Sustainable Cooling Systems
Dynamische gebouwsimulaties
De labo-opstelling en meetcases kunnen een mooi beeld geven van de output van deze systemen, maar… zij zijn wel beperkt in hun scope: de resultaten van de ene woning zijn daarom nog niet van toepassing op een ander gebouw… De computersimulaties stelden de onderzoekers in staat om wel rekening te houden met een enorme variatie aan parameters. Zo konden alle verschillende combinaties van/variaties op woningen onderzocht worden om vervolgens meer algemene uitspraken te doen over de praktische bruikbaarheid van verschillende systemen.
De onderzoeksgroep ontwikkelde hierbij een online tool die de gebruiker ervan in staat stelt om aan de hand van eigen gebouw-parameters (woningtype, isolatiegraad, oriëntatie, inzet van screens,…) te bestuderen of en hoe goed een afgiftesysteem tegemoetkomt aan de comfort-eisen en bij welk energieverbruik. Een ideaal middel voor zij die een geïnformeerde keuze willen maken.
De onderzoeksgroep ontwikkelde hierbij een online tool die de gebruiker ervan in staat stelt om aan de hand van eigen gebouw-parameters (woningtype, isolatiegraad, oriëntatie, inzet van screens,…) te bestuderen of en hoe goed een afgiftesysteem tegemoetkomt aan de comfort-eisen en bij welk energieverbruik. Een ideaal middel voor zij die een geïnformeerde keuze willen maken.
Methodiek
Voor de computersimulaties werden er 5 verschillende gebouwtypes ‘geconstrueerd’ in de programmeeromgeving TRNSYS (rijwoning, architecturale woning/villa, hoekwoning, 2- en 3-gevel appartement) met allen een uniek bouwplan. Er kan gevarieerd worden met de isolatiegraad, de thermische capaciteit, het glaspercentage en de oriëntatie van het gebouw. De simulatie houdt ook rekening met de schaduwvorming van het eigen gebouw en omliggende woningen. Er werd vervolgens een weer-file opgesteld die het gebouw in realistische toekomstige zomercondities plaatst. Interne warmtewinsten werden gesimuleerd voor iedere ruimte en volgens een bepaald gebruikerspatroon. Vervolgens werden verschillende koel-afgifte-systemen geïntroduceerd, zoals plafond- en vloerkoeling, koelbatterijen in de ventilatiekanalen, adiabatische koeling,… maar ook een airconditioning-systeem als referentie voor het energieverbruik (hoogste) en comfortniveau (beste). Er kan gekozen worden om rekening te houden met de aanwezigheid van screens of zonwerende beglazing en/of (intensieve) ventilatie, indien dit praktisch haalbaar is.
|
Om het geleverde comfort te evalueren, werden verschillende internationale standaarden bestudeerd om zo tot een relevante beoordelingsmethodiek te komen. Deze is gebaseerd op een vaste temperatuurgrens (26°C voor de slaapkamers en 28°C voor de andere ruimtes). Afhankelijk van het aantal uren dat deze vaste grens overschreden wordt, kunnen er 4 comfortniveaus gedefinieerd worden: ‘goed comfort’, ‘comfort’, ‘mogelijk comfort’ en ‘oncomfortabel’. Deze 4 categorieën zijn gemakkelijk in een kleurencode te gieten, ideaal voor de online tool verderop.
Simulatieresultaten
1 - Case rijwoning
De onderstaande slideshow toont de evolutie van de binnentemperaturen voor verschillende niveaus van koeling en zonnewering, gesimuleerd voor een rijwoning met vloerkoeling en screens. Hierin zien we duidelijk dat voor deze woning passieve maatregelen zoals screens, zonwerende beglazing en/of (intensieve) ventilatieve (nacht-)koeling voor elke woning een erg waardevolle eerste verdedigingslinie vormen tegen ongewenste opwarming in de zomer. Indien deze maatregelen strikt toegepast worden volgens vaste regels (mogelijk automatiseerbaar) dan zorgen zij voor een substantiële reductie van de koelvraag. De overblijvende koelvraag kan vervolgens eenvoudig weggewerkt worden met behulp van de aanwezige vloerkoeling (slide 5). De binnentemperatuur kan zo steeds onder acceptabele grenzen gehouden worden. Voor deze woning volstaat uitsluitend vloerkoeling niet (slide 6).
Net zoals de In Situ cases is ook deze analyse in principe enkel geldig voor deze ene rijwoning met zijn vaste set parameters. De analyse van alle verschillende woningen, met alle verschillende combinaties van parameters moet vervolgens aantonen of bovenstaande conclusies ook algemener gemaakt mogen worden.
