Afstu
deer
scr
ipti
e
K.F.W. Bastiaansen
Studentnr: 2007839
Eindhoven,
woensdag 8 juni 2011
Duurzame kans voor industrieel erfgoed
Deerns Raadgevende ingenieurs
Eindhoven
i
Voorwoord
Voor u ligt de scriptie van de afstudeeropdracht van Koen Bastiaansen. Dit verslag bevat het complete ontwerptraject dat is afgelegd om tot het eindresultaat te komen. Deze scriptie is bestemd voor de begeleidende docent dhr. J. Jacobs, voor de bedrijfsbegeleiders ir. E. Kerkhof, ing. C. Bon en voor overige geïnteresseerden. Enige technische voorkennis is aan te bevelen wanneer interesse bestaat in de berekeningen en in de achterliggende technieken. Lezers die vooral geïnteresseerd zijn in de uitkomsten van het ontwerp kunnen deze terugvinden in paragraaf 11.5 en hoofdstuk 13. Voor het behalen van dit eindresultaat ben ik erg veel dank verschuldigd aan de volgende personen:
Dhr. J. Jacobs, docentbegeleider van de Avans Hogeschool te Breda. Ir. E. Kerkhof, bedrijfsbegeleider Deerns Eindhoven.
Ing. C. Bon, bedrijfsbegeleider Deerns Eindhoven. Mw. V. Alvarez, stagiaire Deerns Eindhoven.
En de overige werknemers van Deerns raadgevende ingenieurs te Eindhoven. Eindhoven, woensdag 8 juni 2011
ii
Samenvatting
Trudo ontwikkelt nieuwbouw- en renovatieprojecten op oud Philips terrein Strijp-S. Een van deze
ontwikkelingen betreft de begane grond van de Apparatenfabriek op Strijp-S. De Apparatenfabriek is bestemd als industrieel erfgoed. Het project omvat een kantoor met expositieruimte, een horecagelegenheid, een museum en een gezamenlijke entree met toiletten. Deerns is betrokken als installatieadviseur voor dit project. Bij dit project wordt nauwelijks gebruik gemaakt van duurzame technieken.
Om de voordelen van duurzame technieken duidelijk te maken, betreft de opdracht het maken van een duurzaam klimaattechnisch ontwerp voor de begane grond van de Apparatenfabriek. Door het maken van een duurzaam klimaattechnisch ontwerp kunnen de voordelen van duurzame technieken weergegeven worden. Dit project is opgesteld volgens Methodisch Ontwerpen. In de probleemdefiniërende fase zijn de eisen waaraan het ontwerp moet voldoen, en de functies die het ontwerp moet vervullen opgesteld.
In een berekening is het te installeren verwarmings- en koelvermogen van het project bepaald. Aan de hand van deze vermogens is het jaarlijkse energieverbruik voor verwarming en koeling berekend. Ook is het energieverbruik door verlichting, ventilatie, elektrische apparaten en verwarming van tapwater bepaald. In de werkwijze bepalende fase zijn een zestal concepten voor het ontwerp opgesteld. Deze concepten zijn door middel van de Kesselring methode met elkaar vergeleken. Uiteindelijk is er na verdere verdieping in de literatuur een zevende en hoogst scorende concept opgesteld. Één van de redenen om met dit concept verder te gaan is dat het een innovatief en nog niet eerder toegepast concept is.
Het gekozen concept maakt gebruik van 32 Infinia Powerdishes, dit zijn spiegels welke het opgevangen zonlicht focussen op een Stirlingmotor. Op deze manier wordt zowel warmte als elektriciteit opgewekt. De koude opwekking wordt gerealiseerd door een adsorptiekoelmachine. Deze is in staat warmte afkomstig van de Stirlingmotoren om te zetten in koude. Een deel van de benodigde warmte zal ook door de Stirlingmotoren worden opgewekt. De warmte- en koudeafgifte vindt plaats via de vloerverwarming en –koeling aangevuld met meerdere luchtbehandelingskasten welke gebruikt worden voor het verwarmen en koelen van ventilatielucht. Voor het gekozen concept zijn de Powerdishes, fotovoltaïsche panelen, luchtbehandelingskasten, een
adsorptiekoeler en een koeltoren bepaald. De overige componenten zijn van kleine invloed op het energiegebruik. De Apparatenfabriek is tevens gemodelleerd in 3D CAD software om op deze wijze een zonnestudie uit te voeren. Hiermee is de plaatsing van de componenten ten opzichte van de zon bepaald. Het lopende ontwerp voor de Apparatenfabriek heeft vertraging opgelopen, daardoor is het onmogelijk de kosten van beide ontwerpen direct met elkaar te vergelijken. De kosten van het lopende ontwerp zijn benaderd door middel van kostenkengetallen. Op basis van deze kostenkengetallen zijn de netto contante waarde (NCW) en de exploitatiekosten van zowel het duurzame als de benadering van het lopende ontwerp bepaald. De NCW is bepaald voor een periode van 25 jaar. De NCW van het duurzame ontwerp bedraagt € 2.097.106- en de NCW van het lopende ontwerp komt uit op € 1.372.473-. De jaarlijkse exploitatiekosten van het duurzame ontwerp bedragen € 66.948- en van het lopende ontwerp € 54.564-. Het duurzame ontwerp zal zich niet terugverdienen met de gehanteerde uitgangspunten.
Er kan geconcludeerd worden dat het ontwerp voldoet aan de gestelde eisen en energieneutraal is. Doordat er veel nieuwe technieken worden toegepast, is het ontwerp op dit moment nog niet financieel rendabel.
Inhoudsopgave
Voorwoord ...i Samenvatting ... ii 1. Inleiding ... 1 1.1. Aanleiding ... 1 1.2. Doelstelling ... 2 1.3. Structuurbeschrijving ... 3 2. Duurzaamheid ... 3 2.1. Cradle to Cradle ... 3 2.2. Trias Energetica ... 42.3. Duurzaamheid in dit project ... 5
3. Pakket van eisen... 5
3.1. Eisen ... 5 4. Functies ... 6 4.1. Functieblokschema’s ... 6 5. Warmteverlies- en koellastberekening ... 7 5.1. Inleiding ... 7 5.2. Warmteverliesberekening ... 8
5.2.1. Warmteverlies door transmissie ... 8
5.2.2. Warmteverlies door infiltratie... 9
5.2.3. Warmteverlies door ventilatie ... 9
5.3. Koellast ... 10
5.3.1. Voelbare externe warmte ... 11
5.3.2. Voelbare interne warmtelast ... 12
5.3.3. Koellast door waterdampafgifte ... 13
5.4. Luchtbehandeling ... 13
5.4.1. Winter situatie... 14
5.4.2. Zomer situatie ... 14
5.5. Resultaten warmteverlies en koellast berekening ... 16
5.6. Verwarmings- en koelenergie ... 16 6. Verlichting ... 17 6.1. Besparingsmogelijkheden ... 17 7. Machines en apparaten ... 18 8. Leidingwater ... 19 9. Totaal energieverbruik ... 19 10. Concepten ... 20
10.1. Concepten... 20 10.2. Gekozen concept ... 21 10.3. Aannames ... 23 11. Uitwerking componenten ... 25 11.1. Luchtbehandeling ... 25 11.2. Koude opwekking ... 25 11.3. Warmte opwekking ... 26 11.4. Opwekking elektriciteit ... 26 11.5. Definitief ontwerp ... 27 12. Kosten ... 28 13. Conclusie ... 30 14. Discussie en aanbevelingen ... 31 Symbolenlijst ... 32 Verklarende woordenlijst ... 33 Literatuur ... 35
1
1.
Inleiding
1.1. Aanleiding
Strijp-S is een voormalig bedrijventerrein van ca. 30 hectare waar Philips vroeger gevestigd was. Op Strijp-S bevinden zich meerdere rijksmonumenten waaronder Hoge Rug, het vroegere Philips Natuurkundig
Laboratorium. Ook het Klokgebouw, waar vroeger bakeliet vervaardigd werd en tevens als watertoren diende bevindt zich op Strijp-S. Het Klokgebouw biedt vandaag de dag ruimte aan Deerns raadgevende ingenieurs Eindhoven en nog ca. 100 huurders. Op Strijp-S staat een groot aantal renovatie- en nieuwbouwprojecten gepland welke onder andere ontwikkeld worden door woningcorporatie Trudo. In Figuur 1 is een luchtfoto van Strijp-S weergegeven.
Figuur 1: Luchtfoto van Strijp-S met op de voorgrond het Klokgebouw en op de achtergrond de Hoge Rug. [1]
Bij de projectontwikkeling op Strijp-S is helaas weinig oog voor duurzame technieken. Zo is er op Strijp-S een WKO aanwezig waar tot op heden alleen Deerns gebruik van maakt. Bij duurzame technieken kan men denken aan energie-efficiënte koeling en verwarming van gebouwen en energieopwekking maar ook aan duurzame elektriciteitsopwekking en het toepassen van duurzame materialen.
Duurzame ontwikkeling is van belang vanwege de huidige klimaatproblematiek. Wanneer eventueel besloten wordt de toekomstige projectontwikkeling te verduurzamen is Deerns Eindhoven de aangewezen partij voor advies. Door middel van het duurzame ontwerp kunnen de voordelen van duurzame ontwikkeling duidelijk gemaakt worden bij projectontwikkelaar Trudo.
