1
‘SOFTWARE-‘MATIG ONTWERPEN OP BASIS VAN LEVENSCYCLUSKOSTEN. Ing. Eric Voncken, ARCADIS Bouw en Vastgoed afdeling installatietechniek. Ir. Peter Loggere, ARCADIS Bouw en Vastgoed afdeling installatietechniek. Martin Bijl, ARCADIS Bouw en Vastgoed afdeling installatietechniek. Ir. Harry Schmitz, ARCADIS Bouw en Vastgoed afdeling installatietechniek. Den Haag en Maastricht, 02-november-2001.
INLEIDING. Vele mogelijkheden staan ter beschikking om in de warmte en koudebehoefte van gebouwen te voorzien. Om maar eens een paar voorbeelden te noemen kan men denken aan ketels, koelmachines, lange termijn warmte en koude opslag, warmtepompen en warmtekrachtinstallaties. De genoemde systemen worden hiernaast ook nog eens in vele verschillende uitvoeringen aangeboden. In het geval van koelmachines bijvoorbeeld in de vorm van zuigers, schroeven, centrifugaals, scrolls en absorptie aggregaten. Naast het feit dat er vele mogelijkheden ter beschikking staan is het ook nog eens zeer complex om de juiste vermogensverdeling vast te stellen tussen een basislast installatie, bijvoorbeeld warmtepompen en een pieklast installatie zoals ketels. Hiervoor maakt men vaak gebruik van onduidelijke vuistregels. Dit leidt ertoe dat het niet altijd even duidelijk is ‘waarom installaties zo zijn, zoals ze zijn’. Het verantwoording afleggen over het ontwerp en de dimensionering van installaties is dan een hachelijke zaak. Om in deze behoefte te voorzien is door ARCADIS een beslissingsmodel in de vorm van een softwareprogramma ontwikkeld waarmee installatieconcepten met feiten en criteria kunnen worden toegelicht en onderbouwd. Dit in het vroegste stadium van het ontwerpproces, wanneer meestal de belangrijkste besluiten worden genomen. Het dragen van de eindverantwoording in het installatietechnische advieswerk gaat dan tot de dagelijkse praktijk behoren.
HET BESLISSINGSMODEL. Het betreft een beslissingsmodel waarmee installaties voor de energieconversie worden ontworpen. Naast een economisch moduul bevat het model een technisch en een milieukundig moduul. Het ontwerp van de conversie installaties wordt dan vorm gegeven door economische, technisch en milieukundige beslissingscriteria. Over installaties voor de energieconversie die zijn ontworpen op basis van dit model kan met betrekking tot het geadviseerde installatieconcept altijd verantwoording worden afgelegd. Uit figuur 1 blijkt dat het model, naast het invoer en uitvoermoduul, nog bestaat uit zes modulen, respectievelijk ‘De investeringen en afschrijvingen’, ’Het onderhoud’, ‘Het energiegebruik’, ‘De economische criteria’, ‘De technische criteria’ en ‘De milieukundige criteria’. In een zeer vroeg stadium van het ontwerpproces kan het hier gepresenteerde softwarematige beslissingsmodel worden ingezet, leidende tot rationele ontwerpbeslissingen, waardoor de faalkans van het conceptuele installatie ontwerp aanzienlijk wordt beperkt. De zes genoemde modulen vormen het hart van het beslissingsmodel en in het navolgende worden deze toegelicht en besproken.
2
Figuur 1: Het beslissingsmodel
DE INVESTERINGEN EN AFSCHRIJVINGEN. Naast het vormgeven van installaties zoals weergegeven op Proces Flow Diagrammen (PFD’s) en Proces Instrumentatie Diagrammen (PID’s) moeten installaties ook worden gedimensioneerd. Dat wil zeggen het vermogen van de installatie onder ontwerpcondities wordt vastgesteld. De investeringskosten zijn direct gekoppeld aan de dimensionering. Is de installatie bijvoorbeeld te groot gedimensioneerd dan zullen de investeringskosten onnodig hoog zijn en bestaat de kans dat het ontwerp wordt verworpen vanwege het overschrijden van de ter beschikking staande budgetten. Deze ontwerp faalkosten moeten worden vermeden. Voor het aansluitvermogen van een verwarmingsinstallatie geldt [1];
Pva = qt + qi + qv + Po [kW] (1). Waarin: qt; (stationaire) Transmissieverlies [kW]. qi; Infiltratieverlies [kW]. qv; Ventilatieverlies [kW]. Po; Opwarmvermogen [kW].
