MJ 3,1 MJ/m2 9,6 MJ 19,7 MJ

De resultaten voor de andere scenario’s zijn op dezelfde wijze uitgevoerd. Deze resultaten zijn samengevat weergegeven in de volgende paragraaf 5.2.

61 29 december 2009


5.2

Samenvatting Scenario’s en Resultaten In de vorige paragraaf werd de uitwerking van het referentiescenario 1 uitgebreid beschreven. Naast dit referentiescenario zijn nog 5 andere scenario’s gemaakt die het energievraagpatroon van een ander huishouden in hetzelfde woningtype weergeven. Hier is eerst beschreven wat deze andere huishoudens inhouden. Dit is gedaan door de verschillen tussen deze huishoudens (scenario’s) met het originele referentiescenario kort te beschrijven. De veranderingen van de uitgangswaarden ten opzichte van referentiescenario 1 zijn voor elk scenario in detail beschreven in bijlage 2. Na het beschrijven van de verschillende scenario’s worden de belangrijkste resultaten hier samengevat voor de zes scenario’s (of huishoudens onder verschillende omstandigheden).

5.2.1

Beschrijving Scenario’s In deze paragraaf worden de omstandigheden die voorkomen bij de verschillende scenario’s kort beschreven. Voor een uitgebreide uitleg van de omstandigheden bij de verschillende huishoudens wordt verwezen naar de uitgangswaarden voor elk scenario in bijlage 2. Door een korte samenvatting van de scenario’s kan er later ook iets gemakkelijk teruggekeken worden naar de invloed van bewonersgedrag op het opslagsysteem. • •

•

•

•

•

Scenario 1: Het referentiescenario waarin een standaard situatie wordt beschreven met klimaatdata uit 1964 en een standaard tussenwoning volgens SenterNovem [16]. Scenario 2: Het model voor dit energievraagscenario is exact hetzelfde als in scenario 1. De enige wijziging is de toepassing van een ander klimaatjaar. Het gebruikte klimaatjaar is het extreem warme jaar 1995. Scenario 3: Ten opzichte van scenario 1 wordt deze tussenwoning bewoond door minder personen die daarbij ook nog minder aanwezig zijn. Het gevolg hiervan is dat er minder wordt geventileerd (ook minder spuiventilatie). Ook wordt er minder interne warmte geproduceerd. Tevens zijn de tijden van verwarmen (temperatuurseis) t.o.v. scenario 1 aangepast aan de aanwezigheid van de bewoners. Scenario 4: In vergelijking met scenario 1 is in scenario 4 het patroon voor het gebruik van tapwater gedurende het jaar gewijzigd. In dit huishouden wordt veel meer water gebruikt. Grotendeels wordt dat veroorzaakt door de aanwezigheid van een bad, maar ook door het langduriger gebruik van enkele tappunten. Het gebruik van energie voor ruimteverwarming is wel hetzelfde als in het referentiescenario. Scenario 5: Dit scenario is opgesteld om een bovengrens te creëren. De energievraag is hier hoog door een combinatie van hogere ventilatiewaarden, hogere verwarmingseisen en een tapwaterverbruik zoals in scenario 4. Scenario 6: Dit scenario is opgesteld om een ondergrens te creëren. De energievraag is hier laag door een combinatie van lagere ventilatiewaarden, lagere verwarmingseisen en een lager tapwaterverbruik ten opzichte van scenario 1.

De resultaten van de afzonderlijke scenario’s zijn te zien in de volgende paragraaf. 5.2.2

Resultaten Scenario’s De uitwerking van de zes verschillende scenario’s is hetzelfde als die van het referentiescenario 1 in paragraaf 5.1.2. Om de leesbaarheid van dit deel van de rapportage te bevorderen en om een toegankelijk overzicht te krijgen is een samenvatting van de resultaten van deze scenario’s

62 29 december 2009


toegevoegd. Deze resultaten zijn te zien in tabel 14. De uitgebreide beschrijving van de uitgangswaarden van elk scenario zijn toegevoegd in de bijlage 2. Tabel 14: Samenvatting Resultaten van verschillende Energievraagscenario's

Evrg;rvw;cum (MJ) Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

20.802 16.426 18.774 20.802 26.965 15.669

Evrg;tap;cum (MJ) 11.360 11.360 11.360 16.023 16.023 7.843

Evrg;tot;cum (MJ) 32.163 27.786 30.134 36.826 42.988 23.511

Ezon;hor;cum (MJ/m2) 3.532 3.652 3.532 3.532 3.532 3.532

Evrg;rvw;max (MJ) 18,7 17,9 11,2 18,7 19,5 16,5

Evrg;tap;max (MJ) 9,6 9,6 9,6 26,1 26,1 6,3

Evrg;tot;max (MJ) 19,7 20,0 18,3 33,0 33,4 17,7

De uitleg van de bovenstaande symbolen is weergegeven in tabel 15. Tabel 15: Definitie Symbolen

Evrg;rvw;cum (MJ) Evrg;tap;cum (MJ) Evrg;tot;cum (MJ) Ezon;hor;cum (MJ/m2) Evrg;rvw;max (MJ) Evrg;tap;max (MJ) Evrg;tot;max (MJ)

Cumulatieve Energievraag Ruimteverwarming Cumulatieve Energievraag Verwarming Tapwater Cumulatieve Energievraag Totaal (rvw+tap) Cumulatieve Zonne-energie per m2 (horizontaal vlak) Piekwaarde voor een uur Energievraag Ruimteverwarming Piekwaarde voor een uur Verwarming Tapwater Piekwaarde voor een uur Energievraag Totaal

Door de verkregen data te beschouwen, kan nu worden teruggekeken naar de invloed van het gedrag van een huishouden op het energieverbruik. Allereerst is goed te zien dat een warmer klimaat (bijvoorbeeld 1995 in scenario 2) een aanzienlijk lagere energievraag voor ruimteverwarming (Evrg;rvw;cum in scenario 1 en 2) levert. Dit heeft een grotere invloed dan het aanpassen van het ruimteverwarmingsgedrag van een huishouden (vergelijk scenario’s 1, 2 en 3). Bij het vergelijken van scenario 5 en 6 is te zien dat het verschil in energievraag voor ruimteverwarming bijna een factor 2 kan zijn in de hier uitgewerkte uiterste gevallen. Naast het bovenstaande scenario 6 is ook nog eenzelfde scenario gemaakt onder klimaatomstandigheden van 1995, om zo een extra uiterste geval te simuleren. Hierbij was het verschil groter dan een factor 2 (zelfs 2,2). Wanneer gekeken wordt naar energie voor verwarming van tapwater, dan is te zien dat het verschil nog meer dan een factor 2 kan zijn in uiterste gevallen (scenario 5 versus 6). Het veranderen van een aantal volumestromen en het gebruiken van een ligbad (scenario 4 ten opzichte van scenario 1) levert al een verschil van 4.663 MJ per jaar. Ook energievraag voor tapwater is, net als energievraag voor ruimteverwarming, erg gevoelig voor het gedrag van een huishouden. De totale vraag in een jaar kan hier gemakkelijk een factor 2 verschillen in het uiterste geval (scenario 5 versus 6). De verschillen tussen piekwaarden voor ruimtevraag lijken minder extreem dan de verschillen in piekwaarden voor tapwater. Dit wordt vooral veroorzaakt door het gebruik van een ligbad in de tussenwoning bij scenario 4 en 5. De conclusie is hier vooralsnog dat door de redelijk goede isolatie eigenschappen van de tussenwoning de energievraag voor ruimteverwarming iets minder sterk zal variëren door aanpassingen in het gedrag van een huishouden dan de energievraag voor tapwater. Deze laatste

63 29 december 2009


vraag is nog steeds sterk afhankelijk van de volumestromen en dus het gedrag van het huishouden. Deze conclusie zegt verder niets over de grootte en verhouding van energievraag voor tapwater en ruimteverwarming. Dit is nog steeds volledig afhankelijk van de omstandigheden en het huishouden (scenario). De gevonden scenario’s met bijbehorende energievraag zullen later gebruikt worden als invoer voor het model van een zonne-energieopslagsysteem, dat aan de orde komt in het volgende hoofdstuk 6.

64 29 december 2009


6.

Model van een Zonne-energie Opslagsysteem Voor het zoeken naar de eigenschappen van een optimaal opslagsysteem behorende bij een specifiek patroon voor de energievraag is een model opgesteld. De bedoeling hierbij was niet om een zo realistisch mogelijk model te maken van een specifieke installatie, maar om een representatief model te maken voor zonne-energieopslagsystemen in het algemeen. De resultaten van het model moeten een goede indruk geven van de algemene werking van een opslagsysteem en de consequenties voor dit systeem als gevolg van variërende omstandigheden. Het model is in Excel opgesteld, omdat dit het meest voor de hand liggende programma was om de data van de energievraagscenario’s uit TRNSYS te analyseren en te bewerken. De datareeksen uit TRNSYS zijn gemakkelijk uit te lezen of over te brengen naar Excel. Ook is de data van een dusdanige grootte dat Excel een van de weinige programma’s is waarmee gemakkelijk gewerkt kan worden, zonder dat er al te veel voorkennis nodig is van het programma. Om de uiteindelijk gezochte resultaten te verkrijgen, is dus geprogrammeerd met Excel. De schematische weergave van de werking van het model is te zien in figuur 29.

Input

Rekenkern

Resultaten

TRNSYS Data

Berekening in Excel

Data uit Excel

Figuur 29: Schematische weergave van het Model

In deze figuur is te zien dat het model voor een zonne-energie opslagsysteem is opgedeeld in drie componenten, te weten: input, rekenkern en resultaten. Het Excel model bevat verschillende werkbladen die elk onder een van de bovenstaande componenten vallen. Voor de input is er het werkblad ‘Onderzoeksdata’ waar de ingevoerde data uit TRNSYS wordt geïmporteerd. Tot de rekenkern behoren een heel aantal de werkbladen, te weten ‘Collector&Opslagvat’, ‘Rekenkern’, ‘Collectorcircuit’, ‘Stooklijn’, ‘NCW’ en ‘Kosten Systeem’. Daarbij geldt dat in het werkblad ‘Collector&Opslagvat’ gevarieerd kan worden met alle variabelen of parameters die het systeem beïnvloeden. De werkbladen ‘Collectorcircuit’ en ‘Stooklijn’ bepalen randvoorwaarden die nodig zijn voor de berekening van uiteindelijke energiestromen de buffer in of energiestromen de buffer uit. Het werkblak ‘Rekenkern’ bevat de eigenlijke berekening van alle energiestromen en berekent het temperatuurniveau van de buffer. De overige twee werkbladen die horen bij de rekenkern, berekenen de kosten en netto contante waarde van het opslagsysteem. Tot slot zijn er nog een tweetal werkbladen voor het bepalen van belangrijke resultaten. Dit zijn ‘Resultaten’ en ‘figuren’. In de volgende drie paragrafen is voor elk van de drie componenten uit figuur 29 uitgelegd hoe ze werken. Eerst wordt de input behandeld, vervolgens komt de werking van de rekenkern aan de orde en als laatste wordt uitgelegd hoe de resultaten gegenereerd en berekend worden.

65 29 december 2009


6.1

Input Kennis van de ingevoerde data, afkomstig uit TRNSYS, is een vereiste voor het begrip van de rekenkern. Met behulp van het TRNSYS model is zowel data verkregen voor de energievraag als het energieaanbod. De energievraag bestaat uit de vraag naar tapwater voor elk uur van het jaar en de vraag voor ruimteverwarming voor elk uur van het jaar. Het energieaanbod wordt geleverd door de zonnestraling die voor verschillende vlakken berekend wordt door het TRNSYS model. Dit gebeurd ook voor elk uur van het gebruikte referentiejaar, zoals ook alle andere data voor elk uur is berekend. In tabel 16 is opgesomd welke data, afkomstig uit TRNSYS, ingevoerd wordt in het Excel model en welke eenheden en welke symbolen hierbij horen. Tabel 16: Ingevoerde Data afkomstig uit TRNSYS

Grootheid Jaar Maand Dag Uur van de dag Uur van het jaar Energievraag ruimteverwarming op uur t Energievraag verwarming tapwater op uur t Totale Energievraag (ruimteverwarming+tapwater) op uur t Buitentemperatuur Zonnestraling op een vlak Zuid onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuid onder 90° Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 90° Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 45° Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 90° Zonnestraling op een horizontaal vlak

Symbool

t Evrg;rvw;t Evrg;tap;t Evrg;tot;t Te Qz;z45;t Qz;z90;t Qz;zw45;t Qz;zw90;t Qz;zo45;t Qz;zo90;t Qz;hor;t

Eenheid Uur Joule/uur Joule/uur Joule/uur °C Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2 Joule/m2

Bovenstaande data wordt gebruikt voor berekeningen in de rekenkern. Deze data wordt ingevoerd in het Excel model onder het werkblad ‘Onderzoeksdata’. De werking van de rekenkern komt aan de orde in de volgende paragraaf.

66 29 december 2009


6.2

Rekenkern De rekenkern is het hart van het model en moet de werking van een zonne-energie opslagsysteem nabootsen onder de ingevoerde omstandigheden. De ingevoerde data moet in de rekenkern dus gebruikt worden om de gewenste informatie te berekenen die nodig is voor het bepalen van de prestaties van een zonne-energie opslagsysteem. Voordat meteen overgegaan wordt op de berekeningen van variabelen, de formules en de methodes van de rekenkern, wordt eerst gekeken naar de voorwaarden voor het wel of niet plaatsvinden van verschillende energiestromen. Aan de hand van dit eerste beslissingsmodel wordt dan duidelijk welke berekeningen nodig zijn voor het bepalen van de gewenste energiestromen. Dit beslissingsmodel komt aan de orde in paragraaf 6.2.1. In de paragrafen 6.2.2 tot en met 6.2.6 wordt uitgelegd hoe de verschillende variabelen en energiestromen worden berekend in de rekenkern.

6.2.1

Beslissingsmodel Energiestromen Door het beslissingsproces weer te geven kan de werking van het model gemakkelijker begrepen worden. In figuur 30 is het primaire beslissingsmodel te zien. In deze figuur zijn de belangrijkste voorwaarden opgenomen voor het laten plaatsvinden van energiestromen. In een aantal gevallen zijn er nog aanvullende eisen voor het wel of niet toelaten van een energiestroom en voor het bepalen van de hoeveelheid energie die door zal stromen. Deze aanvullende eisen zullen genoemd worden als de betreffende energiestroom aan de orde is.

Figuur 30: Beslissingsproces zoals dat in het Excel model is verwerkt

67 29 december 2009


Aan de linkerkant in de figuur is de opvallende zonne-energie Qz;t te zien. Dit kan elk van de waarden voor zonnestraling betreffen uit tabel 16 afhankelijk van de gekozen stand van de collector. Deze zonne-energie Qz;t verwarmt het transportmedium dat de collector instroomt met temperatuur Tcol;in;t die afhankelijk is van onder andere de buffertemperatuur Tbuffer;t-1. Van de opvallende zonne-energie gaat een deel verloren als gevolg van radiatie en convectie bij de collector. De overgebleven energie zorgt voor een temperatuurstijging van het transportmedium naar een temperatuur Tcol;uit;t. Met deze temperatuur kan na het in rekening brengen van de energieverliezen voor leidingtransport een potentiële energie berekend worden die de buffer kan bereiken met een temperatuur Tz;pot;t. Dit deel van het proces vindt plaats in werkblad ‘Collectorcircuit’ en wordt nader verklaard in paragraaf 6.2.2. Na het in rekening brengen van de verliezen voor opname bij de collector en transport naar de buffer, wordt besloten of de energie daadwerkelijk kan worden gebruikt. Dit is afhankelijk van de temperatuur Tz;pot;t van de potentiële energie Ez;pot;t op tijdstip t en de buffertemperatuur Tbuffer;t-1 aan het eind van het vorige uur t-1. Wanneer de temperatuur van de potentiële energie hoger is dan de buffertemperatuur kan de energie in de buffer worden opgenomen. (Extra voorwaarde is dat er maar zoveel energie opgenomen kan worden door de buffer, zodat het temperatuurniveau van de buffer niet hoger kan worden dan de temperatuur van de binnenkomende potentiële zonne-energie.) Wanneer de temperatuur Tz;pot;t niet hoger is dan de buffertemperatuur Tbuffer;t-1 wordt nog gekeken of de zonne-energie direct kan voldoen aan de energievraag Evrg;rvw;t of Evrg;tap;t. Hiervoor moet de temperatuur Tz;pot;t van de binnenkomende potentiële zonne-energie dus lager zijn dan de buffertemperatuur en hoger dan de gevraagde temperatuur Tvrg;rvw;t of Tvrg;tap;t. Om een aantal redenen is ervoor gekozen om deze energiestroom in figuur 30 te betitelen als ‘geen direct gebruik zonne-energie’. In eerdere proefversies van het model werd directe zonne-energie (in figuur 30 is dit 2) nog gebruikt. De bijdrage bleek echter bij de gekozen vlakke plaat collector altijd zo klein dat in het nieuwe model alleen nog een 'check' is gemaakt om te controleren wanneer zonne-energie voorkomt met een hogere temperatuur dan de vraag en lager dan de buffer. Een andere reden dat direct te gebruiken zonne-energie hier liever niet gebruikt wordt, is omdat een installatietechnische oplossing voor directe zonne-energie waarschijnlijk geen meerwaarde zal opleveren als het vergeleken wordt met de extra verkregen energie. De uitgebreide uitleg van de berekening van variabelen voor de energiestromen naar de buffer toe komen aan de orde in paragraaf 6.2.3. Met de bovenstaande twee alinea’s is nu het proces voor het energieaanbod beschreven. Het beslissingsproces voor de energievraag is in figuur 30 te zien aan de rechterkant van de buffer. In de figuur is geen verschil gemaakt tussen de energievraag voor tapwater en de energievraag voor ruimteverwarming. Echter kunnen ook beide energievragen in uur t kunnen voorkomen wat leidt tot een complexer beslissingsprocedure voor het plaatsvinden van energiestromen. De kern van de beslissing is voor beide energievragen (ruimteverwarming en tapwater) nog steeds hetzelfde en daarom wordt die hier beschreven aan de hand van de figuur 30. Als eerste moet hier gezegd worden dat er in dit onderzoek twee mogelijkheden zijn uitgewerkt voor het opslagsysteem en diens verwerking van de energievraag. De eerste is een opslagsysteem waarin alle resterende warmte geleverd wordt door een conventioneel gasgestookt systeem en waarbij het opschroeven van de buffertemperatuur niet mogelijk is. Bij het tweede systeem wordt

68 29 december 2009


een warmtepomp gebruikt om de temperatuur van de buffer te kunnen opschroeven en wordt tevens alle resterende energie geleverd door de warmtepomp. De modellering van de opslagsystemen verschilt verder niet. Wanneer de warmtepomp uit staat leveren de systemen dezelfde technische prestaties voor gebruikte zonne-energie. Het verschil zit in de berekening van de rendementen voor de uiteindelijke bespaarde energie en is dus vooral relevant voor de financiële berekeningen. Voor het systeem met de warmtepomp worden geen financiële berekeningen uitgevoerd, omdat hiervoor een gedetailleerdere modellering van de warmtepomp nodig is. In de volgende beschrijving wordt het model beschreven met de warmtepomp. Wanneer de marge X op 0°C staat wordt in feite het systeem zonder warmtepomp en met conventioneel gasgestookt systeem verkregen. Wanneer de buffertemperatuur Tbuffer;t-1 hoger is dan de temperatuur Tvrg;t die hoort bij de energievraag Evrg;t, kan de energie uit de buffer gebruikt worden. Extra voorwaarde is dat er maar zoveel energie onttrokken kan worden aan de buffer, dat het temperatuurniveau van de buffer niet lager kan worden dan de temperatuur van de energievraag (in de figuur is dit 3). Wanneer de temperatuur van de buffer Tbuffer;t-1 lager is dan de gevraagde temperatuur Tvrg;t bij de energievraag, dan kan ervoor worden gekozen om een warmtepomp te gebruiken die een de buffertemperatuur met X°C kan verhogen om alsnog aan de vraag te kunnen voldoen (in de figuur is dit 5). Hierbij is het dus wel mogelijk dat de nieuwe temperatuur van de buffer na onttrekken Tbuffer;t lager is dan de temperatuur van de energievraag Tvrg;t, omdat er energie uit de buffer met een lager temperatuurniveau gebruikt kan worden. Als de temperatuur van de buffer Tbuffer;t-1 lager is dan de temperatuur van de energievraag Tvrg;t –X, dan kan er geen energie aan de buffer worden onttrokken (in de figuur is dit 4). Het bepalen van de temperatuur behorende bij de energievraag komt aan de orde in paragraaf 6.2.4. De berekening van de daadwerkelijke energiestromen uit de buffer komt aan de orde in paragraaf 6.2.5. Het beslissingsproces voor de energiestromen is in de alinea’s hierboven beschreven die respectievelijk het collectorcircuit, de energiestroom naar de buffer en de energiestroom uit de buffer behandelen. In de volgende paragrafen komt de berekening van de verschillende benodigde variabelen aan de orde die horen bij deze 3 onderdelen. Daarnaast is er nog een toelichting voor de temperatuur die hoort bij de gevraagde energie en een nadere uitleg over de buffer. 6.2.2

Collectorcircuit Voor het berekenen van de potentiële zonne-energie Ez;pot;t met bijbehorende temperatuur Tz;pot;t die beschikbaar is voor de buffer is een collectorcircuit gemodelleerd. Dit circuit werkt als volgt: 1) Het transportmedium stroomt de collector in met temperatuur Tcol;in;t. 2) De overgebleven zonnestralingsenergie ∆Ez;nto;t, na aftrek van radiatie en convectieverliezen van de collector, zorgt voor het opwarmen van het transportmedium naar een temperatuur Tcol;uit;t. 3) Het transportmedium met een verhoogd energieniveau ∆Ez;nto;t en een temperatuurniveau Tcol;uit;t gaat naar de buffer. Bij het transport van de collector naar de buffer worden de leidingverliezen in rekening gebracht, waardoor het energieniveau Ez;pot;t met Tz;pot;t wordt verkregen voor de potentiële zonne-energie vlak voor de buffer.

69 29 december 2009


Voor het uitvoeren van de bovenstaande stappen zijn een aantal variabelen nodig die berekend moeten worden. Deze berekeningen die nodig zijn voor het bepalen van de variabelen zijn voor elke bovengenoemde stap opgenomen in de bijlage 3 (‘Collectorcircuit’). Met deze berekeningen zijn de belangrijkste variabelen voor het aanbod van zonne-energie vlak voor de buffer Tz;pot;t en Ez;pot;t bekend. Deze variabelen zullen in de volgende paragraaf 6.2.3 weer gebruikt worden. 6.2.3

Energiestroom naar de Buffer Wanneer de stappen zijn doorlopen zoals die genoemd zijn in de vorige paragraaf, zijn alle randvoorwaarden bekend voor het berekenen van energiestromen die de buffer in gaan. De zonne-energie die daadwerkelijk wordt opgenomen door de buffer is als volgt te beschrijven: 1) Als de temperatuur van de potentiële energie Tz;pot;t hoger is dan de buffertemperatuur aan het eind van vorig uur Tbuffer;t-1, dan kan de zonne-energie gebruikt worden. 2) Niet alle toegevoegde potentiële zonne-energie ∆Ez;pot;t kan worden gebruikt. Een randvoorwaarde is dat het transportmedium maximaal maar zoveel energie kan afgeven, totdat de buffertemperatuur Tbuffer;t de temperatuur van het transportmedium Tz;pot;t heeft bereikt. Voor het uitvoeren van de bovenstaande stappen zijn een aantal variabelen nodig die berekend moeten worden. De berekeningen die nodig zijn voor het bepalen van de variabelen zijn voor elke bovengenoemde stap opgenomen in de bijlage 3 (‘Energiestroom naar de Buffer’). Hiermee is berekend voor elk uur t hoeveel zonne-energie daadwerkelijk de buffer in gaat (∆Ez;buffer;in;t). Ook is een nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;t met een nieuwe opgeslagen hoeveelheid energie Ebuffer;t berekend aan het eind van uur t.

6.2.4

Gevraagde Temperatuur Alvorens gekeken kan worden naar hoe het model energie aan de buffer onttrekt, zal eerst uitgelegd moeten worden hoe de energievraag eruit ziet. De grootte van de energievraag in joule per uur is al bekend. Dit is deel van de TRNSYS data die wordt ingevoerd in het werkblad ‘Onderzoeksdata’. De temperatuur bij een energievraag hoort is voor tapwater gemakkelijk bepaald. Wanneer er een energievraag is, dan is de bijbehorende temperatuur hiervoor 65°C (zie: ‘Afbakening van het Probleem’). Voor ruimteverwarming is dit iets complexer. Met een stooklijn is de gevraagde temperatuur benaderd voor de energievraag voor ruimteverwarming. Ook hiervoor wordt verwezen naar ‘Afbakening van het Probleem’. Wanneer de energievraag voor tapwater Evrg;tap;t in uur t dus groter is dan 0, wordt de bijbehorende gevraagde temperatuur Tvrg;tap;t dus 65°C. Wanneer de energievraag voor ruimteverwarming Evrg;rvw;t in uur t dus groter is dan 0, wordt de bijbehorende gevraagde temperatuur Tvrg;rvw;t bepaald met behulp van de stooklijn (lineaire relatie tussen de buitentemperatuur en de gevraagde temperatuur voor ruimteverwarming) en de buitentemperatuur Te;t op tijdstip t.

70 29 december 2009


De berekeningen die nodig zijn voor het bepalen van de stooklijn en daarmee de temperatuur die hoort bij de energievraag voor ruimteverwarming Tvrg;rvw;t is opgenomen in de bijlage 3 (‘Gevraagde Temperatuur’). 6.2.5

Energiestroom uit de Buffer Wanneer de stappen zijn doorlopen zoals die genoemd zijn in de vorige paragraaf 6.2.4, zijn de randvoorwaarden bekend voor het berekenen van energiestromen die de buffer uit gaan. Deze randvoorwaarden op uur t zijn de energievraag voor ruimteverwarming Evrg;rvw;t en de bijbehorende temperatuur Tvrg;rvw;t en ook de energievraag voor tapwater verwarming Evrg;tap;t en de bijbehorende temperatuur Tvrg;tap;t. De stappen die het model doorloopt om te bepalen welke energie daadwerkelijk wordt onttrokken aan de buffer zijn als volgt te beschrijven: 1) Eerst wordt gekeken welke vraag op uur t de laagste temperatuur nodig heeft. Dit wordt de primaire energievraag Evrg;prim;t in het uur t met temperatuur Tvrg;prim;t. De energievraag met de hogere temperatuur wordt de secundaire energievraag Evrg;sec;t in het uur t met temperatuur Tvrg;sec;t. 2) Er kan in het model gekozen worden voor een warmtepomp die een extra temperatuursniveau X°C kan toevoegen aan de energie in de buffer om te voldoen aan een energievraag met hogere temperatuur dan de Tbuffer;t-1. Dit is gemodelleerd door de temperatuur van de vraag met X°C te verlagen indien Tvrg;t groter is dan Tbuffer;t-1. 3) Als de primaire energie een lagere temperatuur Tvrg;prim;t heeft dan de buffer Tbuffer;t-1 kan deze energievraag eerst onttrokken worden aan de buffer, waardoor een nieuw tijdelijk energieniveau in de buffer Ebuffer;1;t ontstaat. Er kan niet altijd aan de gehele energievraag Evrg;prim;t worden voldaan. Een randvoorwaarde is dat de buffer maximaal maar zoveel energie kan afgeven (∆Evrg;prim;uit;t), totdat de nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;1;t dezelfde temperatuur heeft als de temperatuur van de energievraag Tvrg;prim;t. Indien de warmtepomp nodig is, wordt hier ook rekening gehouden met het (constant) rendement van deze warmtepomp. In deze fase worden ook de energieverliezen voor stilstand in de buffer van het vorige uur ∆Everl;t-1 in rekening gebracht. 4) De secundaire energievraag kan daarna onttrokken worden als Tvrg;sec;t lager is dan de nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;1;t, waardoor het nieuwe definitieve energieniveau in de buffer Ebuffer;t ontstaat aan het eind van uur t. Er kan niet altijd aan de gehele energievraag Evrg;sec;t worden voldaan. Een randvoorwaarde is dat de buffer maximaal maar zoveel energie kan afgeven (∆Evrg;sec;uit;t), totdat de nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;t dezelfde temperatuur heeft als temperatuur van de energievraag Tvrg;sec;t. Indien de warmtepomp nodig is, wordt hier ook rekening gehouden met het (constant) rendement van deze warmtepomp. In deze fase wordt ook de energietoevoeging als gevolg van de binnenkomende zonneenergie in rekening gebracht. Het totale overzicht voor de buffer komt echter pas in paragraaf 6.2.6 aan de orde. Voor het uitvoeren van de bovenstaande stappen zijn een aantal berekeningen nodig. De berekeningen die nodig zijn voor het bepalen van het proces zijn voor elke bovengenoemde stap opgenomen in de bijlage 3 (‘Energiestromen uit de Buffer’).

71 29 december 2009


Hiermee is berekend voor elk uur t hoeveel energie er door energievraag daadwerkelijk aan de buffer wordt onttrokken (∆Evrg;prim;uit;t + ∆Evrg;sec;uit;t). Ook is een nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;t met een nieuwe opgeslagen hoeveelheid energie Ebuffer;t berekend aan het eind van uur t. 6.2.6

De Buffer In de voorgaande paragrafen is te lezen geweest hoe de energiestromen de buffer in en uit gaan en wat de randvoorwaarden voor deze afzonderlijke stromen zijn. In deze paragraaf wordt de buffer in zijn geheel bekeken. De volgende stappen kunnen worden onderscheiden in het berekenen van de buffertemperatuur en het energieniveau: 1) De bufferinhoud Ebuffer;1;t wordt geleverd door de bufferinhoud Ebuffer;t-1 aan het eind van het vorige uur t-1 te verminderen met de energieverliezen ∆Everl;t als gevolg van stilstand in de buffer en door de primaire energievraag ∆Evrg;prim;uit;t ervan af te trekken. 2) De bufferinhoud Ebuffer;t wordt geleverd door de bufferinhoud Ebuffer;1;t te verminderen met de secundaire energievraag ∆Evrg;prim;uit;t en de energiewinsten ∆Ez;buffer;in;t door zonneenergie erbij op te tellen. 3) De bijbehorende temperaturen zijn afhankelijk van het energieniveau in de buffers Ebuffer;1;t en Ebuffer;t. Voor het uitvoeren van de bovenstaande stappen zijn een aantal berekeningen nodig. De berekeningen die nodig zijn voor het bepalen van het proces zijn voor elke bovengenoemde stap opgenomen in de bijlage 3 (‘De Buffer’). Hiermee is voor elk uur t de hoeveelheid energie in de buffer Ebuffer;t bekend aan het eind van uur t. Ook is de uiteindelijke temperatuur Tbuffer;t op uur t bekend die de buffer heeft. Met deze laatste bewerkingen is alle informatie aanwezig zodat het model goed kan functioneren. Met alle voorgaande informatie kunnen parameters worden afgeleid die de prestaties van het opslagsysteem beschrijven. Dit wordt gedaan in paragraaf 6.3.

