Afstudeeropdracht
Technische Bedrijfswetenschappen, discrete technologie Rijksuniversiteit Groningen
Ing. G.A.M. Linthorst
Energie outsourcing in de Hotelbranche
Een onderzoek dat inzichten geeft in de haalbaarheid van energie outsourcing in de hotelbranche, ondersteund met een geautomatiseerd model.
Afstudeerscriptie gemaakt in opdracht van: Enerco-Global BV 1e afstudeerbegeleider: dr. H. Hasper
2e afstudeerbegeleider: dr. W. Westerman Bedrijfsbegeleider : ir. ing. L. Westerbaan
Tiel, Juli 2004
De auteur is verantwoordelijk voor de inhoud van het afstudeerverslag; het auteursrecht van het afstudeerverslag berust bij de auteur.
Inhoudsopgave
Voorwoord ...4
Samenvatting...5
1. Inleiding ...7
2. Onderzoeksaanpak...8
2.1 Inleiding ...8
2.2 Het probleemveld. ...8
2.3 Probleemstelling ...8
2.4 Methodologie...9
2.5 Conceptualisatie. ...10
2.5.1 Het besluitvormingsproces ...10
2.5.2 Keuze conventioneel of alternatief ontwerp...12
2.6 Theoretisch kader. ...16
3. Het technische ontwerp...17
3.1 Inleiding ...17
3.2 Alternatieve ontwerpmogelijkheden...17
3.2.1 De warmtepomp...18
3.2.2 Warmte en koudeopslag in de bodem. ...20
3.2.3 De warmtekrachtkoppeling. ...24
3.3 Alternatief systeemontwerp. ...27
3.3.1 Theoretische bepaling van warmte en koudevraag patronen. ...27
3.3.2 Simulatie van de energiepatronen...32
3.3.3 Ontwerp alternatief concept voor de hotelbranche. ...34
3.3.4 Het technische ontwerp. ...39
3.3.5 Resultaten van modellering in Excel. ...44
4. Het outsourcingsconcept...45
4.1 Inleiding ...45
4.2 Huidige werkwijze Enerco...45
4.3 Het alternatieve concept...45
4.3.1 Meerwaarde conceptvorm voor alternatieve installatie. ...46
4.3.2 Het alternatieve concept. ...50
4.4 Financiële analyse concept...52
4.4.1. Financiële analyse...53
4.4.2. Financieringsvormen...59
4.5 Definitieve conceptvorm...60
4.5.1. Definitieve conceptvorm ...60
4.5.2. SWOT analyse. ...61
4.6 Conclusies energie outsourcing...63
5. Algemene conclusies en aanbevelingen ...64
Literatuur. ...66
Bijlage 1 Referentiejaar TRY de Bilt. ...67
Bijlage 2 Uitleg Model ELI. ...67
Bijlage 3 Financieel vergelijk bronoptie en koelmachine. ... 103
Bijlage 4 Vragenlijst hotels... 104
Voorwoord
Voor u ligt mijn afstudeerscriptie welke ik in het kader van mijn studie Technische Bedrijfswetenschappen heb uitgevoerd. Voor deze studie heb ik de HTS Installatietechniek aan de hogeschool van Utrecht afgerond in het jaar 2000.
In december van het vorige jaar kwam ik op de hoogte van het feit dat Enerco-Global zich aan het voorbereiden was om een nieuwe productontwikkeling voor energielevering in de hotelbranche op te zetten. Gezien mijn vooropleiding en huidige studie was ik gelijk geïnteresseerd en heb contact gezocht.
Hieruit is de opdracht ontstaan om voor Enerco-Global een nieuw energie outsourcing product te ontwikkelen gericht op de hotelbranche. Het zwaartepunt van deze studie zal de technische ontwikkeling zijn van een installatietechnisch ontwerp voor warmte, koude en elektriciteitsopwekking. Aan de hand van deze resultaten wordt er een commercieel concept ontwikkeld om deze energie aan de klant te kunnen leveren. De ontwikkeling zal ondersteund worden door een geautomatiseerd model. Naast Enerco-Global zullen de bedrijven Installect BV en Linthorst BV actief deelnemen in dit onderzoek.
Door het grote technische aandeel in deze ontwikkeling is mijn directe begeleiding van de universiteit verzorgd vanuit de faculteit der Wiskunde en Natuurwetenschappen.
Hierbij wil ik dan ook de heer Hasper bedanken voor de directe begeleiding en de getoonde interesse tijdens dit onderzoek. De heer Westerman voor het vervullen van de taak als tweede begeleider vanuit de faculteit Bedrijfskunde.
Naast de begeleiding vanuit de universiteit wil ik ook alle bij dit onderzoek betrokken medewerkers van de bedrijven Installect, Enerco en Linthorst bedanken voor hun inzet en inbreng in dit onderzoek.
Samenvatting
De huidige bedrijfsactiviteit van Enerco-Global is het plaatsen, beheren, investeren en exploiteren van warmtekrachtkoppelingen. Deze warmtekrachtkoppelingen worden ingezet voor de lokale opwekking van warmte en elektriciteit en hoofdzakelijk geplaatst in gebouwen welke al geruime tijd in bedrijf zijn. De dimensionering kan dan volledig geschieden op werkelijke gemeten energiepatronen van warmte en elektriciteit.
Bij de integratie van koude levering in het ontwerp is het noodzakelijk om de decentrale warmte en koude overbrenging te integreren. Nu kan er één systeem in het gebouw gelegd worden welke kan verwarmen en koelen. Dit betekent dat het ontwerp nu bepaald moet worden voor nieuwbouw situaties, dus op basis van theoretische berekeningen.
Naast kennis over de technische installatie is er nu veel meer inzicht nodig in het besluitvormingsproces van de klant bij het kiezen van een technische installatie en de toegevoegde waarde welke de klant ziet in de mogelijke ontwerpvariabelen.
De doelstelling van dit onderzoek is:
Het ontwikkelen van een nieuw technisch en commercieel energie outsourcing concept voor de opwekking van warmte, koude en elektriciteit in de hotelbranche.
Vraagstelling:
Welk technisch installatieontwerp (voor de opwekking van warmte, koude en elektriciteit) gecombineerd met een commercieel energie outsourcing concept is gelet op de technische prestaties en de wensen en eisen van de klant het meest winstgevend in de hotelbranche op dit moment.
Uit dit onderzoek is gebleken dat warmte en koudeopslag in de bodem, gecombineerd met een warmtepomp en een warmtekrachtinstallatie het optimale installatieontwerp is voor het gekozen referentie hotel.
Dit is echter wel afhankelijk van de condities die gelden voor een specifiek project. Met behulp van het ontworpen computermodel in Excel kan deze analyse goed worden ondersteund. Hierbij is er voor gekozen om de warmtevraag door middel van statische berekeningen op te bouwen. De simulatie van de specifieke koudevraagpatronen is achterwege gebleven om de volgende redenen:
• de grote invloeden van zeer moeilijk te voorspellen bepalende factoren als interne warmtelast en zoninstraling.
• de complexiteit van het opzetten van een hiervoor benodigd dynamisch calculatiemodel.
• de zeer geringe toegevoegde waarde van deze berekeningen.
De inzet van de warmtekrachtkoppeling zelf is in dit nieuwe technische ontwerp verbeterd ten opzichte van de huidige inpassing.
• Door de warmtepomp als additionele warmteopwekker in te zetten in plaats van de cv- ketel kan de warmtekrachtkoppeling een grotere dekking creëren door een toename in de elektriciteitsvraag.
• Door het warmte distributiesysteem wat is uitgelegd op een laag temperatuurniveau kan er een groter temperatuurverschil gecreëerd worden met de maximale uittrede temperatuur van de warmtekrachtkoppeling. Hierdoor kan er meer thermische energie gebufferd worden tegen veel lagere kosten.
• Door een verbeterde regelstrategie en de grotere buffercapaciteit is de warmtekrachtkoppeling meer in staat om in de meer winstgevende piekuren te draaien.
Het concept waarbij de investeringen in duurzame productiemiddelen worden overgenomen en worden terugverdiend door de hiermee geleverde energie te verkopen ( energie outsourcing) kan hier bestaan uit de warmtekrachtkoppeling, de warmtepomp en warmte en koudeopslag in de bodem. De bronnen en de warmtepompinstallatie bleken niet rendabel genoeg om de gehele investering hierin over te nemen. Als deze elementen wel meegenomen worden in de conceptvorm zal er een gedeelte van deze investering kunnen worden overgenomen. De complexiteit van het concept neemt dan wel toe maar zo wordt er wel de totale verantwoordelijkheid genomen voor de te behalen besparingen op de energiekosten.
Gezien de huidige vorm van subsidiëring is er gebleken dat er nog veel financiële voordelen kunnen ontstaan door het verleasen van de overige duurzame productiemiddelen.
Door de leaseconstructie via de concepthouder te laten verlopen kunnen de maandelijkse lasten van de gebruiker positief worden beïnvloed. Dit door de kennis van de concepthouder op het gebied van subsidiering en het integreren en coördineren van het totale onderhoud en technische management van de installatie.
