INSTALLATIE EN GEREEDSCHAP
Install Magazine 974 – februari 2021

Zijn bestaande verwarmingsinstallaties ook geschikt voor koeling?

Koelen in bestaande gebouwen is niet alleen mogelijk door een nieuwe airconditioning-installatie te plaatsen. Het kan ook interessant zijn om gebruik te maken van een omkeerbare warmtepomp. In dat laatste geval dient het afgiftesysteem voor verwarming ook voor koeling. Om in te schatten in hoeverre deze techniek oververhitting in de zomer kan vermijden, werd onderzoek uitgevoerd in het Duitse Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP.

Naarmate de zomers warmer worden, stijgt ook de nood aan gebouwenkoeling, zelfs in een Midden- of Noord-Europees klimaat. Door te koelen met verwarmingslichamen bereikt men in theorie vergelijkbaar korte reactietijden, en hoeft men geen dure nieuwe installatie aan te leggen. Dit systeem kent echter enkele zwakke punten: gekoelde oppervlakken betekenen een duidelijk grotere kans op condensvorming en dus schimmelgroei. Men kan dit risico beperken door de temperatuur van de koeloppervlakken te verhogen, maar dat beperkt dan weer het vermogen en verlengt de reactietijd.

Om in te schatten in hoeverre deze techniek geschikt is om oververhitting in de zomer tegen te gaan, werd een onderzoek uitgevoerd in het Duitse Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP. Daarbij werden de resultaten van metingen in een laboratorium gecombineerd met hygrothermische gebouwsimulaties. In een testruimte werd een gekoelde radiator opgesteld, en het effect daarvan op het binnenklimaat werd geregistreerd, samen met andere parameters. Deze opstelling werd dan in de gebouwsimulatie software WUFI Plus gemodelleerd, en gevalideerd op basis van de metingen. Aan de hand van dat model werd dan een parameterstudie uitgevoerd om de grenzen en mogelijkheden van deze manier van koelen te bepalen, in functie van verschillende bouwmethoden, weersomstandigheden en gebruikersgedrag. Behalve koeling met een radiator werd ook een omkeerbare vloerverwarming onderzocht.

Laboratoriumonderzoek

Testruimte

In de vestiging in Stuttgart (Duitsland) heeft Fraunhofer IBP een klimaatsimulator waarvan de luchttemperatuur kan worden ingesteld tussen -15°C en +55°C, zodat elk gewenst klimaattype kan worden gesimuleerd. De testkamer die zich in deze simulator bevindt, is voorzien van meer dan 170 thermische voelers. Verder zijn er sensoren om stratificatie en thermische flux te meten, en voelers voor vocht en weerstand. Twee van de wanden van de testkamer kunnen gebruikt worden als ‘binnenwanden’ dankzij verwarmingselementen aan de achterzijde, terwijl de twee andere wanden fungeren als ‘buitenwanden’ die direct zijn blootgesteld aan de inwerking van de klimaatsimulator. De vloer en alle wanden zijn voorzien van hun eigen regelkring en kunnen verwarmd worden. Voor deze studie werd er in deze precies bemeterde kamer een radiator van 72 cm breed en 100 cm hoog geplaatst voor werking in koelbedrijf. (Figuur 1)

Verloop

Het doel van de tests was om reactietijden, koelvermogen en condensvorming te meten. Het klimaat rond de testkamer werd ingesteld op 28°C en 68% relatieve vochtigheid. Deze waarden werden behaald voor het begin van de test en bij de start van elke testfase, zodat alle metingen onder dezelfde startomstandigheden plaatsvonden. Er werden vier koelfasen uitgevoerd, met een duur van respectievelijk 4, 8, 24 en 67 uur. Na elke koelfase werd het condenswater onderaan de radiator opgevangen en gewogen.

De afkoeltijden en de insteltemperaturen van het radiatorcircuit werden geregistreerd in de vertrekleiding. Bovendien werd het effect op het binnenklimaat (temperatuur en luchtvochtigheid) en de oppervlaktetemperaturen van de warmtesensoren geregistreerd. Deze meetdata werden dan gebruikt om het hygrothermische simulatiemodel te valideren.