72 29 december 2009


6.3

Berekening van Resultaten In figuur 29 is de laatste component in het proces van het model ‘resultaten’. Met alle informatie die verkregen wordt uit de rekenkern zoals die hiervoor is beschreven, kunnen prestaties van het opslagsysteem beschreven worden. Deze prestaties van het opslagsysteem (zowel technische als financieel) zijn de resultaten die het model levert. In deze paragraaf worden de belangrijkste resultaten die het model genereert uitgelegd. Voor het genereren van resultaten met het model voor een zonne-energieopslagsysteem moeten een aantal parameters opgegeven worden die belangrijk zijn voor de manier waarop het opslagsysteem functioneert of voor de netto contante waarde van het systeem. Deze parameters zijn al in de afbakening van het probleem genoemd, maar worden hier voor de duidelijkheid nog eens opgesteld. Tabel 17: Parameters die het Functioneren van het Systeem bepalen

Grootheid Grootte Collector Grootte Buffer Oriëntatie Collector Stand Collector Soort Collector (Optische Efficiëntie, a1, a2) Maximale Temperatuursmarge X Warmtepomp COP Warmtepomp Minimale Temperatuur Verwarmingssysteem Maximale Temperatuur Verwarmingssysteem Soortelijke Warmte Transportmedium Massastroom Transportmedium Levensduur Opslagsysteem Jaarlijkse Afname Rendement Jaarlijkse Inflatie Jaarlijkse Nominale Rentevoet Energiekosten Nederlandse Net Jaarlijkse Prijsstijging Energie

Eenheid m2 Joule ° °C °C °C Wh/kg·°C kg/m2·u Jaar % % % Euro %

Met deze parameters kunnen technische resultaten als ook financiële resultaten worden gegenereerd. De bepaling van deze resultaten wordt hierna toegelicht in paragrafen 6.3.1 en 6.3.2. 6.3.1

Technische Resultaten In tabel 18 zijn de verschillende resultaten opgesomd die iets vertellen over de prestaties van het opslagsysteem. Voor de belangrijkste parameters wordt in de volgende alinea’s beschreven hoe deze zijn berekend. Hierbij worden variabelen gebruikt die zijn verkregen door berekeningen in de rekenkern. Toch is geprobeerd de uitleg van de verschillende parameters uit tabel 18 zo op te stellen dat deze onafhankelijk van de voorgaande paragrafen toch leesbaar is.

73 29 december 2009


Tabel 18: Resultaten die de Prestaties van het gekozen Opslagsysteem beschrijven

Index

A1 A2 B C D E F G H I Je K L M N O L/Je P Q R S T

Resultaten Collectorgrootte Buffergrootte Maximale Opslag Toegevoegde Energie (Cumulatieve toevoeging buffer) Onttrokken Energie (Cumulatief onttrokken aan buffer) Energieverlies in de buffer Totale Opvallende Zonne-energie (op de collector) Totale Toegevoegde Energie transportmedium (net na de collector) Totale Potentiële Zonne-energie (net voor de buffer) Aantal uren in gebruik Totale Energievraag Cumulatieve Energie Opgenomen Cumulatieve Energie Afgegeven Energie Onttrokken t.b.v. tapwater Energie Onttrokken t.b.v. ruimteverwarming Bijdrage Resterende Energie in de Buffer aan eind van het jaar Dekkingsgraad Opslagsysteem NCW systeem (20 jaar) Aanschafkosten Opslagsysteem Energie nodig voor Warmtepomp bij verhogen temperatuurniveau L Resterende Energie nodig (conventioneel, geen gebruik L en R) Besparing Energie (Gas) van het Net

Eenheid m2 Joule Joule Joule Joule Joule Joule Joule Joule uur Joule Joule Joule Joule Joule Joule Fractie Euro Euro Joule Joule Joule

De bufferen collectorgrootte (A1 en A2) zijn variabelen die ingevoerd worden door de gebruiker van het model. De maximale opslag (B) is het maximale energieniveau dat de buffer bereikt in het berekende jaar. De toegevoegde energie (C) is de cumulatieve energie over het jaar die door binnenkomende zonne-energie daadwerkelijk aan de buffer wordt toegevoegd. (Het gaat hier om de cumulatie van ∆Ez;buffer;in;t over het gehele jaar.) De onttrokken energie (D) is de cumulatieve energie over het jaar die door de energievraag daadwerkelijk aan de buffer wordt onttrokken. (Het gaat hier om de cumulatie van ∆Evrg;prim;uit;t + ∆Evrg;sec;uit;t over het gehele jaar.) Ook het energieverlies dat elk uur plaats vindt is gecumuleerd over het gehele jaar (E), om een indruk te krijgen van de energie die er bij een gekozen opslagsysteem verloren gaat door opslag. Om de verliezen van de collector tot aan de buffer in kaart te brengen is ervoor gekozen om de cumulatieve aanwezige energie op verschillende plaatsen in het systeem aan te geven. Zo kan de totale cumulatieve energie vallend op de collector afgelezen worden (F). Het verschil tussen deze waarde en de waarde voor de totale toegevoegde energie aan het transportmedium (G) geeft in feite aan hoeveel zonnestralingsenergie verloren is gegaan bij de collector. Het verschil tussen deze waarde en de totale potentiële energie net voor de buffer (H) geeft aan hoeveel energie er verloren is gegaan als gevolg van transport naar de buffer. Verder registreert het model het aantal uren waarin energie opgeslagen wordt, het aantal uren waarin energie onttrokken wordt en het aantal uren dat het systeem in gebruik is. Alleen deze laatste parameter is hier opgenomen onder de belangrijke resultaten (I).

74 29 december 2009


De totale energievraag is al eerder bepaald met de energievraagdata die afkomstig was uit TRNSYS. Voor het beschouwen van het totale overzicht aan prestaties van het opslagsysteem is de energievraag wel van belang en daarom staat deze er weer bij vernoemd (Je). De cumulatieve energie opgenomen (K) is in dit geval hetzelfde als de toegevoegde energie (C). De cumulatieve energie afgegeven (L) is de energie die wordt afgegeven (D) vermeerderd met een eventuele bijdrage die een gevulde buffer aan het eind van het jaar levert voor de energievoorziening van het volgende jaar. Hiervoor is nog een zelfde jaar berekend maar dan met een bufferinhoud op uur t=1 die gelijk is aan de bufferinhoud van het daarvoor berekende jaar op t=8760 (31 december, na 24 uur). Het verschil tussen de energieleveringen van beide jaren levert de bijdrage van de gevulde buffer aan het eind van het jaar (O). Ook is er voor het opslagsysteem berekend hoeveel energie er wordt geleverd voor voorziening in tapwater verwarming (M) en hoeveel energie er wordt geleverd voor voorziening in ruimteverwarming (N). Misschien wel de belangrijkste parameter voor het bepalen van de prestaties van het opslagsysteem is de dekkingsgraad (L/Je). Dit geeft aan welk deel van de totale energievraag geleverd kan worden door de zonne-energie. Informatie over de energie die nodig is naast de zonne-energie voor de voorziening van de behoefte is te zien in de resultaten R, S en T. Het gaat hier om de energie die de warmtepomp nodig heeft om de watertemperatuur afkomstig uit de buffer op een hoger niveau te brengen (R), de energie die geleverd moet worden voor de resterende energievraag (S) en de totale bespaarde energie (inclusief rendementen) die niet meer geleverd hoeft te worden door het conventionele energiesysteem (T). Voor dit laatste resultaat wordt de bespaarde energie gedeeld door het bijbehorende rendementen voor tapwater (70%) en voor ruimteverwarming (95%) van een gasgestookt systeem. Een en ander is nog eens verduidelijkt in figuur 31, waar de letters overeenkomen met de symbolen gebruikt in tabel 18.

S

Resterende Energievraag

R

Hulp-Energie voor Warmtepomp

Totale Energievraag J

L

Afgegeven Zonne-energie

Figuur 31: Levering van de Totale Energievraag

75 29 december 2009


Hierbij wordt weer opgemerkt dat er twee mogelijkheden zijn voor het opslagsysteem. Het eerste is een opslagsysteem waarin alle resterende warmte geleverd wordt door een conventioneel gasgestookt systeem en waarbij het opschroeven van de buffertemperatuur niet mogelijk is. Bij het tweede systeem wordt een warmtepomp gebruikt om de temperatuur van de buffer te kunnen opschroeven en wordt tevens alle resterende energie geleverd door de warmtepomp. Voor dit laatste systeem worden geen financiële berekeningen uitgevoerd. En daarom is het berekenen van T in geval van een warmtepompsysteem ook niet nuttig. Als laatste moeten hier nog twee parameters genoemd worden die het financiële aspect van het systeem belichten. Hier gaat het om de netto contante waarde (P) die aangeeft wat de waarde van het opslagsysteem is op moment van investering over een gegeven levensduur. De investeringskosten (Q) geven aan wat de initiële kosten zijn voor het aanschaffen en installeren van het systeem. De berekening van deze twee parameters behoort niet tot de rekenkern maar tot het genereren van resultaten. Daarom wordt de berekening van de investeringskosten en de NCW uitgelegd in dit hoofdstuk (paragraaf 6.3.2). 6.3.2

Financiële Resultaten In deze paragraaf komen nog enkele berekeningen aan de orde die verder geen invloed hebben op de technische werking van het model, maar alleen iets zeggen over de financiële gesteldheid van het gekozen opslagsysteem. De belangrijkste resultaten zijn de investeringskosten van een gekozen opslagsysteem en de netto contante waarde bij een opgegeven levensduur. De investeringskosten (Q) van het systeem zijn opgebouwd uit kosten voor een verschillend aantal componenten van het opslagsysteem en de kosten voor installatie. Voor de bepaling van de kosten van de afzonderlijke componenten wordt verwezen naar ‘Afbakening van het Probleem’. Door het optellen van de verschillende kosten worden de investeringskosten van het opslagsysteem gevonden voor het gekozen referentiejaar 2009. Voor de berekening wordt verwezen naar Bijlage 3 (‘Financiële Resultaten’). De netto contante waarde (P) geeft weer wat het opslagsysteem waard is op het moment van investeren. Voor inkomsten betekent dat het berekenen van de huidige waarde van een bedrag waarover je pas na een bepaalde periode de beschikking hebt. Voor uitgaven betekent het dat de huidige kosten van een bedrag berekend moeten worden dat pas in de toekomst betaald moet worden. Op deze wijze kunnen de effecten van uitgaven en inkomsten die op verschillende tijdstippen plaatsvinden met elkaar vergeleken worden. Iets nauwkeuriger gezegd kan de berekening van de netto contante waarde als volgt worden uitgelegd. De contante waarde (CW) van een toekomstig bedrag aan geld over een tijdsperiode van t jaar en bij rentevoet r en inflatie i, is het bedrag dat na de periode van t jaren juist het gegeven bedrag oplevert. Contante waarden van te betalen bedragen worden op dezelfde wijze berekend. Op deze wijze kunnen de effecten van uitgaven (zoals de kosten behandeld in paragraaf 4.4.1) en inkomsten (zoals de baten behandeld in paragraaf 4.4.2) die op verschillende tijdstippen plaatsvinden met elkaar vergeleken worden. Door in een bepaald jaar de contante (of reële) waarde van de kosten af te trekken van de contante (of reële) waarde van de opbrengsten, wordt een netto waarde verkregen die bij de

76 29 december 2009


Netto Contante Waarde uit het vorige jaar wordt opgeteld. De NCW in het eerste jaar ontstaat door enkel en alleen de reële kosten en baten met elkaar te verrekenen. De formules voor de berekening van de NCW zijn terug te vinden in Bijlage 3. In figuur 32 is een overzicht van de eerste jaren van de netto contante waarde berekening te zien ter illustratie.

Figuur 32: Deel van de Totale NCW Berekening zoals die is Opgenomen in het Model

77 29 december 2009


7.

Resultaten Het hoofddoel (beschreven in paragraaf 2.3) was om met het hiervoor ontwikkelde model algemene relaties te beschrijven tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype (huishouden en klimaat) en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. Het voorstel was om dit te doen door: 1. het bepalen van de invloed van verschillende omstandigheden (die de energievraag beïnvloeden) op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem; 2. het bepalen van de invloed van variatie van systeemparameters op de prestaties van het opslagsysteem bij de verschillende energievraagscenario’s; 3. het bepalen van een financieel optimaal zonne-energieopslagsysteem bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden; Alvorens aan de slag wordt gegaan met het behalen van de gestelde doelen door het antwoord geven op de specifiek gestelde vragen wordt eerst een referentie opslagsysteem opgesteld in paragraaf 7.1. Dit dient als referentiekader voor de paragrafen die hierna zullen volgen. In de paragrafen 7.2 tot en met 7.4 zijn de resultaten telkens toegespitst op een van de bovenstaande doelstellingen. Paragraaf 7.2 behandelt de resultaten die de eerste bovenstaande doelstelling kunnen realiseren door het beschouwen van verschillende huishoudens en de daarbij horende gevolgen voor het opslagsysteem. Hierbij wordt vooral gekeken naar resultaten bij verschillende afmetingen voor de buffer en collector. De uitgangswaarden of systeemparameters blijven hetzelfde als in het referentiescenario. Paragraaf 7.3 bekijkt de invloed van de variatie van systeemparameters op de prestaties van het systeem bij verschillende huishoudens en behandelt daarmee de tweede doelstelling. Hierbij wordt vooral gekeken naar resultaten bij verschillende systeemparameters. De afmetingen van de buffer en de collector blijven hetzelfde als in het referentiescenario. Paragraaf 7.4 gaat over de financiële beschouwing van het opslagsysteem bij verschillende huishoudens en bekijkt daarmee de derde doelstelling. Als laatste paragraaf geeft 7.5 nog een aantal andere resultaten die interessant zijn voor dit onderzoek. Het model kent twee varianten. Het systeem met warmtepomp voor de levering van resterende energievraag en het opschroeven van de buffertemperatuur en het systeem dat alleen nog de resterende energievraag levert met een conventioneel gasgestookt systeem. In alle paragrafen zal gestart worden met de tweede variant zonder warmtepomp. In de derde paragraaf zal het systeem later veranderd kunnen worden in het systeem dat gebruik maakt van een warmtepomp. Paragraaf 7.4 zal echter altijd gebruik maken van de variant zonder de warmtepomp, omdat het kostentechnische gedeelte van de warmtepomp te gecompliceerd is en dus buiten het kader valt van dit onderzoek.

78 29 december 2009


7.1

Referentiescenario Alvorens aan de slag wordt gegaan met het behalen van de gestelde doelen door het antwoord geven op de specifieke vragen wordt eerst een referentie opslagsysteem bekeken. Dit is gedaan om een referentiekader op te vormen voor de overige paragrafen die zijn gemaakt ter beantwoording van de gestelde eisen in de doelstelling. Het referentie opslagsysteem, dat lijkt op de zonneboilercombi van SenterNovem [6], heeft een collectoroppervlak van 6 m2 en het buffervat kan maximaal 50 MJ opslaan (ongeveer 200 liter water). De uitgangswaarden voor dit opslagsysteem waarmee ook in elke andere paragraaf wordt begonnen zijn nu opgenomen in tabel 19. Wanneer de afmetingen van de collector of de buffer veranderen of wanneer de uitgangswaarden veranderen (bijvoorbeeld bij variatie van systeemparameters in paragraaf 7.3) dan wordt dit duidelijk aangegeven in de betreffende paragraaf of alinea. Tabel 19: Belangrijkste Uitgangswaarden voor Parameters van het Opslagsysteem

Waarde Zuid 45 0,8; 3,79; 0,009 0 (geen warmtepomp) 4 55 35 0,96 18 20 0,5 1 4 0,61 (19,44) 8

Grootheid Oriëntatie Collector Stand Collector Soort Collector (Optische Efficiëntie, a1, a2) Maximale Temperatuursmarge X Warmtepomp COP Warmtepomp Minimale Temperatuur Verwarmingssysteem Maximale Temperatuur Verwarmingssysteem Soortelijke Warmte Transportmedium Massastroom Transportmedium Levensduur Opslagsysteem Jaarlijkse Afname Rendement Jaarlijkse Inflatie Jaarlijkse Nominale Rentevoet Energiekosten (aardgas) Nederlandse Net Jaarlijkse Prijsstijging (Gas) Energie

Eenheid ° °C °C °C Wh/kg·°C kg/m2·u Jaar % % % 3 Euro/m (euro/GJ) %

Andere uitgangswaarden die constant zijn aangenomen zijn het maximale temperatuurniveau van de buffer (80°C) en de omgevingstemperatuur van de buffer (20°C). Ook wordt voorlopig als opslagmedium water gebruikt met een dichtheid van 997,2 kg/m3 en een soortelijke warmte van 4186 J/kg·K. Deze parameters zijn in het model aan te passen maar worden in dit onderzoek constant verondersteld. De prestaties van het opslagsysteem met een buffer van 50 MJ en een collector van 6 m2 zijn voor elk scenario te zien in onderstaande tabel 20. Met behulp van deze resultaten, voor hetzelfde opslagsysteem bij verschillende huishoudens, kan veel belangrijke informatie worden verkregen. Door alleen naar de data uit de tabel te kijken kunnen al een aantal belangrijke conclusies getrokken worden.

79 29 december 2009


Tabel 20: Resultaten Standaard Opslagsysteem per Scenario

Onderwerp

A1 A2 B C D E F G H I Je K L M N O K/Je L/Je K/A2 D/A2 K/A1 D/A1 P Q

R S T

Sc1

Sc2

Sc3

Sc4

Sc5

Sc6

eenheid

Collectorgrootte Buffergrootte Maximale Opslag Toegevoegde Energie (Cum. Bijvulling buff.) Onttrokken Energie (Cum. onttrokken buff.) Energieverlies in de buffer Opvallende Zonne-energie (op de collector) Toegevoegde Energie transportmedium Totale Pot. Zonne-energie (net voor de buffer) Aantal uren in gebruik Totale Energievraag Cumulatieve Energie Opgenomen

6,0 50 50 5.441 4.255 1.169 24.377 11.373 10.721 3.047 32.163 5.441

6,0 50 50 5.661 4.417 1.221 25.100 11.976 11.287 3.279 27.786 5.661

6,0 50 50 5.307 4.101 1.189 24.377 11.329 10.676 3.134 30.134 5.307

6,0 50 50 5.663 4.484 1.162 24.377 11.392 10.741 2.994 36.826 5.663

6,0 50 50 6.007 4.851 1.138 24.377 11.526 10.878 3.185 42.988 6.007

6,0 50 50 5.018 3.796 1.205 24.377 11.249 10.594 3.133 23.511 5.018

m2 MJ MJ MJ MJ MJ MJ MJ MJ uur MJ MJ

Cumulatieve Energie Afgegeven Energie Onttrokken t.b.v. tapwater Energie Onttrokken t.b.v. rvw Bijdrage Restenergie in de Buffer 31 dec. Dekkingsgraad Opgenomen Energie

4.255 2.579 1.676 0 0,169

4.417 2.712 1.705 0 0,204

4.101 2.654 1.447 0 0,176

4.484 2.828 1.656 0 0,154

4.851 2.686 2.165 0 0,140

3.796 2.427 1.369 0 0,213

MJ MJ MJ MJ fractie

Dekkingsgraad Opslagsysteem Totaal Opgenomen Energie / Buffergrootte Totaal Afgegeven Energie / Buffergrootte Totaal Opgenomen Energie / Collectorgrootte Totaal Afgegeven Energie / Collectorgrootte

0,132

0,159

0,136

0,122

0,113

0,161

fractie

109 85 907 709

113 88 944 736

106 82 884 683

113 90 944 747

120 97 1.001 809

100 76 836 633

MJ/MJ MJ/MJ MJ/m2 MJ/m2

NCW systeem (20 jaar) Aanschafkosten Opslagsysteem

-2.516 4.619 4,0 1,7 0 27.908 5.448

-2.377 4.619 3,9 1,7 0 23.369 5.669

-2.600 4.619 3,9 1,6 0 26.033 5.314

-2.306 4.619 4,1 1,9 0 32.342 5.783

-2.097 4.619 4,2 1,9 0 38.137 6.116

-2.854 4.619 3,7 1,5 0 19.715 4.909

euro euro MJ/uur MJ/uur MJ MJ MJ

Gemiddelde Opslag per Uur Gemiddeld Onttrokken per Uur Elektrische Energie nodig voor Warmtepomp Resterende Energie nodig (conventioneel) Besparing Energie (Gas) van het Net

Zo is meteen te zien dat als gekeken wordt naar de opvallende energie op de collector in een jaar (F) en dit wordt vergeleken met de daadwerkelijk aan het transportmedium afgegeven energie (G), dan is te zien dat de verliezen bij de collector groot zijn in vergelijking met andere verliezen. Wel moet gezegd worden dat het hier gaat om potentiële energie. Wanneer de energie een te laag temperatuurniveau levert, dan zal het transportmedium niet stromen en wordt de opvallende energie dus helemaal niet gebruikt. Dit is goed te zien in de verschillen tussen de potentiële energie net voor de buffer (H) en de daadwerkelijke energie opgenomen in de buffer (K). In de hier beschouwde range van energievragen leidt een grotere energievraag (Je) tot een kleinere dekkingsgraad (L/Je). De grootste zonne-energielevering (L) vindt logischerwijs plaats bij de grootste energievraag (Je). De grootte van de grootste energievraag (scenario 5) is ongeveer 185% van de kleinste energievraag (scenario 6). Dit had extremer gekund maar voor het realiseren van de doelstellingen in dit onderzoek is dit verschil voldoende. Het energieverlies in de buffer (E) is overal ongeveer gelijk. Voor de verschillen die er zijn, geldt opvallend genoeg: hoe groter de energievraag (Je), hoe minder verlies. Dit zal komen doordat de energie gemiddeld minder lang in de buffer zit in de gevallen waar een grote energievraag is, omdat de buffer actiever gebruikt wordt. 80 29 december 2009


Als gekeken wordt naar de energie die het opslagsysteem levert voor tapwater en de energie die het opslagsysteem levert voor ruimteverwarming bij de verschillende scenario’s dan zijn ook een aantal interessante constateringen te maken. Als naar scenario 1 gekeken wordt dan is de verhouding voor levering van tapwater versus ruimteverwarming ongeveer 1,54:1. Scenario 6 is veranderd op een dusdanige manier dat de ruimteverwarming minder belangrijk is door minder personen in het huishouden en minder aanwezigheid, maar waarbij de personen wel meer tapwater verbruiken waardoor eenzelfde patroon voor tapwater blijft bestaan. Voor scenario 3 is de verhouding voor levering van tapwater versus ruimteverwarming ongeveer 1,83:1. Levering van tapwater wordt belangrijker voor het systeem naarmate de vraag voor ruimteverwarming kleiner wordt. Scenario 6 is nog eens aangepast ten opzichte van scenario 3 op een dusdanige wijze dat ook het tapwaterverbruik minimaal is. Hier is de verhouding voor levering van tapwater versus ruimteverwarming ongeveer 1,77:1. Bij energiezuiniger gedrag lijkt het energieverbruik voor tapwater dus steeds belangrijker te worden. De netto contante waarde voor een opslagsysteem met een levensduur van 20 jaar is hier negatief. Voor alle scenario’s is te zien dat het referentiesysteem met een kostprijs van 4.600 euro rond de 2.000-2.500 euro terugverdient gedurende de levensduur. De NCW is natuurlijk geen eenduidige maat voor de rendabiliteit van het systeem. Het is een ‘tool’ voor het schatten van de financiële gevolgen van een bepaalde gebeurtenis. Bij deze gebeurtenissen kan gedacht worden aan het stijgen of dalen van de energieprijs, het veranderen van de rente en inflatie, de mate voor afname van het rendement van het systeem in de jaren etc. Als laatste is het nog interessant om te kijken naar de besparing die bij elk scenario gehaald wordt. De resterende energie die door conventionele verwarming geleverd moet worden (S) is hier in rood gemarkeerd. Doordat er geen warmtepomp gebruikt wordt is de totale energie die nodig is voor het gebruik ervan bij alle scenario’s gelijk aan 0. Het rendement voor het opwekken van conventionele energie voor tapwater is vastgesteld op 70% en het rendement voor ruimteverwarming op 95%. Daarom leveren de scenario’s waarbij de tapwatervraag relatief hoger is dan de vraag voor ruimteverwarming (scenario 2, 4 en 5) nog meer besparing op. Dit zijn de eerste indrukken wanneer naar het referentie opslagsysteem gekeken wordt. Voor het behalen van de doelstellingen is in de volgende paragrafen specifieker onderzoek gedaan om gewenste informatie te verkrijgen. In paragraaf 7.2 gaat het vooral om het behoud van dezelfde uitgangswaarden zoals die in tabel 19 te zien waren. Er wordt bij verschillende afmetingen voor de buffer en collector gekeken naar de prestaties van het systeem. In paragraaf 7.3 gaat het vooral om het behoud van de grootte van de buffer en de collector van het referentieopslagsysteem. Hier zullen de systeemparameters juist veranderd worden om de veranderingen te zien ten opzichte van het referentieopslagsysteem.

81 29 december 2009


7.2

Algemene Invloed Huishouden op Configuratie Opslagsysteem In deze paragraaf gaat het om het bepalen van de invloed van verschillende omstandigheden (die de energievraag beïnvloeden) op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem. Het bepalen van deze invloed kan gerealiseerd worden door het berekenen van de prestaties van het zonne-energieopslagsysteem bij de verschillende scenario’s. Een andere manier is om de configuratie van een opslagsysteem te bepalen voor het behalen van eenzelfde prestatie-eis bij verschillende scenario’s. Dit laatste is de manier waarop in deze paragraaf gewerkt zal worden.

7.2.1

Algemeen Dekkingsgraad De dekkingsgraad is een belangrijke parameter voor de prestaties van het opslagsysteem. Het geeft het aandeel weer van de totale energievraag waarin wordt voorzien met zonne-energie. Met de parameters voor het opslagsysteem zoals die in paragraaf 7.1 zijn genoemd, kan voor elke bufferen collectorgrootte een dekkingsgraad (zie paragraaf 6.3.1 voor uitleg) berekend worden voor de verschillende scenario’s. De relatie tussen de buffergrootte, de collectorgrootte en de dekkingsgraad voor scenario 1 is hiermee te zien in figuur 33. Er is een duidelijk en verklaarbaar verband te zien. Bij een groter collectoroppervlak en een grotere buffer neemt het aandeel van de energievraag dat met zonne-energie kan worden opgevangen toe. Bij een gelijkblijvende collectorgrootte zal het vergroten van de buffer maar in een beperkte range een vergroting van de zonne-energieopslag Figuur 33: Buffergrootte, Collectorgrootte en Dekkingsgraad voor Scenario 1 leveren. Dit is logisch aangezien de hoeveelheid energie die gebufferd kan worden, mede bepaald wordt door de collectorgrootte. Andersom, is de collectorgrootte ook verbonden met de buffergrootte. Zodra er geen energie meer gebufferd kan worden omdat de buffer maximaal gevuld is, heeft het weinig zin om de collector nog te vergroten.

82 29 december 2009


De overige 5 scenario’s hebben een vergelijkbaar patroon, maar zullen bij dezelfde afmetingen voor de buffer en collector een andere dekkingsgraad hebben door het verschil in energievraag en dus ook het verschil in afgegeven zonne-energie. Zo heeft scenario 5 bijvoorbeeld een dekkingsgraad van 31,2% bij een collectorgrootte van 20 m2 en een buffergrootte van 1,9·108 joule (190 MJ), terwijl scenario 1 hier een dekkingsgraad heeft van 34,4% (zie figuur 33). De dekkingsgraad van de verschillende scenario’s zijn toegevoegd in Bijlage 4. De dekkingsgraad zegt niet veel over bv. de afgegeven hoeveelheid zonne-energie. De afgegeven energie zal veel groter zijn bij scenario 5 (grote vraag) dan bij scenario 6 (kleine vraag). In de praktijk worden zonne-energieopslagsystemen gebruikt als systemen die altijd hetzelfde aandeel in de totale energieprestatie van een woning hebben (denk bijvoorbeeld aan EPC). Dezelfde woningtypen hebben dezelfde energievraag onafhankelijk van het huishouden dat er woont. Dat betekent dus dat elk opslagsysteem hetzelfde aandeel moet hebben in de totale energielevering, ongeacht de variatie in het energievraagpatroon van een huishouden. Daarom is in de volgende paragrafen met de dekkingsgraad onderzocht wat de configuratie van een opslagsysteem moet zijn bij verschillende huishoudens om altijd hetzelfde aandeel van de energievraag te leveren. 7.2.2

Realiseren van 20% Dekkingsgraad bij verschillende Scenario’s Bij elk energievraagscenario zijn tal van mogelijkheden voor het halen van een bepaalde dekkingsgraad. In figuur 34 zijn drie isolijnen te zien voor scenario 1 die de mogelijkheden voor de buffergrootte en collectorgrootte weergeven voor het halen van een dekkingsgraad van 10%, 20% of 30%.

Figuur 34: Isolijnen voor de Dekkingsgraad van het Opslagsysteem

Om goed de verschillen tussen opslagsystemen bij verschillende scenario’s in kaart te brengen, is ervoor gekozen om een aantal situaties te bekijken. Hierin wordt een willekeurige eis gesteld aan de dekkingsgraad die gehaald moet worden bij elk scenario. In het eerste geval is de collectorgrootte afgebakend en wordt gekeken welke buffergrootte per scenario nodig is om de

83 29 december 2009


dekkingsgraad te halen (zie 1). In het tweede geval is de buffergrootte afgebakend en wordt gekeken welke collectorgrootte per scenario nodig is om de dekkingsgraad te halen. 1) • • •

Collectorgrootte waarmee een dekkingsgraad van 20% gehaald moet worden: Het collectoroppervlak is 8 m2; Het collectoroppervlak is 14 m2; Het dakoppervlak op het zuiden van de referentiewoning wordt geheel gebruikt voor collectoren (35 m2).

2) • • •

Buffergrootte waarmee een dekkingsgraad van 20% gehaald moet worden: De buffergrootte is 80 MJ (ongeveer 320 liter water); De buffergrootte is 130 MJ (ongeveer 520 liter water); De buffergrootte is 190 MJ (ongeveer 760 liter water).

Het behalen van andere dekkingsgraden komt aan de orde in paragraaf 7.5. Hier gaat het vooral om het beschouwen van de verschillen tussen systemen die bij verschillende huishoudens (scenario’s) eenzelfde prestatie moeten leveren. De bovenstaande waarden zijn arbitrair gekozen, maar wel dusdanig dat er een redelijke spreiding zit tussen de gekozen waarden voor collectoren buffergrootte. Hierdoor is goed te zien of de eventuele verschillen tussen de opslagsystemen bij de scenario’s over een hele range gelden of alleen bij een specifieke systeemgrootte. 7.2.2.1

Gegeven Collectorgrootte (1) Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een collectorgrootte heeft van 8 m2, dan kan voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde buffergrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals aangegeven in paragraaf 7.1 van dit hoofdstuk. Deze bepaling is te zien in figuur 35.

Figuur 35: Benodigde Buffergrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 8m2 Collector 84 29 december 2009


Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een collectorgrootte heeft van 14 m2, dan kan ook weer voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde buffergrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals die ook zijn aangenomen in paragraaf 7.1. Deze bepaling is te zien in figuur 36.

Figuur 36: Benodigde Buffergrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 14m2 Collector

Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een collectorgrootte heeft dat zo groot is als het dakoppervlak van de tussenwoning (35 m2), dan kan ook weer voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde buffergrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals aangegeven in paragraaf 7.1. Deze bepaling is te zien in figuur 37. Voor de drie situaties met verschillende vastgestelde collectorgroottes is nu bij elk huishouden een buffergrootte berekend waarmee de gewenste dekkingsgraad van 20% wordt gerealiseerd. De resultaten zijn samengevat in tabel 21. Vervolgens zijn conclusies verbonden aan deze resultaten.