3 Gestreefd wordt naar minimalisatie van het aansluitvermogen van de verwarmingsinstallatie, onder de gegeven bouwkundige randvoorwaarden. Dit leidt tot de laagste investeringskosten voor ketels, warmtepompen en warmtekrachtinstallaties. Om maar eens een paar mogelijkheden te noemen. Een punt van discussie hierbij vormt altijd weer het extra te installeren opwarmvermogen. Overeenkomstig de berekeningsopzet in [2] controleert het model of het bedrijfseconomisch zinvol is om extra opwarmvermogen te installeren. Meestal is dit niet het geval. Voor het aansluitvermogen van de koelinstallatie geldt [3];
Pka = qt + qi + qz + q int + qv [kW] (2). Waarin: qt; (instationaire) Warmtetransmissie [kW]. qi; (voelbare en latente) Infiltratiebelasting [kW]. qz; Zonnebelasting [kW]. qint; (voelbare en latente) Interne warmtedissipatie [kW]. qv; (voelbare en latente) Ventilatiebelasting [kW]. Ook hier wordt weer gestreefd naar minimalisatie van het aansluitvermogen van de koelinstallatie, waardoor de investeringen in koelvermogen, van welke vorm dan ook, minimaal zullen zijn. De posten qt, qi, qz en qint zijn (voor de winter en zomer) gebouwgebonden warmtestromen, die zondermeer als bindende randvoorwaarden worden gehanteerd. Als uitgangspunt geldt dus het architectonische ontwerp. Zoals reeds verwoordt kan op vele verschillende manieren in de warmte en koudevoorziening van de gebouwde omgeving worden voorzien. Zo worden voor de koudeconversie bijvoorbeeld lucht of watergekoelde compressie koelmachines ingezet naast absorptie koelaggregaten, lange termijn koude opslag en indirecte adiabatische koeling. In het benodigde aansluitvermogen kan zodoende voorzien worden door een basis en een piekinstallatie of in uitzonderlijke gevallen door een basis, midden, en piekinstallatie, in parallelle of seriële bedrijfswijze. Het bedrijfseconomische onderscheid tussen piek en basisvermogen is erop gebaseerd dat de specifieke investeringskosten in basisvermogen hoger zijn dan de specifieke investeringskosten in piekvermogen terwijl de specifieke onderhoud en energiekosten van het basisvermogen daarentegen juist weer lager zijn dan de specifieke onderhoud en energiekosten van datzelfde piekvermogen. De inzet van basisvermogen is bedrijfseconomisch dan ook alleen maar interessant als via jaarlijkse minderkosten voor onderhoud en energiegebruik de meerinvesteringen tijdens de economische levensduur worden terugverdiend. Vanwege het streven naar minimalisatie van het aansluitvermogen zijn de berekeningen gebaseerd op een parallelle bedrijfswijze volgens:
Pva = Pvb + Pvm + Pvp [kW] (3) Respectievelijk;
Pka = Pkb + Pkm + Pkp [kW] (4) Waarin: Pvb, Pkb; Basisverwarmings- en koelvermogen [kW]. Pvm, Pkm; Middenverwarmings- en koelvermogen [kW]. Pvp, Pkp; Piekverwarmings- en koelvermogen [kW]. Voor de totale investeringskosten van het aansluitvermogen voor verwarming en koeling geldt dan:
Iva = Ivb + Ivm + Ivp [fl] (5)
4 Respectievelijk;
Ika = Ikb + Ikm + Ikp [fl] (6) Uitgaande van gestandaardiseerde hydraulische aansluitingen en regeltechnische principes, zoals weergegeven in PFD’s en PID’s worden per installatieonderdeel, bijvoorbeeld een ketelaansluiting, op grond van vrijblijvende offertes van installatiebedrijven regressiefuncties berekend met behulp van de methode der kleinste kwadraten [8]. Figuur 2 geeft hiervan een voorbeeld. Per installatieonderdeel geldt dan voor de eenmalige investeringskosten:
Ii = ∑ aijPi j [fl] (7) j =0
Waarin; ai; Polynoomconstanten. Pi; Het te installeren vermogen [kW]. De index i heeft hierbij betrekking op de indexen vb, vm, vp, kb, km en kp. De sommatie van de vergelijkingen 5 en 6 waarbij per onderdeel vergelijking 7 wordt gesubstitueerd leveren de totale investeringskosten op voor een technisch geminimaliseerde koel en verwarmingsinstallatie in een gebouw.
