Regeling van grondgekoppelde warmtepompensystemen
Clara Verhelst, Lieve Helsen K.U.Leuven, Departement Werktuigkunde, Afdeling Toegepaste Mechanica en Energieconversie
ABSTRACT Dit artikel bespreekt de werking, de voordelen en de huidige knelpunten van grondgekoppelde warmtepompsystemen. Grondgekoppelde warmtepompen behoren tot de meest energie-efficiënte alternatieven voor gebouwtoepassingen met zowel koude- als warmtevraag. Omwille van de toenemende vraag naar gebouwkoeling enerzijds en het belang van energiezuinige gebouwen anderzijds, kennen deze sytemen dan ook een toenemend succes. Verder onderzoek en ontwikkeling zijn echter nodig om de investeringskosten te reduceren en om de werking te optimaliseren. Wat systeemoptimalisatie betreft blijkt de ontwikkeling van een predictieve regeling die de systeemdynamica in rekening brengt, noodzakelijk.
1. SITUERING De gebouwsector vertegenwoordigt 40% van het primaire energieverbruik in Europa. Bovendien stelt men een stijging van de vraag naar koeling vast, wat onder meer af te leiden is uit recente cijfers van de verkoop van luchtconditioneringstoestellen. Anno 2000 beschikt 27% van de tertiaire gebouwen en 5% van de residentiële gebouwen in Europa over een koelsysteem. De huidige jaarlijkse marktgroei bedraagt 14% en studies voorspellen dat tegen 2018 de Europese markt een saturatiepunt zal bereiken waarbij 60% van de tertiaire en 40% van de residentiële sector over een vorm van gebouwkoeling beschikt [1] . Strengere normen in het kader van de strijd tegen klimaatopwarming en stijgende brandstofprijzen sporen echter aan tot energiezuinige gebouwen. Primaire maatregelen zoals degelijke isolatie, luchtdichtheid, gecontroleerde ventilatie, actieve zonnewering en efficiënte verlichting reduceren de warmte- en koelvraag. Om de resterende warmtevraag op een duurzame manier te realiseren wordt best gebruik gemaakt van energie-efficiënte technieken, zoals de warmtepomp. Koeling wordt best op een passieve manier verwezenlijkt, teneinde het elektriciteitsverbruik binnen de perken te houden. Voor koellasten lager dan 30 W/m² volstaat in ons klimaat nachtventilatie, op voorwaarde dat het gebouw over voldoende thermische massa beschikt [2]. Voor grotere koelvermogens (tot 100 W/m²) zijn hydraulische systemen zoals koelplafonds en betonkernactivering (BKA) aan te raden. Hierbij zijn relatief hoge koelwatertemperaturen (16 à 20°C) mogelijk [3]. Hogetemperatuurkoeling kan rechstreeks via een grondwarmtewisselaar gerealisereerd worden, zonder tussenkomst van een elektrisch aangedreven koelmachine . Men spreekt dan over ‘natuurlijke koeling’. De toepassing van grondgekoppelde warmtepompen (GGWP) kent wereldwijd een jaarlijkse groei van ruim 10% [4]. In 2003 waren meer dan 800 000 eenheden geïnstalleerd, waarvan ruim de helft in de Verenigde Staten. Bij de koplopers behoren ook Zweden, Zwitserland, Canada en Oostenrijk. Van de nieuw geïnstalleerde GGWP heeft 46% vertikale bodemwarmtewisselaars, 38% horizontale bodemwarmtewisselaars en zijn 15% ‘open lus’ systemen, verbonden met bijvoorbeeld een aquifer [5].
1
GGWP behoren tot een van de meest energie-efficiënte oplossingen voor gebouwen die naast verwarming ook koeling nodig hebben, zoals kantoorgebouwen met grote interne warmtewinsten. Het energiebesparend potentieel van de GGWP is te danken aan de koppeling met de bodem enerzijds en de koppeling met lagetemperatuurafgiftesystemen (vloerverwarming, BKA ...) anderzijds. Dankzij het relatief kleine verschil tussen bron en afgifte kan de warmtepomp met een hoge COP (Coefficient Of Performance) werken (zie paragraaf 2.1). Bovendien kan de koude, tijdens de winter in de bodem gestockeerd, in de zomer benut worden voor natuurlijke koeling. Omdat de bodem in de winter gebruikt wordt als warmtebron voor de warmtepomp en in de zomer als koudebron, is het mogelijk de bodem thermisch in balans te houden.