85 29 december 2009


Figuur 37: Benodigde Buffergrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 35m2 Collector

De resultaten van de voorgaande drie situaties met een collectorgrootte van 8m2, 14m2 en 35m2 zijn opgenomen in de onderstaande tabel. Tabel 21: Buffergrootte in MJ die een Dekkingsgraad van 20% levert

Buffergrootte (MJ) die een Dekkingsgraad van 20% levert Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

8m2 Collector

14m2 Collector

35m2 Collector

96 64 88 120 188 64

66 50 64 76 90 50

60 46 58 66 74 46

In de voorgaande drie figuren is duidelijk te zien dat hoe groter het gekozen collectoroppervlak is, hoe kleiner de onderlinge verschillen zijn tussen de benodigde buffergroottes. Dit betekent in feite dat in geval van een vooraf gekozen collector de buffergrootte minder afhankelijk wordt van de energievraag bij een groter collectoroppervlak. In de praktijk worden meestal kleinere collectoroppervlakken toegepast dan 8 m2. Hierbij zullen de verschillen tussen benodigde buffers voor het halen van deze specifieke dekkingsgraad dus nog groter zijn. Het boven beschreven effect geldt bij elke gewenste dekkingsgraad alleen zullen de verschillen tussen de buffergroottes kleiner worden naarmate de eis voor de dekkingsgraad afneemt en groter worden naarmate de eis voor de dekkingsgraad toeneemt (zie figuur 35, figuur 36, figuur 37). Ondanks het bovenstaande effect is er altijd een verschil in buffergroottes te constateren, zelfs als de collector over het gehele dakoppervlak is verspreid. In tabel 21 is het verschil tussen de grootste buffer van scenario 5 (74 MJ) en de kleinste buffer van scenario 6 (46 MJ) bij een

86 29 december 2009


collectoroppervlak van 35 m2 ongeveer 28 MJ. De grootste buffer heeft dus een grootte die 160% is van de kleinste buffergrootte. Dit is een behoorlijk verschil als bedacht wordt waar het hier om gaat:

‘Welke buffergrootte is er per huishouden nodig zodat in elke situatie hetzelfde aandeel van de totale energievraag geleverd wordt met zonne-energie. Hierbij is overal eenzelfde collectoroppervlak gerealiseerd bij dezelfde tussenwoning en betreft het een opslagsysteem met dezelfde ingestelde parameters.’ Het verschil in gedrag van de huishoudens zorgt dus voor een compleet andere gewenste buffergrootte. Hierboven is nog gekeken naar het meest positieve geval waarbij de buffergroottes bij verschillende scenario’s niet veel van elkaar afwijken door een groot collectoroppervlak. Het verschil tussen de grootste buffer van scenario 5 (188 MJ) en de kleinste buffer van scenario 6 (64 MJ) bij een collectoroppervlak van 8 m2 is ongeveer 124 MJ. De grootste buffer heeft dus een grootte die 295% is van de kleinste buffergrootte. Hierbij moet opgemerkt worden dat onder de gekozen afstellingen misschien niet reëel is om met een kleine collector van (8m2) een eis te stellen van 20% voor de dekkingsgraad (zie isolijn figuur 34). Het gaat hier echter om het aantonen van de verschillende benodigde configuraties van het systeem voor het halen van dezelfde prestatie-eis bij de verschillende huishoudens. Bovenstaande analyse kan ook andersom gebeuren. Het gaat dan om het bepalen van een benodigd collectoroppervlak voor het behalen van een dekkingsgraad bij een vooraf vastgestelde buffergrootte. Dit gebeurt in paragraaf 7.2.2.2. 7.2.2.2

Gegeven Buffergrootte (2) Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een buffergrootte heeft van 80 MJ, dan kan voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde collectorgrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals aangegeven in paragraaf 7.1. Deze bepaling is te zien in figuur 38.

Figuur 38: Benodigde Collectorgrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 80 MJ Buffer 87 29 december 2009


Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een buffergrootte heeft van 130 MJ, dan kan voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde collectorgrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals aangegeven in paragraaf 7.1. Deze bepaling is te zien in figuur 39.

Figuur 39: Benodigde Collectorgrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 130 MJ Buffer

Als het zonne-energieopslagsysteem een dekkingsgraad moet halen van 20% en een buffergrootte heeft van 190 MJ, dan kan voor elk energievraagscenario (huishouden) een benodigde collectorgrootte worden bepaald. Hierbij zijn de parameters van het opslagsysteem zoals aangegeven in paragraaf 7.1 van dit hoofdstuk. Deze bepaling is te zien in figuur 40.

Figuur 40: Benodigde Collectorgrootte voor het halen van een 20% Dekkingsgraad met 190 MJ Buffer 88 29 december 2009


De resultaten van de voorgaande drie situaties met een buffergrootte van 80 MJ, 130 MJ en 190 MJ zijn opgenomen in de onderstaande tabel. Tabel 22: Collectorgrootte in m2 die een Dekkingsgraad van 20% levert

Collectorgrootte (m2) die een Dekkingsgraad van 20% levert Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

80 MJ Buffer 10,4 6,6 9,4 13,0 18,4 6,0

130 MJ Buffer 6,6 5,2 6,0 7,6 9,4 5,2

190 MJ Buffer 6,3 5,3 5,9 6,7 7,9 5,3

In de voorgaande drie figuren is duidelijk te zien dat hoe groter de gekozen buffer is, hoe kleiner de onderlinge verschillen zijn tussen de benodigde collectorgroottes. Dit betekent in feite dat in geval van een vooraf gekozen buffer de collectorgrootte minder afhankelijk wordt van de energievraag bij een grotere buffer. In de praktijk worden meestal kleinere buffers toegepast dan 80 MJ. Hierbij zullen de verschillen tussen benodigde collectoren voor het halen van deze specifieke dekkingsgraad dus nog groter zijn. Het boven beschreven effect geldt bij elke gewenste dekkingsgraad alleen zullen de verschillen tussen de collectorgroottes kleiner worden naarmate de eis voor de dekkingsgraad afneemt en groter worden naarmate de eis voor de dekkingsgraad toeneemt (zie figuur 38, figuur 39, figuur 40). Ondanks het bovenstaande effect is er altijd een verschil in buffergroottes te constateren, zelfs als de buffer enorm groot is (190 MJ). In tabel 22 is het verschil tussen de grootste collector van scenario 5 (7,9 m2) en de kleinste buffer van scenario 6 (5,3 m2) bij een buffergrootte van 190 MJ ongeveer 2,6 m2. De grootste collector heeft dus een grootte die 150% is van de kleinste collectorgrootte. Dit is een behoorlijk verschil als bedacht wordt waar het hier om gaat:

‘Welke collectorgrootte is er per huishouden nodig zodat in elke situatie hetzelfde aandeel van de totale energievraag geleverd wordt met zonne-energie. Hierbij is overal eenzelfde buffer gerealiseerd bij dezelfde tussenwoning en betreft het een opslagsysteem met dezelfde ingestelde parameters.’ Het verschil in gedrag van de huishoudens zorgt dus voor een compleet andere gewenste collectorgrootte. Hierboven is nog gekeken naar het meest positieve geval waarbij de collectorgroottes bij verschillende scenario’s niet veel van elkaar afwijken door een grote buffer. Het verschil tussen de grootste collector van scenario 5 (18,4 m2) en de kleinste collector van scenario 6 (6,0 m2) bij een buffergrootte van 80 MJ is ongeveer 12,4 m2. De grootste collector heeft dus een grootte die 305% is van de kleinste collectorgrootte. Hierbij moet opgemerkt worden dat onder de gekozen afstellingen misschien niet reëel is om met een relatief kleine buffer (80 MJ) een eis te stellen van 20% voor de dekkingsgraad (zie weer isolijn figuur 34). Het gaat hier echter om het aantonen van de verschillende benodigde configuraties van het systeem voor het halen van dezelfde prestatie-eis bij de verschillende huishoudens. 7.2.3

Realiseren van andere Dekkingsgraden bij verschillende Scenario’s In de voorgaande paragraaf 7.2.2 is te zien geweest hoe de configuratie van het opslagsysteem werd bepaald, zodat een gewenste dekkingsgraad van 20% werd verkregen. De gekozen

89 29 december 2009


afmetingen van de buffer en de collector waren hier nogal aan de hoge kant en tevens was de range van deze afmetingen ook groot, zodat een goede indicatie verkregen kon worden van de optredende effecten. In deze paragraaf is gekozen voor afmetingen van het opslagsysteem die meer in de praktijk voorkomen. Daarbij is weer gezocht naar configuraties die een bepaalde dekkingsgraad leveren. (Er is gekeken naar een zonneboilercombi van SenterNovem [6] met een collectoroppervlak van ongeveer 6 m2 en een buffervat van 200 liter of 50 MJ.) Hier wordt aangenomen dat de methode voor het bepalen van de gewenste buffer- of collectorgrootte duidelijk is en daarom worden voor de resterende resultaten alleen nog de tabellen opgesteld. In tabel 23 is te zien welke buffergroottes nodig zijn bij elk scenario voor het behalen van de gewenste dekkingsgraad onder de voorwaarde dat een collectoroppervlak van 4m2 wordt gebruikt. In tabel 24 is te zien welke collectorgroottes nodig zijn bij elk scenario voor het behalen van de gewenste dekkingsgraad onder de voorwaarde dat een bufferinhoud van 50 MJ is gekozen. Tabel 23: Benodigde Buffergrootte in MJ bij een Collector van 6m2

Buffergrootte (MJ) bij een Collector van 6m2 Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

10% Dekking

12,5% Dekking

15% Dekking

29 22 29 32 38 22

45 32 43 53 64 32

65 44 60 82 120 43

In de onderstaande figuur is de dekkingsgraad uitgezet tegen de buffergrootte voor een collector van 6 m2.

Figuur 41: Dekkingsgraad uitgezet tegen de Buffergrootte voor een Collectoroppervlak van 6m2 90 29 december 2009


Tabel 24: Benodigde Collectorgrootte in m2 bij een Buffergrootte van 50 MJ

Collectorgrootte (m2) bij een Buffer van 50 MJ Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

10% Dekking 3,6 3,0 3,5 4,1 4,6 2,8

12,5% Dekking 5,2 3,8 4,9 6,4 8,0 3,7

15% Dekking 9,0 5,3 8,2 12,8 Niet haalbaar 5,0

In de onderstaande figuur is de dekkingsgraad uitgezet tegen de collectorgrootte voor een buffer van 50 MJ.

Figuur 42: Dekkingsgraad uitgezet tegen de Collectorgrootte voor een Buffer van 50 MJ

Uit de bovenstaande twee tabellen is te halen dat ook bij de reëlere afmetingen voor opslagsystemen de variatie voor het halen van een dekkingsgraad groot is. Zo is de afwijking van de gewenste buffergrootte bij een dekkingsgraad van 10% en een gegeven collector van 6 m2 ongeveer 16 MJ tussen scenario 5 en 6. De buffergrootte bij scenario 5 is ongeveer 170% van de buffergrootte van scenario 6. Bij een eis voor het dekkingspercentage van 15% is de buffergrootte van scenario 5 ongeveer 280% van de buffergrootte van scenario 6. De afwijking van de gewenste collectorgrootte bij een dekkingsgraad van 10% en een gegeven buffer van 50 MJ is ongeveer 1,8 m2 tussen scenario 5 en 6. De collectorgrootte bij scenario 5 is ongeveer 165% van de buffergrootte van scenario 6. Bij een eis voor het dekkingspercentage van 15% is de bij scenario 5 zelfs geen collectoroppervlak mogelijk dat het gewenste dekkingspercentage kan leveren. De buffer is dus duidelijk te klein.

91 29 december 2009


Grotere dekkingspercentages dan 20% zijn in de praktijk niet erg reëel en worden daarom nog niet in deze paragraaf bekeken. Hier gaat het puur om de beschouwing van de gevolgen van verschillende energievraagpatronen op de configuratie van het systeem. Voor hogere dekkingspercentages wordt verwezen naar paragraaf 7.5. 7.2.4

Conclusie Zoals al eerder gezegd is, geeft de dekkingsgraad weinig of geen informatie over bijvoorbeeld de afgegeven hoeveelheid zonne-energie. In de voorgaande voorbeelden zal de afgegeven energie veel groter zijn bij scenario 5 (door een grotere energievraag en dus grotere energielevering) dan bij scenario 6. Het gaat er echter om dat zonne-energieopslagsystemen in de praktijk gebruikt worden als systemen die altijd eenzelfde aandeel in de totale energieprestatie van een woning hebben (denk aan EPC). Dezelfde woningtypen hebben dezelfde energievraag onafhankelijk van het gedrag van een huishouden. Als dan een zonneboiler gebruikt wordt om de energieprestatie (EPC) te verbeteren, betekent dit dat een vast aandeel van de totale energievraag moet worden geleverd met zonneenergie. Wanneer de energievraag van een woning nu bepaald wordt aan de hand van het gedrag van een huishouden zal de configuratie van de zonneboiler dus bepaald worden door vereiste dekkingsgraad die de gewenste EPC verlaging levert. Dit is de reden dat ervoor is gekozen om eerst de effecten van een vereiste dekkingsgraad te bekijken bij verschillende huishoudens. In de voorgaande paragrafen 7.2.2 en 7.2.3 zijn duidelijk een aantal conclusies te trekken uit de resultaten: • In alle gevallen geldt dat de gewenste configuratie van het opslagsysteem verschilt per huishouden of scenario. De variatie is daarbij afhankelijk van een aantal factoren. • Een hogere eis voor de dekkingsgraad levert grotere verschillen tussen de gewenste collector of buffer bij elk huishouden. • Hoe kleiner het vooraf vastgestelde collectoroppervlak, hoe groter het verschil tussen de gewenste buffer bij elk huishouden. • Hoe kleiner de vooraf vastgestelde buffer, hoe groter het verschil tussen het gewenste collectoroppervlak bij elk huishouden. De eerste doelstelling na het opstellen van de modellen betrof het bepalen van de invloed van verschillende omstandigheden (die de energievraag beïnvloeden) op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem. Met de voorgaande resultaten en de bovenstaande constateringen is deze doelstelling voor een groot deel bereikt. De invloed van verschillen in energiegebruik per huishouden op de configuratie is aangetoond. Het is niet goed mogelijk resultaten te genereren voor specifieke voorbeelden uit de praktijk om zo te zien hoe de gehaalde dekkingsgraad bij verschillende huishoudens afwijkt van de beoogde dekkingsgraad die de gewenste EPC waarde moet leveren. Hiervoor is te weinig bekend over de vereiste dekkingsgraad van een zonneboiler in de praktijk. Toch is er wel iets te zeggen over de range in dekkingsgraad waarop bestaande systemen zich richten. Als gekeken wordt naar een redelijk standaard opslagsysteem volgens SenterNovem [6] met een collectoroppervlak van 6 m2 een range van 7,5 tot 15% niet abnormaal. Als in figuur 43 naar deze range gekeken wordt dan is te zien dat de variatie in gewenste buffergrootte overal aanwezig is. Bij 7,5% is de variatie in

92 29 december 2009


buffergrootte natuurlijk veel kleiner dan bij 15%. Het gaat er echter om dat de verschillen in buffergrootte nog steeds significant zijn. Hiermee is aangetoond dat de prestaties van eenzelfde opslagsysteem bij een tussenwoning enorm kunnen afwijken van wat er gewenst is, omdat het gekozen opslagsysteem niet is afgestemd op de daadwerkelijke energievraag die afhankelijk van het huishouden dat in de woning zal plaatsvinden. Het opslagsysteem is tot op heden alleen afgestemd op de energievraag die aan een standaard woning wordt toegekend. De configuratie van een zonne-energieopslagsysteem is dus wel degelijk significant afhankelijk van het energiegedrag van een huishouden.

Figuur 43: Range van mogelijke Dekkingsgraden in de Praktijk en Bijbehorende variaties in Buffergrootte

Als laatste is hier nog een indicatie toegevoegd voor de verschillen in prestaties van eenzelfde zonne-energieopslagsysteem voor alle zes de scenario’s. Een gehaalde dekkingsgraad bij elk scenario met een standraad zonneboilercombi van SenterNovem [6] met collectoroppervlak van ongeveer 6m2 en een buffer van ongeveer 50 MJ is te zien in tabel 25. Hierbij is aangenomen dat de gekozen eigenschappen van het opslagsysteem enigszins lijken op die van een zonneboiler waarmee SenterNovem heeft gewerkt voor het berekenen van EPC waarden. Tabel 25: Dekkingsgraad bij Collector van 6 m2 en Buffer van 50 MJ

Scenario

Dekkingsgraad (%)


13,2% 15,9% 13,6% 12,2% 11,3% 16,1%

Hier is duidelijk te zien dat de afwijking van de gehaalde dekkingsgraad behoorlijk afhankelijk is van het gedrag van het huishouden. Het verschil in dekking van de gevraagde energie door een 93 29 december 2009


huishouden kan oplopen tot bijna 5% (16,1% voor scenario 6 versus 11,3% voor scenario 5). Hiermee is nog eens aangetoond dat de prestaties van een opslagsysteem bij eenzelfde woning enorm kunnen verschillen door het gedrag van het huishouden dat de woning bewoont. Het principe wordt nog eens visueel weergegeven in Bijlage 5 (‘Verandering Energievraagscenario’).

94 29 december 2009


7.3

Invloed Systeemparameters bij verschillende Huishoudens In deze paragraaf gaat het om het bepalen van de invloed van variatie van systeemparameters op de prestaties van het opslagsysteem bij de verschillende energievraagscenario’s. Er zijn een aantal eigenschappen aan het zonne-energieopslagsysteem toegekend in paragraaf 7.1 die een realistisch opslagsysteem moeten representeren. Toch is het altijd mogelijk dat opslagsystemen verschillend zijn afgesteld of er net iets anders uitzien, waardoor deze eigenschappen of parameters variëren. Daarom wordt in deze paragraaf de invloed bekeken van het veranderen van deze systeemparameters of –eigenschappen. Als eenmaal bekend is wat de gevolgen zijn van een bepaalde alternatie, dan kan dit later ook gebruikt worden voor het adviseren bij specifieke situaties waar een verandering van een eigenschap van het opslagsysteem bij een scenario kan leiden tot de gewenste prestaties. Het uitgangspunt is weer het referentieopslagsysteem dat al in paragraaf 7.1 aan de orde kwam. Het zonne-energieopslagsysteem lijkt op de zonneboilercombi van SenterNovem [6]. Het heeft een collectoroppervlak van 6 m2 en het buffervat kan maximaal 50 MJ opslaan (ongeveer 200 liter water). Het referentie opslagsysteem heeft ook weer dezelfde uitgangswaarden als het referentieopslagsysteem. Omdat deze uitgangswaarden erg belangrijk zijn voor deze paragraaf zijn ze hieronder in tabel 26 nog eens weergegeven. Tabel 26: Uitgangswaarden voor het Referentieopslagsysteem



Eenheid ° °C °C °C Wh/kg·°C kg/m2·u Jaar % % % 3 Euro/m (euro/GJ) %

Met deze referentie kan vervolgens duidelijk in beeld gebracht worden wat de invloed is van het veranderen van een systeemparameter voor elk van de scenario’s. Doordat de gevolgen van alle scenario’s in een figuur worden gezet, kan ook bekeken worden hoe afhankelijk deze invloed is van bijvoorbeeld de energievraag. Welke systeemparameters of eigenschappen zijn veranderd is duidelijk aangegeven in elke paragraaf. De resultaten voor het referentieopslagsysteem zijn in de opvolgende paragrafen telkens met zwart aangegeven in de figuren.

95 29 december 2009


Invloed Variatie Oriëntatie en Stand Collector De eerste parameter of liever de eerste twee parameters die in deze paragraaf gevarieerd worden zijn de oriëntatie en de stand van de collector ten opzichte van het horizontale vlak. Hierbij worden de overige parameters uit tabel 26 constant worden gehouden. Omdat uit eerste tests en uit ervaring blijkt dat oriëntaties op het noorden of volledig op het westen of oosten veel minder opleveren is hier gekozen voor oriëntaties op het zuiden (referentie), zuidwesten en zuidoosten. Bij deze oriëntaties is ook gekozen voor een stand van de collector ten opzichte van het horizontale vlak. De verschillende standen zijn 90° (verticaal), 45° en 0° (horizontaal). Met deze parameters zijn de combinaties gemaakt voor de collector zoals die te zien zijn in tabel 27. Tabel 27: Uitgangswaarden voor Collectorstand

Gevarieerde Parameter 1. 2. 3. 4. 5.

Oriëntatie/Stand Oriëntatie/Stand Oriëntatie/Stand Oriëntatie/Stand Oriëntatie/Stand

Waarde

Collector (Referentie) Collector Collector Collector Collector

Zuid/45° Zuid/90° Zuidwest/45° Zuidoost/45° Horizontaal

Met deze parameters voor de collectorstand en oriëntatie zijn voor elk van de scenario’s opnieuw de resultaten berekend bij het zonne-energieopslagsysteem met een collector van 6m2 en een buffer van 50 MJ. In de onderstaande figuur 44 is voor elk van de opties uit tabel 27 een plot te zien voor de zes scenario’s, waarbij de totale afgegeven energie van het opslagsysteem is uitgezet tegen de totale energievraag. Het referentiemodel is weergegeven met de zwarte lijn. Voor de andere scenario’s wordt verwezen naar de legenda in de figuur. 5.500 s5

5.000 Totaal afgegeven Energie (MJ)

7.3.1

s4

s2

4.500

s3

s1

s6

4.000

Ref Z45 Z90

3.500

ZW45 ZO45

3.000

Hor

2.500 2.000 20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 44: De Totaal Afgegeven Energie uitgezet tegen de Totale Energievraag

96 29 december 2009


Duidelijk is meteen dat de opstelling van de collector uit het referentieopslagsysteem de meeste energie levert onder gelijke omstandigheden. De rare knik in de lijn wordt veroorzaakt door het toepassen van andere klimaatdata bij scenario 2. Dit kan later eventueel nog bevestigd worden door alle scenario’s te onderwerpen aan deze klimaatdata uit 1995. De scenario’s zullen waarschijnlijk weer een lineair verband leveren tussen de totale afgegeven energie (L) en de energievraag (Je). In deze paragraaf zal geen aandacht meer worden besteed aan de invloed van deze klimaatdata. Het is interessanter om de invloed van het veranderen van de collectorstand en –oriëntatie op de prestaties bij de verschillende huishoudens te bekijken. Elke stand geeft bij benadering min of meer hetzelfde lineaire verband tussen de totale energievraag (Je) en de totale afgegeven energie door het buffersysteem (L). Door de wijziging van de collectorstand of oriëntatie verandert er weinig aan dit verband. Geconcludeerd kan worden dat afwijken van de min of meer ideale stand ten opzichte van de horizontaal (45°) met 45°, grotere gevolgen heeft dan het veranderen van de oriëntatie van zuid naar zuidwest of zuidoost. Een collector die op een horizontaal vlak is geplaatst levert minder op dan een collector die verticaal op het zuiden is geplaatst. Wanneer gekeken wordt naar de resultaten voor afgeleverde energie, waarbij afgegeven energie voor tapwater en energie voor ruimteverwarming zijn uitgesplitst, dan kunnen interessante bevindingen gedaan worden. In figuur 45 is de hoeveelheid energie die het systeem afgeeft voor verwarming van tapwater en de hoeveelheid energie die het systeem afgeeft voor ruimteverwarming te zien.

Figuur 45: Afgegeven Energie voor Tapwater en Afgegeven Energie voor Ruimteverwarming uitgezet tegen de Energievraag

Voor alle scenario’s geldt bij alle collectorstanden dat er aanzienlijk meer warmte geleverd wordt voor het verwarmen van tapwater. Door de steeds betere isolatiewaarden van woningen was te verwachten dat energielevering voor tapwater dominant zou zijn. Ook kan, door naar de definitie van de verschillende scenario’s te kijken, ingezien worden dat de ligging van de verschillende punten ten opzichte van elkaar logisch is. Wordt scenario 3 vergeleken met scenario 1, dan is te zien dat scenario 3 overal een iets hogere energielevering heeft voor tapwater en een lagere energielevering voor ruimteverwarming. Dit komt omdat scenario 3 minder energievraag voor ruimteverwarming heeft door minder aanwezigheid van personen en minder ventilatie (zie scenariobeschrijving in paragraaf 5.2.1). Dit betekent dat er meer ruimte is voor levering van 97 29 december 2009


energie voor tapwater. Een dergelijke vergelijking met referentiescenario kan voor alle andere scenario’s gedaan worden. Hier concentreren we ons echter op de invloed van de collectorstand op de prestaties van het systeem bij verschillende huishoudens. Ondanks dat het duidelijk is dat een stand van de collector van 45° met een oriëntatie op het zuiden het meeste oplevert (zie figuur 44) is het interessant om de invloed van het veranderen van de stand en oriëntatie iets verder uit te diepen. In figuur 46 is het percentage van de afgegeven energie te zien dat wordt geleverd voor tapwater en het percentage dat wordt geleverd voor ruimteverwarming. Beide zijn weer uitgezet tegen de totale energievraag van een scenario.

Figuur 46: Percentages van de Afgegeven Energie die bestemd zijn voor Verwarming Tapwater en Ruimteverwarming

Duidelijk te zien is dat het veranderen van de collectorstand en oriëntatie invloed heeft op het aandeel energie geleverd voor tapwater en het aandeel voor ruimteverwarming. Zo levert een verticale stand (rood) relatief meer energie voor ruimteverwarming op en een horizontale stand (geel) levert relatief meer op voor tapwater. Het veranderen van de oriëntatie lijkt niet heel veel te doen in relatief opzicht voor de levering van tapwater en ruimteverwarming. Hierbij moet niet vergeten worden dat een stand van 45° met een oriëntatie op het zuiden nog altijd het meeste oplevert. De conclusie dat een scenario met meer vraag voor ruimteverwarming dus beter een grotere hoek voor de collector kan hebben is een onwaarheid. Wel kan gezegd worden dat wanneer bijvoorbeeld bouwkundige beperkingen het alleen mogelijk maken om een verticale collector te plaatsen, dit vooral nadelig is voor de energievoorziening voor tapwater en niet voor ruimteverwarming. (Vergelijk hiervoor ook de zwarte en rode lijn uit figuur 45.) Andersom geldt dit voor een horizontale collector (denk bijvoorbeeld aan een plat dak). Het veranderen van de collectorstand en oriëntatie verandert weinig tot niets als de scenario’s onderling worden vergeleken. Dit is eigenlijk waarom het onderzoek naar de invloed van de oriëntatie en stand is gedaan. Het verloop van de lijnen is overal hetzelfde, wat betekent dat door het veranderen van de stand en oriëntatie er weinig verandert als de scenario’s onderling worden vergeleken. Het is niet mogelijk om, door het veranderen van de stand of oriëntatie, een voordeel te creëren voor een bepaald scenario ten opzichte van andere scenario’s. Bijvoorbeeld als een huishouden meer energievraag voor tapwater nodig heeft (hier scenario 4 t.o.v. scenario 1) dan maakt het veranderen van de stand en oriëntatie van de collector nog altijd weinig uit voor de relatieve winst ten opzichte van andere scenario’s (patroon van de lijnen is hetzelfde). Dit 98 29 december 2009


voorgaande feit is ook terug te zien als gekeken wordt naar de dekkingsgraad van de scenario’s in figuur 47. Door het veranderen van de collectorstand en oriëntatie veranderen de dekkingsgraden bij elk scenario evenredig (scenario 2 wordt buiten beschouwing gelaten door andere klimaatdata). Het enige kleine relatieve verschil lijkt op te treden bij scenario 3 met een collector gericht op het zuiden en een stand van 90°. Het kan zijn dat dit scenario hier extra slecht presteert doordat Zuid/90° relatief meer energie levert voor ruimteverwarming. Scenario 3 heeft juist een lage vraag voor ruimteverwarming en zou hierdoor in totaal relatief minder zonneenergie geleverd kunnen krijgen. Toch zou dit dan andersom te zien moeten zijn bij scenario 4 en horizontale collector. Dit is niet duidelijk waar te nemen en daarom wordt aangenomen dat de afwijking van scenario 3 bij Zuid/90° niet hierdoor wordt veroorzaakt. 0,2

Dekkingsgraagd Eafg/Evrg (‐)

s6 0,15

s2 s3 s1 s4

s5 Ref Z45

0,1

Z90 ZW45 ZO45

0,05

Hor

0 20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 47: Dekkingsgraad van de verschillende Scenario's bij gegeven Collectorstand en Oriëntatie

Conclusie is dat het veranderen van de stand en oriëntatie van de collector veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens).

99 29 december 2009


Invloed Toegepast Verwarmingssysteem In deze paragraaf wordt gevarieerd met de minimale en maximale temperatuur die het verwarmingssysteem vraagt. Hierbij worden de overige parameters uit tabel 26 constant worden gehouden. Daar waar de minimale en maximale temperatuur voor verwarming gelijk gesteld worden, betekend dit dat het verwarmingssysteem geen variabele temperatuurlevering van energie heeft maar constant dezelfde temperatuur vraagt onafhankelijk van de buitentemperatuur, als er een energievraag is voor ruimteverwarming. De verschillende minimale en maximale temperaturen die het verwarmingssysteem vraagt zijn te zien in tabel 28. Tabel 28: Uitgangswaarden voor Minimale en Maximale Verwarmingstemperatuur

Gevarieerde Parameter 1. Maximale / Minimale Temperatuur 2. Maximale / Minimale Temperatuur 3. Maximale / Minimale Temperatuur 4. Maximale / Minimale Temperatuur 5. Maximale / Minimale Temperatuur

voor voor voor voor voor

Verwarmingssysteem (Referentie) Verwarmingssysteem Verwarmingssysteem Verwarmingssysteem Verwarmingssysteem

Waarde 55°C/35°C 90°C/90°C 90°C/35°C 55°C/55°C 45°C/35°C

Hierbij kunnen de varianten met temperaturen 90°C/90°C, 90°C/35°C en 55°C/55°C gezien worden als hoge temperatuur verwarming (HTV) en de varianten met temperaturen 55°C/35°C en 45°C/35°C kunnen worden gezien als lage temperatuurverwarming (LTV). In figuur 48 is weer de totale afgegeven energie van het opslagsysteem te zien uitgezet tegen de totale energievraag van de tussenwoning. 5.500 s5

5.000 Totale Afgegeven Energie (MJ)

7.3.2

s4

s2

4.500

s1 s3 Ref 55/35

s6

4.000

90/90 90/35

3.500

55/55 3.000

45/35

2.500 2.000 20.000

30.000 40.000 Totale Energievraag (MJ)

50.000

Figuur 48: De Totaal Afgegeven Energie uitgezet tegen de Totale Energievraag

Duidelijk is meteen dat lage temperatuurverwarming een stuk geschikter is voor de aansluiting op een zonneboiler of zonnewarmte opslagsysteem dan de hoge temperatuurverwarming. Ook viel te verwachten dat het systeem met hoge temperatuurverwarming 90°C/90°C het slechtste resultaat 100 29 december 2009


zou leveren en het verwarmingssysteem met 45°C/35°C het beste resultaat zou leveren. Belangrijk is weer dat de verandering van het verwarmingssysteem weinig veranderd aan de relatieve situatie voor de verschillende huishoudens. De patronen van de verschillende verwarmingssystemen verschillen weer weinig van elkaar. Wel kan bij scenario 3 dit keer een duidelijke afwijking gezien worden. Het toepassen van een hoger temperatuurssysteem (90°C/90°C) heeft hier minder negatieve invloed op de prestaties dan bij de andere scenario’s. Dit komt waarschijnlijk door het verminderde verbruik voor ruimteverwarming bij dit huishouden. Toch lijkt het alsof het soort verwarmingssysteem bij alle scenario’s bij benadering vrijwel eenzelfde voordelig of nadelig effect heeft. Dit is ook nog eens goed te zien door de dekkingsgraad te beschouwen in figuur 49. 0,25


0,2 s6

s2 s3

0,15

s1

Ref 55/35 s4

90/90

s5

90/35 0,1

55/55 45/35

0,05

0 20.000


50.000

Figuur 49: Dekkingsgraad van de verschillende Scenario's bij gegeven Verwarmingssysteem

Wanneer de scenario’s onderling vergeleken worden bij verandering van het verwarmingssysteem dan is te zien dat de dekkingsgraad bijna overal evenredig veranderd (zelfde patroon lijnen). Alleen scenario 3 lijkt iets minder te lijden onder de toepassing van een zeer hoog temperatuurverwarmingssysteem (90°C/90°C). Conclusie is hier dus weer dat het veranderen van het verwarmingssysteem veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens). Als laatste kan hier wel nog even gekeken worden naar de invloed van het verwarmingssysteem op de verdeling van de geleverde energie. In figuur 50 is de energieafgifte van het opslagsysteem te zien voor tapwater (links) en voor ruimteverwarming (rechts).