Figuur 2: Een investeringsvoorbeeld; Warmtekracht-koppeling
Investering [Fl. x 1000]
40.000
35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0 0
5.000
10.000
15.000
20.000
invoer gasmotor
Gasmotor-generatorset
Gasturbine-generatorset
invoer gasturbine
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
Vermogen [kWth]
Uit de eenmalige investeringskosten worden de jaarlijkse afschrijvingen berekend. De jaarlijkse afschrijvingen vormen, tijdens de economische levensduur van de installatie, een vast bestanddeel van de jaarlijkse exploitatiekosten. Deze afschrijvingen worden berekend volgens de annuïteitenmethode. Er geldt dan:
A=
Iva + Ik a [fl/a] (8) N
5 Met
(1 + i ) − 1 N= n i (1 + i ) n
[a] (9)
Waarin; n; De economische levensduur [a]. i; Het interest perunage. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de investeringen in de koel en verwarmingsinstallatie gepleegd worden met geleend geld.
HET ONDERHOUD. De jaarlijkse onderhoudskosten zijn, hetzelfde als de investeringskosten, gebaseerd op vrijblijvende offerten van onderhoud en installatiebedrijven. Ook hier wordt weer via regressie met behulp van de methode der kleinste kwadraten per installatieonderdeel een polynoom bepaald tussen enerzijds de grootte van de installatie en anderzijds het jaarlijkse onderhoudsbedrag. In een aantal gevallen, dus daar waar dit meer van toepassing is, wordt daar en tegen een relatie bepaald tussen het aantal jaarlijkse bedrijfsuren en de onderhoudsprijs per uur. Voor de eerste situatie geldt dan:
Qi = ∑ bijPi j [fl/a] (10) j=0
Waarin; bi; Polynoomconstanten. Pi; Het te installeren vermogen [kW]. De index i heeft hierbij weer betrekking op de indexen vb, vm, vp, kb, km en kp. Figuur 3: Een onderhoudskostenvoorbeeld; Warmtekrachtkoppeling
Onderhoudskosten [Fl. / draaiuur]
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0 0
5.000
10.000
15.000
20.000
invoer gasmotor
Gasmotor-generatorset
Gasturbine-generatorset
invoer gasturbine
25.000
30.000
35.000
40.000
Vermogen [kWth ]
45.000
6 In de onderhoudsmarkt is een verschuiving zichtbaar van inspanningsverplichte onderhoudscontracten naar prestatiegerichte onderhoudscontracten en in sommige gevallen zelfs al naar toestandsafhankelijke onderhoudscontracten. De consequentie hiervan is dat de onderhoudskosten de komende jaren aan verandering onderhevig zullen zijn. De uitkomst van deze veranderingen is op dit moment moeilijk voorspelbaar met als gevolg dat de toegepaste relaties in de databank steeds weer moeten worden geëvalueerd.
HET ENERGIEGEBRUIK. Correct gedimensioneerde verwarming en koelinstallaties zullen het overgrote deel van het stook respectievelijk het koelseizoen in deellast draaien. Een verwarmingsinstallatie zal bijvoorbeeld, als een optimaliserende nacht en weekeindverlagingsregeling is geïnstalleerd, alleen tijdens de morgenuren, gedurende het versneld opwarmen van het gebouw, vollast draaien. De rest van de tijd zal de verwarmingsinstallatie in deellast draaien. Ook voor koelinstallaties is dit van toepassing. Om nu dit deellast en vollast gedrag in de berekeningen te betrekken wordt in dit model gebruik gemaakt van belastingduurkrommen [4]. Een tweede reden om belastingduurkrommen te gebruiken is dat hierin ook duidelijk de bouwfysisch invloed van het gebouw en de mechanische ventilatie installatie in beeld kan worden gebracht. Deze invloeden betreffen dan de thermische traagheid van het gebouw (met eventueel nachtventilatie) en de directe vrije luchtzijdige koeling door de mechanische ventilatieinstallatie. De invloed op de energievraag van indirecte waterzijdige koeling met behulp van koeltorens en drycoolers is ook eenvoudig in de belastingduurkrommen weer te geven. Figuur 4 geeft voorbeelden van belastingduurkrommen weer, waarin de besproken invloeden zichtbaar zijn gemaakt.
