Hoe optimaliseren we HVAC-systemen zodat ze inspelen op daadwerkelijk gebruik, energie besparen en een gezonde en comfortabele omgeving bieden aan de gebouwbewoners?
Energie binnen gebouwen
Energiebesparing is een van de belangrijkste thema's voor veel bedrijven in de bouwsector. Aangezien HVAC-systemen een aanzienlijk deel uitmaken van het energieverbruik van gebouwen gedurende hun levensduur, zou de technologie die in gebouwen wordt gebruikt, voorop moeten staan bij het besparen van energie. Producten voor ventilatie, verwarming en koeling worden steeds efficiënter, gedreven door wetgeving en de ontwikkeling van nieuwe technologieën in de componenten. Maar terwijl we overstappen op nieuwe, efficiënte technologieën, moeten we ervoor zorgen dat de bestaande technologie op de slimste en meest efficiënte manier wordt gebruikt.
HVAC-systemen zijn doorgaans ontworpen voor het meest extreme gebruik van een gebouw. Koelsystemen zijn ontworpen voor piektemperaturen in de zomer en fel zonlicht, verwarmingssystemen zijn ontworpen voor de koudste dagen van het jaar en ventilatiesystemen zijn gebaseerd op maximale bezettingsgraden. Dit is ideaal voor het ontwerpen van veerkrachtige gebouwen, klaar voor alle omstandigheden. Maar worden ze ook zo gebruikt?
Systemen die ontworpen zijn voor piekbelastingen zullen zelden of nooit op deze ontwerpniveaus worden gebruikt. Het grootste deel van hun levensduur zullen ze werken op een fractie van de ontwerpbelasting. Dit verschil tussen piekbelastingen en de werkelijke bedrijfsbelasting is zeer groot en wordt, zoals we zullen zien, alleen maar groter.
De huidige en toekomstige prestatiekloof
Twee factoren zorgen ervoor dat het verschil tussen de ontwerp- en operationele piekwaarden nog extremer wordt.
Gebouwen worden tegenwoordig flexibeler gebruikt, met name in kantoren en commerciële ruimtes, omdat bedrijven en werknemers de mogelijkheid krijgen om flexibel te werken. Een ventilatie- en koelsysteem voor een kantoorgebouw dat in 2020 volledig benut kan worden, zal in 2023 en daarna zelden dezelfde bezetting kennen.
De opwarming van de aarde heeft al invloed op het extreme weer, en zelfs met substantiële veranderingen in de bijdragende factoren worden in de toekomst extremere weersomstandigheden verwacht. Europa zal waarschijnlijk te maken krijgen met warmere en drogere zomers. Dit, in combinatie met het Urban Heat Island-effect dat de zomertemperatuur verergert met hoge temperaturen in de gebieden waar veel kantoren en commerciële gebouwen zich bevinden, en de overwegingen over hoe warmtebeheersing op stads- en straatniveau moet worden ontworpen, zal er waarschijnlijk toe leiden dat de piekbelastingen waarvoor gebouwsystemen zijn ontworpen, nog verder verwijderd zijn van de dagelijkse werking van gebouwen.
Gebouwontwerpers moeten bij het ontwerpen van gebouwen rekening houden met de nieuwe manier van bouwen en met de toekomstige risico's van extreme weersomstandigheden. Dit geldt zowel voor de ontwikkelings- als de renovatiefase.
Het vinden van de efficiëntie in de prestatiekloof
Wanneer een HVAC-systeem op deellast draait, werkt het meestal efficiënter. Luchtbehandelingskasten (AHU's) die op halve ventilatorsnelheid draaien, gebruiken minder dan een kwart van het opgenomen vermogen. Een koelmachine of warmtepomp die op deellast draait, benut de warmtewisselaar optimaal, waardoor deze efficiënter kan werken. Maar is dit wat er mogelijk is met de technologie die we tot onze beschikking hebben?
Als we onze luchtbehandelingskasten (AHU's) met behulp van vraaggestuurde ventilatie (DCV) zo kunnen regelen dat ze alleen de hoeveelheid lucht leveren die nodig is voor de aanwezigen in het gebouw, kunnen de koel- en verwarmingselementen die op hun volledige capaciteit zijn afgestemd, de temperatuur van de frisse lucht regelen met veel minder energie.
Ook de spiralen in fancoils of koelconvectoren die de binnenruimten van stroom voorzien, hoeven niet op volle belasting te draaien. Deze units worden namelijk meestal geselecteerd voor volledige bezetting en bij piekomstandigheden in de zomer of winter.
Vervolgens moeten we een beslissing nemen over de spiralen die niet hun volledige capaciteit nodig hebben. De traditionele manier zou zijn om de stroom koel- of verwarmingsvloeistof te verminderen met een klep. Dit is een eenvoudige manier om lokaal te regelen en is standaard bij bijna alle systemen. Maar als we iets meer intelligentie inzetten in de verbinding tussen de koelmachine/warmtepomp en de spiraal, kunnen we bovendien de temperatuur van de vloeistof die de spiraal bedient optimaliseren. Een koelspiraal die is ontworpen voor water van 6 graden Celsius bij een capaciteit van 100%, heeft die temperatuur niet nodig bij een capaciteit van 50%.