101 29 december 2009



Duidelijk is te zien dat het toepassen van een bepaald type verwarmingssysteem veel invloed heeft op de afgegeven energie voor ruimteverwarming. Echter, de indirecte invloed voor de levering van energie voor tapwater is relatief veel kleiner. Als een verwarmingssysteem gekozen wordt met een temperatuurvraag van 90°C/90°C, dan is duidelijk te zien dat de zonne-energie niet bruikbaar is, aangezien de maximale buffertemperatuur in dit geval 80°C is. In de linker figuur is in dit geval te zien dat er in dit geval meer ‘ruimte’ is voor het voldoen aan energievraag voor tapwater (rode lijn). De winst is echter veel kleiner dan het verlies aan energielevering ten behoeve van ruimteverwarming.



Invloed Toepassing Warmtepomp Hier wordt gevarieerd met de temperatuurmarges waarbij een warmtepomp wordt ingeschakeld om energie uit de buffer op een hoger temperatuurniveau te brengen. Hierbij is marge X (°C) het temperatuurverschil tussen de energie in de buffer en de energievraag, dat maximaal gecompenseerd wordt door de warmtepomp. Bij variatie van deze marge worden de parameters uit tabel 26 weer constant gehouden. De verschillende temperatuursmarges die voor X zijn aangenomen, staan in tabel 29. Met een warmtepomp is een lagere temperatuur in de buffer te creëren dan de omgevingstemperatuur. In dit model is echter de randvoorwaarde gesteld dat de warmtepomp energie kan onttrekken, totdat de temperatuur van de buffer de omgevingstemperatuur heeft bereikt. Het opslagsysteem ziet er dus anders uit dan het referentieopslagsysteem. De resterende energie wordt ook door de warmtepomp geleverd. Bij levering van resterende energie gebruikt de warmtepomp niet de buffer maar een andere bron. Tabel 29: Uitgangswaarden voor Temperatuursmarge X

Gevarieerde Parameter

Waarde

1. 2. 3. 4. 5. 6.

X=0°C X=60°C X=40°C X=30°C X=20°C X=10°C

Marge Marge Marge Marge Marge Marge

X (Referentie) X X X X X

Om zeker te weten dat alle gebufferde energie gebruikt kan worden, is met het model iteratief bepaald vanaf welke marge X de dekkingsgraad en de totale afgegeven energie niet meer toenemen. Dit is ongeveer vanaf een marge X=45°C onder de vooraf gekozen omstandigheden voor het opslagsysteem. Dit is vrij logisch omdat de maximale gevraagde temperatuur in het referentiescenario 65°C is voor verwarming van tapwater. In de bovenstaande tabel 29 is daarom eerst gekozen voor een optie waarbij vrijwel alle zonne-energie gebruikt kan worden met behulp van temperatuurverhoging (X=60°C). Vervolgens is de temperatuursmarge waarmee een warmtepomp de bufferenergie extra kan opschroeven in stappen verlaagd. In figuur 51 is de afgegeven energie uitgezet tegen de totale energievraag. 10.000 Totale Afgegeven Energie (MJ)

7.3.3

9.000 8.000 7.000 6.000 s2

5.000

s6

s3 s1

Ref X=0 X=60

s5

s4

4.000 3.000

X=40

2.000 1.000 0 20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 51: De Totaal Afgegeven Energie uitgezet tegen de Totale Energievraag 103 29 december 2009


Een opslagsysteem met een warmtepomp voor de levering van restenergie en het verhogen van de buffertemperatuur levert aanzienlijk betere prestaties. Er kan meer zonne-energie gebruikt worden, bij elke verhoging van de temperatuursmarge die de warmtepomp kan overbruggen. De hoeveelheid bijkomende zonne-energie bij elke verhoging van de temperatuursmarge neemt wel sterk af. Zo is te zien dat het verschil tussen een marge X=10°C en X=20°C groot is, terwijl het verschil tussen een marge X=40°C en X=60°C miniem is. Het toepassen van een warmtepomp heeft natuurlijk ook invloed op een aantal andere prestaties. Zo zal er elektrische energie gebruikt moeten worden voor het gebruik van de warmtepomp in plaats van gas bij het conventionele referentieopslagsysteem. Elektrische energie heeft een positiever rendement maar is voor een huishouden veel duurder dan gas. Daarom zal de besparing ook relatief groot moeten zijn. Verder zijn de investeringskosten van een systeem met warmtepomp natuurlijk veel hoger. In figuur 52 is de dekkingsgraad uitgezet tegen de totale energievraag. Het toepassen van een warmtepomp heeft veel invloed op de prestaties van het opslagsysteem. Wanneer de scenario’s echter onderling vergeleken worden bij verandering van het warmtepompsysteem, dan verandert de dekkingsgraad bijna overal evenredig (zelfde patroon lijnen).


0,35 0,3 0,25 Ref X=0 0,2 s6 0,15

X=60

s2 s3 s1

X=40 s4

X=30

s5

X=20

0,1

X=10

0,05 20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 52: Dekkingsgraad van de verschillende Scenario's bij gegeven Warmtepompsysteem

Conclusie is hier net als bij de voorgaande systeemparameters dat het toepassen en veranderen van het warmtepompsysteem veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig invloed op de relatieve verandering van prestaties bij verschillende scenario’s (huishoudens). Bij scenario’s 3 en 4 lijkt het toepassen van een warmtepomp met een hoge marge voor X iets voordeliger uit te pakken ten opzichte van de andere scenario’s. Dit zijn de scenario’s die een relatief hoge energievraag voor verwarming van tapwater hebben. Het is hier interessant om dit nader te onderzoeken door te kijken naar de invloed van het warmtepompsysteem op de verdeling van de geleverde energie. In figuur 53 is de energieafgifte van het opslagsysteem te zien voor tapwater (links) en voor ruimteverwarming (rechts).




In de linker figuur is direct te zien dat het toepassen van een warmtepomp vooral een grote bijdrage levert aan energievoorziening voor verwarming van tapwater ten opzichte van de extra levering voor ruimteverwarming in de rechter figuur. Dit komt doordat de temperatuurvraag voor tapwater hoog is en daarnaast ook nog eens constant is (65°C). In de linker figuur is te zien dat vooral scenario’s 2, 3 en 4 (eigenlijk wordt scenario 2 buiten beschouwing gelaten) relatief meer baat hebben bij de toepassing van een warmtepompsysteem. Dit zijn de scenario’s met een relatief grotere vraag voor verwarming van tapwater. Als in de rechterfiguur gekeken wordt, dan is te zien dat alle scenario’s bij een hoge marge van X (>40°C) een lagere zonne-energielevering krijgen ten behoeve van ruimteverwarming. De warmtepomp zorgt ervoor dat er meer energie geleverd kan worden voor verwarming van tapwater, waardoor op minder momenten energie met een lagere temperatuur beschikbaar is voor ruimteverwarming. De levering van energie voor ruimteverwarming lijkt bij de vergelijking van de scenario’s onderling niet veel te veranderen, wanneer het warmtepompsysteem verandert. Geconcludeerd kan worden dat het toepassen van een opslagsysteem met warmtepomp enigszins een voordeel oplevert in huishoudens met een relatief grote vraag voor verwarming van tapwater ten opzichte van andere huishoudens. Of beter gezegd, hoe groter de vraag naar energie voor verwarming van tapwater, hoe aantrekkelijker een warmtepompsysteem wordt. Toch heeft dit onderdeel nader onderzoek nodig aangezien de COP van de warmtepomp sterk afhankelijk is van de gekozen temperatuursmarge. Dit feit is hier verwaarloosd, maar zal voor een nauwkeurige benadering in kaart gebracht moeten worden.



7.3.4

Conclusie In de voorgaande vier paragrafen is het gevolg van de veranderingen van systeemparameters voor de prestaties van het systeem bekeken. Het ging er vooral om dat achterhaald kon worden of het aanpassen van de systeemparameters voordelig kon uitpakken voor specifieke scenario’s. Als bijvoorbeeld het aanpassen van een systeemparameter bij scenario’s met een hoge vraag voor tapwater positievere effecten oplevert dan bij andere scenario’s, dan kan geconcludeerd worden dat deze aanpassing gunstiger is voor huishoudens met een grote energievraag voor tapwater. In de onderstaande drie deelparagrafen is voor elk van de hiervoor behandelde systeemparameters een definitieve conclusie opgesteld.

7.3.4.1

Collectorstand en Oriëntatie De opstelling van de collector uit het referentieopslagsysteem (Zuid/45°) levert de meeste energie onder gelijke omstandigheden. Het afwijken van deze ideale stand door kantelen met 45° heeft grotere gevolgen dan het veranderen van de oriëntatie van zuid naar zuidwest of zuidoost. Daarbij levert een collector die op een horizontaal vlak is geplaatst minder op dan een collector die verticaal op het zuiden is geplaatst. Voor alle scenario’s geldt dat er bij alle collectorstanden aanzienlijk meer warmte geleverd wordt voor het verwarmen van tapwater. Het veranderen van de collectorstand en oriëntatie heeft wel invloed op het aandeel energie geleverd voor tapwater en het aandeel voor ruimteverwarming. Zo levert een verticale stand relatief meer energie voor ruimteverwarming op en een horizontale stand levert relatief meer op voor tapwater. Het veranderen van de oriëntatie lijkt echter niet heel veel te doen voor de verhoudingen tussen levering voor tapwater en ruimteverwarming. Het is niet mogelijk om, door het veranderen van de stand of oriëntatie, een voordeel te creëren voor een bepaald scenario ten opzichte van andere scenario’s. De verhouding tussen energielevering voor tapwater en voor ruimteverwarming kan veranderen. Echter de totale zonneenergielevering zal bij alle scenario’s bij benadering evenredig toe of afnemen als gevolg van een aanpassing. De belangrijkste conclusie is dus dat het veranderen van de stand en oriëntatie van de collector veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens).

7.3.4.2

Type Verwarmingssysteem Lage temperatuurverwarming is logischerwijs een stuk geschikter voor de aansluiting op een zonne-energieopslagsysteem dan de hoge temperatuurverwarmingssystemen. Duidelijk is te zien dat het toepassen van een bepaald type verwarmingssysteem veel invloed heeft op de afgegeven energie voor ruimteverwarming. Echter, de indirecte invloed voor de levering van energie voor tapwater is relatief veel kleiner. Belangrijk is dat de verandering van het verwarmingssysteem weinig veranderd aan de relatieve situatie bij de verschillende huishoudens. De patronen van de verschillende verwarmingssystemen verschillen weer weinig van elkaar. Wel kan bij scenario 3 dit keer een duidelijke afwijking gezien worden. Het toepassen van een hoger temperatuurssysteem (90°C/90°C) heeft hier minder negatieve invloed op de prestaties dan bij de andere scenario’s. Dit systeem is echter niet reëel voor het gebruik bij een zonne-energieopslagsysteem. Daarom geldt voor de conclusie dus weer dat het veranderen van het verwarmingssysteem veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter bij benadering weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens). 106 29 december 2009


7.3.4.3

Warmtepomp Het toepassen van een warmtepomp levert vooral een grote bijdrage aan extra energievoorziening voor verwarming van tapwater ten opzichte van het systeem zonder warmtepomp. De extra levering voor ruimteverwarming blijft duidelijk achter in vergelijking met bijkomende energie voor verwarming van tapwater. Vooral bij een hoge temperatuursmarge X (>40°C) is de zonneenergielevering ten behoeve van tapwater veel groter. De warmtepomp zorgt ervoor dat er meer energie geleverd kan worden voor verwarming van tapwater, waardoor op minder momenten energie met een lagere temperatuur beschikbaar is voor ruimteverwarming. Geconcludeerd kan worden dat het toepassen van een opslagsysteem met warmtepomp enigszins meer oplevert in huishoudens met een relatief grote vraag voor verwarming van tapwater ten opzichte van andere huishoudens. Of beter gezegd, hoe groter de vraag naar energie voor verwarming van tapwater, hoe aantrekkelijker een warmtepompsysteem is (de invloed is echter niet heel groot).

7.3.4.4

Slot De meeste systeemparameters (alle behalve de warmtepomp) hebben invloed op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Elk huishouden heeft bij benadering evenveel baat of nadeel bij het aanpassen van deze systeemparameters. Er is geen scenario dat wezenlijk anders reageert dan de andere scenario’s op het veranderen van deze systeemparameters. Het is dus niet mogelijk om met kennis van het energiegedrag van een huishouden de prestaties te verbeteren door deze systeemparameters te veranderen. Belangrijk is wel dat deze conclusie geldt voor het standaard opslagsysteem dat is bekeken. Aangenomen wordt nu dat deze conclusie ook geldt voor andere opslagsystemen, zolang die wat betreft grootte en eigenschappen lijken op dit opslagsysteem. Het principe wordt nog eens visueel weergegeven in bijlage 5 (‘Verandering Systeemparameters’). Alleen het toepassen van een warmtepomp lijkt meer invloed te hebben op bepaalde scenario’s. Het toepassen van een warmtepomp levert meer op in huishoudens met een relatief grote vraag voor verwarming van tapwater ten opzichte van andere huishoudens.



7.4

Financieel Optimale Situatie voor Huishoudens In deze paragraaf gaat het om het bepalen van een financieel optimaal zonneenergieopslagsysteem bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden. Het is vooral belangrijk om in te zien dat het in dit hoofdstuk niet gaat om een exacte bepaling van de financiële situatie bij een zonne-energieopslagsysteem. Er zijn te veel randvoorwaarden onderhevig aan verandering in de toekomst (zoals energieprijsstijging, rente en inflatie) waarvan het voorspellen van een eenduidige waarde ondoenlijk is. Het gaat hier puur om het verkrijgen van een inzicht in de gevolgen van het gedrag van een huishouden voor de financieel optimale situatie en om de invloed van financiële randvoorwaarden, zoals energieprijsstijging, rente en inflatie op de netto contante waarde van een opslagsysteem. In paragraaf 7.4.1 wordt uitgelegd hoe de afmetingen van een financieel optimaal systeem bepaald worden met behulp van de NCW voor het referentiescenario (paragraaf 5.1). De paragraaf die daarop volgt zal voor de andere scenario’s een samenvatting geven van de resultaten voor financieel optimale zonne-energieopslagsystemen. In paragraaf 7.4.3 worden vervolgens relaties beschreven tussen de scenario’s of ook wel het gedrag van een huishouden en de configuratie van een financieel optimaal opslagsysteem. In de laatste deelparagraaf wordt beschouwd wat voor gevolgen de verandering van financiële parameters zoals de energieprijsstijging, rente en inflatie hebben voor de configuratie van het financieel optimale systeem. Er zijn een aantal eigenschappen of systeemparameters opgesteld voor het zonneenergieopslagsysteem in paragraaf 7.1 (tabel 19), waardoor een realistisch opslagsysteem wordt verkregen. Deze systeemparameters en -eigenschappen zijn later ook gekozen als uitgangspunt in paragraaf 7.3. Hier zullen deze systeemparameters ook gebruikt worden als uitgangswaarden en de technische uitgangspunten worden tevens constant verondersteld voor dit financiële deelonderzoek. De uitgangswaarden zijn nog eens te zien in tabel 30. Tabel 30: Uitgangswaarden voor het Opslagsysteem




Eenheid ° °C °C °C Wh/kg·°C kg/m2·u Jaar % % % Euro/m3 (euro/GJ) %


7.4.1

Financieel Optimum Referentiescenario Door de grootte van collector en buffer te vergroten wordt er steeds meer zonne-energie duurzaam gewonnen. Dit is duidelijk te zien als terug gekeken wordt naar de figuren voor de dekkingsgraad als functie van de collectoren buffergrootte in paragraaf 7.2.1. Het gebruik van zonne-energie levert dus een jaarlijkse besparing ten opzichte van het gebruik van een conventioneel energiesysteem. Gedurende de levensduur van het zonne-energieopslagsysteem zullen de investeringskosten terugverdiend moeten worden met deze jaarlijkse besparing. De investeringskosten en onderhoudskosten van het opslagsysteem zijn afhankelijk van de systeemgrootte. Een groter zonne-energieopslagsysteem levert dus een grotere besparing aan energiekosten per jaar, maar de investeringskosten en onderhoudskosten die terugverdiend moeten worden zijn hoger. Er is dus een grootte van het opslagsysteem bij de gekozen uitgangswaarden waarbij de investeringskosten en het onderhoud minus de besparing maximaal is. Dit is de beknopte uitleg van een financieel optimum voor het zonne-energieopslagsysteem. Voor het referentiescenario uit paragraaf 5.1 wordt nu een beschrijving gegeven van het berekenen van een financieel optimaal opslagsysteem. Het financiële optimum voor het opslagsysteem ligt bij die bufferen collectorgrootte waar de netto contante waarde een maximum bereikt. De NCW is hierbij berekend zoals opgesteld in paragraaf 4.4.3. In de onderstaande figuur 54 is het verloop van de netto contante waarde van het opslagsysteem als functie van de buffer en collectorgrootte te zien voor referentiescenario 1. Op de x- en y-as zijn de grootte van de buffer in joule en de collectorgrootte in m2 te zien.

Figuur 54: Het verloop van de NCW t.o.v. Buffergrootte en Collectorgrootte



De exacte waarde van het optimum is bepaald door middel van iteratie. Voor opgegeven combinaties van de buffergrootte en collectorgrootte wordt door het model een totale berekening gemaakt voor de technische prestaties. Met behulp van de gevonden prestaties kan nu ook een NCW berekening gemaakt worden (voor uitleg, zie paragraaf 4.4.3). De eerste en tweede iteratie zijn te zien in figuur 55 en figuur 56. Doordat de berekening van het optimale systeem afhankelijk is van een groot aantal aannames lijkt verdere iteratie niet heel significant. Er wordt dan waarschijnlijk gedetailleerd gerekend in de marge.

Figuur 55: Eerste Iteratiestap voor de Berekening van een Optimaal Financieel Opslagsysteem met de NCW

Met groen gemarkeerd is het optimum te zien na de iteratie. In figuur 55 is een optimum te zien voor de eerste iteratie, dat ligt bij een NCW van -1875 euro in het referentiejaar voor een collectorgrootte van 8 m2 en een buffergrootte van 1,20·108 J (120 MJ). Hierbij is een stapgrootte van 2 m2 voor de collector gebruikt en een stapgrootte van 1·107 J (10 MJ) voor de buffer. In figuur 56 is de tweede iteratie te zien.

Figuur 56: Tweede Iteratiestap voor de Berekening van een Optimaal Financieel Opslagsysteem met de NCW

Hier is een optimum te zien voor de tweede iteratie, dat ligt bij een NCW van -1849 euro in het referentiejaar voor een collectorgrootte van 7 m2 en een buffergrootte van 1,21·108 J (121 MJ). Dit is het financieel optimale systeem dat wordt aangehouden voor scenario 1 bij verdere uitwerking. De configuratie van optimale opslagsystemen voor de andere scenario’s wordt op dezelfde manier uitgevoerd en de uitleg zoals die voor scenario 1 geschiedde blijft voor de andere 110 29 december 2009


scenario’s achter wegen. De resultaten voor de overige scenario’s zijn te zien in de volgende paragraaf 7.4.3. Het verloop van de netto contante waarde over de levensduur van het optimale opslagsysteem van scenario 1 is te zien in figuur 57. Wat hier meteen opvalt en wat ook al duidelijk was na de iteratie is dat het gekozen opslagsysteem zichzelf niet terugverdient gedurende de levensduur onder de opgegeven omstandigheden. In dat geval zou de netto contante waarde positief zijn. Het advies zou hier dus moeten zijn om het zonne-energieopslagsysteem niet toe te passen, als puur gekeken wordt naar de financiële aspecten.

Figuur 57: De Hoogte van de Netto Contante Waarde aan het Eind van elk Jaar

Eigenlijk zou het model dan ook als optimale situatie ‘geen opslagsysteem’ moeten geven als resultaat (opslagsysteem met buffergrootte en collectorgrootte gelijk aan 0). Hiervoor is echter niet gekozen, omdat op die manier niet gekeken kan worden naar de relatieve invloed van het veranderen van de omstandigheden die belangrijk zijn voor de financiële situatie van een zonneenergieopslagsysteem. In paragraaf 7.4.4 zal gekeken worden naar de invloed van verandering van deze omstandigheden. 7.4.2

Samenvatting Financiële Optimum Overige Scenario’s Het financieel optimale zonne-energieopslagsysteem is voor elk van de overige vijf scenario’s bepaald op dezelfde manier als hiervoor is gedaan voor referentiescenario 1. Deze bepaling levert de resultaten voor alle scenario’s zoals die te zien zijn in tabel 31. Tabel 31: Financieel Optimum bij elk Energievraagscenario


Evrg;tot;cum (MJ)

Acollector (m2)

Ebuffergrootte (MJ)

Lafgegeven (MJ)

Qinvestering (euro)

PNCW (euro)

32.163 27.786 30.134 36.826 42.988 23.511

7,0 7,5 6,5 9,0 9,5 5,0

121 119 121 159 176 85

6581 6996 6192 8718 9509 4320

5573 5720 6129 7801 7976 5866

-1849 -1683 -1910 -1374 -1264 -2378

De grootte van het financieel optimale systeem is duidelijk afhankelijk van de energiebehoefte van het scenario of huishouden. Bij een lage energiebehoefte zoals dat van scenario 6 hoort een klein systeem (5,0m2 en 85 MJ). Bij een hoge energiebehoefte zoals dat van scenario 5 hoort een groot 111 29 december 2009


systeem (9,5m2 en 176 MJ). De verschillen voor het financieel optimaal toe te passen opslagsysteem voor hetzelfde woningtype zijn enorm. Het is daarom interessant om de relaties tussen financieel optimum en het gedrag van een huishouden (het scenario) op te stellen. Dit gebeurt in paragraaf 7.4.3. Hier dient wel nog eens opgemerkt te worden dat de netto contante waarde berekening geen absolute waarheid is, maar een ‘tool’ om de invloed van financiële omstandigheden op de keuze voor een opslagsysteem in kaart te brengen. Het kan dus goed zijn dat in werkelijkheid de optimale configuraties van het systeem andere afmetingen kennen. Het gaat hier echter om het aantonen van de verschillen in optimale configuratie. De mogelijk andere omstandigheden die kunnen leiden tot andere optimale configuraties komen aan de orde in paragraaf 7.4.4. Relatie Financieel Optimum en Gedrag Huishouden Het primaire doel van deze paragraaf is het aantonen van het feit dat de configuratie van een financieel optimaal opslagsysteem kan variëren afhankelijk van het gedrag van een huishouden. Voor het bepalen van een verband tussen de optimale zonne-energieopslagsystemen en het gedrag van een huishouden is het nuttig om verschillende resultaten met elkaar in verband te brengen. Zo kan door het uitzetten van de optimale financiële bufferen collectorgrootte tegen de energievraag ingezien worden of er een verband is tussen de optimale configuratie van een opslagsysteem en de grootte van de energievraag van een huishouden. In figuur 58 is deze relatie te zien voor de collectorgrootte en in figuur 59 voor de buffergrootte.

Collectorgroottes bij Financieel Optimale Systemen 11 s5

10

s4

9 s2

8 Collectorgrootte (MJ)

7.4.3

s1

s3

7 6

s6

5 4 3 2 1 0 20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 58: Collectorgroottes van Financieel Optimale Systemen bij elk Scenario

De eerste en belangrijkste constatering is dat de afmetingen van de financiële optimale opslagsystemen bij de diverse scenario’s behoorlijk van elkaar verschillen. In figuur 58 is te zien dat scenario 5 met de grootste energievraag in financieel opzicht een oppervlak wenst van 112 29 december 2009


ongeveer 9,5 m2. Het gewenste collectoroppervlak van scenario 6, dat een erg lage energievraag heeft, ligt rond de 5 m2. Het besparen op energie voor ruimteverwarming (scenario 3 ten opzichte van scenario 1) levert een kleiner oppervlak, maar de invloed van besparing op ruimteverwarming is klein. Op basis van een vergelijking van scenario 1 en 4 lijkt vooral de invloed van tapwater groot op het financieel optimale systeem. Dit is nog moeilijk te zien aan de hand van de bovenstaande figuur.

Buffergroottes bij Financieel Optimale Systemen 200 s5

180

s4

Buffergrootte (MJ)

160 140

s2

s3

s1

120 100

s6

80 60 40 20 0 20.000


50.000

Figuur 59: Buffergroottes van Financieel Optimale Systemen bij elk Scenario

Ook hier is weer te zien hoezeer de configuratie van een optimaal financieel systeem afhankelijk is van de energiebehoefte van een huishouden. In figuur 59 is te zien dat scenario 5 met de grootste energievraag in financieel opzicht een buffergrootte wenst van ongeveer 176 MJ. De gewenste bufferinhoud van scenario 6, dat een lage energievraag heeft, ligt rond de 85 MJ. Deze verschillen (>100%) zijn aanzienlijk, gezien het feit dat het hier gaat om verschillende huishoudens die allemaal in dezelfde woning leven. In beide figuren is duidelijk een relatie terug te zien tussen de energievraag en de grootte van het financieel optimale zonne-energieopslagsysteem. De oorzaak hiervoor is complexer dan in eerste instantie misschien gedacht wordt. Het gaat er wel simpelweg om een zo hoog mogelijke energiebesparing te verkrijgen bij een zo laag mogelijke investering. Echter, de energiebesparing die gehaald wordt is afhankelijk van de rendementen voor de conventionele energielevering van tapwater (70%) en ruimteverwarming (95%). Bij het zoeken naar een optimaal opslagsysteem wordt dus gezocht naar die situatie in het model waarbij de gunstigste verhouding in energiebesparing voor tapwater en ruimteverwarming wordt verkregen. Dit hoeft niet een systeem te zijn dat de grootste absolute energie levert. De relatie voor de energievraag versus de



afmetingen van het buffersysteem is dus niet zo rechtlijnig als in eerste instantie verwacht kan worden. De uiteindelijke relatie is natuurlijk wel: hoe groter de totale energievraag van een systeem, hoe groter het financieel optimale opslagsysteem. In de bovenstaande figuren moet weer rekening gehouden worden met het feit dat in scenario 2 andere klimaatdata is gebruikt. Dit verstoort waarschijnlijk enigszins het beeld van het min of meer lineair verband dat er waar te nemen is. Ook is het interessant om de netto contante waarde uit te zetten tegen de energievraag, zodat bepaald kan worden of er grote verschillen in netto contante waarde zijn en of er een mate van afhankelijkheid is tussen de NCW van het opslagsysteem en de energievraag van een huishouden. In figuur 60 is dit weergegeven.

NCW van elk Optimaal Opslagsysteem ‐1000 s5 ‐1250

s4

NCW (euro)

‐1500 s2 ‐1750

s3

s1

‐2000

‐2250

s6

‐2500 20.000


50.000

Figuur 60: De Netto Contante Waarde van het Optimale Systeem bij elk Scenario

Het toepassen van een ander klimaat bij scenario 2 lijkt ook hier de relatie enigszins te vertroebelen. Dit is duidelijk een aanpassing die later bij ‘Overige Resultaten’ in paragraaf 7.5 bekeken moet worden. De relatie tussen de energievraag en de netto contante waarde van het optimale systeem is niet helemaal duidelijk. Het lijkt erop alsof bij een grotere energievraag tevens een hogere netto contante waarde gemoeid gaat. De vraag is echter hoe het patroon zal lopen in geval er nog grotere energievragen zouden zijn. De lijn lijkt af te vlakken, wat zou duiden op een maximaal haalbare NCW onder opgegeven omstandigheden. Toch kan dit ook veroorzaakt worden door het feit dat scenario’s die een relatief hoge vraag hebben voor tapwater (in vergelijking met de vraag voor ruimteverwarming) zoals scenario 2 en 4 een hogere NCW krijgen door meer gasbesparing.



Hoe dan ook blijkt dat de besparing van energie voor verwarming van tapwater erg belangrijk is, omdat de opwekking met een conventioneel systeem een lager rendement (70%) heeft dan energielevering voor verwarming (95%). Dit is duidelijk te zien, wanneer gekeken wordt naar de verhouding in levering van energie voor verwarming van tapwater en energie voor ruimteverwarming. In figuur 61 is te zien dat voor de optimale financiële systemen bij elk scenario het percentage van de totaal geleverde energie bestemd voor tapwater veel hoger ligt dan het percentage voor ruimteverwarming.

Figuur 61: Percentage van de Afgegeven Energie voor Tapwater (links) en voor Ruimteverwarming (rechts)

De percentages van de afgegeven energie voor tapwater en voor ruimteverwarming lijken redelijk constant. Er kan nog een vlak lineair verband toegekend worden aan beide figuren, waarbij de bijdrage voor ruimteverwarming iets toeneemt naarmate de energievraag stijgt en waarbij het aandeel aan levering voor tapwater lichtelijk daalt. Of dit verband echt aanwezig is, is maar de vraag. Dit kan ook gezichtsbedrog zijn door het resultaat van scenario 5. Belangrijkste conclusie is ook hier weer dat zonne-energievoorziening voor tapwater maatgevend is bij financieel optimale opslagsystemen. Het aandeel dat geleverd wordt voor ruimteverwarming is zeker niet te verwaarlozen. Een financieel optimaal opslagsysteem levert van alle afgegeven energie ongeveer 65% af voor tapwater en 35% voor ruimteverwarming. Het gedrag van het huishouden voor wat betreft energiegebruik heeft weinig invloed op de verdeling van energie bestemd voor tapwater en energie bestemd voor ruimteverwarming. In de volgende figuren (figuur 62 en figuur 63) is de afgegeven energie en de dekkingsgraad van de financieel optimale systemen nog te zien bij elk scenario.



Totaal afgegeven Energie (MJ)

10.000

s5 s4

9.000 8.000 s2 7.000 s3

s1

6.000 5.000

s6

4.000 3.000 20.000


50.000

Figuur 62: Totaal Afgegeven Energie van de Financieel Optimale Opslagsystemen

0,3 Dekkingsgraagd Eafg/Evrg (‐)

s2

s4

0,25 0,2

s6

s3

s5

s1

0,15 0,1 0,05 0 20.000


50.000

Figuur 63: Dekkingsgraad van de Financieel Optimale Opslagsystemen

De totale afgegeven energie voor ideale financiële opslagsystemen wordt groter naarmate de energievraag van een huishouden groter wordt. Dit is logisch, aangezien eerder ook al een verloop te zien was voor de systeemafmetingen waaruit deze conclusie getrokken kan worden. De dekkingsgraad lijkt een enigszins stijgende lijn te laten zien. Dat zou betekenen dat de systeemafmetingen bij grotere energievraag dusdanig groter worden (progressief) dat er relatief meer in de energiebehoefte wordt voldaan door zonne-energie. Er zal verder onderzocht moeten worden of de omstandigheden voor het investeren in een zonne-energieopslagsysteem invloed hebben op deze relatie. De precieze invloed van de financiële omstandigheden zal verder moeten worden onderzocht in paragraaf 7.4.4.