7
Figuur 4 - Een Tweetal Belastingduurkrommen Verwarmingsvermogen Pv [kW] Pva Indirecte vrije waterzijdige koeling
0
Een thermisch traag gebouw
Tijd t [h/a]
Directe vrije luchtzijdige koeling
Een thermisch snel gebouw
Kantoorgebouw Met Nacht en Weekeindverlaging
Pka Koelvermogen Pk [kW]
niet bedrijfstijd 6160 [h/a]
bedrijfstijd 2600 [h/a] Jaar - 8760 [h/a]
Verwarmingsvermogen Pv [kW] Pva Qvt Interne vrije warmtebelasting
tk Tijd t [h/a]
0 tv Indirecte vrije nachtventilatie koeling
Qkt
Kantoorgebouw Zonder Nacht en Weekeindverlaging Pka Koelvermogen P [kW]
8 Op grond van dynamische modellen [5, 6 en 7] of metingen in bestaande situaties worden de jaarlijkse verwarming en koelvragen van de klimaatinstallatie in het gebouw berekend. Van de aldus gevonden numerieke waarden worden via de methode der kleinste kwadraten hogere orden polynomen bepaald volgens:
tv = ∑ evjPv j
[h/a] (11)
j=0
Respectievelijk ;
tk = ∑ ek jPk j
[h/a] (12)
j=0
Waarin; evi en eki: Polynoomconstanten. Pv : Verwarmingsvermogen [kW]. Pk: Koelvermogen [kW]. tv: Verwarmingstijd [h/a]. tk: Koeltijd [h/a]. De totale energievraag en de totale warmte en koelproductie van de successievelijke energie conversiesystemen worden nu als volgt berekend: tv
Qvt = ∫ t v ⋅ dPv [kWh/a]. (13) 0
Respectievelijk tk
Qk t = ∫ tk ⋅ dPk [kWh/a]. (14) 0
En ti
Qi = ∫ ti ⋅ dPi [kWh/a]. (15) 0
Waarin: Qvt; Totale jaarlijkse warmtevraag [kWh/a]. Qkt; Totale jaarlijkse koelvraag [kWh/a]. Qi; Jaarlijkse warmte en koelproductie door de successievelijke energie conversie installaties [kWh/a].
9 Figuur 5 geeft de afstemming weer tussen enerzijds de koel en verwarmingsvraag en anderzijds de warmte en koudeproductie.
Figuur 5 - Een Afstemming tussen Warmte en Koelvraag en Warmte en Koelproductie Verwarmingsvermogen Pv [kW] Pva
Pvp Pvm
0
Tijd t [h/a]
Pvb
Pkb
Pkm
Kantoorgebouw Met Nacht en Weekeindverlaging Pkp
Pka Koelvermogen P [kW]
Met de bijbehorende energieconversie rendementen en energieprijzen worden dan de jaarlijkse energiekosten berekend volgens:
Ei =
Qi ⋅ f i [fl/a] (16) ηi
Waarin ; fi; Energieprijs [fl/kWh]. ri; Conversierendement Waarbij bijvoorbeeld voor mechanische compressiekoelmachines geldt dat het conversierendement gelijk is aan de Seasonal Performance Factor (SPF) en de energieprijs overeenstemt met de elektriciteitsprijs terwijl voor bijvoorbeeld centrale verwarmingsketels het conversierendement overeenkomt met het product van gebruiksrendement en verbrandingswarmte van aardgas en de energieprijs gelijk is aan de gasprijs. In het programma zijn voor een aantal energieconversie systemen de conversierendementen voorhanden.