Simulatiemodel

Opbouw

Om de resultaten van het laboratoriumonderzoek te kunnen toepassen op bestaande gebouwen, werd een simulatiemodel gemaakt. De metingen uit het laboratorium werden gebruikt om dit model te valideren, waarbij het gemeten binnenklimaat door de simulatie gereproduceerd word aan de hand van precies bepaalde randvoorwaarden. Dat gebeurt met de gebouwsimulatiesoftware WUFI Plus, die aan het Fraunhofer IBP ontwikkeld werd (Figuur 2). Dit pakket combineert een hygrothermische simulatie van bouwdelen met een simulatie van het binnenklimaat en met bijkomende modules, zoals dynamische en gedetailleerde HVAC-systemen, dynamische simulaties van 3D-objecten zoals koudebruggen en een luchtstroommodel dat de luchtwisseling berekent tussen gebouwzones en de omgeving. Het model van de testkamer was al eerder gemaakt in het kader van een project rond binnenisolatie en was dus al gevalideerd.

Voor dit onderzoek werd een tweede model ontwikkeld en in de software geïmplementeerd. Dat maakte ook de simulatie van stralingssystemen voor verwarmen en koelen mogelijk, zoals bijvoorbeeld betonkernactivering (TABS).

Validering van het model

Om het hygrothermische simulatiemodel te valideren, werden de meetwaarden uit het laboratorium vergeleken met de waarden volgens de computersimulatie en werd de Mean Absolute Error (MAE) berekend. De resultaten voor de luchttemperatuur binnen, en de relatieve en de absolute luchtvochtigheid worden gegeven in figuren 3, 4 en 5. Dit toont dat het simulatiemodel de gemeten waarden kan reproduceren, specifiek ook de intermitterende werking van de koeling, met de gegeven inertie van het systeem.

De keuze voor een hygrothermisch model was bewust. Zo kan men ook de evolutie van de luchtvochtigheid gesimuleerd worden, rekening houdend met de vochtabsorptiecapaciteit van de verschillende componenten in de ruimte. De absolute vochtigheid (Figuur 5) toont een goede overeenstemming tussen meting en simulatie. Hetzelfde geldt ook voor de relatieve vochtigheid (figuur 4).

De hygrothermische simulatie berekent ook wat er met het vocht in de ruimte gebeurt, bijvoorbeeld de hoeveelheid condens die op het radiatoroppervlak ontstaat. Tabel 1 toont het resultaat en vergelijkt de hoeveelheid condens uit de laboratoriumtests met de berekende hoeveelheid. Tabel 1 toont dat de vier perioden goed bij elkaar aansluiten als men de simulatie voor homogeen gemengde lucht vergelijkt met de vele meetpunten in de testkamer.

Studie van de simulatie

Het staat al vast dat watervoerende bouwdelen (in dit geval een radiator) met het WUFI Plus systeem realistisch kunnen gesimuleerd worden. In een volgende stap wordt het model in een voorbeeldruimte (in dit geval een kantoor) geplaatst en worden tal van parameters gewijzigd. Zo verkrijgt men gegevens over de bruikbaarheid voor koeling onder de gegeven randvoorwaarden. Er werden twee verwarmingssystemen onderzocht, maar in dit geval in koelbedrijf.

- radiator (verwarmingslichaam)

- vloerverwarming

In de starttoestand is de voorbeeldruimte altijd duidelijk onbehaaglijk warm door de interne warmtewinsten en een zomerse zonne-instraling. Bij elke variant wordt geprobeerd om de temperatuur weer op een comfortabel niveau te krijgen, met het systeem in kwestie. Daarvoor bekijkt men de graaduren van overtemperatuur (Kh/jaar), wat een goede maateenheid is voor thermisch comfort. Overschrijdt de operatieve kamertemperatuur de grenswaarde van 26°C met 1 K gedurende precies 1 uur, komt dat overeen met 1 graaduur overtemperatuur. Gebeurt dat gedurende twee uur, zijn dat 2 graaduren enzovoort. De Duitse voorschriften leggen de grens op 1.200 Kh per jaar voor woningen en 500 Kh per jaar voor niet-woongebouwen.

