Energie-efficiënte gebouwen en HVAC

Innovatieacademie Duurzaam Bouwen

02.10.2015

Prof.dr.ir.-arch. Dirk Saelens

2

Inhoud

Opbouw presentatie

2 basisthema’s worden toegelicht

Per thema worden enkele belangrijke tendensen en aandachtspunten uitgelicht, die dienen als basis voor de brainstormsessie die erop volgt

3

Inhoud

Energie efficiëntie in individuele gebouwen

Verwarming

Ventilatie

4

Inhoud

Energie efficiëntie in individuele gebouwen

Energie efficiëntie voorbij individuele gebouwen

Integratie van hernieuwbare energie

Volgende generatie thermische netwerken

Smart grids

5

Energie efficiëntie in individuele gebouwen

Maatregelenpakketten voor E60 en E30 woningbouw in Vlaanderen en Brussel

Betaalbaarheid

6

Betaalbaarheid

7

Betaalbaarheid

8

Trias Energetica

9

• Trias energetica: samenspel tussen bouwkundige en installatietechnische ingrepen

Verminderen van de

energievraag

Gebruik van hernieuwbare

bronnen

Efficiënt gebruik van

klassieke bronnen

Trias Energeticas

Maatregelenpakketten

Gebouwschil constant: K35 en luchtdichtheid V50 = 4 of 2

Gebruikte technieken:

Radiatoren/Vloerverwarming

Ventilatie (Vraaggestuurde A, Vraaggestuurde C en D)

Opwekkingstoestellen

Ketels (Standaardketel en condensatie ketel zonder vermelding brandstof)

Warmtepompen (Lucht/Lucht, Lucht/Water, Geothermisch)

Houtkachels

Actieve en passieve koeling (opengaande ramen)

Zonwering (Structurele + doekzonwering)

Zonneboilers

Photovoltaïsche panelen

Prijzen zijn inclusief BTW

10

11

Laag-temperatuur-radiatoren: Tv/Tr: 45/35 °C

Warmteverliesberekening met stavings-stuk

Combinatie met vloerverwarming mogelijk

Thermostaatventielen

Radiatoren

12

In combinatie met warmtepompen: Tv/Tr: 40/35°C

Nauwkeurige warmteverliesberekening om ideale legafstand te bepalen

Debietinregeling om juiste afgiftes te garanderen

Combinatie met radiatoren mogelijk

Zone-regeling per ruimte

Toepasbaarheid bij renovatie: lage-opbouw-systemen of freessystemen

Vloerverwarming

13

Betrouwbaar en duurzaam

Geluidloos

Geen elektriciteitsverbruik

Geen onderhoudskosten

Eenvoudige installatie

A-systemen met vraagsturing

14

C-systemen met vraagsturing

Hoge energiebesparing door vraagsturing

Sturing op luchtkwaliteit (CO2/RV/VOC) en gebruikersgedrag

Laag elektriciteitsverbruik (EC ventilator)

Lage onderhoudskosten

Eenvoudige installatie

15

Hoog-rendement-warmterecuperatie: ŋ ≥ 𝟕𝟗%

EC-ventilatoren: laag e-verbruik

Automatische debiet-regeling

Inregeling ventielen door installateur

Volledige bypass

D-systemen met warmte-recuperatie

16

Energiebesparend, want verlaagt de behoefte aan actieve koeling

Behoud comfortabel binnenklimaat

Noodzakelijk tegen oververhitting in goed geïsoleerde woningen

Zonnewinsten in tussenseizoen en tijdens de winter

Automatische sturing mogelijk

Tgv structurele zonwering kan gevel blikvanger worden

Buitenzonwering

Zomerzon Winterzon

17

Maatregelenpakketten 2014

(E60)

Variant 1 Variant 2 Variant 3 Variant 4

Warmte-isolatie: K-peil 35 35 35 35

Benutting thermische massa x x x x

Luchtdichtheid V50 4 4 4 4

Vloerverwarming x x x x

Radiatoren x x x x

Opwekkingstoestel Condensatieketel Condensatieketel Condensatieketel Condensatieketel

Beperken lengte tapleidingen x x x x

Ventilatie

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,40)

D (WTW 79%) (fDC=1,00)

Koeling via opengaande ramen x x x x

Passieve koeling

Zonwering x x x x

PV-panelen 1500Wp

Zonneboiler 4,78m² 4,78m² 4,78m²

Hernieuwbare Energie ja ja ja neen ja neen

E-peil 55 (60) 54 (60) 53 (60) 51 (60) 49 (60) 53 (54) 49 (60) 54 (54)