10 DE ECONOMISCHE CRITERIA. Commerciële investeerders, huurders en de Nederlandse overheden zijn zuinige mensen. Maar zij zijn ieder zuinig op hun eigen zaken. De commerciële investeerder streeft doorgaans naar minimalisatie van de investeringskosten, terwijl de huurder van commercieel vastgoed streeft naar minimalisatie van de jaarlijkse exploitatielasten. De Nederlandse overheden zijn vanwege de vigerende internationale milieuverdragen doorgaans alleen maar geïnteresseerd in minimalisatie van de energiekosten. De economische criteria van de diverse belanghebbenden stroken dan ook niet altijd met elkaar, waardoor een enkele puntoplossing van een installatieontwerp, hetgeen nog steeds de normale ontwerppraktijk is, geen recht kan doen aan de diverse tegenstrijdige belangen. Het model daarentegen genereert oneindig veel installatieconcepten waarover in het ontwerpstadium van gedachten kan worden gewisseld. Uiteindelijk kunnen verifieerbare rationele beslissingen genomen worden over het conceptuele installatieontwerp op grond van de hier te bespreken economische criteria. Het eerste economische criterium zijn de totale jaarlijkse exploitatielasten volgens:
K = A + O + E [fl/a] (17) Waarin: A; Jaarlijkse afschrijvingen [fl/a]. O; Jaarlijkse onderhoudskosten [fl/a]. E; Jaarlijkse energiekosten [fl/a]. Een optimalisatie van de levenscycluskosten komt overeen met een minimalisatie van de jaarlijkse exploitatielasten volgens:
dK d 2K = 0 en 〉 0 (18) dx dx 2 Rekening houdende met de randvoorwaarden van een minimaal aansluitvermogen en de jaarlijkse energievragen, berekend het model de optimale samenstelling van de energieconversie installatie uit de diverse onderdelen op grond van een optimalisatie van de levenscycluskosten volgens de vergelijkingen 17 en 18. De huurder zal blij zijn met zo’n optimale installatie. Naast de jaarlijkse exploitatielasten worden ook de totale investeringen, het tweede economische criterium, van de diverse installatieconcepten berekend volgens:
I = Iva + Ika [fl] (19) Waarin: Iva; Eenmalige investering in basis, midden en piekvermogen van de verwarming. Ika; Eenmalige investering in basis, midden en piekvermogen van de koeling. Binnen de volledige range van installatieconcepten zoekt het model de oplossing met de laagste investeringskosten. Dit zal de investeerder in commercieel vastgoed aanspreken. Met betrekking tot de meerinvesteringen van de alternatieve installatieconcepten, welke mogelijk gepaard gaan met lagere onderhoud en energiekosten fungeert het installatieconcept met de laagste investeringskosten als referentie installatie. Uit de meerinvesteringen en minderkosten voor onderhoud en energie wordt dan ten opzichte van de gekozen referentie installatie de eenvoudige terugverdientijd berekend volgens:
∆I = I − Iref [fl] (20) En
∆ (O − E ) = (O − E ) − (O − E ) ref [fl/a] (21)
11 Waarbij;
TVT =
∆I [a] (22). ∆(O + E )
Waarin: I, O, E; De investering, onderhoud en energiekosten van het alernatieve installatieconcept. Iref, (O + E)ref.; De investering, onderhoud en energiekosten van de referentie-installatie op basis van minimale investeringskosten. Door binnen het model te kiezen voor steeds weer nieuwe referentie installaties op basis van minimale investeringskosten wordt het algemeen geaccepteerde principe van de huidige ontwerppraktijk en de Nederlandse overheid verlaten om een ketel en een luchtgekoelde koelmachine steeds als standaard referentie installatie te zien. Tot slot zoekt het model de installatie met de laagste energiekosten, waardoor de Nederlandse overheden ook weer enigszins gelukkig zullen zijn. Tabel 1 vat een en ander samen.
Tabel 1: De economische criteria
DE TECHNISCHE CRITERIA. Naast de economische criteria zal een installatieontwerp ook onderworpen zijn aan technische randvoorwaarden. Bij de toepassing van lange termijn koude en warmte opslag in de bodem bijvoorbeeld zal de jaarlijkse warmtebalans van de aquifers in evenwicht moeten zijn. Tabel 2 geeft een aantal van de technische criteria weer die bij diverse installatieconcepten van toepassing zijn.Het model controleert de installatieconcepten of zij voldoen aan de technische randvoorwaarden.
Tabel 2: Een aantal technische criteria
12 DE MILIEUKUNDIGE CRITERIA. De Nederlandse overheden zijn reeds in het voorgaande genoemd. Zij streven naar minimalisatie van het primaire energiegebruik en maximalisatie van de kooldioxide reductie. Het model berekend per installatieconcept het primaire energiegebruik en de kooldioxide emissie. Tabel 3 geeft de milieukundige criteria weer. Het model toetst de alternatieve installatieconcepten op vooraf ingegeven milieukundige criteria.
Tabel 3: De milieukundige criteria De “werking” van het hier beschreven beslissingsmodel wordt toegelicht aan de hand van het project De Eempolis te Amersfoort Noord.
