RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
Sabine Jansen 1) Gijsbert Korevaar 2) Elisa Boelman 1) 1)
bk, TU Delft
2)
TNW, TU Delft
IBPSA-NVL Event 9 oktober 2008
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
1
Inhoud Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
• Inleiding • Exergie analyse in de gebouwde omgeving • Raamwerk voor semi-dynamische exergie analyse • Vervolg • Voorbeeld
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
2
Inleiding Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
• Probleem: huidige niet duurzame energievoorziening • Doel: bijdragen aan duurzame energievoorziening Vraag
Levering
Bron
Milieu belasting
Mogelijkheden •
Verminder de vraag
•
Efficiente energie-omzetting
•
Duurzame bronnen
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
meer inzicht door exergie-analyse
Sabine Jansen
3
Inleiding Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
EOS-LT project: LOWEX.NL - Exergetic System Approach Exergy (Delft), Comfort (Eindhoven), Profit (Twente) step 0 Exergy analysis method
step 1
step 2
step 3
Improved systems
Guidelines
Current systems
Doel: mbv exergie analyse bijdragen aan duurzame energievoorziening, incl. comfort en economische aspecten RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
4
Exergie Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
• •
Exergie = maat voor de kwaliteit van energie Exergie = de hoeveelheid arbeid die uit een systeem kan worden verkregen terwijl dit in evenwicht wordt gebracht met de omgeving
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
5
Exergie van warmte Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
δE δQ T0 T
T δE = 1− 0 δQ T
= Exergie = Warmteoverdracht = Omgevingstemperatuur (K) = Temperatuur v. warmteoverdracht (K)
Exergie-factor warmte of koude bij bepaalde T0
Exergie-factor
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 To
1423
1348
1273
1198
1123
1048
973
898
823
748
673
598
523
448
373
298
223
148
73
0
0.0
Temperatuur (K) Grafiek 1. Exergiefactor van een warmtestroom bij een omgevingstemperatuur van 25 ºC (298 K)
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
6
Exergie Analyse methoden Bestaand Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Bestaand in de bouw: • • •
Statische excel-tool (Schmidt, Annex 37), (zie afbeelding) Projectgebonden berekeningen / onderzoek semi-dynamische berekeningen vd vraag
Bestaand - werktuigbouwkundig • •
statische analyse van energie conversiesystemen (Cycle Tempo) … Prim. Energy Generation transform
4000
Energy & Exergy (W)
3500
Storage
Distribution Emission
3000
Room Air
Envelope
system energy total incl. free /rene. ener.
2500
system exergy total
2000 1500 1000 500 0 1
2
3
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Components 4 5
6
7
8
Sabine Jansen
7
Exergie Analyse methoden – wat is er nog niet Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Nog niet: • Een (semi-) dynamische methode die: – – – –
Algemeen toepasbaar is complete vraag meeneemt (incl koeling en elektriciteit) ook alle verliezen in leveringsprocessen dyn. berekent geschikte balans tussen detail en overzicht heeft • •
Vraag
(- HVAC elementen vs thermodynamische processen) (- exacte berekening vs inzichtelijke vereenvoudiging) Levering
Bron
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
8
Analyse methode Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Methode zal bestaan uit:
Raamwerk
Formules exergie-inhoud vraag: ⎛ T ⎞ Exergy _ transfer = Q × ⎜⎜1 − 0 ⎟⎟ ⎝ Tb ⎠
1
HEAT
2
COOL
3
AIR_H
4
AIR_C
5
TAPW
6
E_VERL.
Ex_factor elektriciteit = 1
7
E_APP.
Ex_factor elektriciteit = 1
⎛ T ⎞ Exergy _ transfer = Q × ⎜⎜1 − 0 ⎟⎟ ⎝ Tb ⎠
. ⎛ T ⎞ Ex = c * m& * ⎜⎜ T − T0 − T0 ln ⎟⎟ T0 ⎠ ⎝ . ⎛ T ⎞ Ex = c * m& * ⎜⎜ T − T0 − T0 ln ⎟⎟ T0 ⎠ ⎝
. ⎞ ⎛ T Ex = cwater * m& water * ⎜⎜ Twater − T0 − T0 ln water ⎟⎟ T0 ⎠ ⎝
exergie verliezen levering: ……. exergie inhoud bronnen: ……. RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
9
Analyse methode Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Exergie op basis van energieber.TRNSYS, vanwege: • • •
Internationale bekendheid Opbouw uit componenten – verbinden van inputs en outputs aan elkaar Mogelijkheid tot aanpassen / aanvullen componenten
Exergieanalyse bestaat hierdoor eigenlijk uit statische berekeningen per uur Æ semi-dynamische analyse. Ook toepasbaar op andere simulatieprogramma’s.
