TNO RAPPORT 060-DTM Scholen Haalbaarheidsstudie benutting warmte uit afgevoerde lucht. innovation. for life

F

TNO RAPPORT

060-DTM-2011-04131

Scholen Haalbaarheidsstudie benutting warmte uit afgevoerde lucht

innovation for life

I

Technical Sciences Van Mourik Broekmanweg 6 2628 XE Delft Postbus 49 2600 AA Delft

TNO-rapport

www.tno.nl

060-DTM-2011-04131

Scholen Haalbaarheidsstudie benutting warmte uit afgevoerde lucht

Datum

6 december 2011

Auteur(s)

Ir. P.Jacobs ing. W. Kornaat ir. R.T.M. ter Steeg

Aantal pagina's Aantal bijlagen Opdrachtgever Projectnummer

24 (incl. bijlagen) GGD Groningen 054.01193.01.01

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, foto-kopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor opdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belang-hebbenden is toegestaan. © 2011 TNO

T +31 88 866 30 00 F +31 88 866 30 10 [email protected]

TNO-rapport | 060-DTM-2011-04131

2 / 24

Samenvatting De GGD Groningen heeft een concept van luchttoevoer via de gevel voor toepassing in schoollokalen voorgesteld. Om de energiezuinigheid van dit concept te verbeteren heeft GGD Groningen de vraag gesteld of het mogelijk is om de warmte uit de afgevoerde lucht te benutten. In opdracht van GGD Groningen, contactpersoon mevrouw G.M. Meijer, heeft TNO onderzoek verricht naar een systeem waarbij met een warmtepomp warmte wordt onttrokken uit de afvoerlucht in combinatie met een buffervat. Modelsimulaties zijn hiervoor uitgevoerd met het warmte- en ventilatiemodel TRNSYS [2]. Op basis van deze modelsimulaties kunnen de volgende conclusies getrokken worden. Het warmtepomp systeem kan voor circa 70% dan wel 85% voorzien in de energiebehoefte voor ruimteverwarming bij respectievelijk een “standaard” en een “goed” geïsoleerde klaslokaal, uitgaande van: een buffervat met een capaciteit van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil van 20K) een afvoertemperatuur van de door de warmtepomp gebruikte lucht van 6C. een Coefficient Of Performance (COP-waarde) tussen 2 en 4. Een dergelijk systeemontwerp geeft pas een besparing op de energiekosten indien de COP-waarde van de warmtepomp groter wordt dan 3,5. Dit correspondeert met een afgiftetemperatuur van maximaal 50 ºC van het verwarmingssysteem. Mogelijk moeten dan in bestaande situaties de radiatoren worden vervangen door lage temperatuur convectoren of radiatoren. Dit vormt een belangrijke randvoorwaarde voor een effectieve toepassing van een warmtepomp. Bij een COP-waarde van 4, blijft de jaarlijkse besparing beperkt tot 16 á 20 euro/klaslokaal. Besparingen op primair energiegebruik variëren, afhankelijk van de COP-waarde, tussen 16 tot 45%. Door het gebruik van serieproducten kan de kostprijs voor de warmtepomp beperkt worden gehouden. Potentieel geschikte warmtepompsystemen worden momenteel met name geproduceerd voor de woningbouw en omvatten een warmtepomp en een voorraadvat. Om het aantal bedrijfsuren per warmtepomp en daarmee de rentabiliteit te verhogen ligt het voor de hand om 2 of 3 kleine warmtepompen met ingebouwde ventilatoren te combineren met 1 of 2 losse ventilatoren. Een eerste inschatting geeft aan dat de terugverdientijd van de warmtepomp groter dan 20 jaar is.


3 / 24

Inhoudsopgave Samenvatting ........................................................................................................... 2 1

Inleiding .................................................................................................................... 4

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Beschrijving klaslokaal ........................................................................................... 5 Layout ........................................................................................................................ 5 Bouwkundige uitvoering ............................................................................................ 5 Ventilatie .................................................................................................................... 7 Bezetting en warmteproductie door leerlingen .......................................................... 7 Gebruik verwarming................................................................................................... 7 Gebruik verlichting ..................................................................................................... 7

3

Modellering warmtepomp en buffervat ................................................................. 8

4 4.1 4.2 4.3

Resultaten simulaties ............................................................................................ 10 Warmtevraag klaslokaal .......................................................................................... 10 Bijdrage warmtepomp .............................................................................................. 10 Besparingspotentieel ............................................................................................... 14

5

Bespreking van de simulatie resultaten .............................................................. 17

6 6.1 6.2

Praktische uitvoering en kostenschatting warmtepomp................................... 19 Bepalende variabelen voor COP ............................................................................. 19 Uitvoering en kosten ................................................................................................ 20

7

Conclusies .............................................................................................................. 22

8

Literatuur ................................................................................................................ 23

9

Ondertekening ....................................................................................................... 24