Binnen budget 250000 - 300000 € 280 000 € 275 000 € 280 000 € 280 000 €

of of of of

Condenserende ketels

Hoog rendement – tot 109%

Modulatie van de brander biedt altijd optimaal rendement

Compacte uitvoeringen (gaswandketels)

Beschikbaar met geïntegreerde boiler

19

Warmtepompen

Zeer energiezuinig voor verwarming op jaarbasis in combinatie met lage temp afgiftesysteem

Mogelijkheid tot koeling

Blijvend comfort zelfs bij extreem lage buitentemperaturen

Combinatie mogelijk met afvoer ventilatie- of zonthermisch systeem

Drink

water

Verwarmingscircui

t

Warmtepomp

Douch

e

80%

80%

20%

20%

20

Variant 5 Variant 6 Variant 7 Variant 8

Warmte-isolatie: K-peil 35 35 35 35

Benutting thermische massa x x x x

Luchtdichtheid V50 4 4 4 4

Vloerverwarming x x x x

Radiatoren x

Opwekkingstoestel

Pref: WP buitenlucht/water

COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektrische weerst.

Pref: WP buitenlucht/water

COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektrische weerst.

Pref: WP menglucht /water

COP = 3,7 SPF=3,26 SPF=4,00

Niet-pref: Condensatieketel

Pref: WP buitenlucht/water

COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektr. Weerst.

Beperken lengte tapleidingen x x x x

Ventilatie

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,65)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,65)

D (WTW 79%) (fDC=1,00)

Koeling via opengaande ramen x x x x

Passieve koeling

Zonwering x x x x

PV-panelen

Zonneboiler

Hernieuwbare Energie ja ja neen ja ja

E-peil 43 (60) 43 (60) 51 (54) 45 (60) 42 (60)

Binnen budget 250000 - 300000 € 285 000 € 285 000 € 280 000 € 285 000 €

Maatregelenpakketten 2014 (E60)

of

21

Geothermische warmtepompen Verwarming + Passieve koeling + SWW

Grondboring • Constante temperatuur doorheen het jaar

• Minder plaats nodig

Horizontaal captatienet • Geen nood aan boringen

• Kost effectieve installatie

22

23

Warmtepomp systeem Alternatief klassiek warmtepomp: bodemgekoppelde warmtepomp

Onderzoek in Smart Geotherm project IWT VIS traject (2011-2016) www.smartgeotherm.be

Geothermische warmtepompen

PV-panelen en zonneboilers

• Een zonneboiler kan 2/3 van de

jaarlijkse behoeftes in SWW opvangen

• Neemt weinig ruimte in en is

gemakkelijk te plaatsen

• Kan gebruikt worden in combinatie met

vloerverwarming en LT-radiatoren

• Premies

24

• Lagere energierekening

• Snelle terugverdientijd

• 3 verschillende types silicium zonnecellen: • Monokristallijn: duurste systeem maar hoogste

opbrengst

• Multikristallijn: goedkoper maar opbrengst is iets

lager

• Amorf: betere opbrengst in onze streken,

maar vereist wel grotere oppervlakte

• Autonoom of net-gekoppeld

• Let op met oriëntatie en beschaduwing

• Premies

Variant 1 Variant 2 Variant 3

Warmte-isolatie: K-peil 35 35 35

Benutting thermische massa x x x

Luchtdichtheid V50 2 2 2

Vloerverwarming x x x

Radiatoren x

Opwekkingstoestel

Pref: WP buitenlucht / water COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektrische weerst.

WP grond / water COP=4,6 SPF=4,98

Pref: WP menglucht / water COP = 3,7

SPF=4,0 SPF=3,26 Niet-pref: Condensatieketel

Beperken lengte tapleidingen x x x

Ventilatie

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,65)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,40)

Koeling via opengaande ramen x x x

Passieve koeling x

Zonwering x x x

PV-panelen 1800Wp 1500Wp 1800Wp 3500Wp

Zonneboiler 4,78m² 4,78m²

Hernieuwbare Energie ja ja ja

E-peil 26 (30) 28 (30) 26 (30) 27 (30)