De financiële haalbaarheid van de nieuwe conceptvorm is bepaald met de netto contante waarde methode.
Het belangrijkste is dat de financiële resultaten van het concept, gezien de investeringen en de jaarlijkse cashflows, voor de concepthouder en de klant ruim positief zijn. Hierdoor kan er vanuit puur economische motieven gekozen worden voor de duurzame installatie, losstaand van de overige voordelen. De voordelen voor de klant zitten voornamelijk in de vermindering van de investeringen. De besparing op de exploitatiekosten is hier in verhouding tot de totale uitgaven van het hotel namelijk klein.
De conceptvorm is hierna gedetailleerder geanalyseerd op financieel en strategisch niveau, door middel van risicoanalyses van de verwachte opbrengsten en een uitgebreide SWOT analyse van de ontwikkelde conceptvorm.
Een ontwerp welke met grote zekerheid de totale kosten van de klant zal minimaliseren en rekening houdt met de belangrijkste waarde toevoegende elementen, namelijk bedrijfszekerheid en comfort, is voor de klant het meest waardevol gebleken.
De bedrijfszekerheid is in het nieuwe ontwerp sterk toegenomen door de gegarandeerde stroomvoorziening en de gespreide warmteopwekking. Het comfortniveau is tevens toegenomen door in de conceptvorm het technische management van de hoteleigenaar meer te ondersteunen en te coördineren.
De mate van subsidiering en de tarievenstructuren van gas en elektriciteit zijn de grootste risicofactoren. Deze afhankelijkheid vormt dan ook het zwakste punt van deze conceptvorm.
Dit onderzoek vond ook net plaats tijdens de laatste liberaliseringfase van de energiemarkt.
De nieuwe prijsstellingen voor aardgas waren op het moment van onderzoek helaas nog niet bekend, maar de gemaakte calculaties zijn al uitgegaan van een ongunstige situatie voor de exploitatie van de warmtekrachtkoppeling.
1. Inleiding
Deze studie is verricht in opdracht van Enerco-global. Enerco is een bedrijf wat een concept heeft ontwikkeld en op de markt gebracht heeft om warmte en elektriciteit te verkopen door te investeren in lokale warmtekracht installaties. Veel klanten van Enerco komen uit de hotelbranche.
In deze branche is er een grotere vraag ontstaan naar het koelen van restaurants, zalen en kamers. Door het ontstaan van deze grotere koudevraag zijn de mogelijkheden toegenomen om hier alternatieve / duurzame concepten te ontwikkelen.
Voor de ontwikkeling van deze nieuwe duurzame concepten in de hotelbranche is het idee ontstaan om ook hiervoor een dergelijk concept van energie outsourcing te ontwikkelen.
Met energie outsourcing wordt hier bedoeld: het overnemen van investeringen in duurzame productiemiddelen en het verkopen van de geproduceerde energie.
Voor deze studie is de samenwerking aangegaan met Installect BV( specialist in warmte en koudeopslag in de bodem) en Linthorst BV ( gespecialiseerd installateur in de hotelbranche). Als afstudeerder heb ik de opdracht gekregen van Enerco-global om de mogelijkheden van energie outsourcing te onderzoeken voor deze nieuw te ontwikkelen duurzame installaties.
Dit onderzoek valt te typeren als een ontwerpgericht onderzoek. Door middel van een geautomatiseerd model zal de technische en commerciële ontwikkeling van het nieuw te ontwerpen energie outsourcing concept ondersteund worden.
In de onderzoeksaanpak zal na een korte probleemstelling een duidelijke afbakening van dit onderzoek volgen. Hierin zijn de doelstellingen en de daarbij horende vraagstellingen en randvoorwaarden geformuleerd.
Om sneller grip te krijgen op dit onderzoek wordt er door middel van conceptuele modellen getracht het onderzoeksgebied eerst te visualiseren en kort te beschrijven.
Hierna worden de gebruikte theorieën uiteengezet in het theoretisch kader.
In hoofdstuk 3 wordt de ontwikkeling van het nieuw te ontwerpen technische installatieontwerp besproken.
In hoofdstuk 4 zal aan de hand van de resultaten van de technische ontwikkeling onderzocht worden wat de mogelijkheden zijn van energie outsourcing.
In het afsluitende hoofdstuk worden de conclusies en aanbevelingen gepresenteerd.
2. Onderzoeksaanpak
2.1 Inleiding
Onderzoek kan omschreven worden als: het langs systematische weg zoeken van antwoorden op vragen (De leeuw, 1996)1.
In dit hoofdstuk zal de systematiek van dit onderzoek en de daarbij gestelde vragen centraal staan. Na het kort in kaart brengen van het probleemveld zal de probleemstelling van dit onderzoek uitgewerkt worden. Aanvullend op de onderzoeksmethodologie zal dit probleemveld nader worden besproken aan de hand van conceptuele modellen in paragraaf 2.5. Hier wordt tevens verder verwezen naar de hoofdstuknummers waar de onderzoeksvragen worden uitgewerkt. Ten slotte worden in het theoretisch kader de gehanteerde theorieën uiteen gezet.
2.2 Het probleemveld.
In de huidige situatie worden warmtekrachtkoppelingen in bestaande gebouwen geplaatst voor de levering van warmte en elektriciteit. De dimensionering kan nu volledig geschieden op werkelijke gemeten energiepatronen van warmte en elektriciteit. De inpassing van de warmtekrachtkoppeling in deze conventionele verwarmingsinstallaties is een veel beproefd concept. Bij de integratie van koude levering in het ontwerp is het noodzakelijk om de decentrale warmte en koude overbrenging te integreren. Nu kan er één systeem in het gebouw gelegd worden welke kan verwarmen en koelen. Dit betekent dat het ontwerp nu bepaald moet worden voor nieuwbouw situaties, dus op basis van theoretische berekeningen. Naast berekeningen van de verwachte energiestromen is het van belang om kennis van installatietechniek te hebben om een optimaal technisch concept te kunnen ontwerpen.
Optimaal is in deze zin een installatie welke gezien een gehanteerd concept de grootste opbrengsten heeft voor de concepthouder. Naast kennis over de technische installatie is er nu veel meer inzicht nodig in het besluitvormingsproces van de klant bij het kiezen van een technische installatie en de toegevoegde waarde welke hij ziet in de mogelijke ontwerpvariabelen.
2.3 Probleemstelling
De probleemstelling van dit onderzoek bestaat uit een doelstelling, een vraagstelling en randvoorwaarden.
Doelstelling:
Het ontwikkelen van een nieuw technisch en commercieel energie outsourcing concept voor de opwekking van warmte, koude en elektriciteit in de hotelbranche.
Vraagstelling:
Welk technisch installatieontwerp (voor de opwekking van warmte, koude en elektriciteit) gecombineerd met een commercieel energie outsourcing concept is gelet op de technische prestaties en de wensen en eisen van de klant het meest winstgevend in de hotelbranche op dit moment?
Onderzoeksvragen:
1.a.Op welke wijze kunnen de warmte–, koude– en elektriciteitspatronen van het hotel theoretisch bepaald worden om gegronde beslissingen in de technische dimensionering te kunnen maken?
1.b.Welke nauwkeurigheid wordt verlangd om een verantwoorde keuze te kunnen maken in het installatieontwerp en welke nauwkeurigheid kan worden geleverd?
2. Wat is, gelet op de technische prestaties van het ontwerp en de resultaten van een te ontwerpen energie outsourcing concept, het optimale installatieontwerp voor de gekozen referentiesituatie?
3. Welke mogelijkheden zijn er om een energie-outsourcingsconcept op te zetten voor het leveren van warmte, koude en elektriciteit in de hotelbranche?
Randvoorwaarden:
• In overleg met de betrokken partijen zal de omvang van het onderzoek beperkt worden door niet alle mogelijke technische ontwerpvarianten te bespreken. Alleen de voor dit ontwerp als relevant beschouwde technische elementen worden daarom behandeld in dit onderzoek.
• Het ontwerp zal gemaakt worden voor een referentie hotel in Houten. Er zal daarom niet diep worden ingegaan op de vraag welk ontwerp er onder andere omstandigheden, dan de omstandigheden van het gekozen referentieproject, optimaal zou zijn geweest.
• Het ontwerp zal bestaan uit een grof principe van energieopwekking waarin de dimensionering van de belangrijkste elementen is aangegeven. En een opzet van een commercieel energie outsourcing concept om deze installatie te exploiteren. Met energie outsourcing wordt hier bedoeld: Het overnemen van investeringen in duurzame productiemiddelen welke worden terugverdiend door de hiermee geleverde energie te verkopen.
• De streefdatum voor de afronding van dit onderzoek is eind juli 2004.
2.4 Methodologie.
Om het inzicht in deze problematiek te vergroten en om de ontwikkeling helder te structureren is er gekozen voor een conceptuele systeembenadering (De Leeuw 2000).2
Door middel van het opzetten van conceptuele modellen zal de samenhang van de problematiek beter beschreven kunnen worden.