1

4 / 24

Inleiding De GGD Groningen heeft een concept van luchttoevoer via de gevel voor toepassing in schoollokalen voorgesteld. In 2009 is door TNO de werking van dit concept in een laboratorium situatie beproefd [1]. Om de energiezuinigheid van dit concept te verbeteren heeft GGD Groningen de vraag gesteld of het mogelijk is om de warmte uit de afgevoerde lucht te benutten. In opdracht van GGD Groningen, contactpersoon mevrouw G.M. Meijer, heeft TNO onderzoek verricht naar een systeem waarbij met een warmtepomp warmte wordt onttrokken uit de afvoerlucht in combinatie met een buffervat. Modelsimulaties zijn hiervoor uitgevoerd met het warmte- en ventilatiemodel TRNSYS [2]. In hoofdstuk 2 worden de uitgangspunten met betrekking tot het gesimuleerde klaslokaal besproken. De simulaties zijn uitgevoerd aan een “standaard” en “goed” geïsoleerd klaslokaal. In hoofdstuk 3 wordt besproken hoe de werking van de warmtepomp plus buffervat is gesimuleerd. In hoofdstuk 4 worden de resultaten weergegeven en in hoofdstuk 5 besproken. In hoofdstuk 6 wordt een mogelijke praktische uitvoering en een kosten inschatting gemaakt. Ten slotte worden in Hoofdstuk 7 de conclusies verwoord.


5 / 24

2

Beschrijving klaslokaal

2.1

Layout Er is uitgegaan van een schoolgebouw/vleugel bestaande uit klaslokalen met aan één zijde daarvan een gang. Eén klaslokaal met bijbehorend gangdeel is gesimuleerd (zie figuur 1).

klaslokaal

7m buiten (zuidzijde)

klaslokaal

gang

7m

2,5 m

buiten (noordzijde)

klaslokaal

Figuur 1

Plattegrond gesimuleerd klaslokaal met gang

Het klaslokaal heeft een hoogte van 3 m. Er is verondersteld dat het klaslokaal aan de kopse zijden grenst aan identieke klaslokalen met identiek temperatuurverloop. Het klaslokaal ligt op de bovenste verdieping van de school. Er is verondersteld dat het klaslokaal en de gang met de vloer grenzen aan respectievelijk een identiek klaslokaal en identieke gang met identiek temperatuurverloop. Bij het onderhavige onderzoek is steeds uitgegaan van een oriëntatie van de gevel van het klaslokaal op het zuiden.

2.2

Bouwkundige uitvoering Simulaties zijn uitgevoerd voor 2 bouwkundige uitvoeringen van het klaslokaal. Deze worden aangeduid als: een “standaard” geïsoleerd klaslokaal. Deze situatie is min of meer representatief voor een bestaande school waaraan inmiddels isolerende aanpassingen zijn doorgevoerd. een “goed” geïsoleerd klaslokaal. Deze situatie mag min of meer representatief geacht worden voor nieuwbouw.


6 / 24

“Standaard” geïsoleerd klaslokaal: Opbouw van binnen naar buiten plus warmteweerstand (Rc-waarde) Gevel: 3 10 cm beton (1300 kg/m ), 4 cm isolatie, spouw, ½-steens metselwerk 3 (1900 kg/m ) 2 Rc= 1,6 (m .K)/W Dak: 1,5 cm gipsplaat, 8 cm isolatie, 1,5 cm triplex + bitumen 2 Rc= 2,4 (m .K)/W Tussenvloer: 3 3 3 cm estrich (1350 kg/m ), 15 cm beton (2500 kg/m ) 2 Rc 0,1 (m .K)/W Binnenwand: 3 10 cm beton (1300 kg/m ) 2 Rc 0,2 (m .K)/W Voor de beglazing is uitgegaan van dubbelglas met een warmtetransmissie (k2 2 waarde) van 2,8 W/(m .K). In de gevel van het klaslokaal betreft het 14 m (2m 2 hoog over volle breedte). In de gevel van de gang betreft het 7 m (1m hoog over volle breedte). 2

In de wand tussen het klaslokaal en de gang is 6 m enkel glas 2 (k-waarde=5,7 W/(m .K)) toegepast. “Goed” geïsoleerd klaslokaal: Opbouw van binnen naar buiten plus Rc-waarde: Gevel: 3 10 cm beton (1300 kg/m ), 12 cm isolatie, spouw, ½-steens metselwerk 3 (1900 kg/m ) 2 Rc= 3,9 (m .K)/W Dak: 1,5 cm gipsplaat, spouw, 16 cm isolatie, spouw, 1,5 cm triplex + bitumen 2 Rc= 5 (m .K)/W Tussenvloer: 3 3 3 cm estrich (1350 kg/m ), 15 cm beton (2500 kg/m ) 2 Rc 0,1 (m .K)/W Binnenwand: 1,5 cm gipsplaat, 7 cm steenwol, 1,5 cm gipsplaat 2 Rc= 1,9 (m .K)/W 2