Apparatenfabriek SAN SBP
Torenallee
Klokgebouw Spoor Philtelaan Beukenlaan
Afrit naar Strijp-S
2
1.2. Doelstelling
Het doel van deze scriptie is het weergeven van de ontworpen duurzaam klimaattechnische installatie voor de begane grond van de Apparatenfabriek. Dit project omvat een kantoor met expositieruimte, een gezamenlijke entree met toiletten, een horecagelegenheid en een museum voor kinderen genaamd de Ontdekfabriek. Deerns ontwerpt op dit moment de klimaatinstallatie voor dit project. Dit is in verband met het beperkte budget, een ontwerp met weinig duurzame aspecten. In Figuur 2 is de plattegrond van de begane grond van de Apparatenfabriek weergegeven.
Figuur 2: Plattegrond van de begane grond van de Apparatenfabriek
Door literatuurstudie, het raadplegen van collega’s en leveranciers is informatie verzameld over diverse duurzame technieken. Door middel van het toepassen van Methodisch Ontwerpen is een conceptueel duurzaam klimaattechnisch ontwerp gemaakt. Om de verwarmings- en koelinstallatie te kunnen
dimensioneren dienen de warmte- en koudevraag in kaart gebracht te zijn. Het berekenen van de warmte- en koudevraag is daarom een belangrijk onderdeel van dit onderzoek. Bij het berekenen van de warmte- en koudevraag zijn een groot aantal bouwfysische aspecten van belang.
Het duurzame ontwerp dat in dit verslag omschreven wordt, zal niet in deze vorm gerealiseerd worden. Dit project dient ertoe Trudo te interesseren in duurzame technieken. Vanwege het feit dat het ontwerp niet uitgevoerd zal worden wegen de kosten niet zwaar mee in de keuze uit de concepten. Hierdoor is het mogelijk een ontwerp te maken dat zo duurzaam mogelijk is.
Er zal getracht worden het energiegebruik tot een absoluut minimum te reduceren en dient bij voorkeur energieneutraal te zijn. Binnen dit rapport wordt van energieneutraal gesproken wanneer het ontwerp netto minstens evenveel energie opwekt als verbruikt. Voor het bepalen van de energievraag zijn de volgende factoren meegenomen:
Energieverbruik door: Verwarmen
Verwarming van warm tapwater Koelen
Luchtbehandeling Verlichting Apparatuur
Het ontwerp zal worden uitgewerkt tot componentniveau. Dit wil zeggen dat alleen de belangrijkste componenten bepaald worden.
3
1.3. Structuurbeschrijving
Bij aanvang van het project is een Project Management Document (PMD) opgesteld met als doel de voortgang en kwaliteit van het project te waarborgen. Het PMD is weergegeven in bijlage 1. Om een duurzaam ontwerp te kunnen maken dient eerst duidelijk te worden geformuleerd wat duurzaamheid is, dit wordt gedaan in hoofdstuk 2. Vervolgens zijn de eisen waaraan het ontwerp moet voldoen opgesteld in het pakket van eisen dat is weergegeven in bijlage 2. Daaropvolgend zijn de functies waar het ontwerp aan moet voldoen opgesteld. Deze functies zijn weergegeven in hoofdstuk 4.
In hoofdstuk 5 worden de warmteverlies en koellastberekening weergegeven. In de hoofdstukken 6 tot en met 8 wordt het energieverbruik, op basis van kengetallen, voor de overige functies bepaald. In hoofdstuk 9 is een opsomming van het energieverbruik weergegeven. Vervolgens zijn er concepten opgesteld volgens Methodisch ontwerpen. Deze concepten zijn weergegeven in paragraaf 10.1. In paragraaf 10.2 is het gekozen concept weergegeven. Tijdens dit project zijn een aantal aannames gedaan welke worden toegelicht in hoofdstuk 10.3. Hoofdstuk 11 bevat de uitwerkingen van de afzonderlijke componenten. In paragraaf 11.5 wordt het definitieve ontwerp weergegeven. De kosten van het ontwerp zijn in hoofdstuk 12 vergeleken met een benadering van het lopende project. De conclusie wordt weergegeven in hoofdstuk 13. Eventuele verbeterpunten en
aanbevelingen naar aanleiding van dit project zijn weergegeven in hoofdstuk 14.
2.
Duurzaamheid
Duurzaam is een term die, zeker tegenwoordig, veelvuldig gebruikt wordt voor alles dat milieuvriendelijk over moet komen. De meest gebruikte definitie van duurzame ontwikkeling is:
“Duurzame ontwikkeling is ontwikkeling die aansluit op de behoeften van het heden zonder het vermogen van toekomstige generaties om in hun eigen behoeften te voorzien in gevaar te brengen” aldus de definitie van de VN-commissie Brundtland uit 1987.
Zoals uit bovenstaande definitie valt af te leiden zijn bijvoorbeeld fossiele brandstoffen niet duurzaam omdat de mogelijkheden van toekomstige generaties door eventuele uitputting van grondstoffen en uitstoot van schadelijke gassen niet gegarandeerd wordt.
Er zijn meerdere methoden om duurzaamheid in de gebouwde omgeving te benaderen. Voorbeelden hiervan zijn de BREEAM en LEED beoordelingsmethoden. Deze methoden dienen ertoe gebouwen op verschillende aspecten te toetsen op het gebied van duurzaamheid. Cradle to Cradle (C2C) is een aparte filosofie over duurzaamheid en zal in paragraaf 2.1 beschreven worden. Een ander hulpmiddel wat gebruikt kan worden om energieverbruik te verduurzamen is de Trias Energetica en zal beschreven worden in paragraaf 2.2.
Bij aanvang van het project was als richtlijn voor de opdracht gesteld dat het ontwerp gemaakt zou worden volgens de C2C filosofie. Na nader onderzoek bleek dat energieverbruik geen prominente positie inneemt in de C2C filosofie, daarom is besloten deze richtlijn te laten vallen. Er zal bij het maken van het ontwerp wel ontworpen worden rekening houdend met de Trias Energetica.
2.1. Cradle to Cradle
C2C is een filosofie met als doel duurzame ontwikkeling te stimuleren.
“De centrale gedachte van de C2C filosofie, is dat alle gebruikte materialen na hun leven in het ene product, nuttig kunnen worden ingezet in een ander product.” [2]
In de C2C gedachtegang wordt onderscheid gemaakt in twee kringlopen; de biosfeer en de technosfeer. Een product moet na zijn leven hergebruikt of gerecycled worden in één van beide kringlopen. Deze kringlopen zijn weergegeven in Figuur 3. Hierbij mag echter geen sprake zijn van kwaliteitsverlies.
4 Zo mag het aluminium dat gebruikt is in een vliegtuig niet hergebruikt worden in bijvoorbeeld een
frisdrankblikje. Bij voorkeur dient een grondstof zelfs gebruikt te worden voor een hoogwaardiger product, dit noemt men upcycling.
Voor het vervaardigen van een C2C gecertificeerd product is het belangrijk dat materialen goed scheidbaar zijn zodat materiaalstromen niet vervuild worden en ze gemakkelijk her te gebruiken zijn.
Figuur 3: Biosfeer en technosfeer [3]
Energiegebruik heeft geen prominente rol in de C2C filosofie. Er wordt gesteld dat de zon de belangrijkste energiebron is, dat energie opgeslagen moet worden in materialen die technische of biologische
voedingswaarde hebben en dat efficiënt omgegaan moet worden met energie.
Er bestaan reeds bedrijven die volledig C2C gecertificeerde producten verkopen. Zo is er bijvoorbeeld Desso, producent van tapijt(tegels). Zij produceren tapijttegels die na gebruik terug in de technosfeer terecht komen of biologisch afbreekbaar zijn. Het is op dit moment nog onmogelijk een volledig C2C gecertificeerd gebouw op te leveren, dit geldt voor nieuwbouw maar zeker voor renovatieprojecten. Dit komt doordat veel
bouwmaterialen niet 100% te scheiden zijn en de gebruikte energie vaak niet duurzaam opgewekt is. Voor het maken van dit duurzame ontwerp zijn de C2C richtlijnen meegenomen in het pakket van eisen. Het behalen van een zo hoog mogelijke C2C score is echter niet het doel van dit ontwerp.
2.2. Trias Energetica
Een hulpmiddel om het energieverbruik duurzamer te maken is de Trias Energetica; de energie driehoek. Deze driehoek omschrijft in een driestappenplan hoe een bedrijf of huishouden energieneutraal kan worden. De Trias Energetica beschrijft de volgende drie stappen:
1. Beperk de energievraag. (Door bijvoorbeeld goede isolatie). 2. Gebruik duurzame energie. (Bijvoorbeeld zonne- en windenergie).
3. Gebruik fossiele brandstoffen alleen waar nodig en in een zo efficiënt mogelijke mate. Bijvoorbeeld energie uit een “schone” afvalverbrandingscentrale.
In Figuur 4 is de Trias Energetica weergegeven.