Conceptualiseren is het ontwikkelen van valide conceptuele modellen die in staat stellen de problematiek te begrijpen en operationaliseerbaar zijn. ( De Leeuw `96)1
Door de probleemstelling vanuit verschillende invalshoeken te bekijken wordt er voorkomen dat andere invloedrijke factoren worden genegeerd. Steeds verder inzoomen zal invulling gegeven aan onderliggende vragen zonder hierbij het totaaloverzicht te verliezen. ( De Leeuw
`96)1 In deze modellen worden de causale verbanden aangegeven. Deze worden in het verdere verslag geanalyseerd met de daarvoor voorhanden theorieën. Deze conceptualisering is
2.5 Conceptualisatie.
Dit onderzoek zal onder andere resulteren in een technisch ontwerp. Deze ontwerpkeuze is onderhevig aan een grote hoeveelheid van technische, economische en omgevingsvariabelen.
In dit hoofdstuk zal de samenhang tussen deze variabelen vormgegeven worden in conceptuele modellen en zal tevens verwezen worden naar de hoofdstukken waar de onderzoeksvragen uit de probleemstelling worden behandeld. Eerst zal het besluitvormingsproces in de keuze van een installatieontwerp besproken worden.
2.5.1 Het besluitvormingsproces
De basis van elk technisch concept blijft het feit dat de klant een betrouwbare installatie wil hebben die een gewenst binnenklimaat kan realiseren en voldoet aan de wettelijke eisen die gelden voor de installatie en het gebouw.
De conventionele inzet van deze werktuigbouwkundige elementen is te zien in figuur 2.1.
Figuur 2.1 Conventionele energieopwekking.
De besluitvorming in de ontwerpkeuze van een installatie wordt beïnvloed door verschillende factoren welke in de onderstaande tabel zijn weergegeven.
Figuur 2.2 Eenvoudig besluitvormingsproces technische installaties.
Ontwerp
Wettelijke eisen Initiële
kosten
Exploitatie kosten
Wensen /eisen opdrachtgever CV ketel
Warmte Gas
Koelmachine
Koude Elektra
Warmte transport
Koude transport
Warmte afname
Koude afname
Overig
elektriciteitsgebruik
De reden dat de CV ketel en de koelmachine als conventioneel worden gezien ( figuur 2.1) is dan ook dat zij gelet op deze afhankelijke in de meeste situaties worden toegepast.
De klant heeft over het algemeen de kennis niet in huis om hier een gegronde beslissing in te nemen. In de ontwerpfase zal de klant dan ook een adviseur hebben die hem hierin begeleid.
Dit kan een adviesbureau zijn maar ook een installateur zelf kan deze functie vervullen.
Hieronder is het besluitvormingsproces nog verder gevisualiseerd wat inzicht tracht te geven in de keuze voor een conventionele of een alternatieve installatie.
Ontwerp keuze Kennisniveau
adviseur
Technologische en economische variabelen Beoordeling opdrachtgever Eisen/wensen opdrachtgever
1) initiële kosten 2) bedrijfszekerheid 3) comfortniveau
4) vormgeving / kwaliteit 5) exploitatie kosten 6) mate van duurzaamheid
Definitieve ontwerpkeuze Vertrouwen in adviseur Risicoanalyse van het voorstel van de adviseur
Advies adviseur
1) Voorlopige ontwerpkeuze 2) Voorspellingen van de punten
genoemd in de eisen en wensen van de opdrachtgever.
3) Eventuele synergievoordelen van het gekozen ontwerp.
Figuur 2.3 Besluitvormingsproces Technisch ontwerp.
Type adviseur
Wettelijke eisen
2.5.2 Keuze conventioneel of alternatief ontwerp.
Het besluitvormingsproces van figuur 2.3 zal nu verder worden geanalyseerd om beter inzicht te krijgen welke rol energie outsourcing kan spelen bij de keuze voor alternatieve installatieconcepten. In de praktijk blijkt het namelijk nog vaak dat ondanks een positieve financiële analyse van een alternatief concept er nog gekozen wordt voor een conventioneel ontwerp. De redenen hiervan zijn goed te herkennen in het besluitvormingsproces van figuur 2.3. Deze worden hieronder kort toegelicht.
Eisen en wensen opdrachtgever.
Het gewicht dat de klant toekent aan de wensen en eisen is van groot belang. De exploitatiekosten van een technische installatie in een hotel vormen ongeveer 4% van de totale exploitatiekosten. Als een hoteleigenaar wil bezuinigen zullen invloeden door aanpassingen aan de technische installatie in verhouding erg gering zijn. De betrouwbaarheid van de installatie is echter van veel groter belang, omdat deze directe invloed heeft op het primaire proces van het hotel. Vooral in hotels heeft het uitvallen van de warmte voorziening direct grote gevolgen, bijvoorbeeld door het wegvallen van de warmwatervoorziening welke hier een belangrijke rol speelt.
Het percentage wat de technische installatie vormt op de totale initiële uitgaven is aanzienlijk groter. Voor een conventionele installatie zijn deze circa 15% van de totale investeringskosten. Meerkosten in een alternatieve installatie, die aanzienlijk kunnen zijn, zullen hier dan ook een groter probleem vormen. Dit probleem wordt ook versterkt door het feit dat kostenbegrotingen van conventionele installaties vaak aan de basis staan van toekomstige begrotingen. Het overschrijden van het vooraf vastgestelde budget kan dan ook verschillende financieringsproblemen met zich meebrengen.
Kennisniveau adviseur / type adviseur.
Een adviseur kan zoals al eerder is genoemd bestaan uit een adviesbureau of een installateur.
Het kennisniveau van de adviserende partij en de keuze van de adviseur hebben ook een grote invloed op de keuze van het installatieontwerp.
Een adviesbureau wordt betaald voor zijn geleverde diensten betreffende het ontwerp en zal over het algemeen meer tijd nemen en hebben om met de klant mee te denken en zo eerder met een alternatief installatieontwerp komen. De installateur wordt in veel gevallen niet betaald voor zijn advieswerkzaamheden tenzij hier vooraf afspraken over zijn gemaakt. De kosten voor deze advieswerkzaamheden vallen over het algemeen veel lager uit dan die van een adviesbureau. De installateur neemt deze advieswerkzaamheden dan ook op zich meer met de intentie om het werk te kunnen maken. Een installateur zal zo meer geneigd zijn tot het ontwerpen en adviseren van een conventionele installaties. De tijd die er gestoken wordt in de advieswerkzaamheden zijn niet winstgevend en de risico`s die er kleven aan een alternatieve installaties zal een installateur ook directer voelen dan een adviseur.
Opdrachtgevers die veel ervaring hebben met bouwen zullen ook vaak de dure advieswerkzaamheden schrappen en kiezen voor een installateur als adviseur.
Wettelijke eisen.
De wettelijke eisen die gelden voor de betreffende installaties zijn vastgelegd in besluiten van de overheid12. Deze besluiten geven aan waar de installatie aan moet voldoen op verschillende gebieden. Hieronder zal ik enkele aandachtsgebieden met voorbeelden noemen.
• Veiligheid ( Brandbestrijding, materiaalkeuzes)
• Gezondheid ( luchtkwaliteit, geluidsproductie)
• Bruikbaarheid ( toegankelijkheid, voorgeschreven afmetingen)
• Energiezuinigheid ( minimumwaarden voor energieverbruik )
De wettelijke eisen die betrekking hebben op de energiezuinigheid van het gebouw worden steeds strikter. Architecten moeten tegenwoordig bewijzen dat het gebouw voldoet aan de door de regering gestelde normen wat energiezuinigheid betreft. Voor elk type gebouw (afhankelijk van de gebruikersfunctie) zijn deze normen gegeven in de zogenoemde energie prestatiecoëfficiënten. Verder worden toepassingen van duurzame technieken gestimuleerd en soms zelfs verplicht gesteld wanneer deze een terugverdientijd hebben beneden een voorgeschreven limiet (veelal 5 jaar). Aan deze normen kan worden voldaan door het gebouw energiezuiniger te construeren of door aanpassingen te verrichten aan het technische ontwerp.
Door deze ontwikkelingen zullen de meerinvesteringen in een alternatief concept afnemen en deze zal zo sneller haalbaar worden.
Technologische en economische variabelen.
Op welke wijze de technologische en economische variabelen van invloed zijn op het ontwerp is in de onderstaande figuur verder gedetailleerd.
Figuur 2.4 technologische en economische variabelen.
Deze figuur vormt de basis voor dit onderzoek. In de cirkels wordt daarom hier ook verwezen naar de desbetreffende hoofdstukken. Paragraaf 3.3.5 is hier niet genoemd. Hierin worden de resultaten van de modellering in Excel besproken waarin alle elementen uit figuur 2.4 zijn verwerkt. Bij elk technisch ontwerp kan zo rekening houdend met deze variabelen gezocht worden naar een optimale installatie.
Het ontwerp is afhankelijk van zoveel factoren dat er niet één standaard ontwerp en conceptvorm voor de gehele hotelbranche is te maken. Daarom is er in dit onderzoek voor gekozen om een referentieproject te kiezen.