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
10
RAAMWERK Exergie inhoud van de VRAAG Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Verschillende typen energievraag: • • • • • •
Verwarmen van ventilatielucht (Vent_H) Koelen van ventilatielucht (Vent_C) Ruimteverwarming (Heat) Ruimtekoeling (Cool) Tapwater (Tapw) Elektriciteitsgebruik
Waarom? • Verschillende berekening • Andere leveringscomponenten RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
11
RAAMWERK Exergie verliezen LEVERINGS Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Exergie verlies = • verschil tussen exergie_input en exergie_output • rest stroom + “vernietigd” deel ketel
input
vloerverwarming
Åoutput =output inputÆ
Als er verliezen zijn tussen de output van één component en de input van een ander component, moet een tussencomponent worden geanalyseerd waar deze verliezen dan plaatvinden, bijvoorbeeld de distributie RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
12
RAAMWERK Exergie inhoud bronnen Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Eigenschappen van de bron: gas • Thermodynamische potentie • Milieubelasting
hoog hoog
hoog laag
In eerste instantie: • Alleen kijken naar thermodynamische potentie ivm beoordelen verbetermogelijkheden van het proces Mogelijk later: • Meenemen milieubelasting
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
13
Vervolg Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
methode zal bestaan uit: • Exergie-analyse: inzicht in verliezen & verbetermogelijkheid • •
(Verbeteringen op apparaatniveau vallen hier buiten) zal worden ingevuld Comfort door TU Eindhoven Economische aspecten en U Twente
Methode wordt verder uitgewerkt (formules)
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
14
Vervolg Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Nog niet voorzien in de analyse: - Materiaalgebruik materiaal
Åoutput = inputÆ
- Materiaalgebruik = essentieel. - Meenemen in analyse? bijv. mbv. greencalc RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
15
VOORBEELD Raamwerk Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
16
VOORBEELD TRNSYS model Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Werk ism afstudeerder Arnaud Blom
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
17
VOORBEELD TRNSYS model Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Werk ism afstudeerder Arnaud Blom RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
18
VOORBEELD Output Exergie input per component 450 Exergie (kWh/maand)
Inleiding Exergie Raamwerk Vervolg Voorbeeld
Ex_input WP
400 350
Ex_input_ vloer
300 250 200
Ex_input_ woning
150 100
Ex_vraag_ woning
50 0 jan
feb
mrt apr mei jun
jul
aug sep
okt nov dec
Exergie (kWh/maand)
Exergie verlies per component 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
Ex_verlies_ WP Ex_verlies_ vloer Ex_verlies_ overdr. Ex_verlies_ woning (= vraag) jan
feb
mrt
apr mei
jun
jul
aug sep
okt
nov dec
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
19
Vragen?
(zie ook www.Lowex.nl)
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
20
Verbeteringen vanuit energie-analyse Inleiding Exergie Raamwerk Voorbeeld Conclusie
•
Minimaliseren van energie “verliezen”
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
21
Verbeteringen vanuit energie-analyse Inleiding Exergie Raamwerk Voorbeeld Conclusie
•
Minimaliseren van energie “verliezen”
Energie analyse: kwaliteit v.d. energie wordt niet beoordeeld RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
22
Exergie • •
Exergie = maat voor de kwaliteit van energie Exergie = de hoeveelheid arbeid die uit een systeem kan worden verkregen terwijl dit in evenwicht wordt gebracht met de omgeving Energie bron
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Exergie factor
natural gas
~1
electricity
1
Solar radiation
~0.93
Heat
1-T0/T
Geothermal heat (100 0C)
~0,18
heat at T = Tenvironment
0
Sabine Jansen
23
A comparison with material and quality 20 m3 wood Æ 19,6 m3 toothpicks
50 m3 wood
Æ 30 m3 shelves
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
98 % used
60 % used, 40 % disposed
Sabine Jansen
24
A comparison with material and quality
• no material is lost, • but the potential of the tree (e.g. to make bookshelves) is lost. • The whole tree can be converted to toothpicks, • Only part of the tree can be converted to shelves. RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
25
A comparison with material and quality Material conservation = law of energy conservation (1st law) destruction of potential (‘shelves’) = destruction of quality or exergy (2nd law)
We have to be able to calculate these losses to come to better solutions
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
26
Exergy content: • The Exergy-content of a certain type of energy is often expresses using an exergy factor: • Exergy content = Energy content x Exergy factor Exergy-factor of thermal energy at certain reference temperature T0 3.0
1 (kJ) elec. = 4 (kJ) heat at 125 degrees
Energy source
Exergy factor
natural gas
~1
electricity
1
Exergy-factor
2.5
2.0
1.5
1.0
Solar radiation
~0.93
Geothermal heat (100 0C)
~0,18
0.5
heat at T = Tenvironment
0
0.0 1150
1025
900
775
650
525
400
275
150
25
-100
-225
To
o
Temperature ( C)
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
27
The added value of exergy analysis Exergy content: compare different types of demand Energy & exergy demands & consumption 0 5 10 15
20
10^3 MJ 25 30
Heating excl ventilation Cooling excl ventilation Heating ventilation Cooling ventilation
energy demand exergy demand
Ventilation / fan
exergy consumption
Domestic Hot Water Electricity
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
28
The added value of exergy analysis Demonstrate inprovement potential floor heating
heat exch.