13 DE EEMPOLIS. Zoals de artist impression (figuur 6) weergeeft is de Eempolis een lang gerekt kantoor gebouw gesitueerd langs het spoor met commerciële ruimten op het begane grondniveau met centraal in het gebouw, de in en uitgangshal voor het station Amersfoort.
Figuur 6 De Eempolis te Amersfoort Noord De begane grondvloer, de gevels en het dak zijn bijzonder goed geïsoleerd en van goede kier en naaddichtingen voorzien. Gelet op het feit dat dit gebouw zich pal langs het spoor bevindt is het logisch om een gebalanceerde mechanische ventilatie-installatie met recuperatieve warmteterugwinning toe te passen. Het gebouw is verder voorzien van buitenzonwering. Kortom het warmteverlies tijdens het stookseizoen en de externe warmtebelasting tijdens het koelseizoen zijn beperkt van omvang zodat gekozen is voor in hoofdzaak vierpijps lage druk inductie-units in de plafonds. Dit bood de mogelijkheid om gebruik te maken van lage temperatuur verwarming en hoge temperatuur koeling. Hiervan is de belastingduurkromme berekend zoals figuur 7 deze weergeeft.
Koudevraag [kWth]
Figuur 7: De Eempolis Amersfoort Noord; de belastingduurkromme 800
600
400
200
Warmtevraag [kWth]
0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
-200
-400 opwarmen
warmte
koeling
Bedrijfsuren per jaar [h]
14 Om te voorzien in de benodigde hoeveelheid warmte en koude zijn alternatieve energieconversie systemen met behulp van het beslissingsmodel onderzocht, namelijk; n Een centrale warmte en koudeproductie in het gebouw. n Een semi centrale casu quo semi decentrale warmte en koudeproductie in het gebouw. Centraal wordt warmte en koude in het gebouw geproduceerd door een doublet-bron aquifersysteem voorzien van warmtepompen en decentraal in de vijf technische ruimten waar de luchtbehandelingskasten zich bevinden staan (eventuele) back-up ketels en luchtgekoelde koudwateraggregaten opgesteld. n Een decentrale warmte en koudeproductie in het gebouw. Als parameters in het ontwerpproces zijn meegenomen: n Grote centrale en kleine decentrale VR en HR verwarmingsketels in cascade opstelling. n Grote centrale en kleine decentrale luchtgekoelde koudwateraggregaten in packaged uitvoering met schroef compressoren. n Elektrische warmtepompen en gasgestookte absorptiewarmtepompen. Grote centrale systemen en kleine decentrale systemen, waarbij met name voor de kleine decentrale elektrische warmtepompen scroll-compressoren in de berekeningen zijn betrokken. Zowel monovalente als bivalente installatieconcepten. n Een groot centraal doubletbron aquifersysteem en vijf decentrale monobron aquifersystemen. n Buffering van de zomerse condensorwarmte in de warme bron van de aquifer voor winters gebruik en afvoer van de zomerse condensorwarmte via drycoolers aan de buitenlucht.
15 Figuur 8 met tabel vat de onderzochte energieconversie systemen samen.
16 Voordat de lezer nu verder leest moet hij/zij eerst proberen om voor zichzelf aan te geven wat uiteindelijk het meest optimale installatieconcept voor de Eempolis als uitkomst van het softwarematige beslissingsmodel zal resulteren ? Figuur 9 toont de berekeningsresultaten van een alternatief; Decentrale warmte en koude productie met elektrische warmtepompen en geen buffering van de vrijkomende zomerse condensorwarmte in de monobron aquifer. Deze figuur toont respectievelijk de jaarlijkse exploitatielasten, de meerinvesteringen en minderkosten voor onderhoud en energiegebruik, de terugverdientijd, de warmtebalans van de aquifer en het primaire energiegebruik. Uit deze figuur kan worden opgemaakt dat een monovalente installatie zowel bedrijfseconomisch alsook milieukundig de beste oplossing is. Tabel 4 geeft alle berekeningsresultaten weer van alle optimale installatieconcepten.