De reden om de watertemperatuur naar de spiralen te wijzigen, is om de efficiëntie van de koelmachine/warmtepomp te verhogen. Door de temperatuur van het water dat uit een koelmachine stroomt met één graad te verhogen, wordt deze ongeveer 3% efficiënter. Door een warmtepomp één graad koeler te laten draaien, wordt de efficiëntie met vergelijkbare percentages verhoogd.
Wanneer we dus de vraag analyseren van de spiralen die het comfort in de kamers regelen, of het nu in de luchtbehandelingskast (AHU) of in de ruimte zelf is, kunnen ze het overgrote deel van de tijd op een geoptimaliseerde watertemperatuur draaien. Recente berekeningen van luchtbehandelingskasten (AHU's) die op warmtepompen zijn aangesloten, tonen aan dat de watertemperatuur gedurende meer dan 95% van de bedrijfstijd kan worden geoptimaliseerd, wat leidt tot een besparing van meer dan 20% op koelenergie en meer dan 30% op verwarmingsenergie. Dit alles door het systeem simpelweg slimmer aan te sturen.
Dit type capaciteitsregeling biedt nog steeds veel comfort in de ruimte en levert daarnaast ook nog eens energievoordelen op, omdat temperatuurschommelingen en tocht in de ruimte worden verminderd als de regeling goed wordt uitgevoerd.
Passieve en vrije koeling
Als er vrije koeling beschikbaar is in de koelmachine, heeft het optimaliseren van de watertemperatuur een nog groter effect op de efficiëntie. Vrije koeling houdt in dat het koelwatercircuit direct door de buitenlucht wordt gekoeld in plaats van door gebruik te maken van het DX-koelcircuit van de koelmachine. Doorgaans is er enige vrije koeling beschikbaar wanneer de omgevingstemperatuur één graad Celsius lager is dan de retourwatertemperatuur. De hoeveelheid vrije koeling neemt toe naarmate het verschil tussen de omgevingstemperatuur en de watertemperatuur groter is, totdat de koelmachine met zijn vrije koelingsfunctie alle benodigde koeling kan leveren. Elke graad dat we de koelwatertemperatuur verhogen, neemt het aantal uren dat we vrije koeling kunnen gebruiken aanzienlijk toe, wat enorme hoeveelheden energie bespaart.
We kunnen ook gebruikmaken van de natuurlijke koeling die de grond biedt met een warmtepomp/koelmachine. Warmtebronnen verzamelen warmte van lage kwaliteit in de aarde met behulp van een lus van leidingwater en vermenigvuldigen deze met een warmtepomp om effectieve en efficiënte verwarming van onze ruimtes te produceren. Veel warmtepompen kunnen ook in de koelmodus werken, waarbij efficiënte koeling wordt geboden door warmte via de lus van het grondwater aan de grond af te geven. Dit type systeem is perfect voor passieve koeling in een deellastsituatie. Het omzeilen van de warmtepomp en het direct koelen van het systeem met behulp van de lagere temperatuur van de grond is een uiterst efficiënte manier van koelen. Net als bij vrije koeling zorgt het optimaliseren van de watertemperatuur in deellast ervoor dat het systeem zo lang mogelijk passief kan koelen, wat de meeste energie bespaart.
Controle en intelligentie
Om dit te bereiken, hebben we een systeembesturing nodig die de benodigde belasting van de batterij(en) herkent en deze informatie gebruikt om de temperaturen van de koelmachine/warmtepomp dienovereenkomstig te optimaliseren. Intelligentie ingebouwd in de koelmachines, warmtepompen, luchtbehandelingskasten en ruimte-units is hiervoor noodzakelijk. Inzicht in de limieten van de afzonderlijke producten is essentieel, evenals hun werkingslimieten en de kennis van wanneer optimalisatie niet nodig is. Bovendien moet een systeembesturing op een hoger niveau effectief communiceren tussen al deze systeemonderdelen. Energiebesparingen worden bovendien bereikt door de normale systeemonderdelen te gebruiken, niet door specifiek te investeren in efficiëntere apparatuur, maar door wat we hebben op een intelligentere manier te beheren.
Of de systemen waarmee we werken nu bestaande, geïnstalleerde systemen zijn in een renovatieproject of een nieuwe ontwikkeling waarbij gebruik wordt gemaakt van ultramoderne, efficiënte nieuwe producten, de principes van verdere energiebesparing bij deellastbedrijf zijn nog steeds van toepassing als een effectieve en duurzame manier om de bedrijfskosten te verlagen.
Plaatsingstijd: 26-04-2023
