Sustainable Cooling Systems
In Situ Metingen
In dit luik werden er verschillende residentiële gezinswoningen en appartementen gemonitord gedurende de zomers van 2019 en 2020. Zij zijn voorzien van hun eigen duurzame bron, afgiftesystemen en/of passieve anti-opwarmingsstrategieën.
Vanuit deze metingen kon er in detail gekeken worden naar de prestaties en eigenschappen van alle aanwezige systemen.
Ook het microbiologische aspect van bepaalde systemen zoals adiabatische koeling werd in dit onderdeel onderzocht.
Deze In Situ metingen zijn erg case-specifiek, waardoor conclusies moeilijker te veralgemenen zijn. Voor een meer gedetailleerde bespreking van deze meetresultaten verwijzen we door naar de presentaties hieronder in 'Beschrijving cases' en zie presentaties slotevent.
Naast een korte beschrijving van de verschillende cases worden hieronder desondanks toch enkele van de belangrijkste/meer markante bevindingen kort besproken.
Vanuit deze metingen kon er in detail gekeken worden naar de prestaties en eigenschappen van alle aanwezige systemen.
Ook het microbiologische aspect van bepaalde systemen zoals adiabatische koeling werd in dit onderdeel onderzocht.
Deze In Situ metingen zijn erg case-specifiek, waardoor conclusies moeilijker te veralgemenen zijn. Voor een meer gedetailleerde bespreking van deze meetresultaten verwijzen we door naar de presentaties hieronder in 'Beschrijving cases' en zie presentaties slotevent.
Naast een korte beschrijving van de verschillende cases worden hieronder desondanks toch enkele van de belangrijkste/meer markante bevindingen kort besproken.
Beschrijving cases
Case 'Geel'- Rijwoning
- Bouwjaar: 2014 - Oriëntatie voorgevel: ZW - Passieve technieken: geen - Bron: warmtepomp met verticale boringen - Afgifte: vloer + koelbatterij - Ventilatiesysteem D met enthalpiewisselaar 
|
|
| ||
Case 'Mol'
- 'Architecturale woning'/losstaand huis
- Bouwjaar: 2016 - Oriëntatie voorgevel: W - Passieve technieken: screens - Bron: warmtepomp met verticale boringen - Afgifte: vloer + koelbatterij + adiabatische koeling - Koeling onderbroken door productie sanitair warm water - Ventilatiesysteem D
|
|
| ||
Case 'Merksplas'
- Residentiële woning
- Bouwjaar: - oriëntatie voorgevel: - passieve technieken: screens - Bron: warmtepomp met verticale boringen (2x100m) - Afgifte: vloer (200m²) + koelbatterij ventilatie |
Case 'Herentals'
- Appartementsgebouw met 50 woningen
- Bouwjaar: 2016-2017 - Oriëntatie: afhankelijk van appartement - Passieve technieken: screens - Bron: warmtepomp(en) met KWO - Afgifte: vloersysteem (2-pijps) 
|
Case 'Noorderwijk'
- Toonzaal kelder + gelijksvloers
met appartement op 1e verdieping - Renovatie: 2014-2015 - Oriëntatie voorgevel: ZO - Passieve technieken: - Bron: warmtepomp met horizontaal (open) net - Afgifte: Vloer- en plafondsysteem 
|
Presentatie Merksplas, Herentals & Noorderwijk:
| ||||
MARKANTE BEVINDINGEN METINGEN
Zomercomfort met sustainable cooling systems: een combinatie van technieken
Het onderstaande diagram geeft de energiestromen weer voor een van de cases in augustus 2020.
We zien hier dat de vloerkoeling het merendeel van de koelvraag voor zich neemt. De koelbatterij in de ventilatie is nogal beperkt in zijn koelvermogen (verklaring zie verder). 'Free koeling' - of ventilatieve (nacht-)koeling door het openen van vensters als Tbuiten < Tbinnen - levert in vergelijking niet veel minder koelenergie op. Ook de interne warmtewisselaar heeft in vergelijking met de koelbatterij reeds een groot koelvermogen.