Een duidelijk nadeel van stralingskoeling is de kans op condensvorming, omdat de oppervlaktetemperatuur lager kan liggen dan het dauwpunt. Om vochtschade aan het gebouw en/of schimmelgroei op vochtig materiaal te vermijden, moet de koeltemperatuur boven een zeker minimum liggen. Deze ondergrens beperkt meteen ook het koelvermogen. Om dan toch nog oververhitting te vermijden, is een passende regelstrategie nodig.

Onderzochte varianten

De volgende regelstrategieën werden onderzocht

De hele dag in werking (24 h/dag) tegenover alleen tijdens werkuren (10h/dag)

Koeling continu of alleen als de kamertemperatuur boven 24°C uitkomt.

Vertrektemperatuur constant op 14°C of dauwpuntgestuurd (vertrektemperatuur = dauwpunt van de binnenlucht +1°C)

Constante randvoorwaarden van het kantoor

Afmetingen: 4 m breed, 4 m lang en 2,8 m hoog.

Twee buitenwanden, op het zuiden en het westen.

- snelbouwsteen met een dikte van 0,295 m en een U-waarde van 1,32 W/m²K

- telkens een venster met dubbel glas (Uw = 2,73 W/m²K, g=0,6, Raamaandeel van 30%)

Twee binnenwanden in snelbouwsteen met een dikte van 0,14 m en een U-waarde van 2,255 W/m²K

Afgesloten boven en onder door betonvlak.

Aan de andere kant van de binnenwanden wordt hetzelfde binnenklimaat gecreëerd als in de kantoorruimte.

Varianten van de kantoorruimte

Vensteroppervlak van 1,8 m² of 3,6 m²

Radiatoroppervlak van 0,7 m² of 1,4 m² (natuurlijk alleen bij de variant met radiator)

Kantoorgebruik

Kantooruren: 8u00 tot 18u00

Men gaat uit van de typische warmte- en vochtproductie van een persoon in de ruimte, evenals de interne warmtewinsten door elektrische toestellen en verlichting.

0,5 ventilatievoud als daggemiddelde, dit komt overeen met een minimale hygiënische ventilatie.

Resultaten

Figuur 6 toont het typische dagverloop van de operatieve binnentemperatuur en de buitentemperatuur tijdens de referentiezomerdag zonder koeling. Vanaf ongeveer de middag wordt het te warm (26°C) voor thermisch comfort.

Koeling met de radiator

Als voorbeeld toont figuur 7 de invloed op het aantal graaduren overtemperatuur van de verschillende varianten. Hieruit blijkt duidelijk dat, zelfs al wordt alleen de radiatoroppervlakte (0,7 m² effectief koeloppervlak) gebruikt, het aantal graaduren voor overtemperatuur merkbaar afneemt. (Voorbeeld: bij kantoorbezetting van 1 persoon en een vensteroppervlak van 3,6 m² is er 40% reductie). Bij een verdubbeling van het radiatoroppervlak tot 1,4 m² wordt dat effect duidelijk sterker (In dat laatste geval daalt het aantal graaduren overtemperatuur met 65% in vergelijking met de toestand zonder koeling).

Naast de varianten in figuur 7, geven we verdere simulatieresultaten in Tabel 2. Alle varianten met een constante vertrektemperatuur van 14°C zijn kritisch, omdat er dan condens op het radiatoroppervlak ontstaat. Zelfs al wordt het condens daar weggewist en opgevangen, dan moet men nog bedenken dat de toevoerleiding doorgaans niet geïsoleerd is. Langs deze leiding kan er dus condens aan de wand optreden. Een dauwpuntgestuurde vertrektemperatuur (met een veiligheidsmarge van 1°C) betekent daarentegen zo goed als geen condens.