2. GRONDGEKOPPELDE WARMTEPOMPSYSTEMEN 2.1. Werkingsprincipe van de warmtepomp Een warmtepomp kan vergeleken worden met een hydraulische pomp die water van een lager naar een hoger niveau brengt. Hoe groter het hoogteverschil, hoe groter de toename van de ‘potentiële’ energie van het water, maar hoe groter ook de arbeid die aan de pomp moet geleverd worden. Hoe groter het temperatuursverschil dat een warmtepomp moet overbruggen, hoe groter de ‘potentiële energie’ of de ‘exergie’ van de afgegeven warmte, en hoe groter ook de compressorarbeid. De COP van een warmtepomp is dan ook functie van de bron- en afgiftetemperatuur. Voor een ideale warmtepomp geldt:
COPid =
Qafgifte Wid
=
Tretour Qcondenser
Pcompressor
Qverdamper
Tafgifte Tafgifte − Tbron
Tafgifte
Tbron,terug
Tbron,in
waarbij de temperatuur wordt uitgedrukt in Kelvin. Bij grote temperatuursverschillen wordt de COP één, wat overeenkomt met elektrische verwarming. Hoe kleiner het temperatuursverschil, hoe groter de COP.
2.2. Toepassing in de praktijk Voor ruimteverwarming is in principe geen warmte op hoge temperatuur nodig, waardoor het concept van de warmtepomp zinvol kan worden toegepast. Door gebruik te maken van lagetemperatuurafgiftesystemen zoals vloerverwarming en BKA enerzijds en van de bodem anderzijds, is het te overbruggen temperatuursverschil klein en kan men COP’s van 4 en hoger halen. Om het totaal primair energieverbruik te bepalen moet ook het verbruik van de circulatiepompen en de efficiëntie van de elektriciteitsopwekking in rekening gebracht worden. Een GGWP gecombineerd met lagetemperatuurverwarming en hogetemperatuurkoeling kan ten opzichte van conventionele verwarmings- en koelsystemen een primaire energiebesparing van 20 tot 50% realiseren [5, 6]
2.3.Huidige knelpunten en uitdagingen Grondgekoppelde warmtepompsystemen behoren vandaag tot de state-of-the-art en er zijn goede richtlijnen voor het ontwerp en de realisatie van deze sytemen voorhanden [7]. De investeringskosten liggen echter hoger dan bij conventionele systemen. De terugverdientijd bedraagt ongeveer 10 à 20 jaar (indien geen subsidies). De TVT wordt gehalveerd wanneer het
2
systeem voor verwarming én koeling gebruikt wordt. [8] Ook blijken GGWP in de praktijk niet steeds de potentiële energiebesparing te realiseren [9]. Oorzaken hiervan zijn de niet-optimale integratie van de verschillende deelsystemen (bron, productie, afgifte) en de regeling. Huidig onderzoek focust zich dan ook op de reductie van installatiekosten en op systeemoptimalisatie door het integreren van de systeemdynamica in de regeling en het ontwerp [4, 10]. In wat volgt wordt dieper ingegaan op de beperkingen van de huidige regelstrategieën en de mogelijkheden tot verbetering.