Wat echter niet meteen duidelijk wordt uit het Sankey-diagram, maar waar we hier graag op willen wijzen, is het effect van zonnewering: het maximale koelvermogen van de verschillende koelsystemen bij de gegeven omstandigheden is in de figuur zo goed als bereikt, maar de ingaande pijl 'Warmtewinsten' kan bij een nadelige oriëntatie, grote glasoppervlakken en/of afwezigheid van zonnewering nog sterk toenemen. In dat geval zal de uiteindelijke balans wél leiden tot een sterke opwarming van de woning.
Er mag geconcludeerd worden dat passieve technieken zoals zonnewering en ventilatieve (nacht-)koeling best de eerste 'verdedigingslinie' vormen tegen opwarming in de zomer. Zij reduceren de koelvraag drastisch, waardoor er meer verschillende (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om de overblijvende benodigde vermogen te leveren.
Het belang van passieve anti-opwarmingsstrategieën bij het gebruik van duurzame koelsystemen komt ook uitgebreid aan bod bij de dynamische gebouwsimulaties.
Wat echter niet meteen duidelijk wordt uit het Sankey-diagram, maar waar we hier graag op willen wijzen, is het effect van zonnewering: het maximale koelvermogen van de verschillende koelsystemen bij de gegeven omstandigheden is in de figuur zo goed als bereikt, maar de ingaande pijl 'Warmtewinsten' kan bij een nadelige oriëntatie, grote glasoppervlakken en/of afwezigheid van zonnewering nog sterk toenemen. In dat geval zal de uiteindelijke balans wél leiden tot een sterke opwarming van de woning.
Er mag geconcludeerd worden dat passieve technieken zoals zonnewering en ventilatieve (nacht-)koeling best de eerste 'verdedigingslinie' vormen tegen opwarming in de zomer. Zij reduceren de koelvraag drastisch, waardoor er meer verschillende (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om de overblijvende benodigde vermogen te leveren.
Het belang van passieve anti-opwarmingsstrategieën bij het gebruik van duurzame koelsystemen komt ook uitgebreid aan bod bij de dynamische gebouwsimulaties.
INvloed van de relatieve vochtigheid op de performantie
Relatieve vochtigheid is een belangrijke parameter in de comfortbeleving in een ruimte. Ook de efficiëntie van bepaalde koelsystemen hangt hier rechtstreeks van af.
Het belang van deze parameter op comfort en efficiëntie werd door de testcases nog eens in de verf gezet:
Het belang van deze parameter op comfort en efficiëntie werd door de testcases nog eens in de verf gezet:
Adiabatische koeling
Tijdens adiabatische koeling wordt er water verneveld in het ventilatiekanaal. Als RH < 100% dan zal (een fractie van) dit water verdampen. De relatieve vochtigheid van de lucht neemt toe en de temperatuur daalt. Uit de metingen zien we duidelijk dat de efficiëntie van deze koeling samenhangt met de luchtvochtigheid. Hoe lager de RH, hoe hoger het koelvermogen (zie figuur).
Een hoge relatieve vochtigheid vermindert echter ook het comfortgevoel in een ruimte. De omgeving wordt dan als 'drukkend' ervaren. Om dit te vermijden, wordt de adiabatische koeling daarom in de afvoerlucht geplaatst, voor de luchtgroep, waar de warmtewisselaar deze koelenergie via een warmtewisselaar (indirect) doorgeeft aan de pulsie lucht. Hierdoor daalt het rendement van het koelsysteem ten voordele van de comfortbeleving.
Een hoge relatieve vochtigheid vermindert echter ook het comfortgevoel in een ruimte. De omgeving wordt dan als 'drukkend' ervaren. Om dit te vermijden, wordt de adiabatische koeling daarom in de afvoerlucht geplaatst, voor de luchtgroep, waar de warmtewisselaar deze koelenergie via een warmtewisselaar (indirect) doorgeeft aan de pulsie lucht. Hierdoor daalt het rendement van het koelsysteem ten voordele van de comfortbeleving.
|
|
Koelbatterijen
|
Wanneer we lucht koelen, stijgt de relatieve vochtigheid. Wanneer RH = 100% en er toch nog dieper gekoeld wordt, dan zal er condens ontstaan.