Voor de beglazing is uitgegaan van HR++glas met k-waarde van 1,1 W/(m .K). In 2 de gevel van het klaslokaal betreft het 14 m (2m hoog over volle breedte). In de 2 gevel van de gang betreft het 7 m (1m hoog over volle breedte). 2

In de wand tussen het klaslokaal en de gang is 6 m enkel glas 2 (k-waarde=5,7 W/(m .K)) toegepast. Luchtdoorlatendheid: Voor de luchtdoorlatendheid van het klaslokaal inclusief de gang is uitgegaan van 3 80 dm /s bij 10 Pa drukverschil (qv,10-waarde). Van het luchtlek zit 40% in de gevel en 60% in het dak.


2.3

7 / 24

Ventilatie Bij aanwezigheid van de leerlingen (zie paragraaf 2.4) bedraagt het ventilatiedebiet 3 van het klaslokaal 1200 m /h. Deze luchtvolumestroom wordt mechanische afgezogen en toegevoerd via de gevel van het klaslokaal. Bij afwezigheid van de leerlingen vindt geen ventilatie plaats, uitgezonderd door infiltratie via ondichtheden in de bouwkundige constructie.

2.4

Bezetting en warmteproductie door leerlingen Voor de bezetting van het klaslokaal wordt uitgegaan van 30 leerlingen (hierin is ook de docent meegeteld). De leerlingen zijn aanwezig op schooldagen van: - 8:30 t/m 12:00 met een kwartier pauze van 10:00 t/m 10:15 - 13:30 t/m 15:30 met een kwartier pauze van 14:45 t/m 15:00 Op woensdag zijn zij alleen gedurende de ochtend aanwezig tot 12:30. Uitgaande van leerlingen van 10 jaar, die schoolse activiteiten uitvoeren, bedraagt de warmteafgifte circa 82,5W per leerling. Hiervan wordt 80% als voelbare warmte en 20% als latente warmte (vocht van ademlucht en transpiratie) afgegeven. De totale voelbare warmteafgifte bij aanwezigheid van de 30 leerlingen (incl. docent) bedraagt hiermee 1980 W. De totale vochtproductie wordt dan 0,7 liter/uur. De vochtproductie wordt gesimuleerd omdat dit mede bepalend zal zijn of condensatie van de afvoerlucht (door de warmtepomp) optreedt en bijdraagt in de energielevering door de warmtepomp (zie hoofdstuk 3).

2.5

Gebruik verwarming Het verwarmingssysteem is ingeschakeld van 28 september t/m 26 april. Tijdens schooldagen wordt verwarmd tot 21C van 7:30 t/m 16:30 en op woensdag tot 13:30. Buiten deze schooldagen staat de verwarming ingesteld op 15C.

2.6

Gebruik verlichting Er is uitgegaan van gebruik van de verlichting tijdens het stoken op schooldagen (stoken tot 21C) gedurende het stookseizoen. 2 Voor het verlichtingsvermogen is uitgegaan van 15W/m . Voor het gehele klaslokaal betekent dit een vrijkomend warmtevermogen van 735W.


3

8 / 24

Modellering warmtepomp en buffervat Om de werking van de warmtepomp te simuleren kan in het model ingevoerd en gevarieerd worden: 1) Tot welke temperatuur de afgezogen ventilatielucht kan worden afgekoeld door de warmtepomp. Dit houdt verband met de capaciteit van de warmtepomp. 2) De COP-waarde van de warmtepomp. COP staat voor coëfficiënt of performance en is een maat voor de effectiviteit c.q. het rendement van de warmtepomp. De aan de ventilatielucht onttrokken energie wordt bepaald uit de temperatuurverlaging die door de warmtepomp wordt gerealiseerd. Indien van toepassing wordt hierbij ook de warmte beschouwd die vrijkomt ten gevolge van condensatie. Opgemerkt wordt dat ventilatie alleen tijdens aanwezigheid wordt gesimuleerd (zie paragraaf 2.3) en dus ook alleen op deze momenten de warmtepomp in bedrijf is. De COP-waarde is het quotiënt van geleverde warmte en de hiervoor benodigde door het elektriciteitsnet te leveren compressorenergie. De som van compressorenergie én de onttrokken energie aan de afvoerlucht is de energie die de warmtepomp kan leveren voor verwarming. Door de op bovenstaande wijze berekende door de warmtepomp te leveren warmte te delen door de energievraag voor ruimteverwarming, kan bepaald worden of c.q. in hoeverre de warmtepomp kan voorzien in de verwarmingsbehoefte. Omdat de warmtevraag niet synchroon loopt met de energielevering door de warmtepomp is het voor efficiënt gebruik van de warmtepomp nodig energie te bufferen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het opwarmen in de ochtend, waarbij de geleverde energie door de warmtepomp ‘minder’ is terwijl de warmtevraag juist ‘verhoogd’ is in verband met het opwarmen. Of de situatie met warmtevraag buiten schooluren, waarbij de warmtepomp niet in bedrijf is. Bij de modelsimulaties is de maximale bijdrage van de warmtepomp bepaald door aan te nemen dat alle door de warmtepomp geleverde energie nuttig gebruikt kan worden. Daarnaast zijn simulaties uitgevoerd met een buffervat. Bij deze simulaties is een buffervat gemodelleerd door het opgeven van de energieopslagcapaciteit. Er wordt vanuit gegaan dat het verwarmingssysteem de warmte kan leveren bij een temperatuurdaling (∆T) van 20 K. Bij deze afgiftekarakteristiek zijn opslagcapaciteit en buffervolume volgens onderstaande tabel van toepassing. Opslagcapaciteit (kJ) 5000 10000 20000 175000 350000

