VENTILATIE EN KLIMATISATIE
Install Magazine 948 – maart 2018

Koelen met stralingssystemen

Mogelijkheden van omkeerbare systemen

Door de goede isolatie van de bouwschil leiden warmtewinsten meer en meer tot een koelbehoefte, en niet alleen in hartje zomer. Koeling door middel van een stralingsysteem kan dan het comfort verhogen. Het wordt dan zinvol om een systeem voor stralingsverwarming, zoals vloerverwarming, omkeerbaar in te zetten. De warmte die gewonnen wordt door het koelproces kan dan bijvoorbeeld voor sanitair warm water gebruikt worden. Het volgende artikel van BDH, de Duitse vereniging van de verwarmingsindustrie, schetst de mogelijkheden. Eerst worden een aantal algemene principes gegeven. In een tweede deel gaat expert Frank Hartmann in op praktische vragen.

Omkering van de warmtestroom

De koelfunctie is gebaseerd op een ondertemperatuur. Er ontstaat een warmtestroom vanuit de ruimte naar het bouwelement (vloer, wand), omdat het een lagere oppervlaktetemperatuur heeft. Koelen en verwarmen gebeuren via hetzelfde afgiftesysteem; het enige wat wijzigt, is de richting van de warmtestroom. Het warmtemedium (concreet gesproken het verwarmingswater) zorgt dan voor een opladen of ontladen. Tijdens de koelwerking functioneert de ruimte als een warmtebron, die thermisch ontladen worden als gevolg van het temperatuurverschil met het warmtemedium. Daarvoor is een passend warmtereservoir nodig, bijvoorbeeld een buffervat voor koude-opslag dat thermisch ontladen wordt door een of meer koudebronnen. Door het geringe temperatuurverschil tussen het koelwater, de binnenlucht en de bouwmassa, ziet men een stralingssysteem best als een bijdrage tot thermisch comfort en meer energie-efficiëntie, in plaats van als een volwaardige koeling. Daarbij kan stralingskoeling het comfortgevoel van de bewoners verhogen.

Dauwpuntbewaking

Als men de warmtestroom omkeert voor stralingskoeling, stelt de vraag van de maximale vertrektemperatuur zich niet. Het wordt eerder een kwestie van een minimale vertrektemperatuur. Die wordt bepaald in functie van de temperatuurzones op het menselijk lichaam. Tevens moet men rekening houden met de bescherming van de bouwstructuur tegen vochtproblemen. Als de oppervlaktetemperatuur van een bouwcomponent te laag wordt, kan het gevaar van condensvorming ontstaan. Dat moet men vermijden door dauwpuntbewaking.

Die controleert de relatieve vochtigheid aan de oppervlakte van het bouwdeel, of aan kritische punten van de installatie (dynamische grenswaarde). Als men onder het dauwpunt dreigt te raken, schakelt die de koelwerking uit, zodat er geen vochtschade kan ontstaan. Zo ligt het dauwpunt bij een relatieve luchtvochtigheid van 60% en een luchttemperatuur van 26°C bij 18°C oppervlaktetemperatuur.

Omschakeling tussen verwarmen en koelen

De hydraulische omschakeling voor koelbedrijf moet tussen de verdeler voor de afgiftekring en het buffervat geïntegreerd worden. Normaal gezien zal het buffervat nodig zijn voor het verwarmingsbedrijf, ook in de zomer (denken we aan SWW-productie). In het stookseizoen worden interne warmtewinsten als bijdrage tot de verwarming gezien. In de zomer worden die winsten echter tot een comfortprobleem, waardoor koeling nodig is, vooral in hartje zomer. Het maximale koelvermogen per vierkante meter verschilt naargelang de stand van het oppervlak (vloer, wand, plafond) en is niet hetzelfde als het verwarmingsvermogen van het oppervlak in kwestie (zie tabel 1).

De hydraulische omschakeling is een integraal deel van het systeem en moet in functie van de hele installatie gedimensioneerd worden. Zowel de verwarmings- als de koelfunctie zijn gebaseerd op een centrale regeling, die de pompen en regelorganen aanstuurt op basis van de temperatuurgegevens van sensoren. De dauwpuntbewaking is een geïntegreerde beveiliging in de regelunit.

Passieve en actieve koeling

Koude kan op twee manieren geproduceerd worden: ofwel passief via bodemsondes, bodemcollectoren of energiekorven, ofwel actief via koelmachines of omkeerbare warmtepompen. We spreken dan ook van actieve of passieve koeling.

Passieve koeling heeft alleen een natuurlijke koudebron nodig, waarbij er geen energie verbruikt wordt om koude te produceren. Dat gebeurt in principe via een warmtewisselaar met de bodem, waarbij de bodem een voldoende groot temperatuursverschil met de kamertemperatuur moet hebben. Hoe groter en constanter dit temperatuursverschil, hoe hoger de kwaliteit van de koudebron, en dus de koelwerking. Concreet is er alleen een warmtewisselaar en pompgroep nodig, om het systeem los van de warmtegenerator te laten werken.