Net zoals de In Situ cases is ook deze analyse in principe enkel geldig voor deze ene rijwoning met zijn vaste set parameters. De analyse van alle verschillende woningen, met alle verschillende combinaties van parameters moet vervolgens aantonen of bovenstaande conclusies ook algemener gemaakt mogen worden.
|
Indoor temperaturen bij verschillende koeling- en zonnewering-niveaus voor een gesimuleerde rijwoning:
1 - geen maatregelen 2 - koeling via natuurlijke nachtventilatie 3 - koeling via natuurlijke nachtventilatie en screens 4 - koeling via intensieve nachtventilatie en screens 5 - koeling via vloerverwarming, natuurlijke ventilatie en screens 6 - koeling via vloerverwarming (uitsluitend) |
2 - Resultaten dynamische gebouwanalyse voor alle cases
De onderstaande slideshows tonen met behulp van boxplots voor alle verschillende woning-combinaties het aantal uren waarin de vooropgestelde temperatuurlimiet van 28°C (dagzones) of 26°C (slaapkamers) overschreden wordt.
[Boxplot = het absolute merendeel van de cases bevindt zich binnen de box, de cases boven en onder (punten) zijn eerder uitschieters.]
De bijhorende horizontale lijnen tonen de bovengrens van deze 'overschrijdingsuren' om nog tot een zekere comfortklasse te behoren (groen = 'goed comfort', geel = 'comfort', rood = 'mogelijk comfort', alles hierboven is 'slecht comfort').
Kortom: ideaal mikken we erop om met onze boxes/set maatregelen onder de groene lijn te blijven.
[Boxplot = het absolute merendeel van de cases bevindt zich binnen de box, de cases boven en onder (punten) zijn eerder uitschieters.]
De bijhorende horizontale lijnen tonen de bovengrens van deze 'overschrijdingsuren' om nog tot een zekere comfortklasse te behoren (groen = 'goed comfort', geel = 'comfort', rood = 'mogelijk comfort', alles hierboven is 'slecht comfort').
Kortom: ideaal mikken we erop om met onze boxes/set maatregelen onder de groene lijn te blijven.
Boxplots overschrijdingsuren dagzones
|
Boxplots overschrijdingsuren nachtzones
|
De blauwe box toont alle gebouwen zonder enige koelstrategieën. De andere boxes tonen respectievelijk de situatie bij inzet van adiabatische koeling (oranje), koelbatterij ventilatie hoge (grijs) en lage (geel) temperatuur, ventilo convectoren (groen), vloerkoeling met lichte (rood) en zware (zwart) opbouw en actieve koeling via airco (bruin).
In slide 1 worden alle cases getoond zonder enige passieve anti-opwarmingsmaatregelen (noch screens , noch ventilatie).
In slide 2 worden alle cases getoond voor woningen mét inzet van screens.
In slide 3 worden alle cases getoond voor woningen mét inzet van screens én (nacht-)koeling door ventilatie met buitenlucht.
In slide 1 worden alle cases getoond zonder enige passieve anti-opwarmingsmaatregelen (noch screens , noch ventilatie).
In slide 2 worden alle cases getoond voor woningen mét inzet van screens.
In slide 3 worden alle cases getoond voor woningen mét inzet van screens én (nacht-)koeling door ventilatie met buitenlucht.
Algemene conclusies
1. zonder enige passieve anti-opwarmingsmaatregelen (slides 1) of koelstrategieën (blauwe box) is slechts 15% van de woningen comfortabel. De ventilatieve koelstrategieën [adiabatisch (oranje box) en koelbatterijen (grijze en gele boxes)] volstaan niet om de koelvraag in te willigen en voor meer dan de helft van alle cases heerst er een slecht comfort.
Hydronische systemen als vloerkoeling en ventilo convectoren of de airco kunnen wél voorzien in de koelvraag met opmerkelijke resultaten: zoals verwacht, kan de airco in 98% van de gevallen goed comfort voorzien met een koelcapaciteit van 50W/m². De duurzame systemen kunnen voor 80% van die cases goed comfort voorzien met een minimale capaciteit van slechts 15W/m²! Dit is een groot verschil in energieverbruik maar een relatief klein verschil in comfort-beleving. Het toont aan dat hydronische, duurzame koelsystemen zoals vloerkoeling of ventilo convectoren wel degelijk een haalbaar alternatief vormen voor de klassieke actieve koeling.
Om dit resultaat te bereiken, zullen de duurzame systemen wel langer actief moeten zijn met een aangepaste sturing (vroeger opstarten en later afschakelen).
Hydronische systemen als vloerkoeling en ventilo convectoren of de airco kunnen wél voorzien in de koelvraag met opmerkelijke resultaten: zoals verwacht, kan de airco in 98% van de gevallen goed comfort voorzien met een koelcapaciteit van 50W/m². De duurzame systemen kunnen voor 80% van die cases goed comfort voorzien met een minimale capaciteit van slechts 15W/m²! Dit is een groot verschil in energieverbruik maar een relatief klein verschil in comfort-beleving. Het toont aan dat hydronische, duurzame koelsystemen zoals vloerkoeling of ventilo convectoren wel degelijk een haalbaar alternatief vormen voor de klassieke actieve koeling.
Om dit resultaat te bereiken, zullen de duurzame systemen wel langer actief moeten zijn met een aangepaste sturing (vroeger opstarten en later afschakelen).
2. met inzet van zonnewering (slides 2) daalt het benodigde koelvermogen in de woning drastisch. Voor de dagzones kan zelfs zonder een koelsysteem (blauwe box) voor 55% van de gevallen 'goed comfort' worden voorzien. Een verbetering van maar liefst 40%!