7.4.4

Gevolgen Financiële Parameters voor Optimum In deze laatste deelparagraaf wordt beschouwd wat voor gevolgen de verandering van financiële parameters zoals de energieprijsstijging, de rente en de inflatie hebben voor de configuratie van het financieel optimale systeem. Nog eens moet gezegd worden dat het hier niet gaat om een exacte prognose van een bepaalde situatie. Door het variëren van een aantal omstandigheden wordt puur gekeken naar de invloed van een verandering van de financiële omstandigheden op de keuze van een optimaal opslagsysteem. In de volgende deelparagrafen is kort de invloed behandeld van de parameters die voor het grootste deel het financiële klimaat bepalen voor het zonne-energiesysteem: • de rentevoet; • de inflatie; • de energieprijsstijging. Anders dan bij de andere resultaten wordt hier een optimum bepaald door middel van iteratie. Voor elke verandering van een van de bovengenoemde parameters wordt opnieuw voor elk scenario een iteratie uitgevoerd zoals die aan bod kwam in paragraaf 7.4.1 om zo het optimale financiële systeem te bepalen. In de figuren die volgen zullen in zwart altijd de hiervoor behandelde optimale opslagsystemen voor elk scenario als referentie te zien zijn. Door vergelijking kan dan ingezien worden wat de verandering van een parameter teweeg heeft gebracht.

7.4.4.1

Energieprijsstijging De stijging van de energieprijs is moeilijk te voorspellen. Met behulp van de gevonden literatuur [2] was de energieprijsstijging voor gas voorlopig aangenomen op 8%. Ook met behulp van statistieken van ECN voor de prijs van gas van de afgelopen jaren lijkt na extrapolatie een stijging van rond de 10% per jaar te komen. Gedurende de levensduur zal de energieprijsstijging variëren. Hier wordt echter een constante waarde aangehouden. Natuurlijk kan het zijn dat de energieprijsstijging lager is of in enkele jaren zelfs een daling in plaats van een stijging is. Er wordt vanuit gegaan dat de energieprijs gemiddeld wel zal stijgen gedurende de levensduur van het opslagsysteem. Door de bewerkelijkheid van de optimalisatieberekening is er gekozen voor twee energieprijsstijgingen: • jaarlijks 6% en dus 2% lager dan de vooraf vastgestelde waarde; • jaarlijks 12% en dus 4% hoger dan de vooraf vastgestelde waarde. Deze percentages lijken vrij hoog, maar het gaat hier nu vooral om het inzichtelijk maken van de invloed van deze parameter en niet om het realiseren van reële prognoses. Het belangrijkste is om te zien of de energieprijsstijging invloed heeft op de keuze voor de afmetingen van het systeem en daarnaast om te zien hoe groot deze invloed is. In figuur 64 is de gewenste optimale collectorgrootte uitgezet tegen de energievraag. De zwarte lijn geeft de optimale opslagsystemen weer met de systeemparameters uit tabel 30 en een energieprijsstijging van 8%. De lijnen voor optimale opslagsystemen met dezelfde opslagparameters en een energieprijsstijging van 6% en 12% zijn aangegeven in de legenda van de figuur.



18 16

Collectorgrootte (m2)

14 12

Ref 8%

Variatie

s4

10

12%

s2

8

s3

Variatie

s5

s1

6 4

6% s6

2 0 20.000

30.000

40.000 Totale Energievraag (MJ)

50.000

Figuur 64: De Collectorgrootte van Financieel Optimale Systemen uitgezet tegen de Energievraag

Als de energieprijs stijgt, is het aantrekkelijker om te investeren in een zonne-energieopslag, omdat de jaarlijkse besparing in euro groter wordt. Dat is ook duidelijk af te leiden uit de bovenstaande figuur voor de gewenste collectorgroottes. De invloed van de energieprijsstijging is groot. Het verschil tussen de origineel gekozen waarde van 8% en de andere twee energieprijsstijgingen is misschien ook groot, maar desalniettemin is de keuze voor een ideale collectorgrootte sterk afhankelijk van de energieprijsstijging. Gelet op de geschetste trendlijnen kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door het verhogen van de energieprijsstijging leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en tevens tot een grotere variatie (4,5 m2 versus 7,5 m2) in gewenste systeemgroottes. Dit laatste is een belangrijke conclusie. In figuur 65 is het verloop van de netto contante waarde uitgezet tegen de totale energievraag bij de verschillende energieprijsstijgingen. Zodra de netto contante waarde positief wordt, stimuleert dit om bij grotere energievraag een groter opslagsysteem te nemen dat een hogere NCW kan realiseren. Dit is ook de reden voor het progressieve verloop van de gewenste collectorgrootte bij 12% energieprijsstijging ten opzichte van de andere lijnen. De netto contante waarde bij een energieprijsstijging van 6% en 8% is veel vlakker voor verschillende huishoudens. Het verloop van deze beide lijnen voor de collectorgrootte lijkt ook sterk op elkaar. Zodra de NCW positief wordt lijkt de relatie tussen collectorgrootte en energievraag te veranderen. De hellingscoëfficiënt lijkt groter.



5000 4000

NCW (euro)

3000 2000 1000

Ref 8%

0 s2

‐1000 s6

‐2000

s4 s3

12%

s5

6%

s1

‐3000 ‐4000 20.000


50.000

Figuur 65: De NCW van Financieel Optimale Systemen uitgezet tegen de Energievraag

Als laatste is het nog interessant om te bekijken of de energieprijsstijging invloed heeft op de verdeling van geleverde energie. Daarom is in figuur 66 het percentage van de afgegeven zonneenergie dat geleverd is voor tapwater en voor ruimteverwarming te zien.

Figuur 66: Percentage van de Afgegeven Energie voor Tapwater (links) en voor Ruimteverwarming (rechts)

Opvallend is dat het percentage van de totale afgegeven energie die geleverd wordt voor ruimteverwarming stijgt als de energieprijsstijging groter is. In een toekomst waarbij er grote energieprijsstijgingen verwacht kunnen worden, betekent dit dus dat combisystemen interessanter worden. Dit moet wel gerelativeerd worden, omdat deze procentuele stijging klein is. Daarnaast geldt natuurlijk dat in de toekomst veel minder vraag zal zijn naar energie voor ruimteverwarming door de vooruitgang die geboekt wordt bij de isolatie van woningen. Belangrijkste conclusie is hier eigenlijk dat de energieprijsstijging een grote invloed heeft op de keuze van een opslagsysteem als deze keuze wordt gemaakt op financiële gronden. De verandering van energieprijsstijging lijkt de variatie in systeemgrootte te kunnen beïnvloeden.



Deze invloed lijkt binnen de grenzen van redelijke energieprijsstijging echter miniem. Het feit dat verschillende huishoudens een verschillend optimaal opslagsysteem hebben, zal bij elke positieve energieprijsstijging blijven bestaan. Rentevoet en Inflatie Voor de inflatie en de rentevoet zijn hier iets minder resultaten ten toon gespreid aangezien het voor een groot deel lijkt op de uitwerking van de resultaten voor energieprijsstijging. De conclusies die zijn verbonden aan de verkregen resultaten worden natuurlijk wel gewoon genoemd. In figuur 67 is de netto contante waarde te zien van de optimale opslagsystemen van elk scenario bij verschillende waarden voor de rentevoet en inflatie. 1000 500 0 NCW (euro)

7.4.4.2

Ref 1% infl. & 4% rente 3% infl. & 4% rente 1% infl. & 2% rente 1% inflatie & 6% rente

‐500 ‐1000

s4 s2

‐1500 ‐2000

s5

s3 s1 s6

‐2500 ‐3000 20.000


50.000

Figuur 67: De NCW van Financieel Optimale Opslagsystemen uitgezet tegen de Energievraag

Een verschil tussen rentevoet en inflatie van 1% is in twee gevallen (rood en oranje gestippeld) te zien. Wanneer het verschil tussen rentevoet en inflatie hetzelfde blijft, houdt dit de verandering van de netto contante waarde in evenwicht. De waarde van investeren door stijgende inflatie wordt teniet gedaan doordat het vasthouden van geld beloond wordt door een hogere rente. Dit is een logisch gevolg, maar het wordt hier toegelicht om het verloop van de twee lijnen te verklaren. De invloed van de verandering van inflatie en rente is duidelijk te zien in de figuur. Door het verschil in rente en inflatie te vergroten is het minder aantrekkelijk om te investeren in een zonneenergieopslagsysteem. Dat is terug te zien als de lijn voor ‘1% inflatie & 6% rente’ vergeleken wordt met de referentie. Wanneer de inflatie stijgt of de rente daalt, wordt het aantrekkelijker om te investeren in een zonne-energieopslagsysteem zoals dat hier gemodelleerd is. Dit is terug te zien als de lijnen voor ‘3% inflatie & 4% rente’ en ‘1% inflatie & 2% rente’ vergeleken worden met de referentie. Ook deze gevolgtrekkingen zijn logisch en waren van te voren te bedenken. Echter interessanter is om te zien hoe groot de verschillen in netto contante waarde kunnen zijn. Zodra de verschillen tussen de rente en de inflatie kleiner worden, kan het investeren in een zonneenergieopslagsysteem met de opgegeven randvoorwaarden zelfs de moeite waard worden (scenario 4 en 5 met groot tapwaterverbruik).



De gevolgen van verandering van de inflatie of rentevoet voor de gewenste collectorafmetingen bij financiële optimalisatie zijn te zien in figuur 68. 14 12 s5

Collectorgrootte (m2)

10

Ref 1% infl. & 4% rente

Variatie

8

Variatie

6

s6

s3

s1

s4 3% infl. & 4% rente

s2

1% infl. & 2% rente

4 2 0 20.000


50.000

Figuur 68: De Collectorgroottes van Financieel Optimale Systemen bij elk Scenario

Ook hier is weer snel duidelijk dat de rente en inflatie invloed hebben op de gewenste grootte van het opslagsysteem. Afhankelijk van de energievraag zijn er verschillen voor de collectorgrootte bij dezelfde scenario’s te zien van 1 m2 (scenario 6) tot 2,5 m2 (scenario 5). Gelet op de geschetste trendlijnen kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door het verlagen van de rente of verhogen van de inflatie leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en een iets grotere variatie (4,5 m2 versus 6 m2) in gewenste systeemgroottes. Huishoudens met een grotere energiebehoefte lijken iets meer baat te hebben bij een vergroting van het opslagsysteem dan huishoudens met een kleinere energiebehoefte. Het verloop van de lijn ‘1% inflatie & 6% rente’ wordt hier niet meer bekeken door de bewerkelijkheid van de iteraties. 7.4.5

Conclusie De netto contante waarde berekening is hier gebruikt als een ‘tool’ om de invloed het energiegedrag van een huishouden op de keuze voor een financieel optimaal opslagsysteem in kaart te brengen. In paragraaf 7.4.3 is aangetoond dat de configuratie van een financieel optimaal opslagsysteem behoorlijk kan variëren afhankelijk van het gedrag van een huishouden. Scenario 5, met de grootste energievraag, wenst zo bijvoorbeeld een collectoroppervlak van 9,5 m2 voor financiële optimalisatie onder de gekozen omstandigheden. Het gewenste collectoroppervlak van scenario 6, dat een erg lage energievraag heeft, ligt rond de 5 m2. Dit is een verschil van 4,5 m2 dat in zijn geheel veroorzaakt wordt door het verschil in huishoudelijk gedrag. Voor de bufferafmetingen geldt soortgelijke constatering. Scenario 5 vereist een buffergrootte van ongeveer 176 MJ voor financiële optimalisatie. De gewenste bufferinhoud van scenario 6 ligt rond de 85 MJ. Bovenstaande resultaten zijn weliswaar verkregen door berekening van een opslagsysteem waarbij de systeemparameters (zoals collectorstand, temperatuursrange afgiftesysteem etc.) 121 29 december 2009


constant zijn gehouden. Toch is de aanname terecht, dat er wel degelijk een behoorlijk verschil is tussen financieel optimale opslagsystemen bij verschillende huishoudens ongeacht de systeemparameters. De systeemparameters beïnvloeden de absolute prestatie van het opslagsysteem maar de verschillen tussen de optimale systemen per huishouden zullen blijven bestaan. De besparing is namelijk afhankelijk van de energiebehoefte van een huishouden. Een andere belangrijke conclusie is dat zonne-energievoorziening voor tapwater maatgevend is bij het bepalen van een financieel optimaal opslagsysteem. Het aandeel dat geleverd wordt voor ruimteverwarming is zeker niet te verwaarlozen. Een financieel optimaal opslagsysteem levert van alle afgegeven energie ongeveer 65% af voor tapwater en 35% voor ruimteverwarming. Als de energieprijs stijgt, is het aantrekkelijker om te investeren in een zonne-energieopslag, omdat de jaarlijkse besparing in euro groter wordt. Het feit dat verschillende huishoudens een verschillend financieel optimaal opslagsysteem hebben, zal bij elke positieve energieprijsstijging blijven bestaan. Gelet op de geschetste trendlijnen kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door het verhogen van de energieprijsstijging leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en tevens tot een grotere variatie in gewenste systeemgroottes. Dit laatste is een belangrijke conclusie. Ook bij variatie van rente en inflatie is duidelijk dat deze parameters invloed hebben op de gewenste grootte van het opslagsysteem. Ook kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door het verlagen van de rente of verhogen van de inflatie leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en een iets grotere variatie in gewenste systeemgroottes. Huishoudens met een grotere energiebehoefte lijken iets meer baat te hebben bij een vergroting van het opslagsysteem dan huishoudens met een kleinere energiebehoefte. Bij een positiever financieel klimaat voor zonne-energieopslagsystemen lijkt de variatie in systeemgrootte bij verschillende huishoudens iets groter te worden. Het principe van het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem is nog eens visueel weergegeven in bijlage 5 (‘Verandering Financiële Parameters’).



7.5

Overige Resultaten In deze paragraaf komen resultaten aan de orde die niet van direct belang zijn voor het oplossen van de probleemstellingen, maar indirect wel bijgedragen hebben aan de doelstelling of die in ieder geval interessant genoeg zijn voor een vermelding in dit verslag. De resultaten die hier genoemd staan, zijn veelal terloops aan de orde geweest bij het onderzoeken van andere problemen of bij het testen van het model. Omdat de bijdrage van deze resultaten aan de daadwerkelijke doelstellingen vrij klein is, zijn ze hier vooral kort en bondig toegelicht. Klimaat 1995 voor alle scenario’s In de resultaten van paragraaf 7.1 tot en met 7.4 was te zien dat scenario 2 bijna overal een resultaat kende dat afweek van een waarde die in de lijn van verwachting lag. De conclusie werd al snel getrokken dat het toepassen van een ander klimaat niet zomaar een aanpassing van de omstandigheden is, zoals het veranderen van het gedrag voor energiebehoefte van een huishouden. Deze laatst genoemde aanpassingen leveren allemaal verschuivingen op die gelegen zijn op de geschetste relatielijnen. Het toepassen van een ander klimaat heeft echter zowel invloed op de totale energievoorziening (beschikbare zonne-energie) als op de totale energievraag (energievraag voor ruimteverwarming is anders door ander klimaat). Verwacht werd daarom dat het veranderen van een klimaat bij alle huishoudens een verschuiving van de gehele relatielijn zou leveren. Voor alle scenario’s is nu klimaatdata van 1995 toegepast. In figuur 69 is de totale afgegeven energie te zien voor hetzelfde referentieopslagsysteem zoals dat gebruikt was in paragraaf 7.3 met een collectorgrootte van 6 m2 en een buffer van 50 MJ. De systeemparameters zijn tevens hetzelfde en zijn te zien in tabel 26. In zwart is de oude situatie te zien waarbij alleen bij scenario 2 de klimaatdata van 1995 werd toegepast. In rood is bij alle scenario’s de klimaatdata uit 1995 gebruikt. Scenario 1 en 2 zijn na de aanpassingen eigenlijk hetzelfde. Scenario 2 verschilde alleen met scenario 1 doordat dit scenario andere klimaatdata had als uitgangspunt. 5.500 s5 Totaal afgegeven Energie (MJ)

7.5.1

s5

5.000 s4 s1&s2

4.500

s3

s4 Ref 1964 & s2 met 1995

s1 s2 s3

4.000

s6

s6

1995

3.500

3.000 10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

Totale Energievraag (MJ) Figuur 69: Totale Afgegeven Energie van het Opslagsysteem uitgezet tegen de Totale Energievraag



Met deze figuur wordt bevestigd wat er vooraf al werd verwacht. Het toepassen van een ander klimaat laat een verschuiving van de gehele relatielijn zien in plaats van een verschuiving van een scenario op de lijn zelf. Dit komt door een combinatie van twee factoren. Ten eerste is er minder energievraag voor ruimteverwarming door de gemiddeld hogere buitentemperaturen en de grotere zoninstraling in de woning (scenario’s verschuiven in de figuur naar links). Door het grotere aanbod van zonne-energie in een warmer jaar is het mogelijk om meer energie op te slaan met het opslagsysteem en is er dus ook meer energie beschikbaar voor afgifte(punten verschuiven in de figuur naar boven). De dekkingsgraad is hiermee logischerwijs voor alle scenario’s verbeterd, door een lagere energievraag maar een hogere afgifte van het systeem. De afgegeven energie heeft overigens bij een ander klimaat nog altijd eenzelfde verdeling voor de afgifte van tapwater en ruimteverwarming (respectievelijk ongeveer 65% en 35%). 7.5.2

Verandering Buffergebruik bij een Warmtepomp In paragraaf 7.3.3 werd een nieuw systeem geïntroduceerd waarbij een warmtepomp gebruikt werd als bron voor het leveren van de resterende energievraag en die tevens de temperatuur van de energie in de buffer kon opschroeven, zodat meer zonne-energie gebruikt kan worden. Het gebruik van een warmtepomp in combinatie met het zonne-energieopslagsysteem heeft een aantal consequenties. Vooral de buffer wordt op een heel andere manier gebruikt. Hoe hoger de temperatuursmarge die de warmtepomp kan overbruggen hoe actiever de buffer gebruikt wordt (steeds kortere termijn opslag). In figuur 70 is de inhoud op elk uur van het jaar te zien voor het referentieopslagsysteem (6m2 en 50 MJ) bij scenario 1.

Figuur 70: De Bufferinhoud gedurende een Jaar met een Opslagsysteem zonder Warmtepomp

Bij toepassing van een warmtepomp voor ditzelfde scenario en hetzelfde systeem die een temperatuursmarge X=40°C kan overbruggen, ziet het verloop van de bufferinhoud gedurende het jaar eruit zoals te zien is in figuur 71.



Figuur 71: De Bufferinhoud gedurende een Jaar met een Opslagsysteem met Warmtepomp

Als de voorgaande twee figuren met elkaar worden vergeleken dan kunnen een aantal zaken geconstateerd worden. De warmtepomp zorgt voor een veel actiever gebruik van de buffer (grilliger karakter). Het gemiddelde energieniveau (en daarmee ook het gemiddelde temperatuurniveau) van een buffer is bij een conventioneel systeem veel hoger dan bij het systeem met warmtepomp. De gemiddelde temperatuur en het gemiddeld energieniveau behorend bij figuur 70 zijn respectievelijk 56,2°C en 30,1 MJ. De gemiddelde temperatuur en het gemiddeld energieniveau behorend bij een systeem met warmtepomp (figuur 71) zijn respectievelijk 43,8°C en 19,8 MJ. Typerend voor het warmtepompsysteem is ook dat bij grote marges van X een mogelijkheid bestaat tot ‘leegtrekken’ van de buffer. Daardoor kan de buffer een energieniveau 0 bereiken en een temperatuur die gelijk is aan de omgevingstemperatuur. In paragraaf 7.3.3 werd al behandeld wat de warmtepomp deed voor de prestaties van het zonneenergieopslagsysteem in zijn geheel. 7.5.3

Enkel Energievraag voor Tapwater Om te zien hoe het opslagsysteem reageert als er alleen kan worden voorzien in de energievraag voor verwarming van tapwater (dus in feite een gewone zonneboiler), is voor alle scenario’s de energievraag voor ruimteverwarming verwijderd. Daarbij zijn scenario 1 en 3 in feite hetzelfde, omdat deze scenario’s dezelfde vraag voor tapwater hebben, maar een verschillende vraag voor ruimteverwarming. Ditzelfde geldt ook voor scenario 4 en 5. Scenario 2 verschilt alleen van 1 en 3 omdat hier een groter aanbod is van zonne-energie door toepassing van andere klimaatdata. Dit zal leiden tot een punt dat niet op de verwachtte lineaire lijn ligt, zoals ook in paragraaf 7.5.1 uitgelegd is. In figuur 72 is voor het referentiescenario (6m2 en 50 MJ) bekeken hoe het opslagsysteem omgaat met alleen een energievraag voor verwarmen van tapwater in tegenstelling tot het hiervoor toegepaste combisysteem. In zwart is de afgegeven energie van het originele opslagsysteem te zien en in rood is de afgegeven energie te zien wanneer alleen een energievraag voor verwarming van tapwater uit de buffer wordt gehaald.



Totaal afgegeven Energie (MJ)

5.500 s5

5.000 s4

s2

4.500

s3

s1

s6

4.000

Ref

3.500 s2 3.000

s6

Alleen Voorziening Tapwatervraag

s4&s5

s1&s3

2.500 0

10.000


40.000

50.000

Figuur 72: Totale Afgegeven Energie uitgezet tegen de Totale Energievraag (alleen vraag Tapwater)

Het gevolg van de aanpassing is duidelijk. De energievraag voor het buffersysteem wordt lager waardoor er ook minder energie afgegeven kan worden door het opslagsysteem. Mooi om te zien is dat de resultaten ‘in de lijn van de verwachting liggen’. Het verwijderen van de energievraag voor ruimteverwarming lijkt alleen te leiden tot een verschuiving van de scenario’s op de lijn die de relatie beschrijft tussen energievraag en afgegeven energie. Door de dominante rol van tapwatervraag wordt het verlies in energievoorziening voor ruimteverwarming voor een deel opgevangen door extra voorziening in verwarming voor tapwater, waardoor de scenario’s nabij de relatielijn blijven liggen. In beide gevallen zorgt scenario 2 voor de verwachtte afwijking. De invloed hiervan is in de originele situatie veel groter omdat de verandering van het klimaat hier ook invloed heeft op de energievraag voor ruimteverwarming die aan de buffer wordt onttrokken. De stijging van de hoeveelheid energie voor tapwater die wordt onttrokken in het nieuwe systeem (figuur 73) is dus hoger dan de hoeveelheid onttrokken in het oorspronkelijke geval.

Energie Afgegeven voor Tapwater (MJ)

5000 4500 4000 3500

s2

3000 s6

2500

s4&s5

Ref

s1&s3 s6

s2 s3 s1

s4

s5 Alleen Voorziening Tapwatervraag

2000 1500

Tot Energievraag met alleen Tapwatervoorziening

1000 500 0 0

10.000


40.000

50.000

Figuur 73: Totale Afgegeven Energie voor Tapwater uitgezet tegen de Totale Energievraag



In de voorgaande figuur is ook nog eens voor het systeem dat alleen belast kan worden met de vraag voor tapwater de afgegeven energie uitgezet tegen de totale energievraag van het huishouden (inclusief energievraag voor ruimteverwarming). Hierdoor wordt een vergelijking iets gemakkelijker gemaakt met het originele systeem. Enkel Energievraag voor Ruimteverwarming In de praktijk zal een zonne-energieopslagsysteem nooit rendabel zijn als het alleen gebruikt wordt voor het leveren van energie bestemd voor ruimteverwarming. Theoretisch gezien is het toch interessant om te kijken wat er gebeurd wanneer het opslagsysteem alleen voorziet in energie die bestemd is voor ruimteverwarming. Hier is voor alle scenario’s de energievraag voor tapwater verwijderd. Daarbij zijn scenario 1 en 4 in feite hetzelfde, omdat deze scenario’s dezelfde vraag voor ruimteverwarming hebben, maar een verschillende vraag voor verwarming van tapwater. In figuur 74 is voor het referentiescenario (6m2 en 50 MJ) bekeken hoe het opslagsysteem omgaat met alleen een energievraag voor ruimteverwarming in tegenstelling tot het hiervoor toegepaste combisysteem. In zwart is de afgegeven energie van het originele opslagsysteem te zien en in rood is de afgegeven energie te zien wanneer alleen een energievraag voor ruimteverwarming uit de buffer wordt gehaald. 6.000 s5

5.000 Totaal afgegeven Energie (MJ)

7.5.4

s2 s6

4.000

s4

s3 s1

Ref

3.000

s5 s2

2.000 s6

Alleen Voorziening Ruimteverwarming

s3 s1&s4

1.000 0 10.000

20.000


50.000

Figuur 74: Totale Afgegeven Energie uitgezet tegen de Totale Energievraag (alleen vraag RVW)

De energievraag voor het buffersysteem wordt lager waardoor er ook minder energie totaal afgegeven kan worden door het opslagsysteem. Het verwijderen van de energievraag voor verwarming van tapwater leidt tot een translatie van de gehele lijn die een relatie beschrijft tussen energievraag en afgegeven energie. Door de dominante rol van tapwatervraag wordt het verlies in energievoorziening voor tapwater maar voor een heel klein deel opgevangen door extra voorziening in verwarming voor ruimteverwarming. Hierdoor liggen punten voor afgegeven energie bij de scenario’s lager dan verwacht aan de hand van de originele trendlijn. In beide gevallen zorgt scenario 2 voor de verwachtte afwijking. De stijging van de hoeveelheid energie



voor ruimteverwarming die wordt onttrokken in het nieuwe systeem (figuur 75) is dus betrekkelijk laag. 5000

Energie Afgegeven voor RVW (MJ)

4500 4000 3500

Ref

3000 Alleen Voorziening Tapwatervraag

2500 2000

s5

1500

s2 s6

1000

s3

s1

Tot Energievraag met alleen RVWvoorziening

s4

500 0 10.000

20.000

30.000 Totale Energievraag (MJ)

40.000

50.000

Figuur 75: Totale Afgegeven Energie voor Tapwater uitgezet tegen de Totale Energievraag

In de voorgaande figuur is ook nog eens voor het systeem dat alleen belast kan worden met de vraag voor ruimteverwarming de afgegeven energie uitgezet tegen de totale energievraag van het huishouden (inclusief energievraag voor verwarming van tapwater). Hierdoor wordt een vergelijking iets gemakkelijker gemaakt met het originele systeem. 7.5.5

Maximale Dekking met Zonne-energie Bij het testen van het model is geprobeerd om een zo hoog mogelijke dekking te behalen met een zonne-energieopslagsysteem met extreem grote afmetingen. Natuurlijk kan het systeem nooit een grotere dekking behalen dan 100%, omdat het een systeem is dat reageert op de energiebehoefte en niets kan leveren als er ook geen vraag is. Er zijn veel mogelijke combinaties voor de bufferen collectorgroottes die een dekking van 100% leveren. Zo is één van de opties om een dekking van 100% te halen bij scenario 1 en de systeemparameters uit tabel 26 door een collectorgrootte van 1500 m2 toe te passen en een buffer van 70.000 MJ (dit komt neer op een grootte van 280m3 waterbuffer). Deze bewerking is puur theoretisch. Bij een keuze voor dergelijke afmetingen moet de oprechtheid van de resultaten uit het model in twijfel worden getrokken. Dit aangezien opslagsystemen van deze grootte niet meer gemodelleerd moeten worden met de hier toegepaste methodes en er installatietechnisch anders uit zullen zien. Ook zijn deze afmetingen van het systeem dusdanig irreëel voor toepassing bij een enkele woning in de praktijk dat het niet interessant genoeg is om hier verder aandacht aan te besteden. Om voorgaande reden wordt in deze paragraaf dan ook niet gekeken welk buffersysteem een dekking van 100% gehaald wordt. Hier wordt kort beschouwd hoe een opslagsysteem met reële afmetingen eruit ziet voor het halen van een maximale dekking. Daarbij geldt dat het gehele 128 29 december 2009


dakoppervlak (35 m2) van de tussenwoning gebruikt wordt als collectoroppervlak. Elk scenario zal waarschijnlijk een verschillende buffergrootte wensen voor het behalen van een maximale dekking. Dit wordt vooral veroorzaakt door de toenemende verliezen bij een grotere buffer versus de toenemende capaciteit voor het leveren van energie bij buffervergroting. Voor de verschillende huishoudens (scenario 1 t/m 6) is de dekking en de systeemgrootte bepaald met het de systeemparameters uit tabel 26. In de onderstaande tabel 32 is te zien welke buffergroottes er minimaal nodig zijn voor het leveren van een maximale dekking. Tabel 32: Maximale Dekking en Benodigde Buffer bij Collector over gehele Dakoppervlak (35 m2)

Buffergrootte (MJ) bij een Collector van 6m2 Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4 Scenario 5 Scenario 6

Buffergrootte (MJ)

Dekking (%)

Afgegeven Energie (MJ)

1000 (±4000 Liter water) 800 (±3200 Liter water) 950 (±3800 Liter water) 1000 (±4000 Liter water) 950 (±3800 Liter water) 1100 (±4400 Liter water)

49,2 57,0 51,5 50,2 46,4 53,0

15830 15848 15522 18473 19949 12462

Te zien is dat de kleinste buffer hoort bij scenario 2. Dit scenario profiteert van het grotere aanbod van zonne-energie bij dezelfde collectorgrootte en wordt hier buiten beschouwing gelaten. Bij de andere scenario’s is een redelijke variatie waar te nemen bij de afgegeven energie van de opslagsystemen. Dit wordt vooral veroorzaakt door de energiebehoefte van een scenario. Scenario’s met grote energiebehoefte onttrekken meer energie aan het opslagsysteem dan scenario’s met een kleine behoefte. De aangenomen collectorgrootte (35 m2) bakent de maximale hoeveelheid beschikbare zonneenergie af. Bij deze beschikbare hoeveelheid energie wordt in het model gezocht naar een buffer die optimaal functioneert onder de heersende energiebehoefte. Deze buffergroottes zijn te zien in de tabel. Waarom de buffergrootte een waarde heeft bij elk scenario zoals die hier in de tabel zijn aangegeven is moeilijk in te schatten. Het lijkt alsof de scenario’s met een relatief grote energievraag voor tapwater in verhouding tot de vraag voor ruimteverwarming een grotere buffer wensen.



8.