17 Figuur 9: De berekeningsresultaten van de mono-valente, decentrale electrische warmtepomp aangesloten op een monobron aquifer. Levenscycluskosten 160 Klca-Ctotaal 140 Klca-wp Klca-ketel
120
Klca-aq 100 Klca-ckm Klca-DRY
80
60
40
20
0 0
50
100
150
200
250
300
350 400 Warmtepompvermogen [kWth]
Warmtebalans ondergrond
Q-ondergrond[MWh th]
200
Qkbodem-wp [mWhth]
150
Qwbodem-wp [MWhth]
100
Qwbodem-aq [MWhth]
50 •Qw [MWhth] 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Pv-wp [kWhth]
-50 -100 -150 -200
Primaire energiebesparing 300 250 200 150 100
Totale primaire energiebesparing [MWh / a]
50 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
Warmtepompvermogen [kWth]
CO2 - reductie 300 250 200 150 Totale primaire energiebespar ing [MWh / a]
100 50 0 0
50
100
150
200
250
300
350 Warmtepompvermogen [kWth]
400
18 Tabel 4: De berekening van de optimale oplossingen. CENTRAAL
CENTRAAL
CENTRAAL
CENTRAAL
[1] Omschrijving van de varianten:
PW_Conventioneel [kWth ] PK_Conventioneel [kWth ] PW_WP. [kWth ] PK_WP. [kWth ] PK_AQ. [kWth ] I (investering) A (afschrijving) E (energie) 0 (onderhoud) LCK (levenscycluskosten) [2] • Qw bodem [MWh] [3] Qprimair [MWh] [4] CO2 - reductie [ton / a]
E-WP (bivalent)
E-WP (bivalent)
A-WP (bivalent)
A-WP (bivalent)
SEMICENTRAAL
SEMICENTRAAL
SEMICENTRAAL
SEMICENTRAAL
CENTRAAL
CENTRAAL
CENTRAAL
CENTRAAL
E-WP (bivalent)
E-WP (bivalent)
A-WP (bivalent)
A-WP (bivalent)
DECENTRAAL DECENTRAAL DECENTRAAL
E-WP (bivalent)
E-WP (bivalent)
E-WP (monovalent)
Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer Doubletbron aquifer 2de laag 3de laag 2de laag 3de laag 2de laag 3de laag 2de laag 3de laag 2de laag 3de laag 2de laag
DECENTRAAL
DECENTRAAL
DECENTRAAL
DECENTRAAL
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
HR-Ketels
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
C.K.M.
1.619 2.487
1.920 3.070
1.920 3.070
1.920 3.070
1.920 3.070
1.920 3.070
1.920 3.070
1.920 3.070
464 0
464 0
0 0
301 376 207
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1.456 2.007 1.063
1.456 2.007 1.063
1.856 1.706 1.355
fl 3.311.195 fl 319.008 fl 229.391 fl 38.224 fl 586.623
fl 3.143.407 fl 302.843 fl 255.334 fl 32.916 fl 591.093
fl 3.548.712 fl 341.891 fl 255.334 fl 17.171 fl 634.194
fl 3.548.712 fl 341.891 fl 255.334 fl 17.171 fl 634.194
fl 2.631.377 fl 253.513 fl 240.522 fl 26.314 fl 637.199
fl 2.631.377 fl 253.513 fl 240.522 fl 26.314 fl 637.199
fl 2.631.377 fl 253.513 fl 240.522 fl 26.314 fl 677.161
fl 2.631.377 fl 253.513 fl 240.522 fl 26.314 fl 677.161
fl 3.519.759 fl 339.102 fl 146.513 fl 48.193 fl 592.593
fl 3.854.990 fl 371.399 fl 146.513 fl 54.897 fl 631.594
fl 3.295.054 fl 317.453 fl 129.039 fl 47.441 fl 560.961
359 1.579 62
0 1.900 0
0 1.900 0
0 1.900 0
0 1.900 0
0 1.900 0
0 1.900 0
0 1.900 0
616 603 230
616 603 230
98 423 256
De berekeningen zijn uitgevoerd zonder de verdiscontering van subsidies.