Buffervolume bij een temperatuurdaling van 20K (l) 60 120 240 2080 4160

Bij een andere keuze van het ontwerp van het verwarmingssysteem (andere ∆T) veranderen de buffervolumes.


9 / 24

Bij de simulaties met buffervat is per simulatietijdstap bepaald in hoeverre de door de warmtepomp geleverde energie, die niet direct wordt gebruik voor verwarming binnen deze simulatietijdstap, kan worden opgeslagen. Op het moment dat de opslagcapaciteit van het buffervat volledig benut is en de warmtepomp meer energie levert dan op dat moment gevraagd wordt, zal de warmtepomp een deel van de tijd uitgeschakeld worden en niet effectief benut worden.


10 / 24

4

Resultaten simulaties

4.1

Warmtevraag klaslokaal Voor het “standaard” en “goed” geïsoleerde klaslokaal wordt in tabel 1 de warmtevraag beschreven, voor de situatie tijdens schooluren en buiten schooluren, door opgave van: het aantal dagen waarop verwarmingsenergie wordt gevraagd. het maximale verwarmingsenergiegebruik per dag (MJ/dag). het totale verwarmingsenergiegebruik (MJ/jaar). het maximaal benodigde verwarmingsvermogen (kW).

Tabel 1

Karakteristieke gegevens inzake de warmtevraag (verwarmingsbehoefte) voor het “standaard” en “goed” geïsoleerde klaslokaal

variant klaslokaal

energiegebruik tijdens gebruik

vermogen buiten gebruik

tijdens gebruik

buiten gebruik

dagen (aantal/jaar)

max (MJ/dag)

totaal (MJ/jaar)

dagen (aantal/jaar)

max (MJ/dag)

totaal (MJ/jaar)

max (kW)

max (kW)

“standaard” geïsoleerd

126

261

12357

135

119

3420

16,2

2,1

“goed” geïsoleerd

120

231

9310

60

62

779

15,0

1,0

4.2

Bijdrage warmtepomp In de figuren 2 t/m 7 is de bijdrage van de warmtepomp in het totale verwarmingsenergiegebruik weergegeven afhankelijk van de COP-waarde van de warmtepomp én de volgende parameters: de temperatuur van de afgevoerde lucht, Tafv in C (temperatuur tot waar de afgezogen lucht wordt afgekoeld door de warmtepomp). de capaciteit van de buffer in kJ dan wel of sprake is van maximale benutting van de door de warmtepomp geleverde energie (‘max benutting WP’) Voor het “standaard” geïsoleerde klaslokaal zijn de resultaten weergegeven in figuur 2 en 3, waarbij opgemerkt wordt dat figuur 3 ten opzichte van figuur 2 alleen verschilt wat betreft de schaal van de Y-as om de resultaten inzichtelijker te maken. De resultaten betreffen situaties met: Tafv van 3 en 6C, maximale benutting van de warmtepomp dan wel toepassing van een buffervat met capaciteit van 5000, 10000 en 20000 kJ (60, 120 en 240 liter bij temperatuurverschil 20K). Voor het “goed” geïsoleerde klaslokaal zijn in figuur 4 en 5 de resultaten weergeven voor dezelfde omstandigheden als in figuur 2 en 3 aangehouden bij het “standaard” geïsoleerde klaslokaal.