Figuur 4:
5
2.3. Duurzaamheid in dit project
Het doel van dit project is het maken van een energieneutraal ontwerp. Het ontwerp wordt als energieneutraal gekwalificeerd als het ontwerp netto minstens evenveel energie opwekt als verbruikt. Voor het bepalen van het energieverbruik door het ontwerp zijn de volgende aspecten meegenomen:
Verwarmingsenergie Koelenergie
Energieverbruik luchtbehandeling
Verlichtingsenergie
Energieverbruik machines en apparaten Energieverbruik verwarming tapwater Vanwege het feit dat de opdracht bestaat uit het maken van een duurzaam klimaattechnisch ontwerp, valt het op nul stellen van het netto leidingwaterverbruik buiten het blikveld van dit project.
3.
Pakket van eisen
Voordat begonnen kan worden met het maken van een ontwerp dient een pakket van eisen opgesteld te worden. Het gaat hierbij alleen om de eisen die aan de installatie worden gesteld. De eisen zijn onderverdeeld in interne eisen welke zijn opgesteld door de ontwerper en externe eisen welke zijn opgesteld door de opdracht- of wetgever. Deze eisen zijn onderverdeeld in vaste en variabele eisen. Vaste eisen zijn eisen waar aan voldaan moet worden. Dit zijn eisen waarbij de vraag of hij behaald is met ja of nee beantwoord kan worden. Variabele eisen zijn eisen waar in verschillende mate aan voldaan kan worden.
Ook wensen worden in beschouwing genomen. Voor een latere keuze uit de verschillende concepten wordt de keuze bepaald op basis van de variabele eisen en wensen omdat elk concept aan de vaste eisen moet voldoen. De wensen worden bij deze keuze alleen meegenomen wanneer zij geen kosten met zich meebrengen.
3.1. Eisen
Het pakket van eisen is onderverdeeld in drie groepen; functionele eisen, fabricage eisen en milieueisen. Functionele eisen zijn eisen met betrekking tot de functies die het ontwerp moet vervullen. Fabricage eisen zijn met betrekking tot de fabricage van het product. In dit geval gaat om een installatie en niet om een product of machine, daarom zijn de onderdelen materiaal en fabricage uit het fabricage-eisenpakket weggelaten. Het milieueisenpakket bevat eisen met betrekking tot het milieu.
Het fabricage eisenpakket is in dit geval van ondergeschikt belang is, daarom is ervoor gekozen deze minder zwaar mee te laten tellen in de keuze. Dit is gedaan door het functioneel- en milieueisenpakket beide een weegfactor drie mee te geven. Dat wil zeggen dat ze bij de afweging tussen de verschillende ontwerpen drie keer zwaarder meetellen dan de fabricage eisen. Het complete eisenpakket is weergegeven in bijlage 2. In onderstaand overzicht worden de belangrijkste eisen weergegeven. Het ontwerp moet:
Een levensduur hebben van minimaal 15 jaar;
Een bedrijfszekerheid hebben van minimaal 95%;
Veilig zijn in gebruik;
Een aangenaam binnenklimaat kunnen garanderen;
In staat zijn tapwater te leveren van minimaal 70˚C;
Zoveel mogelijk gebruik maken van duurzame energiebronnen; Energieneutraal zijn.
6 Het ontwerp zal niet in deze vorm uitgevoerd worden, daarom is er geen maximum budget vastgesteld. Het uitgangspunt is het creëren van een zo duurzaam mogelijk ontwerp. Er dient rekening gehouden te worden met het feit dat het gaat om een renovatieproject van een rijksmonument. Dit heeft tot gevolg dat er geen grote aanpassingen aan het huidige gebouw plaats kunnen vinden. Verder moet het ontwerp een comfortabel klimaat kunnen garanderen.
4.
Functies
Het ontwerp moet een aantal functies vervullen. Deze functies zijn onderverdeeld in deelfuncties welke vervolgens in te delen zijn in klimaattechnische functies en overige functies. De klimaattechnische functies zijn; koelen, verwarmen en lucht behandelen. Om een balans te creëren tussen de verbruikte en opgewekte energie zijn ook de functies verlichten, elektrische energie en de deelfunctie verwarmen van tapwater van belang. De functies met de bijbehorende deelfuncties worden in onderstaand overzicht weergegeven.
Functie: Koelen Koudevraag verminderen; Koude opwekken; Koude opslaan; Koude distribueren; Koude afgeven; Koude terugwinnen. Verwarmen Warmtevraag verminderen; Warmte opwekken; Warmte opslaan; Warmte distribueren; Warmte afgeven; Warmte terugwinnen. Elektrische energie Elektriciteit opwekken; Elektriciteit distribueren. Verlichten Verlichtingsvraag verminderen; Verlichten. Lucht behandelen lucht filteren;
Lucht bevochtigen/ ontvochtigen; Lucht distribueren; Lucht afgeven. Leidingwater Leidingwatervraag verminderen;
Water opslaan; Water distribueren. Water verwarmen4.1. Functieblokschema’s
Om de volgorde van de functies weer te geven wordt gebruik gemaakt van een functieblokschema. Er zijn voor het weergeven van dit ontwerp twee functieblokschema’s gemaakt, één voor een zomersituatie en één voor de wintersituatie. Dit ontwerp moet alle functies vrijwel gelijktijdig uitvoeren. De functieblokschema’s zijn
7
5.
Warmteverlies- en koellastberekening
5.1. Inleiding
De energie die in een gebouw verbruikt wordt, de energievraag, wordt bepaald door een aantal factoren; verwarming, koeling, verlichting, apparaten verwarmen van tapwater en lucht behandeling. Om de
energievraag te bepalen moeten eerst de verwarmings- en koelvermogens berekend worden, het zogenaamde warmteverlies en de koellast. Op basis van deze vermogens kan de energievraag voor verwarming en koeling worden bepaald. Dit wordt weergegeven in paragraaf 5.6.
Eerst zijn het warmteverlies en de koellast berekend. De berekening van het warmteverlies en de koellast zijn grotendeels uitgevoerd volgens ISSO-53 respectievelijk ISSO-8. ISSO is het kennisinstituut voor de
installatiesector en voorziet in normen die gelden voor deze sector. In deze normen wordt ook bepaald hoe onder andere warmteverlies en koellast berekeningen uitgevoerd dienen te worden.
Uit de warmteverlies- en koellastberekening volgt het te installeren verwarmings- en koelvermogen. Er is een Excel rekensheet opgesteld waarin het verwarmings- en koelvermogen zijn ingevoerd om tot het energieverbruik van de verwarmings- en koelinstallatie te komen. Normaliter worden warmteverlies- en koellast berekeningen gemaakt in computerprogramma’s als Vabi. Het nadeel van het maken van deze berekeningen in dergelijke software is dat het inzicht in de berekeningen verdwijnt. Daarom is ervoor gekozen de berekeningen in een zelf opgestelde Excel sheet te maken. Hierdoor kan eenvoudig gezien worden welke factoren van invloed zijn op energieverbruik
Deze berekening zal verder toegelicht worden in paragraaf 5.6. Er dient opgemerkt te worden dat de
berekening van de verwarmings- en koelenergie is uitgegaan van een volledige renovatie met goede isolatie en niet van de oorspronkelijke situatie.
Het vermogen van de verlichting, apparaten, verwarmen van tapwater en machines binnen het gebouw is op basis van kengetallen bepaald. Deze vermogens zijn vermenigvuldigd met de tijd waarin de verlichting, machines en apparaten gebruikt worden om zo tot het energieverbruik te komen. Ook het jaarlijkse
energieverbruik door het verwarmen van tapwater is berekend. Deze berekeningen worden verder toegelicht in hoofdstuk 6 tot en met 8.
In enkele gevallen is ervoor gekozen formules te vereenvoudigen omdat de berekeningen anders onnodig complex zouden worden zonder te resulteren in een evenredige verhoging van de nauwkeurigheid. Wanneer ervoor gekozen is formules te vereenvoudigen zal dit bij de betreffende formules aangegeven worden. Voor de ontwerpbuitentemperatuur zijn waarden van -10˚C en 30˚C genomen. Dit wil zeggen dat wanneer het in de winter kouder dan -10˚C en in de zomer warmer dan 30˚C wordt, de ontwerp binnentemperatuur niet gegarandeerd kan worden.
Tabel 1: Uitgangspunten warmteverlies en koellastberekening
Uitgangspunten Ontwerp binnentemperatuur Ontwerp buiten temperatuur Luchtvochtigheid buiten Luchtvochtigheid binnen Zomer 24 ˚C 30 ˚C RV 50% RV 30-70%
Winter 20 ˚C -10 ˚C 1g vocht/kg lucht RV 30-70%
Bodemtemperatuur transmissie zomer
9 ˚C (Gemiddelde bodemtemperatuur over het jaar gezien)
Ventilatie Kantoor Expositieruimte Horeca Entree & toiletten Ontdekfabriek
8
5.2. Warmteverliesberekening
Een gebouw moet verwarmd worden om in de koude maanden een aangename binnentemperatuur te kunnen garanderen. Warmte kan op drie manieren overgedragen worden:
Geleiding (conductie); hierbij stroomt warmte, van deeltjes met de hoogste temperatuur naar deeltjes met een lagere temperatuur.
Stroming (convectie); warmteoverdracht door verplaatsing van een warme/ koude vloeistof of gas. Straling (radiatie); warmteoverdracht tussen twee lichamen die niet met elkaar in aanraking zijn. De
warmte wordt overgedragen door elektromagnetische straling.
In Figuur 5 zijn de voorbeelden van de verschillende vormen van warmteoverdracht weergegeven.