Mogelijke ontwerpvarianten
Opwekkingsrendementen
Primaire energievraag (gas, elektra)
Energietarieven
Exploitatiekosten Subsidies
Specifieke energiepatronen (warmte, koude en elektra)
Bouwfysische constructie Gebruikerspatronen Gewenst comfortniveau Initiële uitgaven
Subsidiemogelijkheden Loonkosten
Materiaalkosten
Winst / risico toeslagen
Onderhoudskosten
Conceptvorm energie outsourcing
Energiekosten 3.2
3.3.1 3.3.2
3.3.3 3.3.4
4
Beoordeling opdrachtgever.
Nadat de adviseur een voorstel doet voor een ontwerp en de wensen en eisen besproken heeft zal de klant hierover een waardeoordeel geven. Hierbij spelen de risico`s van de voorspellingen van de adviseur een grote rol. De bedrijfszekerheid en de voorspelling van de exploitatiekosten zijn de meest risicovolle variabelen. De initiële uitgaven liggen vast in uitgegeven offertes en de rest van de gestelde eisen zijn goed te overzien en worden ook opgevangen door garantiebepalingen van de leveranciers en de installateur.
Door het grote gewicht wat gegeven wordt aan bedrijfszekerheid en de beperking van de initiële uitgaven wordt er nog vaak voor een conventionele oplossing gekozen. De onzekerheid die een alternatief concept met zich meebrengt, de gebrekkige technische kennis van de opdrachtgever en het niet kunnen afgeven van harde garanties op de exploitatiekosten van de adviseur zijn daar ook debet aan.
Bij de keuze van het installatie ontwerp spelen investeringskosten daarom in de meeste situaties de grootste rol. Een meerinvestering in een anders dan conventionele installatie zal daarom alleen gerechtvaardigd worden bij een met grote zekerheid te voorspellen daling van de exploitatiekosten of als een conventionele installatie niet voor de wettelijk te behalen energiezuinigheid kan zorgen. Het vertrouwen in het advies is voor de bepaling van de risico`s dan ook erg belangrijk.
Een installatie die met voldoende zekerheid kan zeggen dat het de complete kosten minimaliseert en welke voldoet aan de wettelijke eisen van de overheid en de eisen die de klant gesteld heeft geniet dus de voorkeur.
Conceptvorm energie outsourcing.
In de figuren 2.3 en 2.4 is nu goed te herkennen waar een conceptvorm waarde kan toevoegen aan de klant.
Door bijvoorbeeld investeringen in het duurzame installatieconcept over te nemen daalt het te investeren bedrag van de klant. De exploitatiekosten stijgen nu wel, maar dalen ten opzichte van de exploitatiekosten van een conventioneel ontwerp. De opbrengsten voor de concepthouder vormen nu de kosten voor de klant. En deze opbrengsten worden gunstig beïnvloed door een grotere afname van energie. Hierdoor zijn er schijnbaar tegenstrijdige belangen ontstaan. Energiebesparende technieken kunnen in dat opzicht een negatief effect hebben op de haalbaarheid van het concept. Enerco plaatst veel warmtekrachtkoppelingen in bestaande constructies waardoor de energiepatronen niet veel meer te beïnvloeden zijn.
Aangezien er in dit onderzoek sprake is van nieuwbouwsituaties moet er nu gezien de conceptvorm en de kosten van de energiebesparende technieken gezocht worden naar een optimale situatie voor beide partijen. Investeringen in deze technieken kunnen nu dus worden vergeleken met de kosten van energielevering in de conceptvorm.
Nu het probleemveld en de opbouw van dit onderzoek gedetailleerder in beeld is gebracht wordt in het volgende hoofdstuk het theoretisch kader uiteengezet.
2.6 Theoretisch kader.
Rekening houdend met de interne mogelijkheden van de organisatie zal het te ontwikkelen product het langst stand houden als het een blijvend concurrentievoordeel kan creëren. Dit kan door meer waarde voor de klant te creëren dan de concurrent en door het vermogen om dit voordeel te kunnen blijven behouden ( Hitt e.a. `99).3
Nu in de vorige paragraaf het probleem gebied in kaart is gebracht is het duidelijk geworden dat het zwaartepunt van dit onderzoek de technische ontwikkeling van het installatieontwerp is. Het verlagen van de kosten van de klant rekening houdend met de beperkingen zoals deze in figuur 2.3 zijn weergegeven vormt hier dan ook de voornaamste strategie om waarde voor de klant te creëren.
Welke waarde de conceptvorm in zijn geheel toevoegt aan de klant en in hoeverre de concepthouder in staat is een blijvend concurrentievoordeel te creëren wordt door middel van een SWOT analyse onderzocht. De gebruikte theorieën zijn hierbij afkomstig uit (Hitt e.a.
,1999).3
Nederland is toonaangevend in de wereld op het gebied van duurzame energieconcepten voor de gebouwde omgeving. Verschillende technieken en toepassingen volgen elkaar snel op. De hierdoor ontwikkelde kennis is alleen nog moeilijk toegankelijk. Enkele redenen hiervoor zijn:
• De opgedane kennis is van strategisch belang voor de ontwikkelende partijen zoals adviesbureaus en installateurs. Dit om hun concurrentiepositie te versterken.
• Het vergt tijd om de prestaties van nieuwe technieken in de praktijk te kunnen toetsen om hier wetenschappelijk verantwoorde uitspraken over te doen
• Door de grote diversiteit aan ontwerpmogelijkheden, het specifieke op maat gemaakte product en het relatief geringe aantal gerealiseerde projecten met deze nieuwe technieken zijn onderzoeksresultaten moeilijk wetenschappelijk te onderbouwen.
De gebruikte technische theorieën bestaan dan ook uit bestaande natuurkundige theorieën5 en technische literatuur op het gebied van installatietechniek6-10 gecombineerd met nieuwe technieken en inzichten op het gebied van duurzame energieopwekking11.
De gebruikte theorieën op het gebied van installatietechnologie zijn voornamelijk afkomstig van het instituut ISSO. Dit is een instituut voor studie en stimulering van onderzoek op het gebied van gebouwinstallaties. Met behulp van deze theorieën en laatste inzichten van onder andere de betrokken partijen wordt de technische ontwikkeling vormgegeven. In het geautomatiseerde model wordt deze technische ontwikkeling opgebouwd. Een gedetailleerde uitleg van deze opbouw is in bijlage 2 gegeven.
De financiële analyses zijn onder te verdelen in investeringsanalyses en financieringsanalyses.
Voor de investeringsanalyses wordt de netto contante waarde methode gebruikt. Door middel van risicoanalyses van de verwachte kosten en opbrengsten wordt de haalbaarheid van de conceptvorm (voor de opdrachtgever en de concepthouder) verder geanalyseerd. Op het gebied van financiering wordt er verder ingegaan op de keuze tussen investeren, lenen en leasen. De gebruikte theorieën in deze financiële analyses zijn afkomstig uit (RW,2002)4. Ook deze financiële analyses worden opgebouwd en verbonden met de technische resultaten in het geautomatiseerde model in Excel.
In het volgende hoofdstuk wordt nu deze technische ontwikkeling besproken.
3. Het technische ontwerp.
3.1 Inleiding
Naast de al eerder genoemde conventionele elementen in een technische klimaatinstallatie zijn er nog meer mogelijkheden om warmte, koude of elektriciteit te produceren. De verscheidenheid hierin is echter zo groot dat er voor gekozen is om alleen de elementen te bespreken die als relevant beschouwd worden door de betrokken partijen in dit onderzoek.
3.2 Alternatieve ontwerpmogelijkheden.
Figuur 2.4 is hieronder nog een keer weergegeven om de centrale rol van deze ontwerpvarianten te benadrukken. In de volgende drie paragrafen worden achtereenvolgend de warmtepomp, warmte en koudeopslag in de bodem en de warmtekrachtkoppeling behandeld.
Figuur 2.4 technologische en economische variabelen.
Mogelijke ontwerpvarianten
Opwekkingsrendementen
Primaire energievraag (gas, elektra)
Energietarieven
Exploitatiekosten Subsidies
Specifieke energiepatronen (warmte, koude en elektra)
Bouwfysische constructie Gebruikerspatronen Gewenst comfortniveau Initiële uitgaven
Subsidiemogelijkheden Loonkosten
Materiaalkosten
Winst / risico toeslagen
Onderhoudskosten
Conceptvorm energie outsourcing
Energiekosten 3.2
3.3.1 3.3.2
3.3.3 3.3.4
4
3.2.1 De warmtepomp.
Een warmtepomp is een apparaat dat een energiehoeveelheid van een onbruikbaar laag temperatuur niveau op kan `pompen` naar een hoger gelegen bruikbaar temperatuurniveau met behulp van externe energie.