distrib.
HP
elec plant
1 heat
10000
energy MWh
8000
6000
4000
exergy
2000
0
Heating demand
Room air
Floor heating
Heat exch. Distributio HP central Resources dwelling n
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
29
Added value of exergy analysis Demand
Conversion
Resource
Environmental impact
Lowex demand
By giving insight, Exergy analysis can help to: • ÆReduce losses ÆFurther reduce the need for resources • Æ Increase the possibilities for the use of low quality (LOWEX) resources
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
30
The added value of exergy analysis
Exergy analysis shows: • where quality of the energy is lost • how much quality of the energy is lost • where a system can be improved. These are often much bigger improvements than those related to energy efficiency. RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
31
A comparison with material and quality Background Problem definition& Research questions Approach Other research Publications Expexted results Supervision Additional information
to additional information RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
32
A comparison with material and quality Background Problem definition& Research questions Approach Other research Publications Expexted results Supervision Additional information
to additional information RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
33
Current assessment practice Energy analysis is very bad accounting.. •
let’s pretend our bank would do that with our money:
return = 100 % ??
•
There is an exchange rate:
•
1 Euro is worth 1,5 dollar
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
34
Added value of exergy analysis: Exergy as an exchange rate for energy
1 Euro is worth 1,5 dollar
1 kJ of electricity is worth 5 kJ of heat at 100 degrees (But you have to pay “commission” to nature for the exchange) RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
35
Current assessment practice Example demonstrating this shortcoming:
• The energy efficiency of system 1 is 100%! • But: The output of system 2 (heat pump) is much higher than that of system 1 (electrical heater), with the same input. • So, what is lost in system 1 is not energy, but quality of energy. • And now, how can we know what is lost in system 2? RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
36
The added value of exergy analysis Exergy content: 5.0 4.5 4.0 3.5
maximum coefficient of performance (COP) of heat pump
3.0
Exergy factor
2.5 2.0
natural gas
~1
electricity
1
1.5
Solar radiation
0.93
1.0
Geothermal heat (90 0C)
~0,20
To
1150
1025
900
775
650
525
400
275
150
0.0 25
0
-100
heat at T = Tenvironment
0.5
-225
Energy source
Temperature(oC) RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
37
Added value of exergy analysis Demand
Conversion
Resource
Environmental impact
Lowex demand
By giving insight, Exergy analysis can help to: • ÆReduce losses ÆFurther reduce the need for resources • Æ Increase the possibilities for the use of low quality (LOWEX) resources
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
38
Conclusion Added value: • Exergy analysis helps to: – Compare the different types of demands – Demonstrate the quality (losses) – Analyze the whole system
Because of this insight • Exergy is an important tool to identify improvement potential of energy supply systems; • Energy analysis alone neglects an important insight on how to improve systems
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
39
Conclusion Further development: • Energy analysis is not common in the assessment of the performance of buildings and supply systems. • Further development is needed to include exergy analysis in the building practice • This is expected to lead to less losses Æ – less need for resources – more potential for low quality resources (e.g. heat storage)
RAAMWERK VOOR SEMI DYNAMISCHE EXERGIEANALYSE
IBPSA-NVL event
9-10-2008, Eindhoven
Sabine Jansen
40