Figuur 5: Vormen van warmteoverdracht [5]
Bij een gebouw wordt onderscheid gemaakt tussen de volgende drie vormen van warmteverlies:
Transmissie; warmte die door geleiding van materialen door de gebouwschil verloren gaat (geleiding & straling).
Infiltratie; het ongewenst binnendringen van relatief koude buitenlucht door kieren (stroming).
Ventilatie; lucht die gecontroleerd de ruimte binnenkomt om de lucht in de ruimte te verversen en de luchtkwaliteit te beheersen (stroming).De verschillende warmteverliezen zijn weergegeven in Figuur 6 en worden in paragraaf 5.2.1 tot en met paragraaf 5.2.3 toegelicht. De eindresultaten van de berekeningen worden op het einde van dit hoofdstuk weergegeven. De resultaten van de losse berekeningen worden samen met toelichting op de formules in bijlage 4 weergegeven.
5.2.1.
Warmteverlies door transmissie
De hoeveelheid warmte die verloren gaat door transmissie kan berekend worden volgens Vergelijking 1.
Vergelijking 1: Warmteverliesberekening t.g.v. transmissie
[W] [17] Waarbij geldt dat:
Ak= Geveloppervlak [m²].
Uk= De warmtedoorgangscoëfficiënt; dit is de mate waarin
een bouwdeel warmte geleidt . θ i= De ontwerp binnentemperatuur [˚C];
θ e= De ontwerp buitentemperatuur [˚C];
Δθi= De temperatuurscorrectie; dit is een factor die
volgens ISSO meegenomen dient te worden om temperatuursverschillen bij verschillende
verwarmingstypen te corrigeren. Wanneer vloerverwarming wordt gebruikt mag deze factor gelijkgesteld worden aan nul.
Figuur 6: Factoren warmteverlies
Infiltratie Ventilatie
Transmissie
9 In Figuur 2 op pagina 2 is weergegeven welke gevels worden meegenomen in de transmissie berekening. De wanden die geel zijn gemarkeerd, worden in verband met de gelijke binnentemperatuur buiten beschouwing gelaten. De rood, blauw en groen gemarkeerde gevels zijn wel meegenomen in de berekening.
5.2.2.
Warmteverlies door infiltratie
De hoeveelheid warmte die verloren gaat door infiltratie kan berekend worden met Vergelijking2.
Vergelijking 2: Warmteverliesberekening t.g.v. infiltratie van buitenlucht
[W] [17]
Het warmteverlies ten gevolge van infiltratie is afhankelijk van: Ak= Geveloppervlak [m²];
ρ1= De dichtheid van lucht; dit is een fysische grootheid [
];
c1= De soortelijke warmte van lucht; dit is tevens een fysische grootheid [ ];
θ i= De ontwerp binnentemperatuur [˚C];
θ e= De ontwerp buitentemperatuur [˚C];
Δθi= De temperatuurscorrectie;
qi= Het luchtdebiet door infiltratie [ ]; deze waarde dient volgens ISSO-53 berekend te worden en is
afhankelijk van de mate van kierdichting van het gebouw en de hoogte van het gebouw. De berekening van deze waarde is weergegeven in bijlage 4.
5.2.3.
Warmteverlies door ventilatie
Warmteverlies door ventilatie wordt op vergelijkbare wijze berekend als warmteverlies door infiltratie. Het verschil is dat, ventilatie gecontroleerd gebeurt waardoor warmte teruggewonnen kan worden uit de ventilatielucht. Warmteterugwinning kan gerealiseerd worden door middel van een warmtewisselaar. Deze warmtewisselaar verwarmt de inblaaslucht voor met de uitblaaslucht. Warmteterugwinning is echter niet standaard in de berekening volgens ISSO-53 opgenomen. Warmterugwinning kan een belangrijke besparing opleveren, daarom is het in dit geval wel meegenomen. In paragraaf 5.4 wordt verder ingegaan op het warmteverlies door ventilatie. Factoren die van invloed zijn op het warmteverlies door ventilatielucht zijn:
Vergelijking 3: Warmteverliesberekening t.g.v. ventilatie
[W] [17]
Het warmteverlies ten gevolge van ventilatie is afhankelijk van: ρ1= De dichtheid van lucht [
];
c1= De soortelijke warmte van lucht [ ];
θ i= De ontwerp binnentemperatuur [˚C];
θ e= De ontwerp buitentemperatuur [˚C];
Δθi= De temperatuurscorrectie;
qv= Het luchtdebiet door ventilatie in [ ]; de ventilatiehoeveelheid wordt bepaald door eisen die zijn
gesteld in het Bouwbesluit. [14]
Het rendement van de warmteterugwinning; het rendement van de warmtewisselaar bepaalt de temperatuur van de inblaaslucht.
10
5.3. Koellast
Om ook in de zomer een aangenaam binnenklimaat te garanderen wordt er ook gekoeld. Het koelen van een gebouw kost veel energie en in moderne utiliteitsgebouwen soms zelfs meer energie dan het verwarmen van het gebouw. Dit komt door de grote hoeveelheid mensen, computers en apparatuur die veel warmte
produceren en doordat moderne gebouwen goed geïsoleerd zijn. De koellast van een gebouw is opgebouwd uit de volgende factoren: Voelbare externe warmte:
Zoninstraling door glasvlakken; Door ondoorzichtige vlakken
binnendringende warmte, door zonnestraling en transmissie; Transmissie door glasvlakken; Infiltratie van warme buitenlucht. Voelbare interne warmtelast:
Warmteafgifte van personen; Verlichtingswarmte;
Warmteafgifte van machines en apparaten.
Koellast door waterdampafgifte
Verdampingswarmte van personen en apparaten;
Verdampingswarmte van door infiltratie meegevoerde waterdamp.
Deze factoren zijn tevens weergegeven in figuur 7.
Voelbare externe warmte is warmte veroorzaakt door warme buitenlucht of door de zon (externe factoren). Voelbare interne warmte is warmte die geproduceerd wordt in het gebouw door mensen, verlichting of apparatuur. Latente warmte vertegenwoordigt de verdampingswarmte van waterdamp. Deze warmte komt vrij bij het condenseren van het in de lucht aanwezige vocht. Het condenseren van dit vocht gebeurt op vlakken waarvan de temperatuur onder de verzadigingstemperatuur ligt. Mensen, apparaten en door infiltratie meegevoerde waterdamp dragen bij aan een verhoogde luchtvochtigheid. Dit heeft tot gevolg dat de latente warmte toeneemt.
In dit hoofdstuk zullen deze factoren verder worden toegelicht en uiteindelijk zullen de resultaten van de koellast berekening worden weergegeven. De uitgebreide berekeningen worden samen met eventuele toelichting op de formules weergegeven in bijlage 5.
Figuur 7: Factoren koellastbijdrage Verlichtingswarmte Warmteafgifte door apparaten Warmteafgifte door personen Transmissie door buitenwanden Zonnestraling en transmissie door de glasvlakken Transmissie door daken Infiltratie van warme buitenlucht
11
5.3.1.
Voelbare externe warmte
5.3.1.1. Zoninstraling door glasvlakken
De koellast ten gevolge van zoninstraling door glasvlakken wordt berekend volgens Vergelijking 4.
Vergelijking 4: Koellastbijdrage t.g.v. zoninstraling door glasvlakken.
[W] [17]
De koellastbijdrage ten gevolge van zoninstraling door glasvlakken is afhankelijk van: Ag= Glasoppervlakte [m²];
z= Beschaduwingsfractie. Dit is de mate waarin de beglazing in de schaduw van bijvoorbeeld een overstek valt. Hieronder valt niet de beschaduwing door zonwering, die wordt meegenomen in de ZTA.
ZTA= Absolute zontoetredingsfactor. Dit is een materiaaleigenschap van de beglazing en
vertegenwoordigd de mate waarin warmte door het glas komt. Deze waarde wordt gegeven door fabrikanten van beglazing maar kan ook berekend worden. De berekening van de ZTA wordt buiten beschouwing gelaten. Wanneer buitenzonwering wordt toegepast wordt uitgegaan van een ZTA van 0,15.
SWM= De Specifiek Werkzame Massa ; deze term beschrijft de thermische massa van het
gebouw. Wanneer zon op een bouwdeel schijnt zal deze warmte niet gelijk vrijkomen. Een deel van de warmte zal opgeslagen in de constructie dit wordt warmte accumulatie genoemd. Deze waarde is in de berekeningen buiten beschouwing gelaten omdat de berekening anders te complex zou worden. qzq= Voelbare koellastbijdrage door vensters Deze waarde varieert over het jaar en de dag en is
ook afhankelijk van de oriëntatie van het vlak en van de SWM. Wanneer deze waarde meegenomen zou worden, zou dit de koellastberekening erg complex maken. Daarom is ervoor gekozen voor iedere oriëntatie een gemiddelde te nemen van deze waarde. De bepaling van dit gemiddelde is wegens de omvang niet toegevoegd.
5.3.1.2. Zonnewarmte via ondoorzichtige wanden en daken
Ook door niet-doorzichtige vlakken komt warmte door straling en conductie binnen en kan berekend worden volgens Vergelijking 5
Vergelijking 5: Koellastbijdrage t.g.v. zonnewarmte via ondoorzichtige oppervlakken [W] [17]
De hoeveelheid warmte die binnenkomt door ondoorzichtige vlakken is afhankelijk van:
a =De absorbtiecoëfficient; dit is de mate waarin warmte geabsorbeerd wordt. Dit is afhankelijk van het soort materiaal en de kleur.