Binnen budget 250000 - 300000 € 295 000 € 300 000 € 290 000 € / 285 000 €

Maatregelenpakketten 2021 (E30)

of

25

Variant 4 Variant 5 Variant 6

Warmte-isolatie: K-peil 35 35 35

Benutting thermische massa x x x

Luchtdichtheid V50 2 2 2

Vloerverwarming x x

Radiatoren x

Opwekkingstoestel Condensatieketel Condensatieketel Condensatieketel

Beperken lengte tapleidingen x x x

Ventilatie

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

C vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,40)

D (WTW 79%) (fDC=1,0)

Koeling via opengaande ramen x x x

Passieve koeling

Zonwering x x x

PV-panelen 4500Wp 3500Wp 3800Wp

Zonneboiler 7,20m² 4,78m² 4,78m²

Hernieuwbare Energie ja ja ja

E-peil 26 (30) 26 (30) 26 (30)

Binnen budget 250000 - 300000 € 290 000 € 290 000 € 290 000 €

Maatregelenpakketten 2021 (E30)

26

Variant 7 Variant 8 Variant 9

Warmte-isolatie: K-peil 35 35 35

Benutting thermische massa x x x

Luchtdichtheid V50 2 2 2

Vloerverwarming x x x

Radiatoren

Opwekkingstoestel

Pref: WP buitenlucht / water COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektrische weerst.

Pref: WP buitenlucht / water COP=3,7 SPF=4,12

Niet-pref: elektrische weerst.

WP grond / water COP=4,6 SPF=4,98

Beperken lengte tapleidingen x x x

Ventilatie

A vraaggestuurd (P3)

(fDC=0,80)

D (WTW 79%) (fDC=1,0)

D (WTW 79%) (fDC=1,0)

Koeling via opengaande ramen x x x

Passieve koeling x

Zonwering x x x

PV-panelen 2800Wp 2500Wp 1500Wp

Zonneboiler

Hernieuwbare Energie ja ja ja

E-peil 26 (30) 25 (30) 27 (30)

Binnen budget 250000 - 300000 € 290 000 € 295 000 € 300 000 €

Maatregelenpakketten 2021 (E30)

27

28

Simulatie hydronische WP installatie (zonder buffers) Voorbeeld: simulatie van een woning

3 energie-niveaus: K14 (n50 = 0.6 h-1); K24 (n50 = 2.3 h-1); K34 (n50 = 4.0 h-1)

2 gebouwtypes: massiefbouw – houtskeletbouw

R. Houben, K. Vangerven (2011). De (on)zin van de elektrisch verwarmde woning, Eindwerk KU Leuven (sup. D. Saelens)

Invloed gebouw op installatie

29

Simulatie hydronische WP installatie (zonder buffers) Rendement installatie: hangt af van isolatie en tijdstip

Efficientie elektrische verwarming (primair)

R. Houben, K. Vangerven (2011). De (on)zin van de elektrisch verwarmde woning, Eindwerk KU Leuven (sup. D. Saelens)

Invloed gebouw op installatie

30

Weinig verschil tussen massiefbouw en houtskeletbouw

11.2 11.4

24.3 24.5

39.1 39.7

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

HSB K14 Massief K14 HSB K24 Massief K24 HSB K34 Massief K44

Pri

mai

r e

ne

rgie

verb

ruik

(kW

h/m

²a)

R. Houben, K. Vangerven (2011). De (on)zin van de elektrisch verwarmde woning, Eindwerk KU Leuven (sup. D. Saelens)

Invloed gebouw op installatie

31

Technologische aandachtspunten en tendensen

Verwarming

Meer intermitterend verwarmen: modulatie noodzakelijk

Kleinere vermogens: plaatselijke verwarming?

Lage temperatuursystemen

Snellere systemen

Grondgekoppelde (geothermische) warmtepompen

Integratie van warm water (zeker i.c.m. warmtepomp)

32

Technologische aandachtspunten en tendensen

Ventilatie

Warmterecuperatie met WTW

Warmterecuperatie met verdamper op extractielucht

Vraagsturing

Tochtproblemen bij A, C

Onderhoud

Kwaliteit uitvoering

Akoestische problemen

Combinatie met verwarming

33

Technologische aandachtspunten en tendensen

Installaties en gebouwen

Hoe integreren?