11 / 24

Voor het “goed” geïsoleerde klaslokaal zijn in figuur 6 de resultaten weergegeven met afvoertemperatuur van 3C én verhoogde buffercapaciteiten van 175000 en 350000 kJ (2080 en 4170 liter buffervat bij temperatuurverschil 20K). Verder zijn voor het “goed” geïsoleerde klaslokaal in figuur 7 de resultaten weergegeven bij een afvoertemperatuur van 9 en 12C (Tafv) en een buffervat van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil 20K). bijdrage WP isol2a_1p 2.0 1.8

bijdrage WP (-)

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

COP (-) Tafv(C)= 3, max benutting WP

Tafv(C)= 6, max benutting WP

Tafv(C)= 3, buffer(kJ)= 5000






Bijdrage warmtepomp( WP) in totale verwarmingsenergie bij “standaard” geïsoleerd klaslokaal

Figuur 2

bijdrage WP isol2a_1p 1.00

bijdrage WP (-)

0.90

0.80

0.70

0.60 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

COP (-)

Figuur 3









Bijdrage warmtepomp ( WP) in totale verwarmingsenergie bij “standaard” geïsoleerd klaslokaal (aangepaste schaal Y-as)


12 / 24

bijdrage WP (-)

bijdrage WP isol4a_1p 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

COP (-) Tafv(C)= 3, max benutting WP








Bijdrage warmtepomp (WP) in totale verwarmingsenergie bij “goed” geïsoleerd klaslokaal bijdrage WP isol4a_1p

Figuur 4

1.00

bijdrage WP (-)

0.90

0.80

0.70

0.60 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

COP (-)

Figuur 5









Bijdrage warmtepomp (WP) in totale verwarmingsenergie bij “goed” geïsoleerd klaslokaal (aangepaste schaal Y-as)


13 / 24 bijdrage WP isol4a_1pb

1.00

bijdrage WP (-)

0.90

0.80

0.70

0.60 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

COP (-) Tafv(C)= 3, buffer(kJ)= 175000

Figuur 6


Bijdrage warmtepomp (WP) in totale verwarmingsenergie bij “goed” geïsoleerd klaslokaal bij afvoertemperatuur van 3 C in geval van verhoogde buffercapaciteiten van 175000 en 350000 kJ bijdrage WP isol4a_1pc

2.0 1.8

bijdrage WP (-)

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

COP (-)

Figuur 7





Bijdrage warmtepomp (WP) in totale verwarmingsenergie bij “goed” geïsoleerd klaslokaal in geval van verhoogde afvoertemperaturen van 9 en 12C en buffercapaciteit van 20000 kJ

5.0


4.3

14 / 24

Besparingspotentieel Voor het “standaard” en “goed” geïsoleerde klaslokaal is het effect van het toepassen van de warmtepomp met buffervat weergegeven op het energiegebruik (gas en elektra), de bijbehorende energiekosten en het primaire energiegebruik. Hierbij is uitgegaan van: een warmtepomp met COP variërend van 2 t/m 4. een temperatuur van 6C tot waar de afgezogen lucht kan worden afgekoeld door de warmtepomp. een buffervat met een capaciteit van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil van 20K). Verder is bij deze beschouwingen uitgegaan van: een rendement van een elektriciteitscentrale van 0,39. een opwekkingsrendement van een gasgestookte ketel van 0,95. een systeemrendement van een warmwater verwarmingssysteem van 0,95. 3 een gasprijs van 0,50 euro/m . een elektraprijs van 0,25 euro/kWh. Er wordt nog opgemerkt dat voor de referentiesituatie is uitgegaan van verwarming door een gasgestookte CV-ketel. Voor het “standaard” geïsoleerde klaslokaal zijn, afhankelijk van de COP-waarde van de warmtepomp, weergegeven”: in figuur 8 de aardgas besparing en het extra elektraverbruik voor de compressor van de warmtepomp. in figuur 9 het effect op de energiekosten en de besparing op primair energiegebruik. Voor het “goed” geïsoleerde klaslokaal is hetzelfde gedaan in de figuren 10 en 11.


15 / 24

400 350 300 250 200 150 100 50 0

1200 1050 900 750 600 450 300 150 0 1

2

3

4

extra elektraverbruik (kWh)

besparing gas (m3)

isol2a_1p , Tafv=6 C, Ebuffer=20000kJ

5

COP (-) besparing gas (m3)

Figuur 8


Besparing op gasverbruik en extra elektraverbruik bij “standaard”geïsoleerd klaslokaal door toepassing van warmtepomp systeem dat de afgezogen lucht afkoelt tot 6 C in combinatie met een buffervat van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil 20K)

200

100

150

75

100

50

50

25

0

0

-50

1

2

3

4

-100

5

-25

besparing primair energiegebruik (%)

besparing (euro)


-50 COP (-) besparing energiekosten (euro)

Figuur 9

prim besparing(%)

Effect op energiekosten en besparing op primair energiegebruik bij “standaard” geïsoleerd klaslokaal door toepassing van warmtepomp systeem dat de afgezogen lucht afkoelt tot 6 C in combinatie met een buffervat van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil 20K)


16 / 24

400 350 300 250 200 150 100 50 0

1200.0 1050.0 900.0 750.0 600.0 450.0 300.0 150.0 0.0 1

2

3

4


besparing gas (m3)


5

COP (-) besparing gas (m3)

Figuur 10


Besparing op gasverbruik en extra elektraverbruik bij “goed”geïsoleerd klaslokaal door toepassing van warmtepomp systeem dat de afgezogen lucht afkoelt tot 6 C in combinatie met een buffervat van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil 20K)