Ad,o = Het binnenwerks oppervlak van het bouwelement [m²].
qzt =De hoeveelheid warmte dat op een constructiedeel met een oppervlakte van 1 m² valt . Ook
deze waarde is afhankelijk van tijd en oriëntatie. Daarom is tevens voor deze waarde een gemiddelde berekend. De bepaling van dit gemiddelde is wegens de omvang niet toegevoegd.
5.3.1.3. Warmtetransmissie door glasvlakken
Door glasvlakken komt niet alleen warmte binnen door straling, maar ook door transmissie. De mate van warmteoverdracht door transmissie kan tevens berekend worden met Vergelijking 1.
12
5.3.1.4. Infiltratie
Ook door de infiltratie, het binnendringen van warme buitenlucht, wordt de koellast verhoogd. Dit gebeurt op dezelfde manier als in de wintersituatie waarbij koude lucht binnendringt. Het gevolg van infiltratie is in de zomersituatie minder groot omdat het temperatuursverschil tussen de binnen- en buitenlucht kleiner is dan in de wintersituatie. De koellastbijdrage t.g.v. infiltratie kan tevens berekend worden met Vergelijking 2.
5.3.2.
Voelbare interne warmtelast
5.3.2.1. Verlichtingswarmte
Verlichting produceert, net als alle andere elektrische apparaten warmte. Deze warmte zal dus ook weg gekoeld moeten worden in de zomer. De berekening bijdrage aan de interne warmtelast door verlichting kan berekenend worden volgens Vergelijking 6.
Vergelijking 6: Bijdrage aan de interne warmtelast door verlichting
[W] [17]
De mate waarin verlichting bijdraagt aan de koellast van een gebouw is afhankelijk van de volgende factoren: l1=De reductiefactor; deze factor mag worden toegepast wanneer verlichtingsarmaturen worden
afgezogen.
l2=De vereffeningsfactor; deze factor beschrijft de mate waarin de verlichtingswarmte wordt
opgeslagen in het gebouw.
Pl= Het totale geïnstalleerde aansluitvermogen incl. voorschakelapparatuur [W].
Zowel de reductiefactor en de vereffeningsfactor zijn buiten beschouwing gelaten in deze berekening. De reductiefactor wordt buiten beschouwing gelaten omdat de armaturen niet afgezogen zullen worden. De vereffeningsfactor wordt buiten beschouwing gelaten omdat dit inhoudt dat een deel van de
verlichtingswarmte opgeslagen wordt in de gebouwmassa. Hierbij dient gerekend te worden met de SWM welke in deze berekening buiten beschouwing gelaten wordt. Deze aanname houdt in dat de
verlichtingswarmte direct in de ruimte terecht komt.
In het ontwerp zullen aanwezigheidsdetectoren in combinatie met daglichtsensoren toegepast worden. Dit zal tot een besparing van 30% op het energieverbruik en de koellast leiden voor de algemene verlichting.
5.3.2.2. Bijdrage aan de interne warmtelast door personen
Ook mensen leveren een bijdrage aan de koellast in een gebouw. Zeker bij zware lichamelijke activiteiten is de hoeveelheid warmte die een mens genereert aanzienlijk. De hoeveelheid warmte die een persoon afgeeft is afhankelijk van de kleding die wordt gedragen en de mate van lichamelijke activiteiten.
De bijdrage aan de interne warmtelast door personen wordt met Vergelijking 7 berekend:
Vergelijking 7: Bijdrage aan de interne warmtelast door personen
[W] [17]
np= Het aantal personen; Pp= De voelbare warmteafgifte per
persoon [W].
De berekening van de Pp is afhankelijk van de gedragen kleding en de lichaamsactiviteit en wordt weergegeven
13
5.3.2.3. Bijdrage aan de interne warmtelast door de warmteafgifte van machines en apparaten
Ook machines en apparaten produceren warmte. De hoeveelheid geproduceerde warmte is afhankelijk van het nominale vermogen van de apparaten, het aantal apparaten, de gebruiksduur en de benutting van de
apparaten. Het aantal apparaten is bepaald door schattenderwijs te inventariseren welke apparatuur normaliter in de gebouwfuncties aanwezig zouden zijn. De koellastbijdrage door de warmteafgifte van machines en apparaten wordt weergegeven in onderstaande formule.
Vergelijking 8: Bijdrage aan de interne warmtelast t.g.v. machines en apparaten [W] [17]
De hoeveelheid geproduceerde warmte is afhankelijk van onderstaande factoren. Pm = Het nominale aansluitvermogen [W];
m1= De benuttingsfactor; deze factor geeft de verhouding tussen het werkelijk afgezekerd vermogen
en het opgenomen vermogen weer.
m2 = De gebruiksfactor; met deze factor kan o.a. het stand-by of volledig uitstaan van het apparaat
worden gecompenseerd.
5.3.3.
Koellast door waterdampafgifte
Normaliter worden ook de koellastbijdragen door waterdampafgifte van personen, machines en apparaten en vocht meegevoerd in infiltratielucht meegenomen in de koellastberekening. In dit ontwerp wordt vloerkoeling toegepast met een temperatuur van ongeveer 17˚C. Daarom vindt er op ruimteniveau vrijwel geen condensatie plaats. Hierdoor heeft het vocht in de lucht geen invloed op de koellast. Om deze reden wordt de koellast door bovengenoemde factoren buiten beschouwing gelaten. In de luchtbehandelingskast (lbk) kan door een lagere koeltemperatuur van de koelbatterij echter wel condensatie plaats vinden. Dit komt aan bod in paragraaf 5.4.
5.4. Luchtbehandeling
Een luchtbehandelingskast zal voorzien in ventilatie evenals een deel van de verwarming en koeling. In eerste instantie verzorgt een lbk de ventilatie van een gebouw, de lucht wordt geregeld op vochtigheid, temperatuur en zuiverheid. In bijlage 6 is de opbouw van een lbk weergegeven. In de winter en zomer kunnen warmte respectievelijk koude teruggewonnen worden uit de uitblaaslucht. Dit kan gedaan worden door een warmtewisselaar. Warmtewisselaars zijn er in verschillende vormen. De meest gebruikte typen in lbk’s zijn warmtewielen en kruisstroomwisselaars.
Een warmtewiel is een ronddraaiende warmtewisselaar welke ook in staat is vocht terug te winnen. Er zal voor een warmtewiel gerekend worden met een temperatuursterugwinning van 75% en een vochtterugwinning van 70%.
Voor de horecagelegenheid wordt een kruisstroomwisselaar toegepast omdat bij een warmtewiel kookgeuren in de inblaaslucht terecht kunnen komen. Voor de toegepaste kruisstroomwisselaar wordt een rendement van 75% gehanteerd. Een kruisstroomwisselaar heeft echter een grotere stromingsweerstand dan een warmtewiel met hetzelfde rendement. Hierdoor dient is een groter ventilatorvermogen benodigd. Er zijn warmtewisselaars beschikbaar met een hoger rendement. Deze warmtewisselaars hebben echter een grotere
stromingsweerstand waardoor er een groter ventilatorvermogen nodig is wat de eerder behaalde winst teniet doet.
14
5.4.1.
Winter situatie
Het verwarmingsvermogen dat de lbk moet leveren in de wintersituatie is afhankelijk van het
temperatuursverschil (∆T) tussen de inblaastemperatuur en de ruimtetemperatuur. Deze ∆T wordt berekend met Vergelijking 9 en leidt in dit geval tot een ∆T van 7,5˚C. Het verwarmingsvermogen wordt vervolgens berekend volgens Vergelijking 3. Het proces dat de ventilatielucht aflegt is weergegeven in de Mollier
diagrammen in bijlage 6. In het Mollier diagram voor het restaurant kan tevens gezien worden dat de relatieve vochtigheid in het restaurant in de winter kan erg laag kan worden doordat geen vocht terug gewonnen wordt. Hierdoor dient een luchtbevochtiger toegepast te worden om de luchtvochtigheid op het gewenste peil te houden. De bepaling van deze bevochtiger is buiten beschouwing gelaten.
Vergelijking 9: Berekening van de inblaastemperatuur na warmteterugwinning
[W] Waarbij geldt dat:
= Voelbaar rendement warmtewisselaar; θ = De uitblaastemperatuur [˚C];
θ = De ontwerp buitentemperatuur [˚C].
5.4.2.
Zomer situatie
In de zomersituatie kan buitenlucht van 30˚C aangezogen worden. Deze lucht zal de warmtewisselaar passeren en zal door de uitblaaslucht van 24˚C gekoeld worden tot een temperatuur van 25,5˚C. Ook deze temperatuur wordt berekend volgens Vergelijking 9.
Deze lucht van 25,5˚C zal verder gekoeld worden tot 21˚C door de koelbatterij in de lbk. Hierbij zal in het geval van de horeca een deel van het vocht in de lucht condenseren. Ook het proces dat de lucht bij koeling
doorloopt is weergegeven in bijlage 6.