Om warmte te kunnen verpompen van een lage naar een hogere temperatuur, gebruikt men koudemiddelen, dit circuleert in de warmtepomp. Het koudemiddel neemt in de verdamper warmte op door te verdampen bij een over het algemeen lage temperatuur. Tijdens het proces van condensatie van het koudemiddel komt er warmte vrij op een hogere temperatuur. Het temperatuurverschil tussen deze twee warmtestromen, ook wel de temperatuurlift van de warmtepomp genoemd, wordt bepaald door het drukverschil tussen de verdamper en de condensor. Dit is logisch, want bij gassen stijgt het kookpunt met toenemende druk. De warmtepomp bestaat uit een hoog en een laag drukdeel. In de koudemiddelkringloop wordt dit hoge- en lagedrukdeel gescheiden door een expansieventiel en een compressor. De taak van de compressor is het in stand houden van zowel een drukverschil als de massastroom.
Door het expansieventiel daalt de druk van het koudemiddel, omdat de druk lager geworden is, wil het koudemiddel van vloeibare toestand overgaan naar een gasvormige toestand. Om deze toestandsverandering te realiseren heeft het koudemiddel warmte nodig. Deze warmte wordt via een warmtewisselaar (de verdamper) onttrokken aan een warmtebron. Een voorbeeld van een warmtebron is buitenlucht. Na verdamping van het koudemiddel, wordt het door de compressor op een hoger drukniveau gebracht. Door de compressie wordt het temperatuurniveau van het koudemiddel hoger. Doordat het koudemiddel onder een hogere druk staat, zal het gaan condenseren. Om over te gaan van een gasvormige toestand naar een vloeibare toestand, moet het koudemiddel zijn warmte kwijt raken. Deze warmte wordt via een warmtewisselaar (de condensor) afgegeven aan bijvoorbeeld de ruimte.
In figuur 3.1 is het principe van de warmtepomp schematisch weergegeven.
Figuur 3.1 Schematisch overzicht van een warmtepomp.
Hoe kleiner het temperatuurverschil tussen de verdamper en condensor is, des te minder energie hoeft aan de bronenergie te worden toegevoegd en des te hoger is het rendement van de warmtepomp. Dit rendement wordt bij warmtepompen uitgedrukt in een COP waarde (coëfficiënt of performance).
De kracht van de warmtepomp is dan ook dat de hoeveelheid nuttig vrijkomende warmte groter is dan de actief toegevoerde energie (aandrijfenergie).
In figuur 3.2 is te zien dat met 25 % aandrijfenergie 100% nuttige warmte geproduceerd kan worden. Dit komt overeen met een totaal rendement op de aandrijfenergie van 400% (COP 4).
Figuur 3.2. Sankeydiagram van een warmtepomp.8
Een ander groot voordeel van de warmtepomp is dat één apparaat zowel voor koeling als voor verwarming ingezet kan worden (zelfs tegelijkertijd).
Hiermee onderscheidt een warmtepomp zich van conventionele warmteopwekkers. Hier is de nuttig geleverde warmte altijd kleiner dan de hoeveelheid toegevoerde energie.
Warmtepompen zijn eigenlijk niets anders dan koelmachines, alleen die zien de vrijkomende warmte als iets overbodigs wat naar de omgeving afgevoerd moet worden.
In de onderstaande tabel 3.1 zijn de meest voorkomende warmtebronnen samengevat, waarbij ondermeer een indicatie van het temperatuurniveau en de mate van betrouwbaarheid is aangegeven.
Warmtebronnen temperatuur indicatie [ºC] betrouwbaarheid
1) afvalwarmte 20 - 30 GOED
2) afvalwarmte (koelwater industrie / processen) 25 - 40 ONZEKER
3) ventilatielucht 10 - 20 GOED
4) bodemopslag 10 - 20 GOED
5) grondwater 10 GOED
6) oppervlaktewater 5 - 15 GOED/ONZEKER
7) bodemcollector -5 – 5 GOED
8) zonnecollector -7 – 20 ONZEKER
9) energiedak (zon en buitenlucht) -7 - 20 GOED
10) buitenlucht -7 + 15 GOED
Tabel 3.1 Samenvatting warmtebronnen8.
De temperatuur van een bron is één van de belangrijkste criteria van de warmtebron. Een lagere brontemperatuur geeft (bij gelijkblijvend temperatuurniveau van het afgiftesysteem) een lager vermogen van de warmtepomp en een hoger energieverbruik.
3.2.2 Warmte en koudeopslag in de bodem.
Er zijn twee typen bronsystemen; mono bronnen en doubletsystemen.
Onderstaande figuur toont een doubletsysteem; een systeem met twee bronnen, een warme en een koude bron. In de winter wordt warmwater uit de warme bron opgepompt, afgekoeld en als koud water in de koude bron geïnfiltreerd. In de zomer kan het water uit de koude bron worden opgepompt voor koeling. Warmwater wordt dan geïnfiltreerd in de warme bron.
Te verwarmen medium
Koud Warm
Aquifer Warm
Te koelen medium
Koud
Aquifer Winter
Zomer
Figuur 3.3. Doublet systeem.
Een doubletsysteem is duur omdat er twee gaten moeten worden geboord en er meer materiaalkosten zijn. Een goedkoper alternatief is de monobron (zie figuur 3.4).
Warm
Aquifer
Te verwarmen medium
Koud
Aquifer
Koud
Warm Te koelen
medium
Zomer Winter
Figuur 3.4. Monobron systeem.
Hierbij wordt er slechts één boring verricht en zijn de aquifers (watervoerende pakketten in de bodem) boven elkaar gepositioneerd. Voor een monobronsysteem is er bij een zelfde debiet een dikker watervoerend pakket vereist omdat de filters van de warme en koude aquifer boven elkaar zijn gelegen. Dit is de reden dat niet overal mogelijk bestaat de monobron als alternatief voor een doublet toe te passen. In Nederland zijn op sommige plaatsen monobronsystemen van ±40m³/h realiseerbaar.
Het technische ontwerp
Een bronsysteem wordt in de zomer en de winter gebruikt. Voor een specifiek project kan het gewenste debiet voor de winter en de zomersituatie worden bepaald. De relatieve kosten van een bron zijn groot, daarom moet er een goede analyse gemaakt worden van de ontwerp condities zodat de bron niet te groot wordt toegepast. De capaciteit van warmte-uitwisseling van een bron wordt bepaald door het waterdebiet en door het temperatuurverschil tussen het retour water van de bovengrondse installatie en de aanvoertemperatuur uit het bronsysteem.
Het temperatuurverschil heeft namelijk een lineair verband met het te leveren vermogen. In de winter is het daarom zaak om zo koud mogelijk op te slaan en in de zomer zo warm mogelijk.
Een technisch ontwerp is altijd uitgelegd op extreme buitencondities. Het percentage van het totale aantal uren koudevraag dat dit vermogen gevraagd wordt is erg klein.
Omdat de bron een grotere investering vergt dan bijvoorbeeld een koelmachine is het in situaties waarin men een klein vermogen te kort komt aan te bevelen om aanvullend op de bron een koelmachine / warmtepomp in te zetten. De warmte die vrij komt met het koelen kan worden afgevoerd met de bron of gebruikt worden indien er een gelijktijdige warmtevraag is.
In de winter kan de warmtepomp ook ingezet worden voor de warmtevraag. Dan wordt er tevens koude opgeslagen in de bron met een constante lage temperatuur.
Hieronder is een principe schema te zien van een bron gecombineerd met een warmtepomp.
Bij deze inpassing leveren de bron en de warmtepomp de koelvraag en de warmtepomp en de ketel de warmtevraag. De aanvoer van koud water uit de bron (+/- 11 ºC ) zal als het nodig is dieper gekoeld worden door de warmtepomp ( tot maximaal 6ºC). De warmte die er dan aan
de condensor zijde vrijkomt, zal als er geen warmtevraag is worden afgevoerd op de retour van de koelleiding en uiteindelijk op de bron.
Bron
WP
+/- batterij
- +
Ketel
+ +
T S A
Figuur 3.5. Warmtepomp installatie met warmte en koudeopslag in de bodem als bron.
In de winter zal de bron koude laden met de luchtbehandelingkasten en zo de verse toevoer van buitenlucht voorverwarmen. Deze capaciteit van voorverwarmen wordt echter wel beperkt door het vermogen wat de bron aan warmte kan leveren. Als de warmtepomp in de wintersituatie ook voorziet in de warmtevraag zal de bron hier ook warmte voor moeten leveren. Hierdoor zal de hoeveelheid lucht wat voorverwarmd kan worden dalen.
Bij een buitentemperatuur van -10 ºC kan nu afhankelijk van de grote van het warmte- uitwisselend oppervlakte van de laadbatterij een inblaas temperatuur gerealiseerd worden van ongeveer 10 ºC. Voor de naverwarming tot de gewenste inblaastemperatuur kunnen diverse vormen van warmteterugwinning uit de retourlucht ingezet worden. Hierdoor is het nu mogelijk om zonder naverwarmingsbatterij een inblaastemperatuur van +/- 19ºC te realiseren.
Hierdoor zal het op te stellen vermogen van de totale verwarmingsinstallatie aanzienlijk kunnen dalen.