200

100

150

75

100

50

50

25

0 -50

0 1

2

3

4

-100

5

-25

besparing primair energiegebruik (%)

besparing (euro)


-50 COP (-) besparing energiekosten (euro)

Figuur 11

prim besparing(%)

Effect op energiekosten en besparing op primair energiegebruik bij “goed”geïsoleerd klaslokaal door toepassing van warmtepomp systeem dat de afgezogen lucht afkoelt tot 6 C in combinatie met een buffervat van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil 20K)


5

17 / 24

Bespreking van de simulatie resultaten Uit tabel 1 blijkt dat het totale energiegebruik voor ruimteverwarming (som van ‘tijdens gebruik’ en ‘buiten gebruik’) bij het “standaard” geïsoleerde klaslokaal 15777 MJ/jaar bedraagt en bij het “goed” geïsoleerde klaslokaal 10089 MJ/jaar. Door de betere isolatie neemt het energiegebruik tot circa 64% af, hetgeen ook verwacht mag worden. Het maximaal benodigde verwarmingsvermogen tijdens gebruik verschilt nauwelijks afhankelijk van het isolatieniveau (16,2 kW t.o.v. 15 kW, zie tabel 1). Bepalend voor dit maximale vermogen is een situatie met opwarming aan het begin van een schooldag. Hierbij is de opwarming van de constructie (afhankelijk van de constructietemperatuur en de warmtecapaciteit) meer bepalend voor de warmtebehoefte dan het isolatieniveau. Uit tabel 1 blijkt verder dat de betere isolatie vooral effect heeft op de warmtevraag voor de buiten gebruik situatie. Dit komt omdat door de betere isolatie warmteverlies verminderd wordt en de verwarming minder in bedrijf zal komen. Uit de figuren 2 en 4 blijkt dat de warmtepomp meer energie kan leveren dan aan verwarming gevraagd wordt. De bijdrage van de warmtepomp is groter dan 1, voor de situatie met maximale benutting van de warmtepomp (in geval van oneindig groot buffervat). Dit geldt dus zowel bij “standaard” geïsoleerd klaslokaal als bij “goed” geïsoleerd klaslokaal. In combinatie met eindige buffervaten, neemt de bijdrage van de warmtepomp af. Desondanks is bij een buffervat met een capaciteit van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil van 20K), een bijdrage van de warmtepomp haalbaar van circa 0,7 bij het “standaard” geïsoleerde klaslokaal (zie figuur 3) en circa 0,85 bij het “goed” geïsoleerde klaslokaal (zie figuur 5). Dit geldt bij een afvoertemperatuur van de afgezogen lucht van circa 3 á 6C. Uit figuur 6 blijkt dat, voor het vergroten van de bijdrage van de warmtepomp in het “goed” geïsoleerde klaslokaal tot circa 0,9, een aanzienlijke vergroting van het buffer tot circa 175000 kJ á 350000 kJ (2080 á 4170 liter bij temperatuurverschil van 20K) nodig is. Dit in vergelijking tot een bijdrage van 0,85 bij een buffer van 20000kJ, zoals hiervoor aangegeven en ontleend aan figuur 5. Ter illustratie is in figuur 12 de bijdrage (voor het ‘goed’ geïsoleerd klaslokaal bij een afvoertemperatuur van 3 C) weergegeven afhankelijk van de grootte van het buffervat.


18 / 24

bijdrage WP [-]

0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0

1000

2000

3000

4000

5000

buffergrootte [liter] Figuur 12

Bijdrage van de warmtepomp afhankelijk van de grootte van het buffervat bij een ‘goed’ geïsoleerd klaslokaal, een afvoertemperatuur van 3 C en een COP-waarde van 3.

Uit figuur 7 blijkt dat bij het “goed” geïsoleerde klaslokaal, door het verhogen van de temperatuur van de afgevoerde ventilatielucht tot 9C, de bijdrage van de warmtepomp afneemt tot circa 0,8 in vergelijking tot 0,85 bij een afvoertemperatuur van 3 á 6C (zie weer figuur 5). De warmtepomp dimensioneren op een hogere afvoertemperatuur van de afgezogen lucht, heeft als voordeel dat het temperatuurverschil over de warmtepomp lager wordt, waardoor een hogere COP mogelijk is. Daarnaast neemt hierdoor de kans op dichtvriezen van de warmtewisselaar af. Op basis van het voorgaande, lijkt het, voor het onderwerpen van het warmtepomp e systeem, in 1 instantie een verantwoorde keuze uit te gaan van: 6C voor de temperatuur tot waar de afgezogen lucht wordt afgekoeld door de warmtepomp. een buffervat met een capaciteit van circa 20000 kJ (circa 240 liter bij een temperatuurverschil van 20K). Uitgaande van een ontwerp op 6C afvoertemperatuur en 240 liter buffervat, volgt uit de figuren 9 en 11 dat de energiekosten (als gevolg van de besparing op het gasverbruik in combinatie met het extra elektraverbruik door de warmtepomp) pas afnemen bij een COP van de warmtepomp groter dan circa 3,5. Dit geldt dus zowel voor het “standaard” als het “goed” geïsoleerde klaslokaal. Toepassing van het warmtepomp systeem geeft op primair energiegebruik wel altijd een besparing. Bij een COP van 2 t/m 4 varieert de procentuele besparing op primair energiegebruik van 16 tot 45% (zie tevens figuren 9 en 11).