De energie die het koelen van de lucht in de lbk kost, is te berekenen volgens Vergelijking 10. Er wordt normaliter met het verschil in enthalpie (dH) gerekend omdat er, vanwege de lage temperatuur van de koelbatterij, vocht condenseert. De enthalpie bestaat uit een latent en een voelbaar deel. Voor het restaurant wordt gerekend met een dH van 5,8
. Bij de overige gebouwfuncties wordt gerekend met een dH van 4,5 welke overeenkomt met de ∆T omdat er door het warmtewiel voldoende ontvochtigd wordt. Hierdoor treedt er in dit geval geen condensatie op. De waarde van dH kan tevens afgelezen worden in bijlage 6.
Vergelijking 10: Vermogen koeling lucht in lbk
[W] Waarbij geldt dat :
qv= Het luchtdebiet door ventilatie [ ];
ρ1= De dichtheid van lucht [
];
dH= Het verschil in enthalpie [ ]
De lucht zal uiteindelijk via kanalen in de ruimte terecht komen. In de kanalen zal de lucht door de geproduceerde warmte van de ventilatoren opwarmen tot 22˚C. De bijdrage die de gekoelde lucht aan de ruimtekoeling levert komt echter niet overeen met het vermogen dat benodigd is om deze lucht tot 21˚C te koelen. De bijdrage die deze lucht heeft aan de ruimtekoeling kan berekend worden met Vergelijking 11. Het verschil tussen de bijdrage aan de koeling op ruimteniveau en het benodigd vermogen om deze lucht te koelen is weergegeven in
15
Figuur 8: Bijdrage lucht aan koellast
Vergelijking 11: Bijdrage koude lucht aan ruimtetemperatuur
[W] Waarbij geldt dat :
ρ1= De dichtheid van lucht [
];
qv= Het luchtdebiet door ventilatie [ ];
c1= De soortelijke warmte van lucht [ ];
θ= De ontwerpbinnentemperatuur [˚C]; θ = De inblaastemperatuur [˚C].
Er zijn in verband met de verschillende openingstijden drie lbk’s geselecteerd voor de Ontdekfabriek, het kantoor en de horecagelegenheid. De ventilatie van de entree & toiletten zal doordeweeks gerealiseerd worden door de lbk van het kantoor en in de weekenden door de lbk van het restaurant. De lbk’s zijn ruim gedimensioneerd zodat eventuele uitbreiding mogelijk is. Het verwaarlozen van de benodigde
ventilatorenergie voor de entree en toiletten is door deze ruime dimensionering verantwoord. Op de bepaling van de lbk’s wordt verder ingegaan in hoofdstuk 11.
De benodigde ventilatorvermogens zijn berekend volgens Vergelijking 12 om het energieverbruik door de luchtbehandelingskasten te kunnen bepalen.
Vergelijking 12: Benodigde ventilatorvermogens
[kW] [6]
De resulterende vermogens het bijbehorende energieverbruik is weergegeven in Tabel 2. De lbk van het restaurant zal op 20% blijven draaien om etensluchten te verwijderen. De overige lbk’s zijn buiten openingstijden uitgeschakeld.
Tabel 2: Benodigde ventilatorenergie
Ventilatorenergie kW m³/h Druk [Pa] Openingspercentage % vermogen geopend % Vermogen gesloten MWh/jaar
Ontdekfabriek 1,92 6000 800 3,56% 100,00% 0,00% 0,6 Kantoor 2,88 9000 800 35,62% 100,00% 0,00% 9,0 Horeca 4,79 15000 1000 52,24% 100,00% 20,00% 32,4 Totaal: 41,99 Lucht-kanaal Ruimtetemperatuur 24˚C ΔT bijdrage aan koellast Kruisstroom wisselaar Ƞvoelbaar=75% 25,5˚C 13 g/kg vocht H=58,7 kJ/kg 30˚C RV=50% 21˚C 12,4 g/kg vocht H=52,9 kJ/kg Inblaaslucht= 22˚C RV=75% Uitblaaslucht= 24˚C RV=50% dH om lucht te koelen 28,5˚C
16
5.5. Resultaten warmteverlies en koellast berekening
In Tabel 3 en Tabel 4 zijn een samenvatting van de resultaten van de warmteverlies- en koellastberekening weergegeven. De vermogens zijn weergegeven in kW en in W/m². De belangrijkste factoren bij het warmteverlies zijn transmissie en ventilatie. Het op te stellen verwarmings- en koelvermogen komen niet overeen met de som van de vermogens van de vier functies. Dit komt doordat de Ontdekfabriek alleen op zondag geopend wanneer het kantoor gesloten is. Het op te stellen verwarmingsvermogen is 83,4 kW en het op te stellen koelvermogen is 75,1 kW.
Tabel 3: Resultaten berekening verwarmingsvermogen
Resultaten verwarmings-vermogen
Kantoor Entree & toiletten Horeca Ontdekfabriek Totaal
kW W/m² kW W/m² kW W/m² kW W/m² kW Ventilatie (lbk) 19,83 21,53 1,58 12,39 35,33 43,37 13,73 17,17 70,47 Infiltratie (vloer) 3,52 3,82 0,47 3,72 3,12 3,82 3,85 4,82 10,96 Transmissie (vloer) 10,21 11,09 1,68 13,15 7,64 9,38 9,49 11,87 29,02 Op te stellen warmingsvermogen 33,57 36,45 3,73 29,26 46,08 56,58 27,08 33,85 110,46 Tabel 4: Resultaten koelvermogen
Resultaten koelvermogen
Kantoor Entree & toiletten Horeca Ontdekfabriek Totaal
kW W/m² kW W/m² kW W/m² kW W/m² kW Benodigd koelvermogen 23,84 25,89 1,38 10,86 24,98 30,67 21,05 26,31 71,25 Koelbatterij LBK 11,85 12,87 0,94 7,41 27,21 33,41 8,21 8,91 48,22 Bijdrage LBK aan ruimtekoeling ventilatie 5,27 5,72 0,42 3,29 9,38 11,52 3,65 3,96 18,72 Vloer 18,57 20,17 0,96 7,56 15,59 19,15 17,40 21,75 52,53 Op te stellen koelvermogen 30,43 33,04 1,91 14,97 42,81 52,55 25,61 32,01 100,75
5.6. Verwarmings- en koelenergie
Om het energieverbruik van de koel- en verwarmingsinstallaties te berekenen zijn de berekende vermogens vermenigvuldigd met de duur dat dit vermogen benodigd is. Deze berekeningstabel is vanwege de omvang niet bijgevoegd.
Voor de verwarmingsenergie zijn de benodigde verwarmingsvermogens tijdens openingsuren gereduceerd met de interne warmtelast. Dit omdat de interne warmtelast ook bijdraagt aan de verwarming van het gebouw. Buiten de openingstijden is een temperatuursverlaging naar 16 ˚C aangehouden.
Er zal vanaf een buitentemperatuur van 20˚C gekoeld worden. Daarom is er vanuit gegaan dat de temperaturen waarbij gekoeld moet worden alleen overdag voorkomen. Dit houdt in dat er buiten de openingstijden niet gekoeld wordt.
Uit KNMI klimaatgegevens van 2001-2010 [7] is een gemiddelde berekend van hoeveel uren per jaar elke temperatuur voor komt. Met deze informatie kan berekend worden hoeveel uur per jaar er gekoeld dan wel verwarmd moet worden.
De verwarmings- en koelinstallatie zijn opgedeeld in de vier functies die de verdieping zal vervullen; kantoorfunctie, entree & toilet, horeca en Ontdekfabriek.
17 Verder is onderscheid gemaakt tussen het deel dat met lucht verwarmd wordt en het deel dat met de vloer verwarmd wordt. Dit heeft als reden dat de lbk en de vloerverwarming niet altijd dezelfde bedrijfstijden hebben.
In Tabel 5 en Tabel 6 wordt de jaarlijks benodigde koel- en verwarmingsenergie voor het gebouw weergegeven.
Tabel 5: Energieverbruik koelen
Energieverbruik koeling Kantoor lucht Kantoor vloer Entree lucht Entree vloer Horeca lucht Horeca vloer Ontdekfabriek lucht Ontdekfabriek vloer Totaal Energieverbruik koelen [MWh] 3,74 5,86 0,30 0,30 8,58 4,92 2,59 5,49 31,77
Tabel 6: Energieverbruik verwarmen
Energieverbruik verwarmen Kantoor lucht Kantoor vloer Entree lucht Entree vloer Horeca lucht Horeca vloer Ontdekfabriek lucht Ontdekfabriek vloer Totaal MWh] Energieverbruik continue belasting [MWh] 48,11 38,14 3,83 5,97 85,69 29,86 33,32 37,06 281,99 Openingspercentage 35,62% 65,30% 52,24% 3,56% Energieverbruik overdag [MWh] 1,81 2,56 8,54 0,06 12,97 Energieverbruik nacht - 21,29 - 1,80 - 12,37 - 30,99 66,44 Energieverbruik verwarmen totaal [MWh] 23,10 4,35 20,91 31,05 79,41
6.
Verlichting
Verlichting is een grote energieverbruiker in gebouwen. Algemene verlichting gebruikt 8 to12 W/m². Het energieverbruik door verlichting is afhankelijk van de gewenste lichtsterkte, het soort verlichting en de tijd dat de verlichting aan staat. De gewenste lichtsterkte is vastgelegd in Arbo normen, een kantoor moet een minimale lichtsterkte hebben van 500 Lumen/m² oftewel 500 Lux op het werkvlak. Één Lux komt overeen met de hoeveelheid licht die één kaars uitstraalt op een oppervlak loodrecht op de lichtstralen en op een afstand van 1 meter van de kaars. Het verband tussen Lumen en Lux is weergegeven in Figuur 9.