Discussie

8.1

Beschouwing Probleemstelling, Resultaten en Doelstelling In het onderzoek, en voornamelijk bij het genereren van resultaten, is systematisch op zoek gegaan naar een antwoord op de probleemstellingen. In deze discussie wordt beschouwd of het mogelijk is om met de gevonden resultaten antwoorden te vinden op de probleemstellingen. Dit houdt in dat ook beschouwd wordt of de beoogde doelstellingen zijn gerealiseerd. De eerste probleemstelling stelt de vraag of het mogelijk is om (eventueel met een model) naar aanleiding van het gedrag van een huishouden een bepaling te maken voor het patroon van de energiebehoefte van dat huishouden. Voor een bepaald type woning bestaat namelijk geen eenduidig energievraagpatroon onafhankelijk van het huishoudelijk gedrag. Aan de voorgaande probleemstelling is de doelstelling gekoppeld dat verschillende gedetailleerde scenario’s van de continue energievraag van bepaalde huishoudens ontwikkeld moeten worden. Met behulp van een model in TRNSYS van de tussenwoning en een onderzoek van CaubergHuygen [17] waarin tapwaterpatronen voor een huishouden in deze tussenwoning zijn opgesteld is een referentiescenario, dat de energiebehoefte beschrijft, opgesteld voor een gemiddeld huishouden. Door aanpassingen van het huishoudelijk gedrag ten opzichte van dit referentiescenario ontstaat een andere vraag voor ruimteverwarming en/of verwarming van tapwater. Voorbeelden van uitwerkingen die gedaan zijn: minder aanwezigheid van personen en dus minder ventilatie en verwarming, meer tapwaterverbruik door langer douchen of het nemen van een bad, combinaties van zuinig energiegebruik voor verwarming en tapwater of juist combinaties van gortig gebruik etc. Door het aanpassen van het huishoudelijk gedrag ten opzichte van het referentiescenario zijn nog eens vijf andere energiebehoeftes verkregen voor verschillende huishoudens. Hiermee is de eerste doelstelling gerealiseerd. De verschillende behoeftescenario’s lijken voor latere doelstellingen divers genoeg. Het scenario met de grootste energiebehoefte is 185% van het scenario van met de kleinste energiebehoefte. Wel moet geconstateerd worden dat in de praktijk grotere verschillen niet uitgesloten zijn. Een punt van kritiek is dat de koppeling van het specifieke gedrag van het huishouden met de gevolgen voor de energiebehoefte in hoofdstuk 5 eventueel nauwkeuriger beschreven had kunnen worden. Hiermee was de terugkoppeling van resultaten in latere fase gemakkelijker geweest. Als laatste dient nog opgemerkt te worden dat niet vooraf bekend is hoe een bepaald huishouden in een woningtype zich zal gedragen. Het hier opgestelde energiegedrag van een huishouden is natuurlijk een theoretische benadering van een huishouden, maar hoe kan een energiegebruikspatroon van een huishouden in de praktijk bepaald worden? Dit komt aan de orde bij het hoofdstuk 9.3. De tweede probleemstelling vraagt of met behulp van de verkregen energiebehoefte voor de specifieke huishoudens kan worden bepaald welk zonne-energieopslagsysteem optimaal is voor het betreffende huishouden. Het doel was om een model op te stellen dat niet een zo realistisch mogelijke weergave is van een specifieke installatie, maar dat een representatief model is voor zonne-energieopslagsystemen in het algemeen. De resultaten moeten een goede indruk geven van de algemene werking van het opslagsysteem en de consequenties voor dit systeem als gevolg van variërende omstandigheden.



Door het opstellen van het Excel model zoals dat beschreven is in hoofdstuk 6 is de tweede doelstelling gerealiseerd. Met het model bestaat de mogelijkheid om verschillende prestaties van een opgegeven zonne-energieopslagsysteem als gevolg van de ingevoerde energiebehoefte van een huishouden in kaart te brengen. Door de macro die in het Excel model is verwerkt bestaat ook nog eens de mogelijkheid om te zoeken naar een optimale situatie. Hiermee kan voor een hele reeks systeemafmetingen prestaties worden berekend die met elkaar vergeleken kunnen worden. Bij het opstellen van een model zijn twee soorten systemen bekeken. Het eerste werkt hetzelfde als een conventionele zonneboilercombi, het tweede is een zonneboilercombi met geïntegreerde warmtepomp. Voor het tweede systeem is meer kennis nodig van warmtepomprendementen en financiering van een warmtepomp. Dit viel buiten het kader van dit onderzoek en daarom is de werking van dit systeem en de gevolgen voor de prestatie alleen globaal behandeld in paragraaf 7.3.3. Punt van kritiek op het model is dat het integreren van de rendementen voor afgifte in de buffer te complex was om in het gegeven tijdsbestek te verwerken in het model. De werking van een opslagvat kan eenvoudig een studie op zich zijn en het opstellen voor een specifieke bufferwerking bij dit model is dan ook een suggestie voor een vervolgonderzoek (zie paragraaf 9.3). Het gevolg van de omissie van deze rendementen voor de resultaten wordt niet heel groot geschat. Het gaat hier namelijk vooral om de vergelijking tussen de verschillende optimale systemen en niet om de absolute prestaties. Om te bevestigen of dit ook daadwerkelijk klopt moet het model gecontroleerd worden. Daarvoor zijn een aantal opties. Verificatie is het controleren van de methode aan de hand van een (ander) analytisch model. Omdat er geen analytisch model beschikbaar is met hetzelfde karakter als het hier opgestelde model is verificatie niet mogelijk. Validatie zou een andere methode zijn om het model op waarheid te controleren. Hierbij gaat het om de vergelijking van de verkregen resultaten met (meet-) data. In een eerdere fase van het onderzoek is geprobeerd een validatie uit te voeren aan de hand van data verkregen met een analytisch model van een opslagsysteem uit NEN-EN 15316-4-3 voorbeeld A3 [28]. De resultaten leken overeen te komen, maar de manier waarop de vergelijking tussen de data gemaakt moest worden werd in twijfel getrokken. Dit is dus uiteindelijk niet gebruikt als validatie. Daar ook de validatie niet beschikbaar is als controlemiddel blijft alleen nog het ‘testen’ van het model over. Dit is gedaan door het model aan een aantal extreme omstandigheden te onderwerpen om te zien of er geen rare resultaten uitkwamen. Hierbij moet gedacht worden aan het verwijderen van energievraag voor tapwater, het instellen van enorm grote buffers of collectoren etc. De voorgaande gerealiseerde twee doelstellingen waren eigenlijk een inleiding naar de belangrijkste probleemstelling en hoofddoelstelling. Deze belangrijkste probleemstelling stelt de vraag of het mogelijk is om algemene relaties te beschrijven tussen enerzijds de omstandigheden bij het gekozen woningtype (gedrag van het huishouden) en anderzijds het opslagsysteem met zijn parameters en eigenschappen. Er is naar een oplossing gezocht door de verkregen informatie voor energiebehoefte uit de eerste doelstelling in te voeren in het model voor een opslagsysteem uit de tweede doelstelling. Om deze probleemstelling te beantwoorden zijn voor drie deelonderwerpen resultaten gegenereerd. Deze drie subdoelstellingen zijn: 1) het bepalen van de invloed van verschillend huishoudelijk energiegedrag op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem; 2) het bepalen van de invloed van variatie van systeemparameters op de prestaties van het opslagsysteem bij de verschillende energievraagscenario’s;



3) het bepalen van een financieel optimaal zonne-energieopslagsysteem bij de verschillende ontwikkelde energievraagscenario’s en het bepalen van het effect van parameters die het financiële klimaat beïnvloeden. De discussie van de belangrijkste resultaten volgt nu per bovengenoemd deelonderwerp. 8.1.1

Invloed Gedrag Huishoudens op de Configuratie Opslagsysteem Hier is het behalen van een dekkingsgraad bij een bepaald huishouden als eis gesteld voor een opslagsysteem. Vervolgens is gekeken welke afmetingen dit opslagsysteem hiervoor dan nodig heeft. De motivatie voor de keuze van een eis voor de dekkingsgraad is dat zonneenergieopslagsystemen in de praktijk gebruikt worden als systemen die altijd eenzelfde aandeel in de totale energieprestatie van een woning hebben ongeacht het gedrag van een huishouden. Een zonneboiler levert dan afhankelijk van de grootte van het systeem een vaste energiehoeveelheid en de woning vereist afhankelijk van het type een bepaalde hoeveelheid energie. Door het beschouwen van de dekkingsgraad zijn er een aantal resultaten zoals de totale afgegeven energie die enigszins op de achtergrond geraken. De dekkingsgraad is hier toch de aangewezen parameter om invloed van huishouden op de configuratie van een opslagsysteem te bekijken. Met de resultaten werden de volgende constateringen gedaan voor de invloed van huishoudelijk gedrag op een opslagsysteem (zie ook bijlage 5 ‘Verandering Energievraagscenario’): • In alle gevallen geldt dat de gewenste configuratie van het opslagsysteem significant verschilt per huishouden of scenario. De variatie is daarbij afhankelijk van een aantal factoren. • Een hogere eis voor de dekkingsgraad levert grotere verschillen tussen de gewenste collector of buffer bij elk huishouden. • Hoe kleiner het vooraf vastgestelde collectoroppervlak, hoe groter het verschil tussen de gewenste buffer bij elk huishouden. • Hoe kleiner de vooraf vastgestelde buffer, hoe groter het verschil tussen het gewenste collectoroppervlak bij elk huishouden. Op een inductieve manier is de doelstelling hier gerealiseerd. De invloed van verschillend huishoudelijk energiegedrag op de configuratie van een zonne-energieopslagsysteem is inzichtelijk gemaakt door een aantal voorbeelden uit te werken. Door het enorm aantal verschillende randvoorwaarden is het niet mogelijk om op een deductieve manier een eenduidige relatie te beschrijven voor de invloed van huishoudelijk gedrag op de verandering van de systeemgrootte. Aangenomen dat de systeemparameters reëel zijn en de scenario’s een redelijke weergave zijn van daadwerkelijke huishoudens, kan wel gezegd worden dat de bovenstaande constateringen vrijwel altijd gelden. Hiermee is aangetoond dat prestaties van eenzelfde opslagsysteem bij een tussenwoning enorm kunnen afwijken van wat er gewenst is, omdat het gekozen opslagsysteem in de praktijk niet is afgestemd op de daadwerkelijke energievraag van het huishoudelijk gedrag.

8.1.2

Invloed Systeemparameters bij verschillende Huishoudens In hoofdstuk 7.3 is het gevolg van veranderingen van systeemparameters voor de prestaties van het systeem bekeken. Het ging er om te achterhalen of het aanpassen van de systeemparameters kon leiden tot verandering van de variatie in afmetingen van gewenste opslagsystemen bij huishoudens. Als bv. het aanpassen van een systeemparameter bij een scenario met hoge energievraag relatief betere prestaties levert dan bij een scenario met lage energievraag, dan 132 29 december 2009


zullen de verschillen tussen afmetingen van gewenste systemen veranderen. De discussie blikt hier terug op de invloed van de collectorstand en -oriëntatie, het verwarmingssysteem voor ruimteverwarming en het gebruik van een warmtepomp. De totale zonne-energielevering zal bij alle scenario’s bij benadering evenredig toe of afnemen als gevolg van een aanpassing aan de collectorstand of -oriëntatie. De belangrijkste conclusie is dat het veranderen van de stand en oriëntatie van de collector veel invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens). De resultaten van scenario 2 zijn genegeerd. De data voor zonne-energie uit 1995 lijkt enigszins vreemd en de resultaten worden niet vertrouwd. Duidelijk was ook dat het toepassen van een bepaald type verwarmingssysteem veel invloed heeft op de afgegeven energie voor ruimteverwarming. De gevolgtrekking is hier wel weer dat het veranderen van het verwarmingssysteem bij benadering voornamelijk invloed heeft op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Het heeft echter weinig tot geen invloed op de relatieve verandering van prestaties bij onderlinge vergelijking tussen scenario’s (huishoudens). Het toepassen van een warmtepomp levert technisch gezien natuurlijk betere prestaties doordat er meer zonne-energie gebruikt kan worden. Er is vooral een grote bijdrage aan extra energievoorziening voor verwarming van tapwater ten opzichte van het systeem zonder warmtepomp. Vooral bij hoge temperatuursmarges X (>40°C) is de zonne-energielevering ten behoeve van tapwater veel groter. Eerder werd geconcludeerd dat het toepassen van een opslagsysteem met warmtepomp relatief iets meer oplevert in huishoudens met een relatief grote vraag voor verwarming van tapwater ten opzichte van andere huishoudens. De relatieve verandering in prestaties voor verschillende huishoudens moet echter niet worden overtrokken. Globaal gekeken zullen huishoudens met een relatief grote energievraag voor tapwater niet veel winnen, aangezien er lagere marges voor de warmtepomp zijn ingeschakeld waarbij de verschillen miniem worden (zie figuur 53). De meeste systeemparameters (alle behalve de warmtepomp) hebben alleen invloed op de absolute prestaties van het opslagsysteem. Elk huishouden heeft bij benadering evenveel baat of nadeel bij het aanpassen van deze systeemparameters. Er is geen scenario dat wezenlijk anders reageert dan de andere scenario’s op het veranderen van deze systeemparameters. Het is dus niet mogelijk om met kennis van het energiegedrag van een huishouden de prestaties te verbeteren ten opzichte van ‘een standaard geval’ door deze systeemparameters te veranderen. Met dit standpunt kan geconcludeerd worden dat de instellingen of parameters van het opslagsysteem geen invloed hebben op de variatie van bufferafmetingen bij verschillende huishoudens (zie ook bijlage 5 ‘Verandering Systeemparameter’). Dit is een belangrijke conclusie en is een toegevoegde waarde voor de eerdere conclusies uit de voorgaande paragraaf. Belangrijk is wel om op te merken dat deze conclusie geldt voor het standaard opslagsysteem dat is bekeken. Aangenomen wordt dat deze conclusie ook geldt voor andere opslagsystemen, zolang die wat betreft grootte en eigenschappen enigszins lijken op dit systeem. De voorgaande conclusie houdt impliciet in dat het aanpassen van systeemparameters niet leidt tot een andere variatie tussen gewenste opslagsystemen bij verschillende huishoudens. Doordat prestaties bij verschillende huishoudens relatief niet zullen veranderen, kan bij alle huishoudens voldaan worden met eenzelfde wijziging systeemgrootte. Alleen toepassing van een opslagsysteem met warmtepomp lijkt enige invloed te hebben op bepaalde scenario’s. Het effect



wordt echter verwaarloosd want dit treedt alleen op bij warmtepompsystemen met hoge marges voor X. Daarnaast is het onderzoek naar het conventionele zonne-energiesysteem belangrijker. 8.1.3

Financieel Optimale Situatie De netto contante waarde (NCW) berekening is hier gebruikt als een ‘gereedschap’ om de invloed van de energiebehoefte op de keuze voor een financieel optimaal opslagsysteem in kaart te brengen. Het is vooral belangrijk om in te zien dat het niet gaat om een exacte bepaling van de financiële situatie bij een zonne-energieopslagsysteem. Het gaat puur om het verkrijgen van een inzicht in de gevolgen van het gedrag van een huishouden voor de financieel optimale situatie en om de invloed van financiële randvoorwaarden op de NCW van een opslagsysteem. In paragraaf 7.4.3 was te zien dat de configuratie van een financieel optimaal opslagsysteem behoorlijk afhankelijk is van het gedrag van een huishouden. Deze resultaten zijn weliswaar verkregen door berekening van een opslagsysteem waarbij de systeemparameters (zoals collectorstand, massastroom transportmedium etc.) constant zijn gehouden. Toch is de voorgaande stelling terecht ongeacht de toegekende waarde van de systeemparameters (indien hetzelfde bij de te vergelijken situaties). De conclusie van de vorige paragraaf luidde immers dat de verandering van systeemparameters niet leidde tot verandering van variatie van prestaties of verandering van systeemafmetingen bij verschillende huishoudens. In paragraaf 7.4.4 werd de invloed van verandering van het financiële klimaat op de keuze voor een opslagsysteem onderzocht. Als de energieprijsstijging groter wordt aangenomen, is het aantrekkelijker om te investeren in een zonne-energieopslag, omdat de jaarlijkse besparing in euro groter wordt. Gelet op de geschetste trendlijnen kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door verhogen van de energieprijsstijging leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en tevens tot een grotere variatie (bv. 4,5 m2 versus 7,5 m2 voor de collector bij vergroten van 8% naar 12%) in gewenste systeemgroottes. Ook bij variatie van rente en inflatie (paragraaf 7.4.4) is duidelijk dat deze parameters invloed hebben op de gewenste grootte van het opslagsysteem. Daarnaast kan gezegd worden dat het verbeteren van het financiële klimaat voor het opslagsysteem door het verlagen van de rente of verhogen van de inflatie leidt tot grotere gewenste opslagsystemen en een grotere variatie in gewenste systeemgroottes. Het kan dus zijn dat de huidige keuzes voor een zonne-energiesysteem gebaseerd zijn op een slecht financieel klimaat. Hierbij is de variatie van het gewenste opslagsysteem bij verschillende huishoudens immers klein. Bij een verbetering van het financiële klimaat wordt het steeds belangrijker om de keuze van een zonne-energieopslagsysteem goed af te stemmen op de energievraag van een specifiek huishouden door de groeiende variatie van de financieel optimale systeemgrootte (zie ook bijlage 5 ‘Verandering Financiële Parameter’).

8.2

Overige Opmerkingen In de voorgaande paragraaf van de discussie is vooral een beschouwing gegeven van de relatie tussen de probleemstelling, resultaten en de doelstelling. In deze paragraaf komen overige opmerkingen aan bod die niet tot de discussie van de vorige paragraaf behoren. Ten eerste moet in het licht van de resultaten de betrouwbaarheid en geldigheid van de methode worden beoordeeld. De methode die tot de verkregen resultaten leidt is voornamelijk het Excel



model dat een zonne-energieopslagsysteem simuleert. Met de verkregen resultaten uit het model worden conclusies getrokken voor algemene theorieën. Het onderzoek heeft daarmee een inductief karakter gekregen. Netter zou het zijn geweest om vanuit een algemene theorie te onderzoeken wat de gevolgen zijn voor gewenste opslagsystemen. Probleem is echter dat algemene theorieën voor optimale opslagsystemen onder verschillende omstandigheden hier niet voor handen zijn. Ten tweede is het interessant om het werk dat hier gedaan is beknopt te vergelijken met andere onderzoeken die in vele soorten en maten voor zonne-energieopslagsystemen zijn gedaan. Voor de literatuurstudie zijn een aantal onderzoeken bekeken die een vergelijkbaar karakter konden hebben of die in ieder geval met dezelfde materie aan de slag gingen. Voorbeelden hiervan zijn de volgende titels: • Single- and Multi-Tank Storage for Solar Heating Systems: Fundamentals [9]. • A new version of a solar water heating system coupled with a solar water pump [29]. • Performance of modern domestic hot-water stores [30]. Het grote verschil tussen deze onderzoeken en het werk dat hier is gedaan wordt vooral geleverd door het algemenere bouwfysische karakter van dit onderzoek. Het werk in deze rapportage betreft vooral het werken met energiestromen bij verschillende systeemgroottes en parameters. Het vlakt daardoor de specifieke installatietechnische aspecten van een opslagsysteem voor een deel uit. Hierdoor zijn de resultaten natuurlijk grover dan wanneer gekozen is voor een ontwerp van een specifiek zonne-energieopslagsysteem. Het grote voordeel is echter dat er voor een breed spectrum aan systeemafmetingen en parameters bekeken kan worden wat voor prestaties geleverd worden. Door een betere kijk op verschillende systemen en systeemgroottes is optimalisatie van zonne-energiegebruik voor huishoudens nu mogelijk. De derde en laatste opmerking die nog in de discussie thuis hoort, gaat over de functie van het verkregen model. Naast dat het model voor het opslagsysteem in combinatie met het TRNSYS model hier gebruikt is voor het genereren van resultaten zouden deze modellen ook na het afstudeeronderzoek een functie kunnen vervullen. Een mogelijk optie is om een aangepaste en gedetailleerdere variant ervan te gebruiken voor het adviseren van huishoudens bij de aanschaf van een opslagsysteem. Uit conclusies is gebleken dat vooral de financiële situatie nog zal moeten veranderen. Een ander knelpunt is het feit dat het gedrag van een huishouden in TRNSYS gemakkelijk gesimuleerd kan worden en een tapwaterpatroon voor dit huishouden kan gemakkelijk beschreven kan worden zoals hier in Excel is gedaan. Echter, het gedrag van een huishouden is van te voren natuurlijk nooit te specificeren. De E-Calculator is een aanknopingspunt op weg naar de oplossing van dit probleem. De E-Calculator berekent de totale energielasten op basis van de kenmerken van de woning, het aantal personen dat er gaat wonen en het energiegedrag. Meer hierover komt aan de orde in de paragraaf over aanbevelingen en vervolgonderzoek (9.3).



9.

Afsluiting

9.1

Conclusies In dit hoofdstuk worden de belangrijkste conclusies die uit de resultaten en de discussie volgen puntsgewijs genoemd. Hiermee wordt een overzicht verkregen van de gerealiseerde doelstellingen en daarmee ook van de uitkomsten van het onderzoek. 1. Als gekeken wordt naar de technische prestaties van een zonne-energieopslagsysteem, dan kan gezegd worden dat de variaties in de gewenste systeemgrootte significant zijn bij verschillende huishoudens (zie figuur 76). 2. Als gekeken wordt naar de financiële prestaties van een zonne-energieopslagsysteem, dan kan ook gezegd worden dat de variaties in de gewenste systeemgrootte significant zijn bij verschillende huishoudens. 3. Wanneer de systeemparameters (bv. de collectorstand of temperatuursrange afgiftesysteem) bij alle huishoudens hetzelfde zijn, zorgen deze parameters ongeacht hun waarde bij benadering voor dezelfde variaties in systeemgrootte bij verschillende huishoudens (zie figuur 77). a) Systeemparameters hebben dus alleen invloed op de absolute prestaties van een opslagsysteem, maar zorgen niet voor veranderingen van de variatie van systeemgroottes bij verschillende huishoudens. 4. Parameters die het financiële klimaat beschrijven (rente, energieprijsstijging, inflatie) hebben wel invloed op de variatie van gewenste systeemgrootte bij verschillende huishoudens. a) Wanneer de parameter zo verandert dat dit leidt tot een gunstiger financiële klimaat voor een zonne-energieopslagsysteem, dan wordt de variatie in gewenste systeemgrootte groter (zie figuur 78). b) Wanneer de parameter zo verandert dat dit leidt tot een slechter financiële klimaat voor een zonne-energieopslagsysteem, dan wordt de variatie in gewenste systeemgrootte kleiner. 5. Met het opgestelde model voor zonne-energieopslagsystemen zijn globale adviezen uit te brengen voor een optimaal opslagsysteem voor een specifiek huishouden op basis van financiële of technische gronden (zie figuur 78).



Figuur 76: Verandering van gewenste Systeemgrootte bij Verandering Huishoudelijk Gedrag

Figuur 77: Variatie in Systeemgrootte bij veranderen van Systeemparameter (bv. Collectorstand) blijft bij benadering ongewijzigd



Figuur 78: Veranderen van Financiële parameter (bv. energieprijsstijging) heeft invloed op de variatie in Systeemgrootte



9.2

Gevolgtrekking Aan de voorgaande conclusies kan een gevolgtrekking worden verbonden. Deze is hier ook puntsgewijs opgesteld, zodat een goed overzicht wordt verkregen. 1. In technisch opzicht kan worden aanbevolen om het huishoudelijk gedrag voor energiegebruik te onderzoeken en op basis daarvan een keuze te maken voor de afmetingen van een zonne-energieopslagsysteem. 2. Ook in financieel opzicht kan worden aanbevolen om het huishoudelijk gedrag voor energiegebruik te onderzoeken en op basis daarvan een keuze te maken voor de afmetingen van een zonne-energieopslagsysteem (onder voorwaarde 4a). 3. De parameters van een opslagsysteem kunnen worden gebruikt om het gebruik van zonne-energie en daarmee de prestaties van het systeem te optimaliseren. Het is echter niet mogelijk om met kennis van het huishoudelijk gedrag van energiegebruik het gebruik van zonne-energie te optimaliseren. Met andere woorden: een bepaald opslagsysteem heeft bij specifieke systeemparameters een optimum onafhankelijk van de energievraag. 4. Het is afhankelijk van het financiële klimaat of het daadwerkelijk aan te raden is om op basis van het huishoudelijk gedrag voor energiegebruik een keuze te maken voor de afmetingen van een zonne-energieopslagsysteem. a) Hoe gunstiger het financiële klimaat is voor investering in zonne-energieopslag, hoe sterker het wordt aangeraden om de opslagsystemen (grootte) af te stemmen op het huishoudelijk gedrag. b) Hoe slechter het financiële klimaat is voor investering in zonne-energieopslag, hoe gemakkelijker het wordt om te kiezen voor een standaard opslagsysteem dat afmetingen heeft die onafhankelijk van het huishoudelijk gedrag zijn gekozen. 5. Het opgestelde model kan na het afstudeeronderzoek ook nog een functie vervullen. Een mogelijke optie is om een aangepaste en verder gedetailleerdere variant ervan te gebruiken voor het adviseren van huishoudens bij de aanschaf van een opslagsysteem. De advisering kan zowel geschieden op technisch als op financieel gebied.



9.3

Aanbevelingen en Vervolgonderzoek Voor een aantal zaken, gerelateerd aan dit onderzoek, is een uitspraak nodig voor wat er wenselijk of noodzakelijk is in de toekomst. Deze onderwerpen worden hier beknopt toegelicht en indien nodig worden er suggesties gedaan voor een vervolgonderzoek. In de discussie, maar ook al eerder in de probleemstelling, werd verwezen naar een belangrijk knelpunt. In dit onderzoek is specifieke kennis nodig van TRNSYS om een bepaald gedrag van een huishouden te benaderen. Belangrijker nog is het feit dat niet van te voren bekend is hoe een bepaald huishouden in een woningtype zich gedraagt. Het hier opgestelde energiegedrag van een huishouden is natuurlijk een theoretische benadering van een huishouden, maar hoe kan een energiegebruikspatroon van een huishouden in de praktijk bepaald worden? Deze kennis is nodig als een goed advies gegeven moet worden voor een opslagsysteem dat past bij een specifiek huishouden. Een aanknopingspunt voor dit probleem is een rekenkundig hulpmiddel zoals de ‘E-Calculator’. De E-Calculator berekent de totale energielasten op basis van de kenmerken van de woning, het aantal personen dat er gaat wonen en het energiegedrag (zie ook figuur 79). Deze ontwikkelde methode is een stap in de richting van het inspelen op het huishoudelijk gedrag voor besparing van energie en geeft meteen ook aan dat de hier behandelde materie tegenwoordig dus veel aandacht krijgt. Op basis van de E-Calculator zouden duurzame energie-installaties beter kunnen worden afgestemd op de specifieke energievraag van een huishouden. Het probleem is hier echter nog dat de tijdsperiode waarover het energiegebruik wordt berekend in de calculator te grof is voor het hier ontwikkelde model. De conclusies tonen hier aan dat er (zeker in de toekomst) wel degelijk behoefte is aan een dergelijke tool, omdat de kennis van de specifieke energievraag een heel andere energiesysteem kan opleveren dan de standaard systemen die nu worden ontwikkeld op basis van het woningtype en de EPC.

Figuur 79: Impressie van de Variabelen die in de E-Calculator worden meegenomen



In een vervolgonderzoek is het mogelijk om te kijken naar de mogelijkheden voor het implementeren van de het hier ontwikkelde model voor een zonne-energieopslagsysteem met een gebruiksvriendelijke rekenmethode zoals de E-Calculator voor het voorspellen van huishoudelijk energiegedrag. Een tweede punt van aanbeveling is dat de invloed van een heel aantal variabelen, die hier zijn opgenomen als vaste randvoorwaarden, nog beschouwd moeten worden. Een hele studie op zich kan gevormd worden door het aanpassen van deze randvoorwaarden en bekijken van de gevolgen van verandering voor de resultaten. Hierbij zijn een aantal voorbeelden: • Meerdere woningtypen onderzoeken (vrijstaande woning, galerijflat, hoekwoning etc.) die volgens SenterNovem zijn gestandaardiseerd. • Het bekijken van andere collectoren (bv. vacuümbuis collector). • Een ander opslagmedium kiezen dat in het opslagvat zit. In de discussie werd gemeld dat het integreren van de rendementen voor opname en afgifte in de buffer te complex waren om in het gegeven tijdsbestek te verwerken in het model. De werking van een opslagvat kan eenvoudig een studie op zich zijn en het opstellen voor een specifieke bufferwerking bij dit model is dan ook een suggestie voor een vervolgonderzoek. Er zijn daarbij grofweg twee mogelijkheden. De eerste mogelijkheid is het modelleren van een volledig gemengde buffer (zoals ook benaderd in dit hoofdstuk) waarbij de temperatuurverdeling homogeen is verdeeld over het hele buffervolume. De tweede mogelijkheid is het modelleren van een gelaagde buffer, waarbij een temperatuurverdeling in lagen in de buffer bestaat die beïnvloed wordt door energiestromen die de buffer in en uit gaan en door energiestromen in de buffer zelf. Het gevolg van de omissie van deze rendementen voor de resultaten wordt hier niet heel groot geschat. Het gaat hier namelijk vooral om de vergelijking tussen de verschillende optimale systemen en niet om de absolute prestaties. Toch zal het daadwerkelijke verschil pas kunnen blijken als hetzelfde model uitgewerkt wordt met een gedetailleerde bufferwerking. Het laatste advies is hier om in een eventueel vervolgonderzoek iets meer te duiken in de specifieke gevolgen van een bepaalde handeling van een huishouden voor het energieopslagsysteem. Zo biedt het model de mogelijkheid om heel gedetailleerd te kijken naar de gevolgen van een bepaalde handeling (bv. langer douchen of thermostaat gemiddeld hoger) voor de bufferinhoud, energiestromen en temperatuurverdelingen. Ook over kortere periodes (uren, dagen, weken) kan gekeken worden naar interessante informatie. Dit is nog te weinig gebeurd terwijl het model hier volop mogelijkheden voor biedt.



9.4

Slot Het afstemmen van een zonne-energieopslagsysteem op het gedrag van een huishouden kan zowel op het gebied van technisch prestatie als ook op het gebied van financiële prestatie enorme voordelen opleveren. In technisch opzicht zijn er daarbij geen voorwaarden aan verbonden en zou altijd geadviseerd moeten worden om eerst concreet naar het gedrag van een huishouden te kijken alvorens te kiezen voor een opslagsysteem. In financieel opzicht ligt dit helaas anders. Afhankelijk van de financiële situatie is het raadzaam om een zonne-energieopslagsysteem wel of niet af te stemmen op het energiegedrag van een huishouden. Hoe gunstiger het financiële klimaat is voor investering in zonne-energieopslag, hoe sterker het wordt aangeraden om de opslagsystemen (grootte) af te stemmen op het huishoudelijk gedrag. Echter als het financiële klimaat niet toelaat dat het opslagsysteem zichzelf terugverdient gedurende de levensduur dan wordt het gemakkelijk om te kiezen voor een ‘standaard systeem’ zoals dat vooralsnog gebeurt. In het tweede geval mag ook aangenomen worden dat een dergelijk systeem wordt aangeschaft, omdat bewoners de wil hebben om bewuster met energie om te gaan en daarbij een investering willen doen die zich niet zal terugverdienen. Vanuit financieel oogpunt zou het namelijk altijd beter zijn om dan niet te kiezen voor een investering in een dergelijk opslagsysteem. Helaas bepalen vooral de financiële prestaties en niet de technische prestaties het succes van zonne-energiesystemen. Met de randvoorwaarden uit de probleemomschrijving voor de uitputting van fossiele brandstof en daarmee stijgende prijzen van deze brandstof wordt de economische situatie rondom de duurzame energieopslagsystemen in de toekomst alleen maar beter. Toch zal er nog heel wat moeten gebeuren alvorens het afstemmen van de zonne-energieopslagsystemen op het energiegedrag van een huishouden vanuit financieel perspectief ook van waarde kan zijn. Voor de technische prestaties van het systeem is het opgestelde model van meerwaarde voor het afstemmen van een zonne-energieopslagsysteem op een specifiek huishouden. De tijd dat het model gebruikt kan worden voor het optimaliseren van de economische rendabiliteit van het opslagsysteem aan de hand van huishoudelijk gedrag zal echter nog even op zich laten wachten.



Literatuurlijst 1.

ECN, E.C.N. Energie in cijfers; Aardgasprijzen huishoudens en industrie. 2009; Available from: www.energie.nl.

2.

Amerongen, G.v., Zonne-energie, Feiten en Cijfers, S. Holland, Editor. 2007, Solar Holland: Utrecht.

3.

MilieuCentraal. Klimaatverandering. www.milieucentraal.nl.

4.

CBS. Emissies van broeikasgassen, berekend volgens IPCC-voorschriften. 2009; Available from: http://www.cbs.nl/nl-NL/menu/home/default.htm.

5.

SenterNovem. Regelgeving. 2009 [cited 2009 21 november]; Available from: http://www.senternovem.nl/epn/regelgeving/.