19 / 24

6

Praktische uitvoering en kostenschatting warmtepomp

6.1

Bepalende variabelen voor COP Hoe hoger het temperatuurverschil dat overbrugd dient te worden door een warmtepomp, hoe meer elektrische energie daarvoor nodig is. De verhouding tussen de nuttige warmte die een warmtepomp levert ( Qgeleverd_nuttig) en de daarvoor benodigde elektrische energie (Eelektrisch) wordt gegeven door de Coëfficiënt of Performance ( COP): Q geleverd _ nuttig COP  E elektrisch Deze COP is gebonden aan een theoretisch maximum dat afhangt van de temperatuur. Dit maximum wordt gegeven door: T warm COP max  T warm  T koud Waarbij Twarm de absolute temperatuur in Kelvin waarop de warmte geleverd wordt en Tkoud de absolute brontemperatuur, waar de warmte onttrokken wordt. In dit geval is Tkoud de uitgaande luchttemperatuur en Twarm de temperatuur in het watervat waarbij de warmte wordt geleverd. Voor een kleine warmtepomp wordt uitgegaan van een richtwaarde voor de COP van 40% van deze maximum waarde. In de onderstaande tabel staan voor verschillende lucht-uittrede en watertemperaturen de maximaal haalbare en een richtwaarde voor de COP weergegeven: Luchttemperatuur uittrede (°C)

Watertemperatuur (°C)

6

9

12

COP_ideaal COP_richtwaarde COP_ideaal COP_richtwaarde COP_ideaal COP_richtwaarde 35

10,6

4,8

11,9

5,3

13,4

6,0

40

9,2

4,1

10,1

4,5

11,2

5,0

45

8,2

3,7

8,8

4,0

9,6

4,3

50

7,3

3,3

7,9

3,5

8,5

3,8

55

6,7

3,0

7,1

3,2

7,6

3,4

60

6,2

2,8

6,5

2,9

6,9

3,1

65

5,7

2,6

6,0

2,7

6,4

2,9

70

5,4

2,4

5,6

2,5

5,9

2,7

75

5,0

2,3

5,3

2,4

5,5

2,5

80

4,8

2,1

5,0

2,2

5,2

2,3

85

4,5

2,0

4,7

2,1

4,9

2,2

90

4,3

1,9

4,5

2,0

4,7

2,1


20 / 24

Duidelijk is te zien dat bij een verhoging van de afgiftetemperatuur van 35°C naar 70°C de COP halveert. Er wordt van uitgegaan dat bij de omzetting van fossiele brandstoffen naar elektriciteit een rendement van 40% wordt gehaald. Voor de HRketel wordt gerekend met een omzettingsrendement van 95%. Dat betekent dat een warmtepomp een COP van 2,4 dient te halen om fossiele brandstoffen uit te sparen ten opzichte van verwarming met een HR-ketel. Om energiekosten te besparen of om de CO2 uitstoot terug te brengen is een nog hogere COP noodzakelijk. Dit omdat gas relatief ten opzichte van elektriciteit een goedkope energiedrager is en als primaire energiebron een lage CO2 uitstoot kent ten opzichte van elektriciteitsopwekking met de standaardmix. Afhankelijk van de gehanteerde energieprijzen is een COP van circa 4 nodig om energiekosten te besparen. Dit vraagt om lage afgiftetemperaturen (zie groene waarden in de bovenstaande tabel). Om bij dergelijke lage temperaturen voldoende warmte af te geven voldoen de standaard aanwezige radiatoren niet meer. Hiervoor zijn convectoren die gebruik maken van geforceerde convectie noodzakelijk. Uit deze gegevens kan worden afgeleid dat het voor het bereiken van een energiebesparing of het reduceren van de CO2 uitstoot wenselijk is om gebruik te maken van lage afgiftetemperaturen.

6.2

Uitvoering en kosten Insteek voor de warmtepomp functie is om zoveel mogelijk gebruik te maken van standaard ventilatielucht warmtepompen. Deze worden in serie geproduceerd voor de woningbouw en omvatten een warmtepomp en een voorraadvat. De warmtepomp kan daarbij worden ingesteld om water met een gewenste temperatuur te bereiden. Meerdere warmtepompen kunnen luchtzijdig parallel en waterzijdig serieel geplaatst worden zoals is geïllustreerd met de warmtepompen in figuur 13, dit biedt gewoonlijk een betere COP dan een enkele grote warmtepomp.