Dit is een ongewenst effect, waardoor een koelbatterij geplaatst in de pulsie van de ventilatie begrensd zal zijn in zijn leverbaar koelvermogen. In de meetcases werd de toevoer naar de koelbatterij geregeld op de relatieve vochtigheid achter de batterij [RH(max) = 95%]. We zien in de bijgevoegde figuur duidelijk dat zodra de relatieve luchtvochtigheid deze drempelwaarde benadert/overschrijdt het geleverde koelvermogen daalt. |
|
|
Deze systemen bezitten niet de mogelijkheid lucht te ontvochtigen (condensatie in de vloer, onder het plafond of achter de wand is uit den boze). De regeling van dergelijke koelsystemen moet daarom rekening houden met de relatieve vochtigheid in de ruimte. In de testcases werd er een dauwpuntsschakelaar voorzien die de toevoer naar de afgifte-elementen afsluit wanneer de relatieve vochtigheid te hoog wordt (statische drempelwaarde). Dit leidde tijdens periodes met een hoge relatieve vochtigheid tot een sterk 'knipperend' gedrag met een lager koelrendement tot gevolg.
Uit deze metingen mocht er geconcludeerd worden dat het beter zou zijn hier een dauwpuntsregeling toe te passen op de toevoertemperatuur naar het afgifte-element (mengregeling). Zo moet het systeem niet continu aan- en uitschakelen en kan het efficiënter ingezet worden. De afbeelding hiernaast toont het gedrag van een plafondkoeling met dauwpuntsschakelaar geregeld aan de hand van de relatieve vochtigheid (on-off). |
|
Oppervlaktekoeling (vloer-, plafond- en muurkoeling)
Specifiek voor vloerkoeling-systemen zal condensatie doorgaans echter niet de grootste beperking vormen voor het maximale leverbare vermogen. Omwille van comfortbeleving mag de oppervlaktetemperatuur van de afwerkingslaag immers niet ver onder 20°C zakken. De aanvoertemperatuur naar de vloerkoeling is hier doorgaans al op aangepast, waardoor dauwpuntsbegrenzing voor deze systemen minder van toepassing is in vergelijking met plafond- of muurkoeling.
Dit gezegd zijnde ondervond een van de testcases toch problemen met condensatie en relatieve luchtvochtigheid. Dit wordt getoond in de bijgevoegde figuur, waar het merendeel van de metingen zich in de lagere comfortklassen bevinden, omwille van deze verhoogde luchtvochtigheid (Cat. I hoogste/beste comfortklasse).
Dit gezegd zijnde ondervond een van de testcases toch problemen met condensatie en relatieve luchtvochtigheid. Dit wordt getoond in de bijgevoegde figuur, waar het merendeel van de metingen zich in de lagere comfortklassen bevinden, omwille van deze verhoogde luchtvochtigheid (Cat. I hoogste/beste comfortklasse).
Combinaties van technieken
De beperkingen die de relatieve vochtigheid oplegt aan de verschillende koelsystemen zorgen ervoor dat deze afgifte-elementen elkaars prestaties zullen beïnvloeden:
Een vloerkoeling verhoogt de relatieve vochtigheid van de extractielucht, waardoor adiabatische koeling minder vermogen zal kunnen leveren. Ook een koelbatterij met hygrostaat zal hierdoor beperkt worden in zijn koelvermogen.
