VERWARMING
Install Magazine 995 – februari 2024
Infraroodverwarming om pieklasten af te dekken
Een technische evaluatie voor het gebouwenbestand
De energietransitie heeft tot doel om gebouwenverwarming te decarboniseren. Olie- en gasverwarming moeten daarbij vervangen worden door warmtepompen en aansluitingen op warmtenetten. Vooral bij warmtepompen moet men opmerken dat deze efficiënter zijn, naarmate de bron- en afgiftetemperaturen dichter bij elkaar liggen. Verwarmingstechnisch wil dat zeggen dat men best voor zo laag mogelijke stookregimes kiest. In bestaande gebouwen is een lage-temperatuurverwarming echter niet altijd haalbaar, omdat lagere afgiftetemperaturen tot lage vermogens leiden. Thermisch comfort is in deze omstandigheden niet gegarandeerd.
Onderwerp van het onderzoek
De Technische Universiteit Dresden voerde een simulatie-onderzoek rond dit thema uit. Er werd nagegaan of een warmtepomp in combinatie met infraroodverwarming voor voldoende comfort kan zorgen, ook als de bestaande verwarmingslichamen behouden blijven. Hiervoor werd uitgegaan van een digitaal gebouwenmodel voor een woning volgens de Duitse isolatievoorschriften van 1995 met een gasketel en een regime van 70/55/20. Het stookregime werd verlaagd en er werd een infraroodverwarming toegevoegd om het ontbrekende vermogen te compenseren. In een tweede stap werd de gasketel vervangen door een warmtepomp met een buffervat van 200 liter. Aan het afgiftesysteem en de bouwschil werd niets gewijzigd.
Voor het infraroodsysteem werden verwarmingspanelen toegepast die gedimensioneerd werden voor de warmtebehoefte van de verschillende kamers. De positionering van de panelen in het gebouwmodel werd niet bijzonder nauwkeurig uitgevoerd, men rekende daarvoor met een stralingsrendement van 50%. Deze vereenvoudiging werd toegepast om algemene conclusies mogelijk te maken. Als gebruikspatroon koos men voor de studie een gezin van vier personen. Voor alle ruimtes werden tijdsafhankelijke interne warmtewinsten en ventilatievouden bepaald, in functie van het gebruikspatroon. Details van het model worden in (1) gegeven. De totale analyse werd uitgevoerd met programma TRNSYS-TUD, een simulatieprogramma dat aan de TU Dresden ontwikkeld werd.
De evaluatie van de data gebeurde aan de hand van energetische parameters voor de ontwikkeling van de warmtebehoefte in het gebouw. Voor het thermisch comfort werd de cumulatieve frequentie van de operatieve temperatuur in de ruimte bekeken. De frequentie van de operatieve temperaturen werd uitgezet tegenover de gebruikstijd. De figuur is zo opgevat dat er rechts van de instelwaarde een oververhitting wordt aangegeven en links van de instelwaarde een te koude temperatuur. (figuur 3)
Resultaten
Zoals reeds gezegd, werd eerst de bestaande toestand van het gebouw bepaald, gebaseerd op de Duitse bouwvoorschriften van 1995. De resultaten worden gegeven in tabel 1. Deze tabel toont dat een continu werking van het verwarmingsysteem tot een hoger verbruik leidt dan een intermitterende werking. Dat is niet te verwonderen omdat de gemiddelde ruimtetemperaturen bij een intermitterende werking duidelijk lager zijn dan bij een continu werking. Figuren 4 en 5 stellen dat grafisch voor, uitgaande van een typische dag in het stookseizoen met buitentemperaturen tussen 0 en 4°C. In beide varianten werd het thermisch comfort verzekerd.
In een tweede stap van het onderzoek werd het stookregime van het hydraulisch systeem verlaagd tot 40/30/20. Daardoor daalde het vermogen, wat gecompenseerd werd door een infraroodverwarming in de kamers. Het resultaat wordt gegeven in Tabel 2. In de analyse wordt ervan uitgegaan dat er verwarmd wordt vanaf een buitentemperatuur van 15°C. Dit is een standaardinstelling in de simulatiesoftware.
In functie van de randvoorwaarden blijkt het aandeel van IR-verwarming tussen 26 en 30% te liggen. De comfortcriteria werden gehaald in alle ruimtes door deze systeemcombinatie, met uitzondering van de varianten met nachtverlaging. Als voorbeeld wordt de cumulatieve frequentie van de operatieve temperatuur weergegeven in figuur 6. Een nachtverlaging in functie van de buitentemperatuur (3°C) blijkt voordelig omdat er zo energie kan bespaard worden met een minimaal effect op het thermisch comfort.