6.1. Besparingsmogelijkheden
Er kan op verschillende manieren energie bespaard worden op verlichting:
Efficiënte verlichting gebruiken.
Zorgen dat verlichting niet onnodig aangeschakeld is. Optimaal gebruik maken van daglicht.
Hoewel LED verlichting tegenwoordig erg populair is, is de efficiëntie van LED verlichting nog steeds niet zo hoog als van TL verlichting. LED lampen zijn echter nog wel volop in ontwikkeling
dus in de toekomst zullen ze waarschijnlijk TL buizen overtreffen qua efficiëntie. Voor de keuze uit de typen verlichting is er vanuit gegaan dat TL verlichting een hogere efficiëntie heeft dan LED verlichting.
Om te zorgen dat de verlichting niet onnodig aangeschakeld is kunnen tijdschakelaars, bewegings- of aanwezigheidsmelders toegepast worden. Het verschil tussen bewegings- en aanwezigheidsdetectoren is de
Figuur 9: Verband tussen Lumen, Candela en Lux [8]
18 resolutie van de detectie. Een bewegingsdetector registreert alleen grote bewegingen en een
aanwezigheidsdetector ook kleine bewegingen zoals iemand die aan een bureau zit te werken.
Er zijn geavanceerde detectiesystemen op de markt die de gewenste lichtsterkte in een ruimte meten en wanneer er genoeg daglicht binnenkomt, de verlichting wordt gedimd of zelfs word uitgeschakeld. Wanneer er niemand in de ruimte aanwezig is, wordt de verlichting uiteraard uitgeschakeld. Deze systemen kunnen een energiebesparing tot 70% op de verlichting opleveren. Dit rendement valt in de praktijk echter lager uit. In de berekening van de verlichtingsenergie is uitgegaan van een besparing van 30%.
Een goede manier om optimaal gebruik te maken van het aanwezige daglicht is door gebruik te maken van zogenaamde daglichtsystemen. Daglichtsystemen zijn er verschillende varianten. Een voorbeeld hiervan zijn daglichtsystemen die buiten het gebouw door middel van koepels zonlicht opvangen en het zonlicht door reflecterende buizen of glasvezels het gebouw in leiden. Op deze manier zijn ruimten met weinig glasoppervlak of diepe ruimten toch te voorzien van daglicht. Deze technieken zullen verder toegelicht worden in bijlage 16. De verlichtingsenergie is berekend door eerst het benodigde vermogen te berekenen aan de hand van
kengetallen. Vervolgens is dit vermogen vermenigvuldigd met het geschat aantal branduren per jaar om tot het jaarlijkse energieverbruik te leiden. In Tabel 7 zijn de resultaten van deze berekening weergegeven. De
volledige berekening is weergegeven in bijlage 7.
Tabel 7: Energieverbruik verlichting
Verlichting Oppervlakte [m²] Geïnstalleerd vermogen [kW] Gemiddeld vermogen [W/m²] Besparing op algemene verlichting Elektriciteitsverbruik/ jaar [MWh] Kantoor 921 8,97 10 30% 10,0
Entree & toiletten 127,5 1,02 8 30% 2,5
Horeca 814,5 8,15 10 30% 26,1
Ontdekfabriek 800 9,60 12 30% 2,1
Totaal 2663 27,74 40,6
7.
Machines en apparaten
Ook machines en apparaten zoals computers, koelkasten en andere elektrische apparatuur dragen bij aan het energieverbruik in een gebouw. Het energieverbruik door machines en apparaten is berekend aan de hand van dezelfde kengetallen die zijn gebruikt voor het berekenen van de koellast door machines en apparaten. Het geïnstalleerde vermogen is verminderd met de gebruiks- en benuttingsfactor en vervolgens vermenigvuldigd met het aantal gebruiksuren per jaar om tot het jaarlijkse energieverbruik te komen. De gebruiks- en benuttingsfactor zijn schattenderwijs bepaald. In Tabel 8 zijn de resultaten van de berekening van het energieverbruik door machines en apparaten weergegeven. De volledige berekeningen met toelichting zijn weergegeven in bijlage 8.
Machines en apparaten Geïnstalleerd vermogen [kW] Elektriciteitsverbruik/ jaar [MWh]
Kantoor 7,2 14,6
Entree + toiletten 0,0 0,0
Horeca 27,0 36,0
Ontdekfabriek 6,1 1,2
Totaal 40,31 51,7
19
8.
Leidingwater
De opdracht bestaat uit het maken van een duurzaam klimaattechnisch ontwerp, daarom valt het op nul stellen van het netto leidingwaterverbruik buiten het blikveld van dit project. Het energieverbruik door het verwarmen van tapwater is wel bepaald.
De watervoorziening is normaliter wel een onderdeel een gebouwgebonden installatie en dient zodoende ook zo duurzaam mogelijk ontworpen te worden. Dit kan gedaan worden door eerst de vraag aan water te beperken door waterbesparende kranen, toiletten en apparaten te gebruiken. Vervolgens kunnen de mogelijkheden van het hergebruik van water overwogen worden.
De waterstromen in het ontwerp kunnen opgedeeld worden in de volgende stromen; hemelwater, dit is water dat via regen en andere neerslag op het dak terecht komt. Grijswater is water afkomstig uit kranen, douches en huishoudelijke apparaten zoals vaatwassers en wasmachines. Zwart water is water afkomstig van toiletten. Hemelwater kan na filtering gebruikt worden om toiletten mee door te spoelen. Vanwege de hoge
kwaliteitseisen die gesteld worden aan drinkwater is het niet haalbaar om binnen dit ontwerp hemelwater te hergebruiken als drinkwater. Vanzelfsprekend valt met dezelfde beredenering het hergebruik van de grijs- of zwartwaterstroom buiten beschouwing.
In Tabel 9 is het energieverbruik door verwarming van tapwater weergegeven. Deze berekening is gemaakt op basis van kengetallen. Voor de bepaling van ΔT is uitgegaan van leidingwater van 10˚C en heet water van 70˚C. Het water moet tot 70˚C verwarmd worden om legionella besmetting te voorkomen.
Tabel 9: Bepaling energieverbruik verwarming tapwater
Energieverbruik verwarmen tapwater
Warm tapwater liter/ dag
Aantal dagen/ week Liter/ week m³/ jaar ΔT Energie verwarming water [MWh] Kantoor 20 5 100 5,2 60 0,36 Horeca 200 6 1200 62,4 60 4,35 Ontdekfabriek 15 1 15 0,78 60 0,05 Totaal 235 1315 68,38 4,76
9.
Totaal energieverbruik
In Tabel 10 en Tabel 11 is het totale energieverbruik van het ontwerp weergegeven. Deze energievraag dient door het ontwerp opgewekt te worden. In hoofdstuk 10.2 wordt weergegeven hoe deze energievraag ingevuld zal worden.
Tabel 10: Totaal verbruik elektrische energie Totaal energieverbruik
elektrisch
Energieverbruik MWh/jaar
Verlichting 40,6
Machines & apparaten 51,7
Ventilator energie 42.0 Energie verwarmen tapwater 4,8 Energie koeltoren 1,5 Energie adsorptiekoeler 0,3 140,9
Tabel 11: Totaal verbruik thermische energie Totaal energieverbruik thermisch Energieverbruik MWh/jaar Verwarmingsenergie 79,41 Koelenergie 31,77
20
10.
Concepten
Om tot een goed ontwerp te komen is er, nadat de functies bepaald zijn, gezocht naar alternatieven voor elke deelfunctie. Om een keuze uit deze verschillende alternatieven te maken zijn de belangrijkste alternatieven op de hoofdpunten met elkaar vergeleken. Deze vergelijkingstabellen zijn weergegeven in bijlage 9. De
alternatieven zijn vervolgens als afbeeldingen weergegeven in bijlage 10.
Vervolgens zijn er zes concepten bepaald voor het ontwerp. Deze concepten zijn ontstaan door logische combinaties te maken tussen de verschillende alternatieven. De verschillende concepten zijn weergegeven als gekleurde lijnen in het morfologisch overzicht. Het morfologisch overzicht is weergegeven in bijlage 10. Daarna is er een tabel opgesteld waarin de concepten zijn weergegeven. Hierdoor zijn de concepten op een pagina te vergelijken. Deze tabel is weergegeven in bijlage 11.
Nadat de concepten zijn opgesteld zijn ze beoordeeld door middel van een beoordelingsmatrix. De score van elk concept is vervolgens weergegeven in een kolomgrafiek. Op deze manier is goed te zien op welke vlakken de verschillende concepten goed scoren. Zowel de beoordelingsmatrix als de kolomgrafieken zijn weergegeven in bijlage 12.
Vervolgens zijn er weegfactoren voor de verschillende eisen bepaald. Deze weegfactoren dienen ervoor om prioriteiten te kunnen stellen tussen de verschillende eisen. Dit is van belang omdat niet alle eisen even zwaar mee tellen. De bepaling van de weegfactoren is weergegeven in bijlage 13. De verschillende concepten zijn getoetst aan de variabele eisen en wensen. Vaste eisen worden in de overweging niet meegenomen omdat alle concepten daaraan moeten voldoen.