In de meeste situaties wordt het warmtewiel ingezet als warmteterugwinning. Dit is een ronddraaiend wiel wat voor de helft in de retour en voor de helft in de aanvoer zit. Hierdoor zal hij in de retourlucht warmte opnemen en deze in de aanvoerlucht afgeven.
In de figuur 3.6 is deze vorm van warmteterugwinning schematisch weergegeven.
Figuur 3.6. warmteterugwinning luchtbehandelinginstallatie.
Deze vorm van warmteterugwinning heeft tevens een groot voordeel omdat het materiaal van het warmtewiel in staat is vocht op te nemen in de warme luchtstroom en deze af te geven aan de koude. Nu zal de luchtvochtigheid van de te verwarmen ruimten niet te veel zakken in de winter.
Thermische balans en maximale temperatuurstrajecten.
De overheid heeft voor de toepassing van warmte en koudeopslag een aantal regels gesteld.
De belangrijkste daarvan zijn dat de hoeveelheid energie die aan de bodem onttrokken wordt ongeveer gelijk moet zijn aan de hoeveelheid toegevoerde energie. Dit wordt wel de thermische balans genoemd. Verder mag de temperatuur waarmee het warme water in de bodem wordt geïnjecteerd niet hoger oplopen dan 25ºC.
-
+ Afblaas
Buitenlucht
Inblaas Retour
3.2.3 De warmtekrachtkoppeling.
In een warmtekrachtkoppelinginstallatie wordt gelijktijdig warmte en elektriciteit opgewekt.
Dankzij deze gecombineerde opwekking en het feit dat distributieverliezen van energie worden geminimaliseerd, kan het rendement van een dergelijke installatie oplopen tot 85- 93%. In tegenstelling tot gescheiden elektriciteitsopwekking benut een warmtekracht- installatie namelijk de vrijgekomen warmte, waardoor een aanzienlijke energiebesparing en een flinke besparing op de CO2-uitstoot kan worden gerealiseerd. De vrij gekomen warmte kan benut worden voor de centrale verwarming en het warme tapwater.
Werking van warmtekrachtkoppelinginstallaties
Het principe van een warmtekrachtinstallatie wordt toegelicht aan de hand van onderstaande figuur. In de warmtekrachtinstallatie wordt gas verbrand. Hiervoor is het noodzakelijk dat er zuurstofrijke lucht toegevoerd wordt. Door de verbranding wordt er een motor aangedreven waarmee elektriciteit wordt opgewerkt. De motoren worden gekoeld met de retourleiding van de centrale verwarming.
Figuur 3.7 De warmtekracht koppeling.
De warmtekrachtkoppeling heeft een gemiddeld rendement van 34% op de elektriciteitsopwekking en 55% op de warmteopwekking. De afzonderlijke rendementen zijn lager dan het rendement van 80% wat een centrale verwarming gemiddeld haalt en de 42%
van de elektriciteitscentrale. Echter door de gezamenlijke opwekking kan een besparing van 30% behaald worden op de benodigde brandstofhoeveelheid.
In figuur 3.8 is een Sankeydiagram weergegeven waarin deze energiestromen schematisch zijn weergegeven.
De warmtekrachtkoppeling is dus afhankelijk van de warmtevraag voor de productie van elektriciteit. En de hoeveelheid elektriciteit welke geleverd kan worden is weer afhankelijk van de elektriciteitsvraag van het gebouw en de mogelijkheid om elektriciteit te kunnen terugleveren aan het elektriciteitsnet.
Figuur 3.8 Sankeydiagram van de warmtekracht koppeling.
Energie patronen en warmtekrachtkoppeling prestaties in de praktijk
In grafiek 3.9 is de warmtevraag weergegeven van een hotel in de maand april van dit jaar.
De piekvermogens tijdens de ochtenduren en in de avond zijn nu goed waarneembaar. Dit is het gevolg van de grote tapwatervraag door het douchen van de hotelgasten.
Figuur 3.9 Warmtevraag hotel Holiday Inn te Eindhoven in april 2004.
Thermisch rendement 55%
Elektrisch rendement 34%
Verlies 58%
Elektrisch rendement 42%
% Verlies 11%
Verlies 20%
Thermisch rendement 80%
% 34 eenheden elektriciteit
55 eenheden warmte Input WKK: 100
eenheden brandstof
Input: Centrale en CV 150 eenheden brandstof
Brandstofbesparing = 150-100 = 33 % 150
In figuur 3.10 is voor de zelfde periode de elektriciteitslevering van de warmtekracht- koppeling te zien. Hierbij is te zien dat de warmtekrachtkoppeling in het begin
van de week de stroomvraag niet kan volgen door onvoldoende warmtevraag en hierdoor uitschakelt.
Het maximale vermogen van de warmtekrachtkoppeling is hier +/- 120 KW elektrisch. Het minimale vermogen is 50% van het maximale vermogen bij deze warmtekrachtkoppeling. In dit geval 60 KW elektrisch. De grafiek geeft de gemiddelde uurwaarde weer. Daarom is het waarschijnlijk dat de warmtekrachtkoppeling op maandag uit heeft gestaan in het 3e uur. Het gemiddeld geleverde vermogen is hier namelijk 30 KW.
Dit is ook wel terug te rekenen:
Als het minimale vermogen 60 KW elektrisch is dan moet de warmtevraag boven de 60*(0,55/0,34)= 97 KW thermisch liggen. Op maandag zakt de warmtevraag echter tot 50 KW thermisch.
Er is tevens te concluderen dat hier niet veel buffering wordt toegepast. Anders was de warmtekrachtkoppeling langer in staat geweest de stroomvraag te volgen.
In deze grafieken zijn de werkelijke patronen te zien. Om de haalbaarheid in nieuwbouwsituaties te bepalen is een calculatie van deze patronen noodzakelijk. De theoretische bepaling van deze patronen zal aan bod komen in de volgende paragraaf.
Figuur 3.10 Elektriciteitsproductie warmtekrachtkoppeling van hotel Holiday inn te Eindhoven in april 2004. ( Cogen is cogeneration en staat voor warmtekrachtkoppeling)
3.3 Alternatief systeemontwerp.
In het voorgaande hoofdstuk zijn de verschillende opties besproken om warmte, koude en elektriciteit op te wekken. De dimensionering van deze componenten is echter afhankelijk van de energiepatronen van het gebouw. Hoe deze bepaald worden en hoe de dimensionering van de technische componenten vervolgens geschiet zal in het komende hoofdstuk besproken worden. Volgens deze inzichten is tevens het geautomatiseerde model in Excel ontwikkeld.
3.3.1 Theoretische bepaling van warmte en koudevraag patronen.
Installaties voor centrale verwarming en koeling worden altijd uitgelegd op extreme omstandigheden. In Nederland houdt dat in: -10ºC voor de bepaling van de warmtevraag en 28ºC met 60% relatieve vochtigheid voor zomersituaties. In werkelijkheid zal het gebouw hoofdzakelijk in deellast draaien.
De belastingduurkromme is een karakteristiek waarmee deze energievraag wordt aangegeven door op jaarbasis de hoeveelheid uren cumulatief weer te geven dat er een bepaalde energievraag is.
In het onderstaande figuur is een belastingduurkromme van de warmtevraag weergegeven van het hier gehanteerde referentiehotel in twee alternatieve situaties.
Er is hier dus af te lezen dat het ongeveer 3000 uur voorkomt dat er een warmtevraag boven de 190 KW is. De theoretische opbouw van de warmte en koudevraag komt nu aan bod.
Figuur 3.11 belastingduurkromme referentiehotel in Houten.
BDK Warmtelast concept en conventioneel
0 100 200 300 400 500 600
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Uren
KW thermisch .
bdk concept (KW) bdk conventioneel
In de onderstaande figuur wordt de opbouw van de energiebehoeften schematisch weergegeven:
Figuur 3.12 Opbouw energiebehoefte voor verwarming en koeling.
De input voor de bepaling van de energiebehoefte is onder te verdelen in vier groepen:
1. De gebouwgegevens met geometrie en bouwfysische parameters
2. De gebouwfuncties met gebruikstijden, ontwerptemperaturen, ventilatiebehoefte, interne warmtelasten, bezetting.
3. Het buitenklimaat met temperatuur, vochtigheid en zonnestraling 4. De installaties met de daarbij horende rendementen.
De hieruit volgende energiestromen zijn opgebouwd uit de volgende elementen:
1. Transmissie 2. Ventilatie 3. Infiltratie
4. Afgeven van vocht en warmte door personen 5. Afgeven van warmte door verlichting 6. Afgeven van proces- of apparatenwarmte 7. Toegevoerde warmte door zonnestraling
Hieronder zal de bepaling van deze energiestromen kort worden toegelicht. Al deze berekeningen zijn uitgevoerd volgens normen en calculatiemethoden die in de publicaties van ISSO zijn omschreven8,10. Door de omvang en complexiteit van de berekeningen zal een gedetailleerdere omschrijving van de calculaties in dit verslag achterwegen blijven. Voor een nadere toelichting van de calculaties wordt verwezen naar de literatuur8,10.