Bij actieve koeling is er een systeem nodig dat de koude produceert. Dat kan bijvoorbeeld een omkeerbare warmtepomp zijn die in de winter verwarmt en in de zomer koelt. De warmte uit het koelproces kan voor andere doeleinden gebruikt worden. Met actieve koeling kan men nauwkeurig en consistent welbepaalde koelvermogens behalen. In tegenstelling tot passieve koeling moet men hier niet alleen met het verbruik van de circulatiepompen rekenen, maar ook met de aandrijfenergie van de koelmachine.

De voordelen van passieve koeling liggen in de minimale investerings- en werkingskosten, en de mogelijke synergie (ondersteuning van de regeneratie van de warmtebron in de zomer). Nadelig is het beperkte koelvermogen, dat volledig bepaald wordt door de kwaliteit van de koudebron. In vele gevallen kan dit echter volstaan om het comfort in woningen te verzorgen, zolang er geen speciale warmtelasten in het gebouw zijn. Het beperkte koelvermogen hangt samen met het gebruik van een natuurlijke koudebron. De gebruiker moet tevreden zijn met een lichte afkoeling.

Voor actieve koeling is de conclusie dan ook dat de voordelen het meest tot uiting komen als een welbepaald koelvermogen nodig is, bijvoorbeeld in kantoren of serverruimtes. Bovendien kan actieve koeling een belangrijke bijdrage leveren tot de productie van sanitair warm water. Een nadeel zijn dan weer de hogere kosten voor investering en gebruik.

Vereisten voor een koudebron

De vereisten voor een koudebron verschillen in functie van het type koeling (actief/passief). Fundamenteel moet een koudebron een voldoende groot temperatuurverschil mogelijk maken om de warmtestroom op gang te brengen. Bij natuurlijke koudebronnen moet men ermee rekening houden hoe snel ze de opgenomen warmte weer kwijtraken (regeneratie) om als koudebron te kunnen blijven functioneren.

Een klassieke koudebron is onderdeel van een geothermische verwarmingsinstallatie. Als de warmtepomp omkeerbaar kan werken, is ook actieve koeling mogelijk. De warmtestromen lopen dan omgekeerd als in verwarmingsbedrijf. Bij warmtepompen die alleen voor verwarmingsbedrijf geschikt zijn, kan men toch nog tot een koelwerking komen in combinatie met een stralingssysteem. Door de circulatie in de zomer om te keren komt men zo tot een passieve koeling. Door de juiste bouwmaterialen te gebruiken en bij het ontwerp op warmtewinsten te letten, kan de koelbehoefte al sterk gereduceerd worden. Een passieve koeling via straling kan dan volstaan om het thermisch comfort in de zomer te verzekeren.

Conclusie

Gezien het groeiende belang van koeling voor gebouwen, moet men rekening houden met de mogelijkheid voor een omkeerbare werking van het afgiftesysteem. Bij het systeemontwerp moet men dus niet alleen de wintersituatie bekijken, maar ook de zomersituatie. Met een geothermische warmtepomp heeft men de mogelijkheid om zowel actief als passief te koelen. Zo geeft men en neemt men van de natuur in functie van de richting van de warmtestroom in de loop van het jaar. Om passieve koeling ook met andere warmtegeneratoren mogelijk te maken, moet men passende koudebronnen ontwikkelen die ook met biomassaketels, condensatieketels kunnen gecombineerd worden.

Praktische vragen aan Frank Hartmann

De koelbehoefte van gebouwen wordt een centraal thema in het binnenklimaat. Moet men nu systematisch een warmteverliesberekening en een koellast berekenen om in comfort te voorzien?

FH: Het is inderdaad dikwijls het geval dat de koellast van gebouwen even veel belang heeft als het warmteverlies, en een even relevante ontwerpparameter wordt. Terwijl men in de verwarming steeds meer zeer efficiënte lage-temperatuursystemen ziet, om in te spelen op de lagere warmtevraag, bestaat de uitdaging erin om de energiebesparing aan de verwarmingskant niet teniet te doen door een koelvraag in de zomer creëren.

Toch denk ik niet dat men sowieso voor elk gebouw zowel de warmtevraag als de koelvraag moet berekenen. Het gaan er meer om een integrale ontwerpbenadering tussen architectuur, bouwfysica en technische uitrusting al van bij het begin van het project door te voeren. De BDH steunt deze aanpak. Bij eengezinswoningen kan men met de juiste materiaalkeuze, aandacht voor oververhitting, zonnewering en de inrichting van de omgeving, meestal wel door de zomer komen, zonder een specifiek koelsysteem. Anderzijds ziet men meer en meer dat vloerverwarming omkeerbaar gebruikt wordt voor topkoeling door gebruik van koude die natuurlijk voorhanden is.