3. REGELSTRATEGIE 3.1. Conventionele regelstrategieën Tot de conventionele regelstrategieën behoren de kamerthermostaat en de weersafhankelijke stook- en koellijn. De kamerthermostaat is een feedbackregeling waarbij het vermogen wordt geregeld op basis van het verschil tussen de actuele ruimtetemperatuur en de gewenste temperatuur. Een weersafhankelijke stook- en koellijn, voorgesteld in Figuur 1, bepaalt de vertrektemperatuur van het water op basis van de gemeten buitentemperatuur. Deze benadering steunt op het feit dat in stationaire toestand de warmteverliezen evenredig zijn met het verschil tussen binnen- en buitentemperatuur en het afgegeven vermogen quasi lineair toeneemt met de watertemperatuur. Deze statische benadering is geschikt voor het regelen van systemen die snel stationair gedrag bereiken. Klassieke verwarmingssystemen gecombineerd met hogetemperatuursradiatoren in gebouwen met weinig thermische massa, voldoen hieraan. Tafgifte
24°C 20°C
verwarmen Tset,kamer = 20°C 20°C
koelen Tset,kamer = 24°C
Tbuiten
24°C
Figuur 1 Klassieke regeling op basis van weersafhankelijke stook- en koellijn
3.2. Beperkingen van de conventionele regelstrategieën voor trage afgiftesystemen De in paragraaf 3.1 besproken concepten worden met succes toegepast bij gas- en stookolieketels gecombineerd met snel reagerende afgiftesystemen, maar zijn voor warmtepomp-systemen in lage-energiegebouwen met lagetemperatuurafgiftesystemen niet ideaal [9]. Door de inertie van het afgiftesysteem is het effect van een veranderende watertempera-tuur immers slechts na meerdere uren merkbaar. Men tracht de traagheid van het afgifte-systeem in rekening te brengen door via trial-and-error enkele regelparameters in te stellen, zoals een optimale start- en stoptijd. Dat dit onvoldoende is, blijkt uit het feit dat deze kantoorgebouwen vaak te kampen hebben met een gebrekkig thermisch comfort of met een verhoogd energieverbruik indien naast het traag afgiftesysteem een sneller koel- of verwarmingselement aanwezig voor het opvangen van de temperatuursfluctuaties [11]. Een gekend fenomeen is oververhitting in de namiddag door onvoorziene zonnewinsten. Door het gebrek aan kennis van de systeemdynamica en van de
3
toekomstige belasting kan het trage afgiftesysteem niet op de vraag anticiperen en blijft het energiebesparend potentieel onbenut.
3.3. Geavanceerde regelstrategieën Huidig onderzoek zoekt een oplossing voor de thermische comfortproblemen die optreden bij lagetemperatuurafgiftesystemen. Hierbij is de doelstelling het gewenste thermisch comfort op een optimale manier te realiseren met betrekking tot minimaal energieverbruik of - kost.[12-15] Een GGWP-systeem beschikt omwille van de thermische opslagcapaciteit van de bodem en het afgiftesysteem over heel wat vrijheidsgraden. Hoeveel, hoe snel en wanneer warmte onttrekken of opslaan in de bodem? Hoeveel en wanneer warmte of koude opslaan in het afgiftesysteem? Deze vrijheidsgraden bepalen de systeemperformantie op zowel korte als lange termijn. Gezien de complexiteit van dit systeem, het belang van systeemintegratie en het belang van kennis van het toekomstig vraagprofiel, kan modelgebaseerde, predictieve regeling of MPC (Model based Predictive Control) een uitweg bieden. Deze regelstrategie, voorgesteld in Figuur 2, optimaliseert de werking van het globale systeem met betrekking tot thermisch comfort, primair energieverbruik en/of kost. Dit gebeurt op basis van een globaal dynamisch systeemmodel (bodem, productie, afgifte, gebouw) en van prognoses van de toekomstige belasting.
Tijdsschema Interne winsten
Nationaal weerstation Verloop Tbuiten
Zonnewinsten
Systeemidentificatie Dynamisch model
Regelaar voorspelt warmte- & koudevraag Regelaar optimaliseert warmte/koude productie & opslag & distributie Minimaal primair energieverbruik voor gewenst thermisch comfort
Figuur 2: Principe van een modelgebaseerde predictieve regeling, toegepast op de regeling van het binnenklimaat
Momenteel vormen systeemidentificatie, voorspelling van de zonnewinsten, combinatie van koelen en verwarmen en integratie van alle componenten de grootste uitdagingen om dit ‘mooi concept’ ook ‘nuttig toe te passen’.