Een vloerkoeling verhoogt de relatieve vochtigheid van de extractielucht, waardoor adiabatische koeling minder vermogen zal kunnen leveren. Ook een koelbatterij met hygrostaat zal hierdoor beperkt worden in zijn koelvermogen.
invloed van gebouworiëntatie
|
Het appartementsgebouw in Herentals stelde het team in staat onderzoek te voeren naar de invloed van de oriëntatie van een woonst op het benodigde koelvermogen. Het verbruik per m² werd uitgezet tegenover de oriëntatie van elke woonst. Zoals verwacht, vragen de Zuidelijk en Westelijk georiënteerde woningen om het meeste koeling. De Westelijk georiënteerde woningen hadden het hoogste verbruik, wat vermoedelijk te wijten is aan de lage stand van de zon en lange exposure tijdens de zomeruren. Deze koelenergie van 5,8kWh/m² ligt zo'n 20% hoger dan dat van Noordelijk gelegen appartementen (4,8kWh/m²).
|
|
Systeemeigenschappen
Vloer- en plafondkoeling
De beperkingen in aanvoertemperatuur voor deze systemen i.v.m. comfortgevoel en condensatie werd hierboven reeds beschreven.
Voor alle cases werd er een gemiddeld afgiftevermogen gemeten van ongeveer 10W/m² bij een toevoertemperatuur van 18 tot 19°C. Dit is veel minder dan de koelvermogens opgegeven door de constructeurs van deze systemen en dit cijfer ligt ook lager dan het koelvermogen waarmee gerekend werd in de computersimulaties of wat er werd bekomen uit de labotesten.
Deze discrepantie valt te verklaren door het feit dat het hier om een totaal seizoensgemiddelde gaat: ook het afgiftevermogen tijdens koudere periodes zit hierin verwerkt. Dit cijfer mag dus niet gebruikt worden als referentie voor het afgiftevermogen van een vloerkoeling-systeem.
Voor alle cases werd er een gemiddeld afgiftevermogen gemeten van ongeveer 10W/m² bij een toevoertemperatuur van 18 tot 19°C. Dit is veel minder dan de koelvermogens opgegeven door de constructeurs van deze systemen en dit cijfer ligt ook lager dan het koelvermogen waarmee gerekend werd in de computersimulaties of wat er werd bekomen uit de labotesten.
Deze discrepantie valt te verklaren door het feit dat het hier om een totaal seizoensgemiddelde gaat: ook het afgiftevermogen tijdens koudere periodes zit hierin verwerkt. Dit cijfer mag dus niet gebruikt worden als referentie voor het afgiftevermogen van een vloerkoeling-systeem.
Warmtepompen en opslagsystemen
BrongedragDe meeste testcases bezaten een verticale koelbron. Indien deze goed gedimensioneerd is, dan blijft de brontemperatuur vrijwel constant doorheen de zomer. Voor de woning in Geel kon een constante brontemperatuur gemonitord worden van 16°C bij afgifte aan 17 à 18°C (zie afbeelding rechts).
De 'temperatuurvallen' zijn te wijten aan de gecombineerde opwekking van SWW en koeling ('aanvulling' van de bron tijdens SWW-productie). |
|
Testcase Noorderwijk bezat een open of 'horizontale' bron. In vergelijking met de verticale bron liggen de temperaturen voor de horizontale boring veel hoger en is de brontemperatuur ook gevoeliger aan warme periodes (de brontemperatuur stijgt duidelijk bij elke warme periode).
De onderstaande figuur toont dit gedrag van de open boring samen met het gedrag van een verticale boring voor 2 gelijkaardige installaties.
De horizontale bron is in de regel eerder toepasselijk voor gebouwen met een hoge energievraag (appartementen en burelen) omdat een verticaal systeem hiervoor een erg groot aantal boringen zou vragen (duur & plaats). Voor kleinere vermogens zijn de verticale boringen eerder aan te raden.
De onderstaande figuur toont dit gedrag van de open boring samen met het gedrag van een verticale boring voor 2 gelijkaardige installaties.
De horizontale bron is in de regel eerder toepasselijk voor gebouwen met een hoge energievraag (appartementen en burelen) omdat een verticaal systeem hiervoor een erg groot aantal boringen zou vragen (duur & plaats). Voor kleinere vermogens zijn de verticale boringen eerder aan te raden.
Efficiëntie installatie
Voor alle verschillende cases werd de SPF opgemeten van de warmtepomp-installaties (Seasonal performance factor, afgeleverde hoeveelheid thermische energie t.o.v. de totale energie-consumptie).