Transmissie
Door warmteverschillen ontstaat er altijd een energiestroom van warm naar koud. De grote van deze energiestroom is afhankelijk van de weerstand die deze onderweg ondervint, het warmte-uitwisselende oppervlak en het temperatuursverschil.
De transmissie wordt bepaald door de formule:
.) (
*
*A Tin Tex K
Q= − (3.1)
Q = warmtebehoefte in Watt (J/s)
K = warmtedoorgangscoëfficiënt (W / m2*K) A = oppervlak (m2 )
Tin. = interne temperatuur in Kelvin Tex. = externe temperatuur in Kelvin
Ventilatie
Ventilatie is de hoeveelheid gewenste luchtverversing in het gebouw. Deze luchthoeveelheid moet worden verwarmd of gekoeld afhankelijk van de gewenste binnentemperatuur en de buitentemperatuur.
De ventilatie wordt bepaald door de formule:
.) (
*
*
*V Cp Tin Tex
Q=ρ − (3.2)
ρ = soortelijk gewicht (kg / m3) V = volume (m3/sec)
Cp = soortelijke warmte (J/kg*K) Tin. = interne temperatuur in Kelvin.
Tex. = externe temperatuur in Kelvin
Infiltratie
Infiltratie is de luchthoeveelheid die het gebouw binnendringt en is afhankelijk van de luchtdoorlatendheid van het gebouw (m3/sec* m2 geveloppervlak). Deze luchtdoorlatendheid is weer afhankelijk van factoren zoals:
1. De kierdichtheid van de constructie 2. De hoogte van de constructie 3. De locatie van het gebouw 4. Het gekozen ventilatie systeem
Deze luchtstroom ontstaat door een drukverschil tussen binnen en buiten. Een hoog gebouw aan de kust zal bijvoorbeeld een grotere infiltratie hebben door de hogere windsnelheden die er daar kunnen heersen. Door de wind ontstaat namelijk een onderdruk aan de gevel welke mede de infiltratiehoeveelheid bepaald. Het gekozen ventilatiesysteem is weer van invloed op de binnen druk.
Het infiltratiedebiet kan nu worden bepaald uit tabellen welke empirisch bepaald zijn.
De warmteverliezen worden bepaald volgens formule ( 3.2).
Interne warmtelast
Naast invloeden van buitenaf wordt er intern ook warmte geproduceerd. Deze warmtelast is onder te verdelen in de volgende groepen:
1. warmte afgegeven door personen 2. warmte afgegeven door verlichting
3. warmte afgegeven door overige apparatuur
De warmte die afgegeven wordt door personen is afhankelijk van de omgevingstemperatuur, luchtsnelheid, luchtvochtigheid, de activiteit die de persoon verricht, de grootte van de persoon en de kleding die gedragen wordt. Naast deze factoren is natuurlijk de inschatting van het aantal personen wat in een ruimte aanwezig is van groot belang.
Elektrisch vermogen wordt vrijwel in zijn geheel omgezet in warmte. De vrijgekomen warmte van de verlichting en de overige apparatuur is dus afhankelijk van het opgestelde vermogen en de gebruikerstijden van de ruimte.
De interne warmtelast wordt bepaald door de formule:
. .
*
. Npers Papp Ppers
Q= + (3.3)
Ppers = gemiddelde warmteafgifte per persoon.
Npers = aantal personen
Papp = afgegeven warmte door verlichting en apparatuur.
Warmte door zoninstraling.
Op basis van de breedtegraad, de lengtegraad en de plaatselijke zonnetijd kan de stand van de zon bepaald worden. De stand van de zon wordt uitgedrukt in de zonshoogte (hoek tussen de stralingsrichting en het horizontale vlak) en de zonsazimuth (de hoek tussen de projectie van de stralingsrichting op het horizontale vlak en het noorden).
Aan de hand van een klimaatbestand met daarin gegevens van de zonintensiteit, kan voor elk willekeurig georiënteerd vlak en plaats ter wereld de hoeveelheid diffuus en direct zonlicht bepaald worden.
Figuur 3.3 Zoninstraling.
De directe straling is de gerichte warmtestraling die van de zon komt. De diffuse straling is de component welke na verstrooiing in de atmosfeer van alle richtingen op het gebouw valt.
Van deze hoeveelheid energie die door de zoninval het gebouw bereikt zal afhankelijk van de gevelconstructie een gedeelte hiervan het gebouw binnen dringen waarvan het grootste aandeel hoofdzakelijk via het glasoppervlak. Dit omdat glas de zonnestralen gedeeltelijk doorlaat. Hierdoor zullen de elementen in de ruimte worden verwarmd door de zonnestralen.
Deze warmte zal afhankelijk van het accumuleerbare vermogen van het object waar de straling op valt vertraagd worden afgestaan aan de ruimte.
De binnendringende hoeveelheid warmte door zoninstraling wordt bepaald door de formule:
ZTA qze
Qin= * (3.4)
qze = stralingsintensiteit (W/M2)
ZTA = absolute zontoetredingsfactor (0-1)
Een deel van deze warmte wordt direct afgegeven aan de ruimte en een deel wordt opgeslagen in de gebouwmassa. Deze warmte komt pas vrij als de oppervlakte temperatuur van dat betreffende element wat verwarmd wordt door de opvallende zonnestralen boven de ruimtetemperatuur komt. Door deze dynamische component van een koellast berekening is het simuleren hiervan uiterst complex en onnauwkeurig.
Het simuleren van gebouw en installatie wordt in de volgende paragraaf verder besproken.
3.3.2 Simulatie van de energiepatronen.
Inleiding
In het vorige hoofdstuk is in het kort de opbouw weergegeven voor de bepaling van de warmte en koudebehoeften in een gebouw. De onzekerheid van de parameters die deze energiehoeveelheden bepalen is erg groot.
Zo is het gehanteerde referentiejaar (TRY De Bilt, bijlage 1) een weergave van een jaar wat volgens het KNMI als een doorsnee jaar gezien kan worden. De jaarlijkse afwijkingen hiervan kunnen echter vrij groot zijn. Andere onzekere factoren zijn ondermeer:
- grootte en tijdstip van de interne belasting.
- werkelijke weerstandswaarde gebouwconstructie.
- werkelijke luchtdoorlatendheid.
- werkelijke ventilatiehoeveelheden.
- werkelijk gebruik van het gebouw en de installatie.
Het blijft echter noodzakelijk om te simuleren. Ook al zijn de voorspellingen onnauwkeurig, het is van groot belang om inzicht te krijgen in de invloed van de mogelijke ontwerpvariabelen. Hieronder zal uiteengezet worden waarom we simuleren, welke simulatieprogramma`s er zijn en waar uiteindelijk voor gekozen is bij de ontwerpkeuze voor het referentiehotel.
Waarom simuleren?
Door simuleren kunnen de jaarlijkse energiepatronen bepaald worden, zodat de duurzame energie opwekkers gedimensioneerd kunnen worden en de jaarlijkse exploitatiekosten bepaald kunnen worden. De geïnstalleerde vermogens worden echter gedimensioneerd op extreme omstandigheden. Alleen de vermogenskeuze van de duurzame energie opwekkers zijn afhankelijk van een goede inschatting van de gevraagde energiehoeveelheden.
Welke nauwkeurigheid wordt verlangd om een verantwoorde keuze te kunnen maken in het installatieontwerp en welke nauwkeurigheid kan worden geleverd is van groot belang.
De bestaande simulatieprogramma`s en de toepasbaarheid hiervan voor dit onderzoek zal eerst worden besproken.
Bestaande simulatieprogramma`s
Voor onderzoek naar bestaande programma`s is contact opgenomen met de VABI (Vereniging voor Automatisering in de Bouw en Installatietechniek) en de Technische Universiteit van Eindhoven (faculteit Bouwkunde).
Er blijken een groot aantal programma`s beschikbaar te zijn welke dynamische calculaties van gebouwen kunnen maken. Veel programma`s zijn echter niet ontworpen om installatietechnische ontwerpvariabelen mee te nemen in de simulatie. Van de inputvariabelen van figuur 3.2 moet de invloed van de installaties nog geheel meegenomen worden of deze is maar beperkt meegenomen.
Het programma VA 114 temperatuursoverschrijding is een programma wat bedoeld is om het aantal overschrijdingsuren te bepalen in een gebouw maar kan tevens gebruikt worden om energiehoeveelheden te bepalen voor het handhaven van een gewenste binnentemperatuur.
Van de beschikbare programma`s werd deze aanbevolen in de gevoerde gesprekken met de
VABI en de heer Jensen ( Hoogleraar aan de universiteit van Eindhoven, vakgebied gebouw prestaties en simulatie).
Er kan hier wel rekening gehouden worden met installatietechnische variabelen. Echter, het programma is ontworpen voor conventionele installaties en gericht op het simuleren van het binnenklimaat en niet de prestaties van de technische installatie.
Het doel van deze simulatieprogramma`s is niet om tot een jaarverbruik te komen maar om een simulatie te maken van het binnenklimaat onder bepaalde condities.