Vervolgens zijn de weegfactoren vermenigvuldigd met de ongewogen score wat leidt tot de gewogen score. De bepaling van de gewogen score en de eindresultaten hiervan zijn weergegeven in bijlage 14. De gewogen score is ook uitgezet in de Kesselring methode. Hierbij geldt dat het beste concept tot de grafiek met het grootste oppervlak moet leiden.
Uiteindelijk bleek hieruit dat concept 1 en concept 6 hoog scoorden. Hierna is gekeken op welke vlakken deze concepten goed scoorden en waar verbetering mogelijk was. Na verdere verdieping in de duurzame technieken is concept 7 ontstaan. Concept 7 behaalt dan ook de hoogste score. De score van de drie hoogst scorende concepten is weergegeven in Tabel 12.
Tabel 12: Score concept 1, 6 en 7
Score concepten Concept 1 Concept 6 Concept 7
Functionele eisen 2,53 2,53 2,67
Fabricage eisen 0,79 0,88 0,92
Milieu eisen 1,97 2,29 2,25
Oppervlakte Kesselring 3,70 4,35 4,56
In de paragraaf 10.1 worden de belangrijkste aspecten van elk concept weergegeven.
10.1. Concepten
In concept 1 wordt de koude opgewekt door middel van een WKO en een energiedak waardoor warmte wordt afgevoerd. De warmte wordt tevens onttrokken aan de WKO aangevuld met een warmtepomp en energiedak. Een energiedak is een zonnecollector met optionele fotovoltaïsche (PV) cellen geïntegreerd in de
dakbedekking. De warmte en koude zullen worden afgegeven door vloerverwarming/ vloerkoeling. Tapwater zal voorverwarmd worden door het energiedak en worden opgeslagen in de zonneboiler, het zal naverwarmd moeten worden met een HR ketel. Elektriciteit zal opgewekt worden door de PV cellen in het energiedak.
21 In concept 2 wordt de koude opgewekt door een grondbuis, adiabatische koeling en zomernachtkoeling. Warmte wordt opgewekt door het toepassen van passieve zonnne-energie in combinatie met heliostaten. In de winter en voor de verwarming van tapwater zal een mini-wkk gebruikt worden. Warmte en koude worden opgeslagen in de gebouwmassa, in de bodem door middel van de grondbuis en in oppervlaktewater. De warmte en koude zal afgegeven worden via de lbk. Elektriciteit wordt opgewekt door PV panelen en met de biomassa/ biogas gestookte mini-wkk.
In concept 3 wordt koude opgewekt door een adiabatische koeler. Warmte zal opgewekt worden door een mini-wkk. De warmte en koude zullen afgegeven worden via de lbk. De elektriciteit zal opgewekt worden door de mini-wkk aangevuld met PV panelen.
In concept 4 zal koude opgewekt worden uit een WKO aangevuld met zomernachtkoeling. De warmte zal onttrokken worden uit de WKO en worden opgewaardeerd door een warmtepomp. Het tapwater zal verwarmd worden met een mini-wkk. Warmte en koude zullen opgeslagen worden in de WKO. De warmte en koude zullen afgegeven worden door een inductie-unit aangevuld met radiatoren. De elektriciteit zal opgewekt worden door de mini-wkk aangevuld met PV panelen.
Concept 5 maakt gebuikt van een droge koeler in combinatie met zomernachtkoeling om koude op te wekken. Warmte zal opgewekt worden door een biomassaketel en worden opgeslagen in een buffervat. De warmte en koude zullen afgegeven worden door inductieunits aangevuld met radiatoren. De elektriciteit zal opgewekt worden door middel van PV panelen.
Concept 6 maakt gebruik van een absorptiekoeler/ adsorptiekoeler die gevoed wordt door een energiedak om koude op te wekken. Warmte zal opgewekt worden door het energiedak en eventueel worden naverwarmd met een HR ketel. Warmte en koude zullen afgegeven worden door de vloerkoeling/ vloerverwarming. Elektriciteit zal opgewekt worden door PV cellen in het energiedak.
Een verkort overzicht van bovenstaande concepten is weergegeven in Tabel 13.
Tabel 13: Verkort overzicht toegepaste technieken
Concept 1 Concept 2 Concept 3 Concept 4 Concept 5 Concept 6 Warmte opwekking Energiedak, WKO, zonneboiler, warmtepomp, ketel Passieve zonne-energie, heliostaat, mini wkk
Mini wkk Mini wkk, WKO,
warmtepomp Houtvergassing Energiedak Koude opwekking WKO, energiedak Grondbuis, adiabatische koeling, zomernachtkoeling Adiabatische koeling WKO, zomernachtkoeling Droge koeler, zomernachtkoeling Absorptiekoeler/ adsorptiekoeler, energiedak Opwekking elektriciteit Energiedak + Mini wkk, PV, biomassa Mini wkk, PV Mini wkk, PV PV Energiedak +
10.2. Gekozen concept
Concept 7 zal verder uitgewerkt worden omdat het de hoogste score behaald in de Kesselring methode en omdat het een nieuw en uniek ontwerp is. In dit hoofdstuk zullen de verschillende aspecten van concept 7 toegelicht worden. Om de haalbaarheid van concept 7 te verifiëren zijn de opbrengst- en piekvermogens berekend. Op deze manier wordt vastgesteld dat het concept aan de eisen voldoet. Deze berekening is weergegeven in bijlage 17.
22 De koudevraag wordt verminderd door het toepassen van buitenzonwering. In de buitenzonwering zijn PV panelen geïntegreerd. Ook het witdak realiseerd door het reduceren van afstraling van warmte een bijdrage aan het verminderen van de warmtevraag.
Elektriciteit
De elektriciteit wordt deels opgewekt door PV panelen welke geplaatst worden op het dak en geïntegreerd worden in de buitenzonwering. Op het gebogen dak zullen flexibele PV cellen worden. Het andere deel van de elektriciteit wordt opgewekt door 32 Infinia Powerdishes. Dit is een parabolische spiegel welke door middel van een twee- assig richtingsmechanisme de zon volgt. De Powerdish bundelt het directe zonlicht op een
Stirlingmotor. De toegepaste Stirlingmotor is weergegeven in Figuur 10. Een Stirlingmotor is een externe verbrandingsmotor en is in staat warmte (1) om te zetten in beweging. De warmte kan op verschillende manieren opgewekt zijn. Deze beweging wordt in een lineaire generator (5) omgezet in elektriciteit. De Powerdish heeft een elektrisch piekvermogen van 3,2 kW
en een thermisch piekvermogen van 7 kW [9]. Wanneer meer elektriciteit wordt opgewekt dan wordt verbruikt door het ontwerp, zal dit terug geleverd worden aan het net.
Een Stirlingmotor werkt door het drukverschil tussen de verhitte en de gekoelde zijde. De motor maakt hiervoor gebruik van een verplaatsingszuiger(3) en een
vermogenszuiger (4). Om dit drukverschil te optimaliseren dient één zijde van de Stirlingmotor gekoeld te worden (2). Deze warmte zal gebruikt ten behoeve van een
adsorptiekoeler en verwarming van het ontwerp. In paragraaf 10.3 wordt verder ingegaan op de werking van de Stirlingmotor. Koeling
Een adsorptiekoeler is een thermisch aangedreven koeler. Een adsorptiekoeler is in staat warmte van 50˚C tot 100˚C om te zetten in koude. Een adsorptiekoeler bestaat uit drie stromen; heet water, koelwater en gekoeld water. Heet water is de invoer, gekoeld water de gewenste uitvoer en koelwater is meestal ongewenste uitvoer. Koelwater is nodig om het proces te koelen en is ongewenst omdat het door de relatief lage
temperatuur (ongeveer 30˚C) onbruikbaar is en weg gekoeld dient te worden. In dit geval wordt een koeltoren gebruikt om deze restwarmte weg te koelen.
Een hogere heetwater en/ of een lagere koelwatertemperatuur temperatuur leiden tot een hogere Coefficient of Performance (COP). De COP is in dit geval de verhouding tussen het geleverde vermogen aan koude en de invoer aan heet water. De COP van adsorptiekoelers ligt rond de 0,6. Dat wil zeggen dat wanneer 6 kW aan koude gewenst is, 10 kW aan heet water aangeleverd moet worden. De capaciteit van het koelwater zou in dit voorbeeld 16 kW bedragen. In Figuur 11 is het principeschema voor de zomersituatie weergegeven.
Verwarming
Het ontwerp moet in staat zijn om altijd aan de gewenste ruimtemperatuur en warmwatervraag te voldoen. De Powerdish is afhankelijk van de zon, daarom is ervoor gekozen deze aan te vullen met een piekketel. Deze piekketel dient gedimensioneerd te worden op het piek verwarmingsvermogen.
Afgifte warmte en koude
De warmte en koude zullen afgegeven worden door vloerverwarming respectievelijk vloerkoeling aangevuld met een lbk. Dit heeft als voordeel dat er een hoog comfort gegarandeerd kan worden en er geen radiatoren geplaatst hoeven te worden. De luchtbehandeling zal gerealiseerd worden door middel van een lbk.
Figuur 10: Doorsnede Stirlingmotor [10]
4
1 2
3 5