Deze factor lag voor alle testcases tussen 10 en 13, maar dit valt moeilijk te veralgemenen.
Tijdens het onderzoek werd er echter wel duidelijk dat bepaalde installaties niet optimaal ontworpen/geplaatst werden. De installatie in Mol was niet in staat om koeling te leveren tijdens de productie van sanitair warm water (SWW) omwille van de locatie van de koelmodule in dit systeem (onderbreking koeling bij productie SWW). Bij aanpassing zou de SPF van deze installatie kunnen stijgen van 10,13 (huidige staat, figuur links) naar 15,84 (met aanpassing koelmodule, figuur rechts).
Deze factor lag voor alle testcases tussen 10 en 13, maar dit valt moeilijk te veralgemenen.
Tijdens het onderzoek werd er echter wel duidelijk dat bepaalde installaties niet optimaal ontworpen/geplaatst werden. De installatie in Mol was niet in staat om koeling te leveren tijdens de productie van sanitair warm water (SWW) omwille van de locatie van de koelmodule in dit systeem (onderbreking koeling bij productie SWW). Bij aanpassing zou de SPF van deze installatie kunnen stijgen van 10,13 (huidige staat, figuur links) naar 15,84 (met aanpassing koelmodule, figuur rechts).
|
|
Ventilatieve koelsystemen (koelbatterijen)
Er werd reeds geconcludeerd uit het bovenstaande Sankey-diagram dat het aandeel koelenergie geleverd door de koelbatterij in de ventilatie relatief klein is, zeker in vergelijking met de vloerkoeling. De onderstaande figuur toont het koelvermogen [W] van de 3 verschillende aanwezige 'ventilatieve systemen':
Samen met de enthalpiewisselaar en de ventilatieve nachtkoeling, kan de batterij in zo'n 10% van de totale koelvraag voorzien.
- koelbatterij (240W à 280W)
- interne warmtewisselaar/enthalpiewisselaar (400W)
- gratis ventilatieve (nacht-)koeling. (200W à 240W)
Samen met de enthalpiewisselaar en de ventilatieve nachtkoeling, kan de batterij in zo'n 10% van de totale koelvraag voorzien.
Om de impact van de ventilatieve koelbatterij verder te onderzoeken, werd de vloerkoeling in een van de cases uitgeschakeld gedurende een hittegolf in augustus. De onderstaande figuur toont de evolutie van de binnentemperatuur tijdens deze periode (duidelijk stijgende trend). Het binnenklimaat werd toen als 'onaangenaam' ervaren door de bewoners. Dit toont opnieuw aan dat het systeem ontoereikend is om zelfstandig te voorzien in de volledige koelvraag.
Ventilatieve koeling (adiabatische koeling)
Ook de adiabatische koeling blijkt over het algemeen te beperkt om 'stand alone' gebruikt te worden. Tijdens de metingen werd een maximale afgifte van 500W gemeten. Voor de woning in Mol werd tijdens een hittegolf de vloerkoeling tijdelijk uitgeschakeld om de impact van de adiabatische koeling te onderzoeken. De binnentemperaturen stegen in dit geval zeer snel tot onaangename hoogtes en zij bleven hoog tot herinschakeling van de vloerkoeling. De bijgevoegde figuur toont de evolutie van de binnentemperatuur tijdens en na deze hittegolf en toont aan dat de adiabatische koeling niet in staat is om op zichzelf de binnentemperatuur op een comfortabel niveau te houden of om die geaccumuleerde hitte na afloop weg te koelen.
De adiabatische koeling werkt uitstekend als ondersteunend systeem voor een tweede 'primair koelsysteem'.
De adiabatische koeling werkt uitstekend als ondersteunend systeem voor een tweede 'primair koelsysteem'.
Microbiologisch onderzoek
De resultaten van het microbiologisch onderzoek zijn terug te vinden in de onderstaande presentatie:
| presentatie_scools_wp2_microbiologisch_onderzoek.pdf |