De ventilatieve koelsystemen zorgen voor een verdere verbetering van het comfort in deze dagzones. Slechts 1% riskeert hier nog 'slecht comfort'. Voor de nachtzones zorgen screens wel voor verbetering, maar hier blijft de situatie eerder kritisch en blijven de hydronische systemen nodig om voldoende comfort te voorzien. Voor deze systemen daalt het jaarlijkse energieverbruik dan van voor de ventilo convector (15W/m²), vloerkoeling (30W/m²) en de airco (50W/m²) respectievelijk van 1500kWh/jaar, 1700kWh/jaar en 2150kWh/jaar naar 550, 600 en 700kWh/jaar.
De ventilatieve koelsystemen zorgen voor een verdere verbetering van het comfort in deze dagzones. Slechts 1% riskeert hier nog 'slecht comfort'. Voor de nachtzones zorgen screens wel voor verbetering, maar hier blijft de situatie eerder kritisch en blijven de hydronische systemen nodig om voldoende comfort te voorzien. Voor deze systemen daalt het jaarlijkse energieverbruik dan van voor de ventilo convector (15W/m²), vloerkoeling (30W/m²) en de airco (50W/m²) respectievelijk van 1500kWh/jaar, 1700kWh/jaar en 2150kWh/jaar naar 550, 600 en 700kWh/jaar.
3. Met inzet van zonnewering en ventilatieve (nacht-)koeling (slides 3) zien we de koelvraag ten slotte zo drastisch dalen dat quasi alle bestudeerde koelsystemen goed comfort kunnen leveren, met uitzondering van enkele zeer specifieke cases. Zelfs zonder koelsystemen kan er in de dagzones doorgaans een relatief hoog comfort worden behaald. Alleen in de nachtzones volstaat de adiabatische koeling nog steeds niet. Het energieverbruik van de hydronische systemen daalt verder naar respectievelijk 400, 450 en 635 kWh/jaar voor de ventilo convector, vloerkoeling en airco.
Deze simulatieresultaten tonen aan dat passieve anti-opwarmingsstrategieën de beste eerste verdedigingslinie vormen tegen opwarming. Zij reduceren de koelvraag drastisch, zodat er meer (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om de overblijvende koelvraag te leveren. De combinatie van passieve strategieën met duurzame koelsystemen kan tegemoetkomen aan de gestelde comforteisen en zeker de hydronische systemen concurreren zo rechtstreeks met de klassieke airco.
In de praktijk zien we echter wel dat deze passieve maatregelen niet altijd op de meest optimale manier (kunnen) gebruikt worden, waardoor de koelvraag toch hoger komt te liggen. Zolang deze passieve strategieën niet geautomatiseerd zijn, vergen zij bovendien een zekere inspanning van de bewoners. Dit weegt op het ‘gebruiksgemak’ van deze systemen in vergelijking met de klassieke actieve koelsystemen. Ook de ligging van bepaalde ruimtes kan erg nadelig zijn (bv een zolderkamer, dit zijn de 'uitschieters' in de boxplots).
Bepaalde afgifte-systemen zullen daarom vanaf een bepaald moment in de praktijk toch tekortschieten.
Deze simulatieresultaten tonen aan dat passieve anti-opwarmingsstrategieën de beste eerste verdedigingslinie vormen tegen opwarming. Zij reduceren de koelvraag drastisch, zodat er meer (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om de overblijvende koelvraag te leveren. De combinatie van passieve strategieën met duurzame koelsystemen kan tegemoetkomen aan de gestelde comforteisen en zeker de hydronische systemen concurreren zo rechtstreeks met de klassieke airco.
In de praktijk zien we echter wel dat deze passieve maatregelen niet altijd op de meest optimale manier (kunnen) gebruikt worden, waardoor de koelvraag toch hoger komt te liggen. Zolang deze passieve strategieën niet geautomatiseerd zijn, vergen zij bovendien een zekere inspanning van de bewoners. Dit weegt op het ‘gebruiksgemak’ van deze systemen in vergelijking met de klassieke actieve koelsystemen. Ook de ligging van bepaalde ruimtes kan erg nadelig zijn (bv een zolderkamer, dit zijn de 'uitschieters' in de boxplots).
Bepaalde afgifte-systemen zullen daarom vanaf een bepaald moment in de praktijk toch tekortschieten.
Online decision support tool
Waar bevindt jouw huis zich in dit verhaal? Volstaat het om enkel passieve maatregelen toe te passen of is er ook een bijkomend (duurzaam) koelsysteem nodig?
Via deze selectietool kan je aan de hand van een aantal parameters de situatie van de eigen woning benaderen. De tool geeft dan weer wat het energieverbruik is van ieder systeem en hoe goed het de comfort-eisen kan inwilligen.
Via deze selectietool kan je aan de hand van een aantal parameters de situatie van de eigen woning benaderen. De tool geeft dan weer wat het energieverbruik is van ieder systeem en hoe goed het de comfort-eisen kan inwilligen.