6.

SenterNovem. Zonneboiler(combi). www.senternovem.nl/epn.

7.

Berns, W. and R. Boeree, Energiezuinig Bouwen met Zonneboilers, Leidraad Zonneboilers voor Projectmatige Nieuwbouw. 2002, NOVEM, Nederlandse Organisatie voor Energie en

2008

2005

2007

[cited

[cited 2009 21 november]; Available from: 2009

[cited

[cited 2005 20-12-2005]; Available from:

Milieu: Utrecht.

8.

Garnier, C., J. Currie, and T. Muneer, Integrated collector storage solar water heater: Temperature stratification. Applied Energy, 2009. 86(9): p. 1465-1469.

9.

Mather, D.W., K.G.T. Hollands, and J.L. Wright, Single- and multi-tank energy storage for solar heating systems: fundamentals. Solar Energy, 2002. 73(1): p. 3-13.

10.

Rosen, M.A., The exergy of stratified thermal energy storages. Solar Energy, 2001. 71(3): p. 173-185.

11.

Peel, M.C., B.L. Finlayson, and T.A. McMahon (2007) Updated world map of the Koppen-

Geiger climate classification. vol.1, 12 blz.

12.

Berendsen, H.J.A., Landschap in delen : overzicht van de geofactoren. 2005, Assen: Koninklijke Van Gorcum.

13.

Hygrothermische eigenschappen van gebouwen Instituut, N.N., Referentieklimaatgegevens, in NEN 5060:2009 nl NEN, Editor. 2009, NEN: Delft. p. 38 blz.

14.

TRNSYS, T.E.S.S. TRNSYS, The Transient Energy System Simulation Tool. 2008 [cited 2009 05-05-2009]; Available from: http://www.trnsys.com/.

15.

SenterNovem. Tussenwoning. 2009 [cited 2009 27 november]; Available from: http://www.senternovem.nl/epn/referentiewoningen/tussenwoning.asp.

16.

SenterNovem, V., Referentiewoningen Nieuwbouw; Kompas Energiebewust Wonen en Werken. 2006. vol.2: p. 28 blz.

17.

Roijakkers, R., C.-H.R.I. B.V., and T.U. Delft, Watergebruik in woningen en warmteterugwinning uit huishoudelijk afvalwater. 2004: p. 34 blz.

18.

Normalisatie-instituut, N., Algemene voorschriften voor leidingwaterinstallaties, in NEN 1006:2002/A1:2005 nl, N.N. NEN, Editor. 2005, Nederlands Normalisatie-instituut: Delft.

p. 25 blz. 19.

NEN, Ergonomics of the thermal environment, in NEN-EN-ISO 7730:2005en, NEN, Editor. 2005, NEN.

20.

Quaschning, V., Understanding renewable energy systems. 2005, London; Sterling, VA: Earthscan. 272. 143

29 december 2009


21.

ATAG, Installatievoorschrift Q-Solar, ATAG, Editor. 2009, ATAG: Lichtenvoorde.

22.

SenterNovem. Warmtepompen. 2009 [cited 2009 25 november]; Available from: http://www.senternovem.nl/duurzameenergie/DEtechnieken/Warmtepomp_en_warmte_koude_opslag/Index.asp#7.

23.

Alp-Sun. Prijzen van vlakke plaat collectoren en kits. 2008 [cited 2009; Available from: http://www.alp-sun.be/.

24.

Scheepers, M.J.J. and A.d. Raad, Warmtepompen en Zonneboilers in Stad van de Zon. 2000, ECN: Heerhugowaard.

25.

2009 MilieuCentraal. Energieprijzen. http://www.lage-energierekening.nl/.

26.

SenterNovem. Financiele Steun. Duurzame Warmte: Zonneboiler 2008 31-07-2009]; Available from: www.senternovem.nl/duurzamewarmte/subsidie-informatie.

27.

CentraalPlanBureau, C. (2009) Macro Economische Verkenning 2010.

28.

Normalisatie-instituut, N., Verwarmingssystemen in gebouwen. Berekeningsmethode voor de systeemenergiebehoefte en het systeemrendement - Deel 4-3: Warmteopwekkers voor ruimteverwarming thermische zonne-energiesystemen, in NEN-EN 15316-4-3. 2007, NEN:

[cited 2009 26 november]; Available from:

Delft. p. 50.

29.

Sutthivirode, K., P. Namprakai, and N. Roonprasang, A new version of a solar water heating system coupled with a solar water pump. Applied Energy, 2009. 86(9): p. 14231430.

30.

Spur, R., et al., Performances of modern domestic hot-water stores. Applied Energy, 2006(83): p. 18.



Symbolenlijst Tabel 33: Grootheden, Symbolen en Eenheden

Grootheid

Symbool

Eenheid

Jaar

-

-

Maand

-

-

Dag

-

-

Uur van de dag

-

-

Uur van het jaar

t

Uur

Energievraag ruimteverwarming op uur t

Evrg;rvw;t

Joule/uur

Energievraag verwarming tapwater op uur t

Evrg;tap;t

Joule/uur

Totale Energievraag (ruimteverwarming+tapwater) op uur t

Evrg;tot;t

Joule/uur

Te

°C

Zonnestraling op een vlak Zuid onder 45°

Qz;z45;t

Joule/m2

Zonnestraling op een vlak Zuid onder 90°

Qz;z90;t

Joule/m2

Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 45°

Qz;zw45;t

Joule/m2

Zonnestraling op een vlak Zuidwest onder 90°

Qz;zw90;t

Joule/m2

Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 45°

Qz;zo45;t

Joule/m2

Zonnestraling op een vlak Zuidoost onder 90°

Qz;zo90;t

Joule/m2

Zonnestraling op een horizontaal vlak

Qz;hor;t

Joule/m2

Temperatuur transportmedium dat collector in stroomt op uur t

Tcol;in;t

°C

Temperatuur transportmedium dat de collector uit stroomt op uur t

Tcol;uit;t

°C

X

°C

Temperatuur van de buffer aan het eind van uur t

Tbuffer;t

°C

Energieniveau van de buffer aan het eind van uur t

Ebuffer;t

Joule

Temperatuurniveau van de potentiële zonne-energie net voor de buffer

Tz;pot;t

°C

Energieniveau van de potentiële zonne-energie net voor de buffer

Ez;pot;t

Joule

Buitentemperatuur

Marge waarmee buffertemperatuur kan worden verhoogd door warmtepomp

Energievraag voor ruimteverwarming op uur t

Evrg;rvw;t

Joule

Temperatuurniveau horend bij energievraag ruimteverwarming op uur t

Tvrg;rvw;t

°C

Energievraag voor tapwater op uur t

Evrg;tap;t

Joule

Temperatuurniveau horend bij energievraag tapwater op uur t

Tvrg;tap;t

°C

Toegevoegde energie aan het transportmedium bij de collector

∆Ez;nto;t

Joule

∆Ez;buffer;in;t

Joule

Temperatuur behorend bij primaire energievraag op uur t

Tvrg;prim;t

°C

Energievraag bij de laagste temperatuurvraag op uur t

Evrg;prim;t

Joule

∆Evrg;prim;uit;t

Joule

Temperatuur behorend bij secundaire energievraag op uur t

Tvrg;sec;t

°C

Energievraag bij de hoogste temperatuurvraag op uur t

Evrg;sec;t

Joule

Energie die daadwerkelijk toegevoegd kan worden aan de buffer op uur t

Primaire energievraag die daadwerkelijk wordt onttrokken aan buffer

∆Evrg;sec;uit;t

Joule

Energieverlies als gevolg van stilstand in de buffer op uur t

Secundaire energievraag die daadwerkelijk wordt onttrokken aan buffer

∆Everl;t

Joule

Energieverlies als gevolg van radiatie en convectie op uur t

Ez;rc;t

Joule

Leidingverlies als gevolg van transport op uur t

Elv;t

Joule



Figurenlijst Tabel 34: Figuren en Bronnen

Pagina

Figuur

Bron

Figuur 1: Kostprijs Aardgas en Elektriciteit

ECN website

16

Figuur 2: Voorraden en Productie Olie

Holland Solar, Feiten en Cijfers

17

Figuur 3: Prijsontwikkeling Gas en Thermische Zonne-energie

Holland Solar, Feiten en Cijfers

18

Figuur 4 t/m Figuur 6

Eigen Figuren

Figuur 7: Wereldkaart met Klimaatzones

Köppen-Geiger website


Eigen Figuren

Figuur 10: Tussenwoning

SenterNovem website

Figuur 11: Voorbeeld van een Stooklijn

Eigen Figuren

Figuur 12: Uitgangspunt voor het Model is de Zonneboiler Combi

SenterNovem website

37

Figuur 13: Vlakke Plaat Collector

Zonne-energiewinkel website

38

Figuur 14: Energiestromen bij een Vlakke Plaat Collector

Quashning, Renewable Energy Systems

38

Figuur 15: Buffervat

Het zonneboilerhuis website

40

Figuur 16: Karakteristieke Temperatuurdaling in de Buffer

Eigen Figuren

41

Figuur 17: Tabel uit Macro Economische Verkenning 2010 van CPB

Macro Economische Verkenning 2010; CPB

49


Eigen Figuren

Figuur 79: Impressie van de Variabelen die in de E-Calculator worden meegenomen

E-Calculator website


29 32 -

140


Bijlagen Bijlage 1



Technische Informatie Referentiewoningen: Tussenwoning





Bijlage 2



Beschrijving TRNSYS Model TRNSYS is een flexibel gereedschap waarmee complexere energievraagstukken kunnen worden opgelost. Het programma simuleert de dynamische werking van thermische systemen. Met dit programma is de energiehuishouding voor ruimteverwarming berekend voor de gekozen referentie tussenwoning onder specifieke omstandigheden. Het programma is modulair opgebouwd. De verschillende componenten (‘types’ genoemd) representeren hebben allemaal een eigen functie in het proces voor de berekening van in dit geval energievraag. In figuur 80 is het model te zien dat voor scenario 1 is gemaakt.

Figuur 80: Opzet van het TRNSYS Model met de verschillende Componenten (Types)

De belangrijkste componenten die zijn te onderscheiden in het model zijn hieronder verklaard. Daarvoor is dezelfde figuur nog eens toegevoegd met daarbij de indicatie welke componenten welke functie hebben. Dit is te zien in figuur 81. Type 56 is de component die alle fysische eigenschappen van het referentiegebouw beschrijft en waarin ook alle eigenschappen van het gebouwgebruik zijn ingevoerd zoals vochtproductie, interne warmteproductie, ventilatie etc. Deze component was voor de tussenwoning van SenterNovem al eens opgesteld door Cauberg-Huygen en is hier overgenomen. Om deze type56 zijn alle andere componenten (types) heen gebouwd die de randvoorwaarden beschrijven en die de gewenste output leveren. Zo zijn de types 9, 16h en 89 toegevoegd voor het simuleren van het gewenste klimaat (1964 en later ook 1995). De 3 verschillende types 8 zijn opgesteld voor het gedrag van de thermostaten en de spuiventilatie. Voor de output van gewenste data zijn er verschillende printertypes (25) toegevoegd voor het schrijven van data voor elk uur van het jaar naar .dat bestanden. Ook zijn er (type 65) componenten toegevoegd voor visuele output. Zo kan gemakkelijk meteen naar de resultaten gekeken worden na het veranderen van het model zonderde gehele dat te hoeven napluizen.



Klimaat type 9, 16h, 89

Printer Data type 25

Regeling Type 8

Gebouw type 56

Visuele Output type 65 Figuur 81: Toelichting verschillende Componenten van het Model

De voorgaand beschreven componenten vormen de basis voor het berekenen van de energievraag voor ruimteverwarming van de tussenwoning. Er kan voor verschillende huishoudens een energievraag gedurende het jaar berekend worden aan de hand van het gedrag (ventilatiegedrag, gedrag spuiventilatie, manier van gebruik thermostaat etc.).



Referentiescenario 1: Uitgangswaarden 9.4.1.1

Woonkamer (zone 1) Initiële waarden: 20°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling: geen koeling Ventilatiesoorten: • Ventilatie bij koken; VENTKOKEN=1,7*KOKEN (1/h) Tabel 35:Waarden voor de variabele 'KOKEN'

•

Waarde KOKEN

Tijd

0 1 0

0:00u tot 17:00u 17:00u tot 19:00u 19:00u tot 0:00u

Ventilatiewoonkamer; VENTWOONK=0,86*VENTSTAND (1/h) Tabel 36: Waarde voor de variabele 'VENTSTAND'

Waarde VENTSTAND

Tijd

0,75 1 0,5 1 0,75 1 1 0,75

0:00 tot 07:00 07:00 tot 09:00 09:00 tot 11:00 11:00 tot 16:00 16:00 tot 17:00 17:00 tot 21:00 21:00 tot 21:30 21:30 tot 24:00

• Spuiventilatie; SPUIVENT=3*SPUIAANUIT (1/h) SPUIAANUIT is een signaal dat voorkomt uit een vergelijking tussen de heersende operatieve temperatuur in de woning en een constante waarde van 24°C. Wanneer de waarde van de operatieve binnentemperatuur boven deze 24°C komt, dan is het signaal 1. Wanneer de operatieve binnentemperatuur niet boven de 24°C uitkomt, dan is het signaal 0. Er wordt hier natuurlijk geventileerd met buitenlucht. • Dummyvent; DUMMYVENT=5 (1/h) Hierbij wordt niet geventileerd met buitenlucht, maar met lucht die dezelfde temperatuur heeft als de luchttemperatuur van de betreffende ruimte (woonkamer). Deze ventilatie levert dus verder geen bijdrage aan de warmtebehoefte. Het bovenstaande wordt veroorzaakt door een conversie coëfficiënt van 0, ingevuld bij het ventilatiesysteem. Interne warmteproductie: • ISSO 7730 ‘seated at rest’ Deze interne warmte productie is hier 100 Watt en de totale interne warmte veroorzaakt door personen in de woonkamer is 1*PERSWNK*100.



Tabel 37: Waarde voor de variabele 'PERSWNK'

Waarde PERSWNK

Tijd

0 1,75 1,75 2,00 0 0,50 0 2,00 1,00 1,00 2,00 2,00 2,25 4,00 3,00 2,50 2,00 1,50 0,00

0:00 tot 06:00 06:00 tot 07:00 07:00 tot 08:00 08:00 tot 09:00 09:00 tot 10:00 10:00 tot 11:00 11:00 tot 12:00 12:00 tot 13:00 13:00 tot 14:00 14:00 tot 15:00 15:00 tot 16:00 16:00 tot 17:00 17:00 tot 18:00 18:00 tot 19:00 19:00 tot 20:00 20:00 tot 21:00 21:00 tot 22:00 22:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

•

Geen computer in deze ruimte die interne warmteproductie veroorzaakt.

•

Verlichting 13 W/m2 EVG direct, (1*LAMPWNK*Interne Warmte) met 70% convectie. Tabel 38: Waarde voor de variabele 'LAMPWNK'

Waarde LAMPWNK

Tijd

0 1 0 0,5 1 0

0:00 tot 06:00 06:00 tot 09:00 09:00 tot 17:00 17:00 tot 21:00 21:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

• Overige interne warmteproductie Interne warmte door koken; 1260 kJ/hr tussen 17:00 tot 19:00 Interne warmte door tv; 720kJ/hr tussen 17:00 en 23:00 Comfort: • COMFWOONK De clothing factor is 0,7 van september t/m maart en 0,9 van april t/m augustus. Metabolisme is vastgesteld op 1,2 en de relatieve luchtsnelheid is niet groter dan 0,15 m/s. Infiltratie: • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur.



Verwarming: • VERWWOON=9000*AANUITTH (kJ/h) De variabele AANUITTH wordt bepaald door thermostaat, AANUITTH=1 als de operatieve temperatuur van de ruimte lager is dan de eis. Deze eis volgt uit: Th1: 20°C overdag, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de ruimte 20,9°C is. Tijdens de nacht wordt de eis bijgesteld volgens: Th1;new=Th1-Yset*DTset. Hierbij is DTset vastgesteld op een waarde 3 (setback temperature). De variabele Yset is een functie van de dag, zoals in de onderstaande tabel is te zien. Tabel 39: Waarde voor de variabele 'Yset'

Yset

Tijd

1 1 0 0 1 1

0:00 8:00 8:00 23:00 23:00 24:00

Dit betekent dat Th1 in de nacht 17°C is. Voor de operatieve binnentemperatuur wordt in de nacht dus een lagere waarde geaccepteerd dan overdag. Het vermogen van de verwarming in deze ruimte is 9000 kJ/h (AANUITTH) met een set temperatuur van 20,9°C gedurende de dag en 40% radiatie. De ‘setback’ vindt dus plaats gedurende de nacht (23:00u tot 8:00u). 9.4.1.2

Hal (zone 2) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • geen ventilatie Interne warmteproductie • geen interne warmteproductie Comfort • geen model voor comfort Infiltratie • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • HAL, 3600*AANUITTH (kJ/h) De variabele AANUITTH wordt bepaald door de thermostaat uit de woonkamer. AANUITTH is 1 als de operatieve temperatuur van de woonkamer lager is dan de eis (zie paragraaf 9.4.1.1). De verwarming in de hal gaat dus aan wanneer ook de verwarming in de woonkamer aan gaat. Enkel springt de verwarming op de overloop uit wanneer een operatieve ruimtetemperatuur van 18°C is bereikt of als de thermostaat de verwarming uitschakelt doordat de gewenste temperatuur bereikt



is in de woonkamer. Het vermogen van de verwarming in deze ruimte is 3600 kJ/h (AANUITTH) met een set temperatuur van 18°C gedurende de dag en 40% radiatie. 9.4.1.3

Toilet en berging (zones 3 en 4) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • Alleen op het toilet is een spuiventilatie gemodelleerd die 2 uur per dag aan staat. Een keer tussen 08:00u en 09:00u en een keer tussen 18:00u en19:00u. Hierbij geldt een ventilatievoud van 2 keer per uur. Interne warmteproductie • geen interne warmteproductie Comfort • geen model voor comfort Infiltratie • geen infiltratie Verwarming • geen verwarming

9.4.1.4

Slaapkamer 1 (zone 5) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • Ventilatie slaapkamer; VENTSLK1=0,85*VENTSTAND (1/h) Tabel 40: Waarde voor de variabele 'VENTSTAND'

Waarde VENTSTAND

Tijd

0,75 1 0,5 1 0,75 1 1 0,75


De temperatuur van de ventilatielucht is hier gelijk aan de buitentemperatuur. • Spuiventilatie; SPUIVENT=3*SPUIAANUIT (1/h) SPUIAANUIT is een signaal dat voorkomt uit een vergelijking tussen de heersende operatieve temperatuur in de woning en een constante waarde van 24°C. Wanneer de waarde van de operatieve binnentemperatuur boven deze 24°C komt, dan is het signaal 1. Wanneer de



operatieve binnentemperatuur niet boven de 24°C uitkomt, dan is het signaal 0. Er wordt hier natuurlijk geventileerd met buitenlucht. • Dummyventilatie; DUMYVNTSK1=5 (1/h) Hierbij wordt niet geventileerd met buitenlucht, maar met lucht die dezelfde temperatuur heeft als de luchttemperatuur van de betreffende ruimte (woonkamer). Deze ventilatie levert dus verder geen bijdrage aan de warmtebehoefte. Het bovenstaande komt door een conversie coëfficiënt van 0, ingevuld bij het ventilatiesysteem. (Wanneer gebalanceerde ventilatie wordt toegepast, zal deze factor en dus ook dit ventilatiesysteem belangrijk worden.) Interne warmteproductie • ISSO 7730 ‘seated at rest’ Deze interne warmte productie is 100 Watt en de totale interne warmte veroorzaakt door personen in slaapkamer 1 is 1*PERSSLK1*100. Tabel 41: Waarde voor de variabele 'PERSSLK1'

Waarde PERSSLK1

Tijd

1 0,75 0 1,25 1 0 0,75 1


•


•

Verlichting 10 W/m2, (1*LAMPSLK1*Interne Warmte) met 90% convectie. Tabel 42: Waarde voor de variabele 'LAMPSLK1'

Waarde LAMPSLK1

Tijd

0 1 0 1 0

0:00 tot 07:00 07:00 tot 08:00 08:00 tot 19:00 19:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

Comfort • COMFSLK De clothing factor is 0,7 van september t/m maart en 0,9 van april t/m augustus. Metabolisme is vastgesteld op 1,2 en de relatieve luchtsnelheid is niet groter dan 0,15 m/s. Infiltratie • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • VERWARMSL1=3600*THERMSLKAU (kJ/h) 157 29 december 2009


De variabele THERMSLKAU wordt bepaald door de thermostaat die op de slaapkamer hangt. THERMSLKAU is 1 als operatieve temperatuur van de ruimte lager is dan de eis, anders is de waarde gelijk aan 0. De eis voor de operatieve temperatuur in de ruimte is: Th1: 18°C, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de slaapkamer 18,5°C is. Het vermogen van de verwarming is 3600 kJ/h met een set temperatuur van 18,5°C gedurende de dag en met 40% radiatie. 9.4.1.5

Slaapkamer 2 (zone 6) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • Ventilatie slaapkamer; VENTSLK2=0,85*VENTSTAND (1/h) Tabel 43: Waarde voor de variabele 'VENTSTAND'

Waarde VENTSTAND 0,75 1 0,5 1 0,75 1 1 0,75

Tijd 0:00 tot 07:00 07:00 tot 09:00 09:00 tot 11:00 11:00 tot 16:00 16:00 tot 17:00 17:00 tot 21:00 21:00 tot 21:30 21:30 tot 24:00

De temperatuur van de ventilatielucht is hier gelijk aan de buitentemperatuur. • Spuiventilatie; SPUIVENT=3*SPUIAANUIT (1/h) SPUIAANUIT is een signaal dat voorkomt uit een vergelijking tussen de heersende operatieve temperatuur in de woning en een constante waarde van 24°C. Wanneer de waarde van de operatieve binnentemperatuur boven deze 24°C komt, dan is het signaal 1. Wanneer de operatieve binnentemperatuur niet boven de 24°C uitkomt, dan is het signaal 0. Er wordt hier natuurlijk geventileerd met buitenlucht. • Dummyventilatie; DUMYVNTSK2=5 (1/h) Hierbij wordt niet geventileerd met buitenlucht, maar met lucht die dezelfde temperatuur heeft als de luchttemperatuur van de betreffende ruimte (woonkamer). Deze ventilatie levert dus verder geen bijdrage aan de warmtebehoefte. Het bovenstaande komt door een conversie coëfficiënt van 0, ingevuld bij het ventilatiesysteem. (Wanneer gebalanceerde ventilatie wordt toegepast, zal deze factor en dus ook dit ventilatiesysteem belangrijk worden.)



Interne warmteproductie • ISSO 7730 ‘seated at rest’ Deze Interne warmte productie is 100 Watt en de totale interne warmte veroorzaakt door personen in slaapkamer 2 is 1*PERSSLK2*100. Tabel 44: Waarde van de variabele 'PERSSLK2'

Waarde PERSSLK2 2 1,75 0 0,25 0 0,25 2

Tijd 0:00 tot 05:00 05:00 tot 06:00 06:00 tot 09:00 09:00 tot 10:00 10:00 tot 22:00 22:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

•


•

Verlichting 10 W/m2, (1*LAMPSLK2*Interne Warmte) met 90% convectie Tabel 45: Waarde van de variabele 'LAMPSLK2'

Waarde LAMPSLK2

Tijd

0 1 0 1

0:00 tot 05:00 05:00 tot 06:00 06:00 tot 22:00 22:00 tot 24:00

Comfort • COMFSLK De clothing factor is 0,7 van september t/m maart en 0,9 van april t/m augustus. Metabolisme is vastgesteld op 1,2 en de relatieve luchtsnelheid is niet groter dan 0,15 m/s. Infiltratie • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • VERWARMSL1=3600*THERMSLKAU (kJ/h) De variabele THERMSLKAU wordt bepaald door de thermostaat die op de slaapkamer hangt. THERMSLKAU is 1 als operatieve temperatuur van de ruimte lager is dan de eis, anders is de waarde gelijk aan 0. De eis voor de operatieve temperatuur in de ruimte is: Th1: 18°C, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de slaapkamer 18,5°C is. Het vermogen van de verwarming is 3600 kJ/h met een set temperatuur van 18,5°C gedurende de dag en met 40% radiatie. 9.4.1.6

Slaapkamer 3 (zone 7) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling 159 29 december 2009


• geen koeling Ventilatiesoorten • Ventilatie slaapkamer; VENTSLK3=0,85*VENTSTAND (1/h) Tabel 46: Waarde van de variabele 'VENTSTAND'

Waarde VENTSTAND

Tijd

0,75 1 0,5 1 0,75 1 1 0,75


De temperatuur van de ventilatielucht is hier gelijk aan de buitentemperatuur. • Spuiventilatie; SPUIVENT=3*SPUIAANUIT (1/h) SPUIAANUIT is een signaal dat voorkomt uit een vergelijking tussen de heersende operatieve temperatuur in de woning en een constante waarde van 24°C. Wanneer de waarde van de operatieve binnentemperatuur boven deze 24°C komt, dan is het signaal 1. Wanneer de operatieve binnentemperatuur niet boven de 24°C uitkomt, dan is het signaal 0. Er wordt hier natuurlijk geventileerd met buitenlucht. • Dummyventilatie; DUMYVNTSK3=5 (1/h) Hierbij wordt niet geventileerd met buitenlucht, maar met lucht die dezelfde temperatuur heeft als de luchttemperatuur van de betreffende ruimte (woonkamer). Deze ventilatie levert dus verder geen bijdrage aan de warmtebehoefte. Het bovenstaande komt door een conversie coëfficiënt van 0, ingevuld bij het ventilatiesysteem. (Wanneer gebalanceerde ventilatie wordt toegepast, zal deze factor en dus ook dit ventilatiesysteem belangrijk worden.) Interne warmteproductie • ISSO 7730 ‘seated at rest’ Deze interne warmte productie is 100 Watt en de totale interne warmte veroorzaakt door personen in slaapkamer 3 is 1*PERSSLK3*100. Tabel 47: Waarde van de variabele 'PERSSLK3'

Waarde PERSSLK3

Tijd

1 1 0 0,25 0 1 0,75 1




•


•

Verlichting 10 W/m2, (1*LAMPSLK2*Interne Warmte) met 90% convectie. Tabel 48: Waarde van de variabele 'LAMPSLK2'

Waarde LAMPSLK2 0 1 0 1 0

Tijd 0:00 tot 07:00 07:00 tot 08:00 08:00 tot 20:00 20:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

Comfort • COMFSLK De clothing factor is 0,7 van september t/m maart en 0,9 van april t/m augustus. Metabolisme is vastgesteld op 1,2 en de relatieve luchtsnelheid is niet groter dan 0,15 m/s. Infiltratie • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • VERWARMSL1=3600*THERMSLKAU (kJ/h) De variabele THERMSLKAU wordt bepaald door de thermostaat die op de slaapkamer hangt. THERMSLKAU is 1 als operatieve temperatuur van de ruimte lager is dan de eis, anders is de waarde gelijk aan 0. De eis voor de operatieve temperatuur in de ruimte is: Th1: 18°C, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de slaapkamer 18,5°C is. Het vermogen van de verwarming is 3600 kJ/h met een set temperatuur van 18,5°C gedurende de dag en met 40% radiatie. 9.4.1.7

Overloop Eerste Verdieping (zone 8) Initiële waarden • 18°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • geen ventilatie Interne warmteproductie • geen interne warmteproductie Comfort • geen model voor comfort Infiltratie • geen infiltratie Verwarming • HAL=3600*AANUITTH (kJ/h)



De variabele AANUITTH wordt bepaald door de thermostaat van de woonkamer. AANUITTH is 1 als de operatieve temperatuur van de woonkamer lager is dan de eis. Deze eis is eerder aan de orde gekomen in pararaaf 1.1.2 bij verwarming van de woonkamer. De verwarming in de hal op de 1e verdieping gaat dus aan wanneer ook de verwarming in de woonkamer aan gaat. Enkel springt de verwarming op de overloop uit wanneer de operatieve ruimtetemperatuur 18°C bereikt of als de thermostaat de verwarming uitschakelt doordat de gewenste temperatuur bereikt is in de woonkamer. Het vermogen van de verwarming is 3600 kJ/h met een set temperatuur van 18°C gedurende en met 40% radiatie. De ‘setback’ vindt plaats gedurende de nacht (23:00u tot 8:00u). 9.4.1.8

Badkamer (zone 9) Initiële waarden • 22°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • geen ventilatie Interne warmteproductie • ISSO 7730 ‘Standing, light work or working slowly’ Deze interne warmte productie is 185 Watt en de totale interne warmte veroorzaakt door personen in de badkamer is 1*PERSBADK*185. Tabel 49: Waarde van de variabele 'PERSBADK'

•

Waarde PERSBADK

Tijd

0 0,25 0,50 0 0,25 0 0,75 0



• Geen verlichting (niet maatgevend in deze ruimte door het vrij korte gebruik). Comfort • geen model voor comfort Infiltratie • INFIL=0,33 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • VERWBADK, 3600*THERMSKLAU (kJ/h)



De variabele THERMSKLAU wordt bepaald door thermostaat van de slaapkamers. THERMSKLAU is 1 als de verwarming in de slaapkamers ook aan staat, anders staat is THERMSKLAU gelijk aan 0 en staat de verwarming op de badkamer uit. De eis voor verwarmen volgt uit: Th1: 18°C, als de operatieve temperatuur van de slaapkamers lager is dan Th1 zal de verwarming in de badkamer aan gaan en blijven verwarmen totdat de operatieve temperatuur van de badkamer 22°C is of de thermostaat uitgeschakeld wordt door het bereiken van de gewenste temperatuur op de slaapkamer. Het vermogen van de verwarming is 3600 kJ/h met een set temperatuur van 22°C gedurende de dag en met 40% radiatie. 9.4.1.9

Zolder (zone 10) Initiële waarden • 20°C en een relatieve vochtigheid van 50% Koeling • geen koeling Ventilatiesoorten • geen ventilatie Interne warmteproductie • geen interne warmteproductie Comfort • geen model voor comfort Infiltratie • INFIL=0,6 1/h Dit is de infiltratievoud van de ruimte per uur. Verwarming • geen verwarming Resultaten In de onderstaande tabel 50 is tevens een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 1. Tabel 50: Overzicht Belangrijke Resultaten


Periode Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Uur (8697) Uur (3204) Uur (23 van de dag) Uur (8634)


Waarde 2,08·1010 J 1,14·1010 J 3,22·1010 J 0,35·1010 J 1,87·107 J 0,31·107 J/m2 0,96·107 J 1,97·107 J


Scenario 2: Uitgangswaarden Het klimaat dat is toegepast bij het model voor scenario 2 is het klimaat uit 1995. Dit jaar wordt gezien als een extreem warm jaar en is daarom hier gekozen als contrast met het jaar 1964. Hierbij is vooral de input van de temperatuur- en zonnestralingdata voor elk uur van het jaar van belang. Alle overige randvoorwaarden zijn ten opzichte van scenario 1 onveranderd gebleven. Scenario 2: Resultaten In de onderstaande tabel 52 is tevens een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 2. Tabel 51: Overzicht Belangrijke Resultaten