Voor simulaties waarin een inschatting van de totale energiehoeveelheden gevraagd wordt zal altijd apart een simulatieprogramma ontworpen moeten worden.
Conclusie
Gezien de complexiteit van een dergelijke ontwikkeling, de toegevoegde waarde van simuleren en het doel van dit onderzoek zijn er in overleg met de betrokken bedrijven de volgende conclusies getrokken:
• De meerwaarde van gedetailleerdere dynamische simulatieprogramma`s vergeleken met andere statische calculatiemethoden is gezien de blijvende onzekerheden en de complexiteit niet voldoende om tot een dergelijke ontwikkeling over te gaan.
• Er zal daarom worden volstaan met statische berekeningen voor calculatie van de warmtestromen in het gebouw ten behoeve van verwarming en tapwater.
• De elektriciteitspatronen zullen bepaald worden aan de hand van bestaande patronen in overeenkomende hotels en kunnen bij concretere projecten gedetailleerder worden bepaald.
• Voor de bepaling van de hoeveelheid koudevraag zullen inschattingen gemaakt worden aan de hand van ervaringscijfers, meetgegevens van soortgelijke al gerealiseerde projecten en kengetallen van de Novem. De verlangde nauwkeurigheid is hier ook niet groot door de zeer lage kosten per KWh koude welke door de bron geleverd wordt.
Er is in deze paragraaf antwoord gegeven op de eerste onderzoeksvraag:
1.a.Op welke wijze kunnen de warmte–, koude– en elektriciteitspatronen van het hotel theoretisch bepaald worden om gegronde beslissingen in de technische dimensionering te kunnen maken?
1.b.Welke nauwkeurigheid wordt verlangd om een verantwoorde keuze te kunnen maken in het installatieontwerp en welke nauwkeurigheid kan worden geleverd?
De optimalisatie van de technische installatie zal gemodelleerd worden in Excel.
De ontwikkeling van het computermodel in Excel zal parallel lopen met de ontwikkeling van het alternatieve installatieconcept. In het volgende hoofdstuk zal het ontwerp van de alternatieve installatie verder worden besproken.
3.3.3 Ontwerp alternatief concept voor de hotelbranche.
Inleiding
Welk element wordt ingezet voor de opwekking van koude of warmte blijft voor het grootste deel afhankelijk van de kostprijs en de besparingen die er jaarlijks mee te behalen zijn.
Daarom moet er eerst inzicht verkregen worden in de opbouw van de energietarieven en de kosten van opwekking door de verschillende technische elementen.
Vervolgens zal het gekozen technische ontwerp besproken worden.
Exploitatiekosten:
De belangrijkste exploitatiekosten waar een technische installatie invloed op heeft, of kan hebben, worden bepaald door de volgende factoren:
1) De elektriciteitsvraag van het gebouw en de technische installatie 2) De gasvraag van de technische installatie
3) Onderhoud van de technische installatie
Hieronder zal de opbouw van de elektriciteit en gastarieven nader worden toegelicht.
Elektriciteitstarieven en gastarieven kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën:
Periodieke bedragen voor:
- leveringskosten - distributiekosten - systeemdiensten - belastingen.
Eenmalige en periodieke kosten voor:
- aansluitingen.
De leveringskosten zijn afhankelijk van het verbruik van de klant in kWh elek / m3 gas en de klant is al vrij in de keuze van de leverancier sinds de liberalisering van deze markt.
De distributiekosten zijn nog wel afhankelijk van de regio waar het betreffende pand gevestigd is. Deze zijn afhankelijk van het afnamepatroon van de gebruiker. De gasmarkt is net ( 1-7-04) geliberaliseerd. De gasprijs is nu ook gescheiden in leveringskosten en distributiekosten. De opbouw van deze tarieven is op dit moment nog niet volledig bekend, daarom wordt er in dit verslag gewerkt met schattingen van de distributiekosten van gas.
De systeemkosten zijn kosten die gemaakt worden voor het onderhoud van het hoogspanningsnet / gasdistributienet, ongeacht het feit op welk tijdstip en in welke mate, altijd geheven in een vast bedrag per kWh elek / m3 gas.
De belastingen: De REB (regulerende energie belasting) zijn heffingen die door de overheid vastgesteld worden en worden geheven volgens een schaalverdeling die gekoppeld is aan de afname in kWh elek / m3 gas.
Als gekeken wordt naar het elektriciteitsverbruik en de daarbij behorende kosten blijkt dat deze afhankelijk zijn van een groot aantal parameters:
• afname categorie
• aantal aansluitingen
• energieverbruik piek
• energieverbruik dal
• piekverbruik contract
• piekverbruik maandelijks of jaarlijks afhankelijk van afname categorie
Om een beter inzicht van deze kosten te krijgen is het daarom verstandig om deze te automatiseren in een rekenprogramma als Excel. Tijdens de uitleg van het model zal er gedetailleerder worden ingegaan op deze tarievenstructuur.
Kostprijs warmte en elektriciteitslevering.
De levering van elektriciteit en warmte met de eerder genoemde elementen kan als volgt schematisch worden weergegeven.
Figuur 3.4 warmte en elektriciteitslevering.
Door het feit dat tapwater op een hoog temperatuurstraject geleverd moet worden zal de warmtepomp alleen voorzien in de verwarming wat op een lager temperatuurstraject geschiedt. Ook valt op dat alleen de warmte gebufferd kan worden. Door buffering ontstaat er dus meer vrijheid om elektriciteit te leveren op die momenten waarop het meest rendabel is.
In de tabellen 3.1 en 3.2 is een overzicht gegeven van de opbrengsten en kosten voor het leveren van warmte en elektriciteit in conceptvorm. Hierbij wordt dus ook bij de WP gekeken wat de opbrengsten zouden zijn als deze ook opgenomen wordt in een conceptvorm. Hierbij zal de geproduceerde warmte verkocht worden en de elektriciteit zal dan worden ingekocht.
Bij de verbranding van 1 m3 gas in de WKK zal dit, gezien de gemiddelde rendementen, 5 KWh warmte en 3 KWh elektriciteit opleveren. De winsten worden dan ook totaal weergegeven per 5KWh warmtelevering en 3 KWh elektriciteitslevering. Bij het leveren van de warmte is het dan wel van belang of de daarbij geproduceerde hoeveelheid elektriciteit kan worden afgenomen door het gebouw. Is dit niet het geval dan wordt er elektriciteit aan het net teruggeleverd tegen een bepaalde vergoeding. Er wordt uitgegaan van een concept waar er
WKK
CV ketel
WP
Buffering
Tapwater Verwarming Gebouw
Net
Elektriciteit Warmte
20% korting wordt gegeven op de elektriciteitsvraag en dat de geleverde warmte 4,4 cent per KWh opbrengt.
1m3 gas heeft namelijk een verbrandingswaarde van 8,9 KWh/m3. Met een gemiddeld opwekkingsrendement van een cv ketel van 80% kan er met 1 m3 gas 7,03 KWh geproduceerd worden. Tot de eerste 170.000 m3 gas is er op dit moment een gemiddelde gasprijs van 31 cent per m3 inclusief REB toeslag en systeemkosten. Dit leidt tot een prijs van ongeveer 4,4 cent per KWh warmte.
Voor de warmtekrachtkoppeling zijn er dan vier situaties, namelijk:
• Levering elektriciteit in piekuren met warmtevraag van het gebouw
• Levering elektriciteit in daluren met warmtevraag van het gebouw
• Teruglevering elektriciteit aan het net in piekuren met warmtevraag van het gebouw
• Teruglevering elektriciteit aan het net in daluren met warmtevraag van het gebouw Er wordt altijd gerekend in situaties dat er een warmtevraag is. Als dit namelijk niet het geval is kan er ook geen elektriciteit geleverd worden.
De warmtepomp kan ook ingezet worden voor het leveren van warmte. De benodigde elektriciteit kan dan ingekocht worden of geproduceerd worden door de warmtekrachtkoppeling.
Voor de warmtepomp en de combinatie van warmtepomp en warmtekrachtkoppeling zijn daarom ook ieders vier calculaties gemaakt, namelijk:
WP.
• Inkoop elektriciteit in piekuren voor de WP en het gebouw.
• Inkoop elektriciteit in daluren voor de WP en het gebouw.
• Inkoop elektriciteit in piekuren voor de WP alleen.
• Inkoop elektriciteit in daluren voor de WP alleen.
WP / warmtekrachtkoppeling
• Productie elektriciteit in piekuren met WKK voor de WP en de elektriciteitsvraag voor het gebouw.
• Productie elektriciteit in daluren met WKK voor de WP en de elektriciteitsvraag voor het gebouw.
• Productie elektriciteit in piekuren met WKK voor de WP.
• Productie elektriciteit in daluren met WKK voor de WP.
De kosten van de elektriciteitlevering zijn gezien de ervaringen met andere hotels te ramen op 4,5 cent voor dalsituaties en 8,5 cent voor piekvraag. Voor de teruglevering aan het net zijn de huidige teruglevertarieven van 1,5 cent/KWh in dal en 4,5 cent/KWh in pieksituaties aangehouden.