19 Op grond van het hier beschreven en toegepaste beslissingsmodel ten aanzien van het project ‘De Eempolis te Amersfoort Noord’ resulteren de volgende conclusies: n Het beslissingsmodel leidt tot rationele (innovatieve) installatieconcepten waarover op grond van de gekozen selectiecriteria volledige verantwoording kan worden afgelegd. n Het beslissingsmodel wordt al naar gelang dit op ons pad ligt met verdere energieconversie systemen uitgebreid. Voor het praktijkproject De Eempolis resulteren de specifieke conclusies: n De toepassing van indirecte waterzijdige vrije koeling via drycoolers is economisch en milieukundig geen zinvolle oplossing. Directe luchtzijdige vrije koeling en nachtventilatie via de mechanische ventilatie-installatie zijn te prefereren. n De laagste levenscycluskosten en de grootste primaire energiebesparing treden op bij decentrale monovalente elektrische warmtepompen met scroll-compressoren in cascade opstelling gekoppeld aan decentrale monobron aquifersystemen waarbij de zomerse condensorwarmte via drycoolers naar de buitenlucht wordt afgevoerd. Het gebouw wordt niet meer voorzien van ketels en luchtgekoelde koudwateraggregaten als back-up voorziening en als pieklast installatie. Het gebouw krijgt geen gasaansluiting meer. Met recht kan hier gesproken worden van een ‘all electrical solution’, waarbij duurzaamheid hand in hand gaat met bedrijfseconomische voordelen, zeker als ‘groene stroom’ uit het net betrokken wordt. n Het decentraliseren van de warmte en koudevoorzieningen in gebouwen biedt ook grote voordelen met betrekking tot flexibiliteit ten aanzien van het bouwproces en verbouwingen, waarvan de financiele consequenties tot dusverre nog niet in de economische beschouwingen zijn betrokken. Het PFD toont de definitieve logische warmte en koude installatie in het gebouw De Eempolis te Amersfoort, waarbij moet worden aangetekend dat de vijf monobronnen uiteindelijk vervangen zullen worden door een doubletbron systeem omdat de aanwezige aquifers vanwege een aanwezige verontreiniging in de ondergrond de toepassing van monobron systemen niet meer toeliet. Ook dit is weer een logische ontwerpbeslissing waarover verantwoording kan worden afgelegd.
20
Figuur 10 - Het Ontwerp en de Dimensionering van de Eempolis Pv [kW] Pva
Warmtevraag t v [h/a] 50-40 [°C] Distributie
EWP 1
EWP 2
DRY
Pk [kW] Pka
Koelvraag tk [h/a] 10-18 [°C] Distributie
EWP'S
B
C
D/E
F/G
A Warmte en KoelCentrales DoubletBron AQ 8 [°C]
Vermogens A [kW] Pva 300 16 [°C]
B
C
D/E
F/G
360
420
540
300
Pka
480
580
670
860
480
Pe w p s
300 260
360 300
420 360
540 460
300 260
Pdry
340
390
470
600
340
Pa q
1370
LITERATUUR. [1] NEN 5066, De Nederlandse warmteverliesberekening voor gebouwen, 1992. [2] Het economisch optimaliseren van nacht en weekeindverlagingen, A.H.H. Schmitz, TVVL-Magazine 3/2001. [3] NEN 5067, De Nederlandse koellastberekening voor gebouwen, 1985. [4] Optimaliseren van het installatie ontwerp, A.H.H. Schmitz, cursus Intechnium 2001. [5] Klimagerechtes Bauen, B. Keller, 1997. [6] Vabi programma VA114. [7] ISSO 38, Handboek warmtepompen voor de gebouwde omgeving, 1996. [8] Advanced Engineering Mathematics, E. Kreyszig, 1983. [9] Optimaliseringstechnieken, Th.H.B. Hendriks, 1991.
21 SAMENVATTING. Het artikel beschrijft een ontwerp beslissingsmodel in de vorm van een softwareprogramma om in een zeer vroeg stadium van het ontwerpproces installaties te ontwerpen en te dimensioneren. Het hart van het model vormen zes berekeningsmodulen waarin respectievelijk zijn ondergebracht; n De berekening van de investeringskosten en jaarlijkse afschrijvingen. n De berekening van de jaarlijkse onderhoudskosten. n De berekening van het jaarlijkse energiegebruik. n De berekening van de economische beslissingscriteria zoals minimalisatie van de levenscycluskosten, minimalisatie van de investeringen en minimalisatie van de energie en onderhoudskosten. n De berekening van de technische beslissingscriteria zoals de vereffening van warmtebalans in de ondergrond indien aquifers worden toegepast. n De berekening van de milieukundige criteria zoals minimalisatie van het primaire energiegebruik en maximalisatie van de kooldioxide reducties. Installaties die met deze ontwerptool zijn ontworpen en gedimensioneerd bezitten een zekere mate van logische, rationele en innovatieve aspecten. Over de gemaakte ontwerp en dimensioneringsbeslissingen kan ten alle tijden verantwoording worden afgelegd. Dit ontbreekt vaak in de huidige praktijk van het ontwerpen van installaties.