4. BESLUIT Grondgekoppelde warmtepompen hebben een groot energiebesparend potentieel ten opzichte van conventionele verwarming- en koelsystemen. Gezien de inertie van de bodem en het afgiftesysteem zijn conventionele regelstrategieën, ontwikkeld voor snel reagerende systemen, niet geschikt. Deze geven aanleiding tot een gebrekkig thermisch comfort en/of een hoog energieverbruik. Om het energiebesparingspotentieel te realiseren is de ontwikkeling van een regeling die de werking optimaliseert rekening houdend met de systeemdynamica (bron, productie, afgifte) en de toekomstige energievraag, cruciaal. Modelgebaseerde predictieve controle biedt hiertoe mogelijkheden.
4
REFERENTIES [1] [2] [3]
[4] [5] [6] [7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
ECOHEATCOOL, "The European Cold Market," 2005-2006, Euroheat & power. H. Breesch, A. Bossaer, and A. Janssens, "Passive cooling in a low-energy office building," Solar Energy, vol. 79, pp. 682-696, 2005. J. Babiak, B. W. Olesen, and D. Petras, "Low Temperature Heating and High Temperature Cooling, Technical Task Force 3: Embedded Water Based Surface Heating and Cooling Systems " REHVA 2007. D. J. Spitler, "Ground-source heat pump system research - Past, present, future," International Journal of HVAC&R research, vol. 11, pp. 165-167, April 2005. J. Lund, B. Sanner, L. Rybach, R. Curtis, and G. Hellström, "Geothermal (ground-source) heat pumps - A world overview " Renewable Energy, 2003. M. Zogg, "Gekoppelte Kälte- und Wärmeerzeugung mit Erdwärmesonden," Bundesamts für Energie, Zwitserland 2001. VDI (1998): Thermische Nutzung des Untergrundes, Erdgekoppelte Wärmepumpen. VDI 4640, Richtlinie Blatt 2, VDI-Gesellschaft Energietechnik, Düsseldorf; Beuth Verlag, Berlin. A. Depreter, "Verwarming met een grondwarmtepomp en natuurlijke koeling in Living Tomorrow 3 te Vilvoorde (Laborelec)," in ATIC studiedag Vlaams Parlement, 18 oktober 2007. IWT_TETRA_050108_THERMAC, "Thermisch actieve gebouwen (Ontwerp en uitvoering van energiezuinige installaties voor het ‘warmtepomp-gedreven’ verwarmen en het ‘natuurlijk’ koelen van de ‘actieve’ gebouwmassa in combinatie met koude/warmteopslag in de bodem)," 2005-2007. J. Tödtli, M. Gwerder, B. Lehmann, F. Renggli, and V. Dorer, "Integrated design of thermally activated building systems and their control," in 9th REHVA World Congress for Building Technologies - CLIMA, Helsinki, 2007. G. P. Henze, C. Felsmann, D. E. Kalz, and S. Herkel, "Primary energy and comfort performance of ventilation assisted thermo-active building systems in continental climates," Energy and Buildings, vol. In Press, Corrected Proof, 2007. M. Kummert, "Contribution to the application of modern control techniques to solar buildings. Simulation-based approach and experimental validation," in Ingénieur Civil mécanicien - électricien. vol. Docteur en Sciences de l'Environnement Liège: Fondation Université Luxembourgeoise, 2001, p. 260. R. W. Wimmer, "Regelung einer Wärmepumpenanlage mit Model Predictive Control," in Institut für Mess- und Regeltechnik. vol. Doktor der Technischen Wissenschaften Zürich: ETH Zentrum, 2004, p. 167. M. Bianchi, "Adaptive Modellbasierte Prädiktive Regelung einer Kleinwärmepumpenanlage," in Institut für Mess- und Regeltechnik. vol. Doktor der technischen Wissenschaften Zürich: ETH Zürich, 2006, p. 235. OptiControl project, "Use of weather and occupancy forecasts for optimal building climate control", ETH Zürich, Building Technologies Laboratory EMPA Dübendorf, Federal Institute for Meteorology and Climatology MeteoSwiss and Siemens Building Technologies, Zug, http://www.sysecol.ethz.ch/OptiControl/
5