Het thermisch comfort wat betreft overhitting is voor alle varianten duidelijk verbeterd. Daarentegen wordt het comfortpeil niet altijd bereikt. Overschrijdingen van de limiet van 500 graaduren voor kantoorgebouwen worden cursief weergegeven in de tabel. Gezien het koelvermogen in alle varianten niet volstaat om de kamertemperatuur steeds onder de comfortgrens van 26°C te houden, heeft de 24h werking een klein voordeel tegenover andere strategieën, zoals alleen koelen in de kantooruren, of alleen koelen als de temperatuur boven 24°C uitkomt. Een minimale kamertemperatuur instellen is eveneens aan te raden, om te voorkomen dat het te koud wordt.

Koeling met vloerverwarming

Als men vloerverwarming gebruikt voor koeling, ziet het er heel anders uit. Figuur 8 toont een typisch dagverloop van de gesimuleerde operatieve temperatuur in het kantoor, samen met het referentiescenario zonder koeling, en de variant met een radiator. In vergelijking met beide andere gevallen is er een duidelijke verbetering van het thermisch comfort: de operatieve temperatuur blijft constant onder 26°C. In deze en in alle andere onderzochte varianten met vloerverwarming (meer bepaald dauwpuntgestuurde vertrektemperatuur) zijn er dus geen graaduren van oververhitting. Het thermisch comfort blijft gegarandeerd. Het heeft dan ook weinig zin om alle gegevens van deze varianten nog eens extra in een tabel te gieten.

Conclusie

Deze studie toont aan dat het mogelijk is om een bestaand verwarmingssysteem ook te gebruiken voor koeling om het thermisch comfort te verbeteren. Met radiatoren kan het gebrek aan comfort wel gereduceerd, maar niet helemaal verholpen worden. Daarom wordt dit doorgaans ‘topkoeling’ genoemd. Gebruikt men vloerverwarming om te koelen, dan kan binnen de parameters van deze studie, oververwarming totaal vermeden worden.

Bij deze en andere vormen van koeling moet men er wel op letten dat er geen schade ontstaat door condensvorming. Werkt men met een constante vertrektemperatuur, dan mag die niet te laag worden gekozen. In het beste geval volgt de vertrektemperatuur van het koelcircuit de dauwpunttemperatuur. Zo vermijdt men condens en verkrijgt men een maximaal koelvermogen.

Met de hygrothermische gebouwsimulatie software WUFI plus, in combinatie met een model voor watervoerende leidingen in gebouwdelen (wanden, vloeren, plafonds of verwarmingslichamen) kan men de bruikbaarheid van verwarmingsinstallaties voor koeling bepalen. Men kan zo niet alleen het thermisch comfort berekenen, maar ook de condensvorming op de koelvlakken. Bovendien kan men met de software nog andere aspecten inschatten, zoals het risico van schimmelgroei op jaarbasis. Het model houdt immers niet alleen rekening met de luchtvochtigheid, maar ook met het vochtgehalte van bouwdelen. In dit onderzoek bleef dat echter buiten beschouwing, net als het energieverbruik door koeling.

We beperkten ons in de eerste plaats tot de bruikbaarheid van verwarmingsystemen om oververhitting te vermijden. De conclusie is dat het veelbelovend is. Voor een volledige evaluatie van een dergelijk systeem moet men nog wel rekening houden met bijkomende factoren, zoals onder meer

- comfortervaring van de gebruiker (bijvoorbeeld gebrek aan comfort door asymmetrische temperatuurverschillen of een te koude vloer)

- effecten van de temperatuurverschillen op de vloerbekleding en andere materialen in de ruimte.

- koelvermogen en energie-efficiëntie van het systeem in functie van de omgevingsvoorwaarden (bijvoorbeeld vorm en afmetingen van de ruimte, gebruikspatronen, aandeel van de beglazing). Naargelang het geval kunnen bijkomende maatregelen zoals een bijkomende zonwering, of nachtkoeling verkieslijk zijn omdat ze energiezuiniger zijn.

De combinatie van een laboratorium, simulatiemogelijkheden en hygrothermische expertise aan het Fraunhofer IBP maakt het mogelijk deze kwesties te onderzoeken, systemen te optimaliseren en regelalgoritmes te ontwikkelen.

Door Matthias Pazold, Sabine Giglmeier, Matthias Winkler en Zhenming Peng

Illustraties: Fraunhofer IBP