Naast de analyse met een buitentemperatuur vanaf 15°C werd er ook onderzocht wat het effect was als er pas vanaf 10°C buitentemperatuur verwarmd werd. De resultaten worden in tabel 3 gegeven. Hieruit blijkt dat het aandeel van de IR-verwarming in de verwarmingsbehoefte slechts beperkt kan verhoogd worden. De fundamentele tendens is dezelfde als in het scenario waarin werd uitgegaan van een buitentemperatuur van 15°C.
In de volgende stap van de analyse werd de lagetemperatuurketel vervangen door een warmtepomp met buffervat. De resultaten van de simulatie en de operatieve binnentemperaturen voor een representatieve ruimte worden getoond in tabel 4 en figuur 7.
Uit deze varianten blijkt dat het aandeel van de IR-verwarming bepaald wordt door de nachtverlaging. Op basis van de COP van de warmtepomp zien we een lager verbruik aan primaire energie. De vaststelling op basis van de operatieve temperatuur is dat de combinatie van een hydraulisch systeem met warmtepomp en IR-verwarming het thermisch comfort kan verzekeren. De operatieve kamertemperatuur duikt amper onder de comfortgrens.
Net als bij de lage-temperatuurketel werd er ook nagegaan wat er zou gebeuren bij verwarming vanaf een buitentemperatuur van 10°C. De resultaten worden in tabel 5 gegeven. Daarin is te zien dat het aandeel van de IR-verwarming stijgt. Dat is net hetzelfde als bij het lage-temperatuurtoestel. Het energieverbruik valt hoger uit dan bij een buitentemperatuur van 15°C. Dat is veroorzaakt door de langere looptijd van de IR-verwarming en dus ook de kortere draaiuren van de warmtepomp. Zowel vanuit energetisch als economisch standpunt, moet men er dus voor zorgen dat de warmtepomp zoveel mogelijk draaiuren heeft.
Op basis van de analyses geven figuur 8 en 9 het energieverbruik en de primaire energie voor de configuratie met een verwarming vanaf 15°C buitentemperatuur.
Uit figuur 8 blijkt dat het vanuit technisch opzicht mogelijk is om een gasverwarming te vervangen door een warmtepomp met een infraroodverwarming voor pieklasten. De systemen scoren ongeveer even goed op het vlak van thermisch comfort. Vanuit energetisch zicht heeft de combinatie van warmtepomp met IR-verwarming een duidelijk lager energieverbruik. We moeten daarbij wel opmerken dat de prijs voor gas en voor elektriciteit verschillen, zodat men ook de situatie op economisch vlak anders moet beoordelen.
Conclusie
De analyse toont aan dat het op technisch vlak mogelijk is om in een woning volgens de Duitse isolatie-eisen van 1995 met een warmtepomp met een IR-verwarming voldoende comfort te leveren, zonder dat de verwarmingslichamen moeten vervangen worden. Het grote voordeel van een IR-verwarming is dat de inertie van het systeem verwaarloosbaar is, zodat men het intermitterend kan gebruiken. Daarmee is deze configuratie een oplossing om een hele klasse gebouwen te vergroenen, zonder dat de installatie of de gevel sterk moeten verbouwd worden. Deze studie houdt evenwel geen rekening met economische criteria. Dat laatste moet nog verder geëvalueerd worden.
De studie waarop dit artikel gebaseerd is, vond plaats in samenwerking met IG Infrarot Deutschland. De volledige studie kan bij deze vereniging worden aangevraagd.
Dit artikel werd eerst gepubliceerd in de editie van september 2023 van Moderne Gebäudetechnik.
Door: J. Seifert; L. Schinke; M. Knorr; A. Meinzenbach; A. Perschk (TU Dresden)
Bibliografie
[1] Knorr, M.; Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Seifert, J.; Perschk, A.: Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Forschungsbericht TU Dresden, 2023
[2] Perschk, A.: Gebäude und Anlagensimulation – Ein ”Dresdner Modell”. In: Gesundheitsingenieur (2010), August, Nr. 4
[3] Perschk, A.: Gebäude-Anlagen-Simulation unter der Berücksichtigung der hygrischen Prozesse in den Gebäudewänden, Fakultät für Maschinenwesen, TU Dresden, Diss., 2000
[4] Seifert, J.: Zum Einfluss von Luftströmungen auf die thermischen und aerodynamischen Verhältnisse in und an Gebäuden, Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität Dresden, Diss., Oktober 2005
[5] WSVO95: Dritte Wärmeschutzverordnung 1995, Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden, 01.01.1995