Scenario 3: Uitgangswaarden Bij scenario 3 zijn de algemene randvoorwaarden niet veranderd ten opzichte van de algemene randvoorwaarden zoals die in referentiescenario 1 zijn toegepast. Enkel de eigenschappen behorende bij de verschillende zones zijn gewijzigd. Dezelfde woning hoeft nog niet per definitie eenzelfde energievraagpatroon te betekenen. Om deze reden is in dit scenario gekozen voor een ander huishouden. De veranderingen zijn gebaseerd op een tussenwoning die wordt bewoond door minder personen die daarbij ook nog minder aanwezig zijn dan de bewoners van de tussenwoning uit scenario 1. De aanwezigheid van het aantal personen volgt uit de tabellen voor interne warmteproductie bij elke zone. Hierbij is aangenomen dat er overdag tijdens de werktijden helemaal niemand aanwezig is. Tijdens deze uren is de ventilatie dan ook naar beneden bijgesteld. Daarnaast is er bij de slaapkamers voor gezorgd dat, wanneer de ruimte niet gebruikt wordt (overdag), de eis voor de minimale temperatuur lager ligt dan wanneer de ruimte in gebruik is. Slaapkamer 3 is ingericht als studeerkamer en hier verblijven dus geen personen tijdens de nacht. 9.4.1.10 Woonkamer (zone 1) Ventilatiesoorten • Ventilatiewoonkamer; VENTWOONK=0,86*VENTSTAND (1/h) Tabel 52: Waarde voor de variabele 'VENTSTAND'

Waarde VENTSTAND 0,75 1 0,25 0,25 0,25 1 1 0,75


Interne warmteproductie Tabel 53: Waarde voor de variabele 'PERSWNK'

Waarde PERSWNK

Tijd

0 1,75 1,75 2,00 0 0 0 0 0 0 0 1,00 1,50 2,00

0:00 tot 06:00 06:00 tot 07:00 07:00 tot 08:00 08:00 tot 09:00 09:00 tot 10:00 10:00 tot 11:00 11:00 tot 12:00 12:00 tot 13:00 13:00 tot 14:00 14:00 tot 15:00 15:00 tot 16:00 16:00 tot 17:00 17:00 tot 18:00 18:00 tot 19:00



1,50 2,00 0 0 0

19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

tot tot tot tot tot

20:00 21:00 22:00 23:00 24:00

Verwarming • VERWWOON=9000*AANUITTH (kJ/h) De variabele AANUITTH wordt bepaald door thermostaat, AANUITTH=1 als de operatieve temperatuur van de ruimte lager is dan de eis. Deze eis volgt uit: Th1: 20°C overdag, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de ruimte 20,9°C is. Tijdens de nacht wordt de eis bijgesteld volgens: Th1;new=Th1-Yset*DTset. Hierbij is DTset vastgesteld op een waarde 3 (setback temperature). Dit betekent dat Th1 in de nacht 17°C is. 9.4.1.11 Slaapkamer Algemeen Voor alle drie de slaapkamers is er in dit scenario een extra eis toegevoegd die er voor zorgt dat de ruimte minder verwarmd hoeft te worden als deze niet in gebruik is. Deze eis is hieronder verder toegelicht. Verwarming Th1: 18°C in de nacht, als de operatieve temperatuur lager is dan Th1 zal de verwarming aan gaan en aan blijven tot de operatieve temperatuur van de ruimte 18°C is. Tijdens de dag wordt de eis bijgesteld volgens: Th1;new=Th1-Yset*DTset. Hierbij is DTset vastgesteld op een waarde 3 (setback temperature). De variabele Yset is een functie van de dag, zoals in de onderstaande tabel is te zien. Tabel 54: Waarde voor de variabele 'Yset'

Yset

Tijd

0 0 1 1 0 0

0:00 8:00 8:00 23:00 23:00 24:00

Dit betekent dat Th1 overdag 15°C is. Voor de operatieve binnentemperatuur wordt overdag dus een lagere waarde geaccepteerd dan in de nacht. 9.4.1.12 Slaapkamer 1 (zone 5) Interne warmteproductie Tabel 55: Waarde voor de variabele 'PERSSLK1'

Waarde PERSSLK1

Tijd

1 0,25 0 0 0

0:00 tot 07:00 07:00 tot 08:00 08:00 tot 09:00 09:00 tot 10:00 10:00 tot 11:00



0 0,5 1

11:00 tot 19:00 19:00 tot 20:00 20:00 tot 24:00

9.4.1.13 Slaapkamer 2 (zone 6) Interne warmteproductie Tabel 56: Waarde voor de variabele 'PERSSLK2'

Waarde PERSSLK2

Tijd

1 1 0 0 0 0,25 1

0:00 tot 05:00 05:00 tot 06:00 06:00 tot 09:00 09:00 tot 10:00 10:00 tot 22:00 22:00 tot 23:00 23:00 tot 24:00

9.4.1.14 Slaapkamer 3 (zone 7) Interne warmteproductie Tabel 57: Waarde voor de variabele 'PERSSLK3'

Waarde PERSSLK3 0 0 0 0 0 1 0,75 0


Scenario 3: Resultaten In de onderstaande tabel 58 is tevens een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 3. Tabel 58: Overzicht Belangrijke Resultaten






Scenario 4: Uitgangswaarden In vergelijking met scenario 1 is in scenario 4 het patroon voor het gebruik van tapwater gedurende het jaar gewijzigd. De tijdstippen waarop een bepaald tappunt gebruikt worden zijn vrijwel hetzelfde gebleven. Echter, in het hier beschreven huishouden, wordt veel meer water gebruikt. Dit wordt vooral veroorzaakt door de aanwezigheid van een bad, maar ook door het langduriger gebruik van enkele tappunten. Aangenomen is dat de (vier) bewoners van de tussenwoning vijf maal in de week een bad vol laten lopen. Dit gebeurt twee keer op zaterdagmorgen en twee keer op zondagmorgen en ook nog een keer op woensdagavond. Hierbij is uitgegaan van een 180 liter bad dat voor 60% gevuld wordt met een debiet van 0,16 liter per seconde (zelfde debiet als voorheen is gekozen voor de douche). Daarnaast is de dagelijkse gebruiksduur van enkele tappunten verlengd. Het gaat om de volgende tijdstippen met bijbehorende gebruiksduur: Tabel 59: Wijziging Gebruiksduur Tappunten

Tijdstip 7:15:00 10:35:00 13:05:00 14:35:00 18:05:00 19:40:00 23:30:00

Tappunt Douche Aanrecht Aanrecht Aanrecht Aanrecht Aanrecht Douche

Duur scenario 1 (s) 456 4 68 4 68 4 456

Duur scenario 4 (s) 600 30 120 30 120 30 600

Alle overige randvoorwaarden zijn ten opzichte van scenario 1 onveranderd gebleven. Voor de grafieken voor temperaturen in de verschillende ruimtes en de energievraag voor ruimteverwarming wordt verwezen naar de figuren van referentiescenario 1. Scenario 4: Resultaten In onderstaande tabel 60 is een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 4. Tabel 60: Overzicht Belangrijke Resultaten


Periode Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Uur (8697) Uur (3204) Uur (zat en zon morgen) Uur (8695)




Scenario 5: Uitgangswaarden Dit scenario is opgesteld om een bovengrens te creëren, wanneer er gezocht zal worden naar een optimaal opslagsysteem passend bij alle scenario’s. Om een hoge energievraag voor de woning te genereren zijn er een aantal randvoorwaarden opgesteld. Ten opzichte van scenario 1 zijn er een aantal verschillen: • •

• • •

De slaapkamers worden al verwarmd, wanneer de operatieve temperatuur onder de 20° zakt in tegenstelling tot de 18° in scenario 1. De ventilatievoud van een aantal ruimtes ligt een stuk hoger. Zo hebben de woonkamer en de drie slaapkamers allemaal een ventilatiehoeveelheid van 1*VENTSTAND in plaats van de 0,86/0,85*VENTSTAND in scenario 1. De infiltratie is hier hoger en wel 0,4 1/h in plaats van 0,33 1/h. Ook de set temperatuur waarbij de verwarming uitgeschakeld wordt is voor de slaapkamers verhoogd naar 20°. Voor de hal is deze set temperatuur verhoogd naar 19°. Naast het aanpassen van parameters zodat de energievraag voor ruimteverwarming toeneemt, is er ook voor gekozen om de energievraag voor warm tapwater te nemen zoals die in scenario 4 werd gebruikt (vrij grote waarden voor warm tapwater).

In feite is dus uit de bovenstaande vier scenario’s de grootste vraag voor ruimteverwarming genomen (scenario1) en zijn verschillende bouwkundige en installatietechnische voorwaarden aangepast, zodat de energievraag voor ruimteverwarming relatief groot wordt. Daarnaast is uit de bovenstaande scenario’s de grootste vraag voor tapwater verwarming genomen (scenario 4). Scenario 5: Resultaten In onderstaande tabel 61 is een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 5. Tabel 61: Overzicht Belangrijke Resultaten


Periode Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Jaar (1964) Uur (8697) Uur (3204) Uur (zat en zon morgen) Uur (8695)




Scenario 6: Uitgangswaarden Dit scenario is opgesteld om een ondergrens te creëren, wanneer er gezocht zal worden naar een optimaal opslagsysteem passend bij alle scenario’s. Om een lage energievraag voor de woning te genereren zijn er een aantal randvoorwaarden opgesteld. Ten eerste is weer de klimaatdata uit 1964 gebruikt zoals was gedaan in scenario 1, zodat het verschil met het referentiescenario 1 duidelijk te zien is. Ten opzichte van scenario 1 zijn er een aantal aanpassingen gedaan: • •

• • •

De slaapkamers worden pas verwarmd, wanneer de operatieve temperatuur onder de 17° zakt in tegenstelling tot de 18° in scenario 1. De ventilatievoud van een aantal ruimtes ligt een stuk lager. Zo hebben de woonkamer en de drie slaapkamers allemaal een ventilatiehoeveelheid van 0,7*VENTSTAND in plaats van de 0,86/0,85*VENTSTAND in scenario 1. Ook wanneer er gekookt wordt is de ventilatievoud verlaagd naar 1,5*KOKEN. De infiltratie is hier lager en wel 0,25 1/h in plaats van 0,33 1/h. Ook de set temperatuur waarbij de verwarming uitgeschakeld wordt, is voor de slaapkamers verlaagd naar 17,5°. Voor de hal is deze set temperatuur verlaagd naar 17°. Naast het aanpassen van parameters zodat de energievraag voor ruimteverwarming afneemt, is er ook voor gekozen om de energievraag voor warm tapwater te verlagen ten opzichte van de energievraag zoals gebruikt in scenario 1. Deze verlaagde energievraag voor tapwater over de dag is te zien in figuur 82.

Verloop van het Energiegebruik voor Warmtapwater 10000000 9000000 Energiegebruik [J]

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] Figuur 82: Energievraag voor Warmtapwater Gedurende de Dag

Hierbij is ervan uitgegaan dat er korter (300 i.p.v. 456 sec) wordt gedoucht, dat het gebruik van de wasbak korter is (30 i.p.v. 49sec), dat de vaatwas minder water verbruikt (40 i.p.v. 68 sec) en dat spoelen aan het aanrecht minder lang duurt (20 i.p.v. 29sec). In feite is dus de laagste vraag voor ruimteverwarming gecreëerd (vanuit scenario 1) door verschillende bouwkundige en installatietechnische voorwaarden aan te passen, zodat de



energievraag voor ruimteverwarming extra laag wordt. Daarnaast is voor energievraag ten behoeve van warm tapwater een variant gemaakt, waarbij extra zuinig wordt omgesprongen met warm water. Scenario 6: Resultaten In onderstaande tabel 62 is een overzicht gegeven van de belangrijkste resultaten van scenario 6. Tabel 62: Overzicht Belangrijke Resultaten






Bijlage 3



Collectorcircuit 1) De temperatuur die de collector instroomt Tcol;in;t, is afhankelijk van de buffertemperatuur Tbuffer;t-1 aan het eind van het vorige uur t en de opvallende energie op de collector in het vorige uur. ALS Qz;t-1=0 DAN Tcol;in;t=Te;t-1 ANDERS Tcol;in;t=Tbuffer;t-1 Hierbij is er voor gekozen om de verliezen voor transport van de buffer naar de collector te verwaarlozen. 2) De overgebleven zonne-energie ∆Ez;nto;t die het transportmedium opwarmt is gelijk aan: ∆Ez;nto;t=Ez;col;t - Ez;rc;t Met: Ez;col;t: De totale zonne-energie vallend op de collector. Ez;rc;t: Het totale energieverlies als gevolg van radiatie en convectie bij de collector. De totale energie vallend op de collector is gelijk aan: Ez;col;t= Qz;t · Ac De energie die verloren gaat als gevolg van radiatie en convectie bij de collector is: Ez;rc;t= ( a1·Ac· (∆Tcol;t-1)+a2·Ac· (∆Tcol;t-1)2 ) · 3600 Met: Qz;t: Zonne-energie op een vlak met gekozen stand en oriëntatie (J/m2). Ac: Collectoroppervlak (m2). a1: Coëfficiënt voor verliezen van de collector (W/m2·K). a2: Coëfficiënt voor verliezen van de collector (W/m2·K2). ∆Tcol;t-1: Temperatuursverschil tussen de gemiddelde collectortemperatuur Tcol;gem;t-1 (Tcol;gem;t-1=(Tcol;in;t+Tcol;uit;t)/2) en de omgevingstemperatuur Te;t-1. Doordat de energie voor het opwarmen van het transportmedium Ez;nto;t op tijdstip t bekend is, wordt de temperatuur van het transportmedium dat de collector uitstroomt berekend. Dit is als volgt gedaan: Tcol;uit;t=Tcol;in;t + ∆Ttrs;t De temperatuurstijging van het transportmedium ∆Ttrs;t is gelijk aan: ∆Ttrs;t= ∆Ez;nto;t / (m·Ac·c·3600) Met: ∆Ez;nto;t: De overgebleven zonne-energie Ez;nto;t die het transportmedium opwarmt (J). Ac: Collectoroppervlak (m2). m: de massastroom van het transportmedium per vierkante meter collector (kg/m2·u). c: soortelijke warmte transportmedium (Wh/kg·K).



3) De temperatuur van het transportmedium Tcol;uit;t net na de buffer met een verhoogd energieniveau ∆Ez;nto;t is nu bekend. Voor het berekenen van het energieniveau Ez;pot;t met Tz;pot;t vlak voor de buffer moeten alleen nog de leidingverliezen worden berekend. Deze verliezen worden bepaald met behulp van de formules uit de afbakening en de verliezen voor leidingtransport hangen af van de leidinglengte en het leidingtype. Elv;t=k’·l·∆Tlv;t·3600 Met: k’: warmteoverdrachtscoëfficiënt (W/m·K) (zie paragraaf 4.3.4.3). l: lengte van de transportleiding (m). ∆Tlv;t: Temperatuursverschil tussen de leidingtemperatuur binnentemperatuur Ti;t=20°C.

Tcol;uit;t

en

de

Het beschikbare energieniveau net voor de buffer wordt nu: Ez;pot;t=Ez;col;uit;t – Elv;t Met: Ez;col;uit;t: Het totale energieniveau van het transportmedium in uur t (J). Elv;t: Leidingverliezen voor uur t (J). Door de daling van het totale energieniveau van het transportmedium als gevolg van leidingverliezen wordt de temperatuur Tz;pot;t: Tz;pot;t= Tcol;uit;t·( Ez;pot;t /Ez;col;uit;t) Hiermee zijn de belangrijkste variabelen voor het aanbod van zonne-energie Tz;pot;t en Ez;pot;t (of eigenlijk belangrijker ∆Ez;pot;t= ∆Ez;nto;t - Elv;t) bekend. Deze variabelen zullen in paragraaf 6.2.3 gebruikt worden.



Energiestroom naar de Buffer 1) De stappen 1) en 2) van deze paragraaf zijn bij elkaar gevoegd omdat deze ook in een formule zijn verwerkt. De voorwaarde voor de hoeveelheid toegevoegde potentiële energie aan de buffer ∆Ez;buffer;t ziet er als volgt uit: ALS Tz;pot;t>Tbuffer;t-1 DAN ALS Tbuffer;t*< Tz;pot;t DAN ∆Ez;buffer;in;t=∆Ez;pot;t ANDERS ∆Ez;buffer;in;t=Emax;buffer – Ebuffer;t-1 ANDERS 0

Met: Tz;pot;t: temperatuur van de potentiële zonne-energie net voor de buffer (°C). Tbuffer;t-1: temperatuur van de buffer aan het eind van het vorige uur t-1 (°C). Tbuffer;t*: nieuwe temperatuur die de buffer zou krijgen als ∆Ez;pot;t wordt toegevoegd (°C). Ebuffer;t-1: opgeslagen energie in de buffer aan het eind van vorig uur t (J). Emax;buffer: maximale opslag bij opgegeven maximale buffertemperatuur (J). ∆Ez;pot;t: beschikbare zonne-energie voor het verhogen van het energieniveau van de buffer (J). ∆Ez;buffer;in;t: de toegevoegde energie aan de buffer in uur t (J). Afgezien van de uitgaande energiestromen en het verlies voor stilstand in de buffer wordt de nieuwe gebufferde energie nu: Ebuffer;t=Ebuffer;t-1 + ∆Ez;buffer;in;t De nieuwe temperatuur van de buffer is gelijk aan: Tbuffer;t= (Ebuffer;t/ Ebuffer;max)·Tbuffer;max Met:

Tbuffer;max: de maximale opslagtemperatuur van de buffer (°C). Deze waarde is in te voeren bij de variabele parameters van het opslagsysteem onder werkblad ‘Collector&Opslagvat’. Hiermee is berekend voor elk uur t hoeveel zonne-energie daadwerkelijk de buffer in gaat (∆Ez;buffer;in;t). Ook is een nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;t met een nieuwe opgeslagen hoeveelheid energie Ebuffer;t berekend aan het eind van uur t.



Gevraagde Temperatuur De gemiddelde buitentemperatuur Te;gem wordt voor elke week berekend door de uurlijkse buitentemperaturen gedurende een week op te tellen en te delen door 168 uur. Ook de gemiddelde energievraag voor ruimteverwarming wordt voor elke week van het jaar berekend door de uurlijkse energievraag gedurende een week op te tellen en te delen door 168 uur. Met de data die is verkregen wordt aan de maximale energievraag in een week de maximale temperatuurvraag toegekend. De maximale en minimale temperatuurvraag kunnen worden opgegeven voor het verwarmingssysteem in werkblad ‘Collector&Opslagvat’. De temperatuurvraag behorend bij de energievraag per week wordt nu: Tgem;rvw;wkx = ((Trvw;max – Trvw;min) / Egem;rvw;max)·Egem;rvw;wkx + Trvw;min Met: Trvw;max: Maximale temperatuursvraag van het verwarmingssysteem (°C). Trvw;min: Minimale temperatuursvraag van het verwarmingssysteem (°C). Egem;rvw;max: Maximale van de wekelijkse gemiddelde energievraag (J). Egem;rvw;wkx: De gemiddelde energievraag van week x (J). In Excel is nu een linearisatie-functie ingesteld om een lineair verband te schetsen tussen de buitentemperatuur en de temperatuur behorende bij een energievraag. Een voorbeeld van deze stooklijn is te zien in de onderstaande figuur 83. Met het verkregen lineaire verband kan nu in de rekenkern bij elke energievraag voor ruimteverwarming een bijbehorende temperatuurvraag worden bepaald met behulp van de buitentemperatuur.

Stooklijn

70,0

Tvraag Ruimteverwarming [°C]

60,0 50,0 40,0 Data Tvraag bij Tbuiten

30,0

Stooklijn 20,0 10,0 0,0

‐10,0

‐5,0

0,0

5,0 10,0 Buitentemperatuur [°C]

15,0

20,0

25,0

Figuur 83: Voorbeeld van een stooklijn bij maximale T verwarmingssysteem 55°C en minimale T 35°C



Energiestroom uit de Buffer 1) De stappen 1) en 2) van deze paragraaf zijn bij elkaar gevoegd omdat deze ook in een 2) formule zijn verwerkt. De voorwaarde voor welke energievraag primair en welke secundair aan de buffer kan worden onttrokken en welke temperatuurniveaus hierbij horen, ziet er als volgt uit: ALS Tvrg;rvw;t Tbuffer;t-1 DAN ALS Tvrg;rvw;t – X> Tbuffer;min DAN Tvrg;prim;t=Tvrg;rvw;t – X ANDERS Tvrg;prim;t = Tbuffer;min ANDERS Tvrg;prim;t =Tvrg;rvw;t ANDERS ALS Tvrg;tap;t> Tbuffer;t-1 DAN ALS Tvrg;tap;t – X> Tbuffer;min DAN Tvrg;prim;t=Tvrg;tap;t – X ANDERS Tvrg;prim;t = Tbuffer;min ANDERS Tvrg;prim;t =Tvrg;tap;t Met: Tvrg;rvw;t: temperatuur van de energievraag voor ruimteverwarming (°C). Tvrg;tap;t: temperatuur van de energievraag voor tapwater (°C). Tbuffer;t-1: temperatuur van de buffer aan het eind van het vorige uur t-1 (°C). Tbuffer;min: minimale temperatuur van de buffer (°C). Tvrg;prim;t: de temperatuur die hoort bij de primaire energievraag (°C). X: de marge voor het verhogen van de temperatuur door de warmtepomp (°C). De bijbehorende primaire energievraag bij de voorgaand bepaalde temperatuur is gemakkelijk af te leiden: ALS Tvrg;rvw;t=Tvrg;tap;t DAN



De bijbehorende secundaire energievraag bij de voorgaande bepaalde temperatuur is gemakkelijk af te leiden: ALS Tvrg;rvw;t>=Tvrg;tap;t DAN Evrg;rvw;t ANDERS Evrg;tap;t 3) De primaire energievraag die daadwerkelijk wordt onttrokken noemen we hier ∆Evrg;prim;uit;t. De secundaire energievraag die daadwerkelijk wordt onttrokken wordt ∆Evrg;sec;uit;t genoemd. Het verlies aan energie door stilstand in de buffer ∆Everl;t is als volgt berekend: ∆Everl;t=Ebuffer;t·kv Met: Everl;t: energieverlies door stilstand in de buffer (J). kv: factor voor het in rekening brengen van de energieverliezen voor stilstand in de buffer (-). Deze factor komt aan de orde in paragraaf 6.2.6. De primaire energievraag die uit de buffer gehaald kan worden ∆Evrg;prim;uit;t* zonder nog te kijken naar het rendement van de warmtepomp, wordt als volgt verkregen: ALS Tvrg;prim;t Tvrg;prim;t DAN ∆Evrg;prim;uit;t=Evrg;prim;t ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t* = Ebuffer;rest;t-1 ANDERS ALS Tbuffer;min > Tvrg;prim;t DAN ∆Evrg;prim;uit;t= Ebuffer;t-1 – Everl;t-1 ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t*= Ebuffer;rest;t-1 ANDERS 0 Met: Tbuffer;t*: mogelijke temperatuur van de buffer na aftrek van de energieverliezen in t (°C). Ebuffer;rest;t-1: energie aan het eind van uur t-1 die uit de buffer gehaald kan worden totdat de buffertemperatuur de temperatuur van de energievraag bereikt (J). ∆Evrg;prim;uit;t*: primaire energievraag die uit de buffer gehaald kan worden (J). Tbuffer;min: minimale temperatuur van de buffer (°C). Tvrg;prim;t: de temperatuur die hoort bij de primaire energievraag (°C). De primaire energievraag die daadwerkelijk uit de buffer gehaald kan worden ∆Evrg;prim;uit;t, wordt als volgt verkregen: ALS Tvrg;rvw;t


ALS ∆Evrg;prim;uit;t* > Rw·Evrg;prim;t DAN ∆Evrg;prim;uit;t= Rw·Evrg;prim;t ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t= ∆Evrg;prim;uit;t* ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t= ∆Evrg;prim;uit;t* ANDERS ALS Tvrg;prim;t< Tvrg;tap;t DAN ALS ∆Evrg;prim;uit;t* > Rw·Evrg;prim;t DAN ∆Evrg;prim;uit;t= Rw·Evrg;prim;t ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t= ∆Evrg;prim;uit;t* ANDERS ∆Evrg;prim;uit;t= ∆Evrg;prim;uit;t* Met: Rw: Relatieve rendement van de warmtepomp. Bij een rendement van 500% is deze waarde 0,8 (-). 4) De secundaire energievraag die uit de buffer gehaald kan worden ∆Evrg;sec;uit;t* zonder nog te kijken naar het rendement van de warmtepomp, wordt als volgt verkregen: ALS Tvrg;sec;t Tvrg;sec;t DAN ∆Evrg;sec;uit;t*=Evrg;sec;t ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t* = Ebuffer;rest;1;t ANDERS ALS Tbuffer;min > Tvrg;sec;t DAN ∆Evrg;sec;uit;t*= Ebuffer;1;t ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t*= Ebuffer;rest;1;t ANDERS 0 Met: Tbuffer;1;t: temperatuur van de buffer op t na aftrek van de energieverliezen en primaire energievraag (°C). Ebuffer;rest;1;t: energie die uit de buffer Ebuffer;1;t gehaald kan worden totdat de buffertemperatuur de temperatuur van de energievraag bereikt (J). ∆Evrg;sec;uit;t: secundaire energievraag die daadwerkelijk uit de buffer gehaald wordt (J). Tbuffer;min: minimale temperatuur van de buffer (°C). Tvrg;sec;t: de temperatuur die hoort bij de secundaire energievraag (°C). De secundaire energievraag die daadwerkelijk uit de buffer gehaald kan worden ∆Evrg;sec;uit;t, wordt als volgt verkregen: ALS Tvrg;rvw;t>Tvrg;tap;t DAN



ALS Tvrg;sec;t< Tvrg;rvw;t DAN ALS ∆Evrg;sec;uit;t* > Rw·Evrg;sec;t DAN ∆Evrg;sec;uit;t= Rw·Evrg;sec;t ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t= ∆Evrg;sec;uit;t* ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t= ∆Evrg;sec;uit;t* ANDERS ALS Tvrg;sec;t< Tvrg;tap;t DAN ALS ∆Evrg;sec;uit;t* > Rw·Evrg;sec;t DAN ∆Evrg;sec;uit;t= Rw·Evrg;sec;t ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t= ∆Evrg;sec;uit;t* ANDERS ∆Evrg;sec;uit;t= ∆Evrg;sec;uit;t* Met: Rw: Relatieve rendement van de warmtepomp. Bij een rendement van 500% is deze waarde 0,8 (-). Hiermee is berekend voor elk uur t hoeveel energie er door energievraag daadwerkelijk aan de buffer wordt onttrokken (∆Evrg;prim;uit;t + ∆Evrg;sec;uit;t). Ook is een nieuwe buffertemperatuur Tbuffer;t met een nieuwe opgeslagen hoeveelheid energie Ebuffer;t berekend aan het eind van uur t.



1) De bufferinhoud Ebuffer;1;t

De Buffer wordt verkregen door:

Ebuffer;1;t=Ebuffer;t-1 – Everl;t-1 - ∆Evrg;prim;uit;t De buffertemperatuur Tbuffer;1;t wordt verkregen door: Tbuffer;1;t = ( (Tbuffer;max - Tbuffer;min)/Ebuffer;max )·Ebuffer;1;t + Tbuffer;min Hiermee is de tijdelijke bufferinhoud met temperatuur verkregen voor het berekenen van de bufferinhoud en buffertemperatuur aan het eind van uur t. Het energieverlies wordt overigens berekend door: Everl;t=Ebuffer;t·kv Met kv: kv=Everl;max/Ebuffer;max Everl,max=k·(Tbuffer;max – Ti)·Abuffer·3600 Met: Everl,max: maximale verlies als de buffer volledig gevuld is (J). Ebuffer;max: maximale energieniveau als de buffer volledig gevuld is (J). Tbuffer;max: maximale temperatuurniveau als de buffer volledig gevuld is (°C). Ti: omgevingstemperatuur van de buffer (°C). k: coëfficiënt voor bufferverlies (W/m2·K). Abuffer: oppervlak van het buffervat geschat op basis van dichtheid en soortelijke warmte van het opslagmedium en de maximale en minimale temperatuurniveaus en energieniveaus (m2).

2) De bufferinhoud Ebuffer;t wordt verkregen door: ALS Ebuffer;1;t - ∆Evrg;sec;uit;t + ∆Ez;buffer;in;t < Ebuffer;max DAN Ebuffer;t= Ebuffer;1;t - ∆Evrg;sec;uit;t + ∆Ez;buffer;in;t ANDERS Ebuffer;t=Ebuffer;max De buffertemperatuur Tbuffer;t wordt verkregen door: Tbuffer;t = ( (Tbuffer;max - Tbuffer;min)/Ebuffer;max )·Ebuffer;t + Tbuffer;min Hiermee is voor elk uur t de hoeveelheid energie in de buffer Ebuffer;t bekend aan het eind van uur t. Ook is de uiteindelijke temperatuur Tbuffer;t op uur t bekend die de buffer heeft. Met deze laatste bewerkingen is alle informatie aanwezig zodat het model goed kan functioneren. Met alle voorgaande informatie kunnen parameters worden afgeleid die de prestaties van het opslagsysteem beschrijven. Dit wordt gedaan in paragraaf 6.3.



Financiële Resultaten De berekening van de investeringskosten bestaat uit de sommatie van een aantal kostenposten. De kosten voor de buffer en collector bestaan uit een deel vaste kosten en een deel variabele kosten. Voor de kosten van de transportleidingen, die afhankelijk zijn van de leidinglengte, zijn enkel variabele kosten in rekening gebracht. De kosten voor het meet- en regelsysteem zijn afhankelijk van het aantal uren dat het systeem in gebruik is. Als laatste zijn er nog de kosten voor het installeren van het gehele systeem. Deze zijn afhankelijk van de grootte van het systeem en dus van de cumulatieve kosten van de voorgaande componenten. Investeringskosten:

15 –

Met: A1: variabele kosten buffer A2: variabele kosten collector A3: variabele kosten leiding collectorcircuit A4: variabele kosten nieuwe leidingen nodig voor aansluiting op afgiftesysteem A5: factor voor de schatting van de kosten van het meet- en regelsysteem A6: factor voor de schatting van de installatiekosten B1: vaste kosten buffer B2: vaste kosten collector De berekening van de netto contante waarde (NCW) is als volgt opgebouwd: Investeringskosten in referentiejaar 2009: 2009 Jaarlijkse besparing energiekosten:

1

100


100 100


Met: KE: Energiekosten voor een Gigajoule Gas. ke: Jaarlijkse procentuele stijging energiekosten. t: betreffende jaar waarin besparing berekend wordt. t0: referentiejaar, in dit geval 2009. Eref: Energieopbrengst in Gigajoule in het jaar na het referentiejaar. kr: procentuele afname van het rendement van het system. Jaarlijkse onderhoudskosten:

Met: A7: Factor voor een schatting van de jaarlijkse onderhoudskosten van een opslagsysteem. Met de bovenstaande twee kostenposten zijn, kunnen voor elk jaar de nominale kosten en baten berekend worden. Dit gebeurt als volgt:

ë

1 1

i 100 r 100

Met: PKB: de totale kosten of baten in jaar t (euro). i: inflatie in procenten (%). r: rentevoet in procenten (%). t: betreffende jaar waarin de reële kosten of baten berekend worden. t0: referentiejaar, in dit geval 2009. Door de reële kosten (negatief) en baten (positief) in jaar t op te tellen bij de netto contante waarde van jaar t-1 wordt de netto contante waarde van jaar t verkregen.



Bijlage 4



Dekkingsgraad Scenario 2















Bijlage 5



Figuur 84: Verandering van gewenste Systeemgrootte bij Verandering Huishoudelijk Gedrag

Figuur 85: Variatie in Systeemgrootte bij veranderen van Systeemparameter (bv. Collectorstand) blijft bij benadering ongewijzigd



Figuur 86: Veranderen van Financiële parameter (bv. energieprijsstijging) heeft invloed op de variatie in Systeemgrootte


OPTIMALISATIE VAN ZONNE-ENERGIEGEBRUIK VOOR WONINGEN MET EEN OPSLAGSYSTEEM

Recommend Documents