Figuur 13

Klaslokaal met 2 warmtepompen en 2 ventilatoren. De warmtepompen zijn luchtzijdig parallel geplaatst en waterzijdig serieel: Warmtepomp 2 krijgt voorverwarmd water van warmtepomp 1. Warmtepomp 1 zal dan ingesteld dienen te worden op een lagere watertemperatuur dan warmtepomp 2.


21 / 24

Door het gebruik van serieproducten kan de kostprijs voor de installatie beperkt worden gehouden. Ter bepaling van de kostprijs is een warmtepompboiler beschouwd met de volgende kenmerken: Luchtcapaciteit Capaciteit vat COP bij 50°C waterlevering en 10°C watertoevoer Elektrisch vermogen

Zonder correctie voor ventilatorenergie Met correctie voor ventilatorenergie

Ca. 300 300 3,36

3

m /h L

1

3,95 1 Ca 550

W

De installateursprijs voor deze warmtepomp met vat bedraagt 1500 Euro. Daar komen nog kosten bij voor installatie en regeling. Er kan gekozen worden voor het installeren van 1, 2, 3 of 4 warmtepompen per lokaal. In de simulaties is vastgesteld dat een warmtepomp volstaat met een 3 capaciteit kleiner dan 1200m /uur. Bij het toepassen van meerdere warmtepompen zal het aantal bedrijfsuren per warmtepomp en daarmee de rentabiliteit dalen. Het ligt voor de hand om 2 of 3 warmtepompen met ingebouwde ventilatoren te combineren met 1 of 2 losse ventilatoren zoals aangegeven in Figuur 13 (kostprijs warmtepompen dan 3000 à 5000 euro). De losse ventilatoren worden dan alleen gebruikt als de hoogste ventilatiecapaciteit gebruikt wordt. De rest van de tijd kan de warmte volledig worden teruggewonnen en is er 600 tot 900 liter opslagcapaciteit beschikbaar. Op basis van een kostprijs van 3000 euro en bij gelijkblijvende energieprijzen is de terugverdientijd van de warmtepomp langer dan 20 jaar.

1

Het opgenomen vermogen varieert tijdens bedrijf afhankelijk van de temperatuur in het vat. Dit is een richtwaarde voor het gemiddelde in het temperatuurtraject van 10°C tot 50°C.


7

22 / 24

Conclusies 1)

Het warmtepomp systeem kan voor circa 70% dan wel 85% voorzien in de energiebehoefte voor ruimteverwarming bij respectievelijk het “standaard” en het “goed” geïsoleerde klaslokaal, uitgaande van: een buffervat met een capaciteit van 20000 kJ (240 liter bij temperatuurverschil van 20K) een afvoertemperatuur van de afgezogen lucht van 3 á 6C. een COP-waarde tussen 2 en 4.

2)

Een systeemontwerp, zoals bij punt 1 aangegeven, geeft pas een besparing op de energiekosten indien de COP-waarde van de warmtepomp groter wordt dan 3,5. Hierbij correspondeert een afgiftetemperatuur van maximaal 50 ºC van het verwarmingssysteem. Mogelijk moeten dan in bestaande situaties de radiatoren worden vervangen door lage temperatuur convectoren of radiatoren. Dit vormt een belangrijke randvoorwaarde voor een effectieve toepassing van een warmtepomp. Bij een COP-waarde van 4, blijven de besparingen beperkt tot 16 á 20 euro/klaslokaal. Besparingen op primair energiegebruik treden ongeacht de COP-waarde op en variëren van 16 tot 45%.

3)

Door het gebruik van serieproducten kan de kostprijs voor de warmtepomp beperkt worden gehouden. Warmtepompen worden momenteel met name geproduceerd voor de woningbouw en omvatten een warmtepomp en een voorraadvat. Het ligt voor de hand om 2 of 3 warmtepompen met ingebouwde ventilatoren te combineren met 1 of 2 losse ventilatoren. Nadere testen zijn nodig om te bepalen of standaard warmtepomp systemen voor woningen (denk aan tapwater bereiding op basis van ventilatielucht) hiervoor kunnen worden toegepast. Een eerste inschatting geeft aan dat de terugverdientijd van de warmtepomp groter dan 20 jaar is.


8

Literatuur [1]

Ontwerp en beproeving van verbeterde geveltoevoer voor scholen, TNO rapport.

[2]

TRNSYS/TRNFlow 16.1 www.trnsys.com. 2008

23 / 24


9

24 / 24

Ondertekening Delft, december 2011

Ir. P. Jacobs Auteur

drs. P.M. van Hoorik Research Manager

TNO RAPPORT 060-DTM Scholen Haalbaarheidsstudie benutting warmte uit afgevoerde lucht. innovation. for life

Recommend Documents