Vele niet-woongebouwen, zoals kantoren of scholen worden echter veel intensiever gebruikt. De koellast is dan ook van een andere orde, en leidt veel sneller tot thermisch onbehagen van de gebruikers. In sommige gevallen (bijvoorbeeld door een microklimaat) kan de bouwwijze en gebruiksintensiteit er inderdaad toe leiden dat het wenselijk is om een gedetailleerde koellastberekening uit te voeren.

Welke eisen worden er nu gesteld aan het thermisch comfort van gebouwen en is er hierin een verschil tussen woningen en niet-woongebouwen?

FH: Terwijl in woningen de koellast eerder beperkt blijft, en in de eerste plaats te maken heeft met de optimalisering van het comfort, is de situatie in niet-woongebouwen anders, omwille van de andere gebruiksprofielen. In de hedendaagse architectuur worden dikwijls grote vensterpartijen toegepast om zoveel mogelijk daglicht binnen te laten. Hierbij ontstaat een evenwichtsoefening tussen enerzijds een maximaal daglichtaandeel en anderzijds een afdoende bescherming tegen oververhitting voor het comfort van de gebruikers.

Bij woningen ligt de nadruk op de warmtevraag, en wordt het afgiftesysteem (meestal vloerverwarming) ook daarop gedimensioneerd. De koelfunctie kan dan extra comfort in de zomer bieden, en wordt dan meegenomen in het ontwerp. Niet-woongebouwen zoals kantoren maar zeer zeker ook scholen (die al te vaak vergeten worden) vereisen echter dat men zowel de warmtevraag als de koelvraag berekent. Daarom moet men voor zo een gebouw een gedetailleerd profiel opstellen volgens locatie, bouwwijze en gebruik om de koellast precies te kunnen bepalen.

Welke soorten van comfortkoeling zijn er en wat betekent dat voor de technische uitrusting

FH: Men moet een fundamenteel onderscheid maken tussen topkoeling en comfortkoeling. Dat mag niet verward worden met actieve of passieve koeling. Topkoeling krijgt men als men het afgiftesysteem dimensioneert voor verwarmingsbedrijf. Het koelvermogen wordt daarbij niet precies berekend, het is gewoon wat het systeem kan leveren, binnen de grenzen van de dimensionering voor verwarmingsbedrijf. De binnentemperatuur zal slechts enkele graden kunnen verlaagd worden (doorgaans ongeveer 3K) en moet alleen gezien worden als een extra comfort.

Als men een gegeven koelvermogen wil bereiken, bijvoorbeeld om een maximale binnentemperatuur van 26°C te garanderen, moet de koelvraag berekend worden, om dat het afgiftesysteem in functie daarvan te dimensioneren. Dat betekent normaal gezien een kleinere verlegafstand van de buizen. Mocht dat niet voldoende zijn, dan kan men het stralingsoppervlak vergroten door delen van de wanden of het plafond te activeren. Dit is meestal praktisch haalbaar, zodat men geen extra koelsystemen moet aanleggen.

Heeft dat te maken met het verschil tussen actieve en passieve koeling?

FH: Nee. Passieve of actieve koeling heeft om te beginnen niets te maken met het koelvermogen, maar alleen of het koelbedrijf zonder extra energieverbruik gebeurt, door gebruik te maken van een koudebron uit de omgeving, dan wel dat er actief een toestel de koude produceert (ijswatermachine, omkeerbare warmtepomp...). Met passieve koeling kan men zowel voor topkoeling als voor comfortkoeling zorgen. Dat hangt af van de koellast van het gebouw, de dimensioneringsparameters en het vermogen van de warmtebron. Anderzijds kan men een actief koelsysteem zo ontwerpen dat alleen topkoeling geleverd wordt. De flexibiliteit van die systemen speelt in op de verschillende eisen van de moderne manier van bouwen.

Welke stralingssystemen zijn bijzonder geschikt voor koeling?

FH: Zowel de vloer, wand als plafond zijn in principe geschikt voor de temperatuurregeling in een kamer. Men moet echter rekening houden met de warmtestroom en de eigenschappen van de afwerking van het oppervlak. Voor kantoren worden in de eerste plaats plafondsystemen gebruikt, omdat men daar zo goed als de hele oppervlak voor koeling kan benutten, net als voor verwarming in de winter.

Hoe staat het met andere oppervlakken zoals muren en vloer?

FH: Uiteraard kan men die oppervlakken ook voor koeling gebruiken. Net als bij verwarming moet met letten op de bekleding, in de eerste plaats de bodembekleding. Die functioneren als een thermische weerstand in beide richtingen, zodat men een correctiefactor moet gebruiken bij de dimensionering. Alle drie systemen zijn mogelijk, men moet alleen rekening houden met de haalbare vermogens. Dat effect is al bekend uit de verwarming, waar pakweg een tegelvloer een lagere thermische weerstand heeft dan houtparket.

Redactie: Frank Hartmann

Illustraties: BDH