Meer installaties

Combinatie ventilatie en verwarming

Prefabsystemen incl. installaties

Akoestische problemen

Kwaliteit van uitvoering

Onderhoud mogelijk houden

34

Inhoud

Inleiding

Energie efficiëntie in individuele gebouwen

Energie efficiëntie voorbij individuele gebouwen

Integratie van hernieuwbare energie

Volgende generatie thermische netwerken

Smart grids

Nieuwe Europese Richtlijnen

Europese regelgeving Energy Performance of Buildings Directive EPBD 2002 (Directive 2002/91/EC)

leidt tot EPB regelgeving 2006: eisen aan primair energie gebruik in gebouwen (E-peil)

Energy Performance of Buildings Directive EPBD 2010

(Directive 2010/31/EU )

leidt tot invoering van (bijna) energie neutrale gebouwen (BEN) tegen 2021 + verplichting om hernieuwbare energie te gebruiken

35

36

Combination of heat pumps and PV-modules

Some problems, …

~6 kWe

~7.2 kWe

~2.4 kWe~4.2 kWe

~2.8 kWe~2.2 kWe

~3.2 kWe~4.2 kWe

∑ 32.2 kWe

Towards Zero Energy Buildings

37

Analysis of the impact of Zero Energy Buildings

• Modeling of electricity use:

o Heating with a heat pump

o Stochastic use of appliances

• ZEB definition: total energy use is covered with the production of electricity from roof integrated PV

R. Baetens, R. De Coninck, J. Van Roy, B. Verbruggen, J. Driesen, L. Helsen, D. Saelens, Assessing

electrical bottlenecks at feeder level for residential net zero-energy buildings by integrated system

simulation, Applied Energy, Volume 96, August 2012, Pages 74-83, ISSN 0306-2619,

10.1016/j.apenergy.2011.12.098.

Tools Example: IDEAS

38

Integrated District Energy Assessment Simulations

Modelica

Object-oriented software

Developed in-house

Tools Example: IDEAS

39

Integrated District Energy Assessment Simulations

Developed in Modelica environment

Object-oriented software

Developed in-house

Virtual test-bed for assessing new energy concepts in Intelligent Energy Efficient Buildings & Cities

Assessment of interaction between systems

Emulator for controllers

Testing of behavior of new devices

…

Tools Example: IDEAS

40

PV integration in districts

Integrated District Energy Assessment by Simulation (IDEAS)

Modelica environment to assess PV integration in districts

R. Baetens, R. De Coninck, J. Van Roy, B. Verbruggen, J. Driesen, L. Helsen, D. Saelens, Assessing electrical bottlenecks at feeder level for residential net zero-energy

buildings by integrated system simulation, Applied Energy, Volume 96, August 2012, Pages 74-83, ISSN 0306-2619, 10.1016/j.apenergy.2011.12.098.

41

Solar paradox: mismatch between supply and demand

Reynders, G., Nuytten, T., Saelens, D. (2013). Potential of structural thermal mass for demand-side management in dwellings. Building and Environment.

Example: IDEAS

42

Solar paradox: mismatch between supply and demand

Virtual storage in the grid

OPERATIVE TEMPERATURE (°C) NET POWER EXCHANGE(KW)

BOILER TEMPERATURE (°C) FEEDER VOLTAGE (V)

Baetens, R., Saelens, D. (2013). Multi-criteria grid impact evaluation of heat pump and photovoltaic based zero-energy dwellings. Proceedings of Building

Simulation 2013. International Conference of the International Buildings Performance Simulation Association. Chambéry, France, 25-28 August 2013

Example: IDEAS

43

Effective nZEB-level compared against the design ZEB level on individual building level (grey) and aggregated neighborhood level (black).

R. Baetens, R. De Coninck, J. Van Roy, B. Verbruggen, J. Driesen, L. Helsen, D. Saelens, Assessing electrical bottlenecks at feeder level for residential net zero-energy buildings by integrated

system simulation, Applied Energy, Volume 96, August 2012, Pages 74-83, ISSN 0306-2619, 10.1016/j.apenergy.2011.12.098.

Example: IDEAS

4th Generation Thermal Networks

45

4th Generation Thermal Networks Background

4G Thermal Network as potential backbone for smart cities:

• Providing in the need for heat and cold production (about 50% of energy demand)

• Using the large amount of available excess waste heat/cold from industry and the increasing supply of energy from RES, geothermal, biomass, waste-to-energy

• Resulting in decreasing CO2-emissions and energy use

CO

2 g

/kW

h

46

4th Generation Thermal Networks Background

4G Thermal Network implies:

• Development of low temperature networks, able to deliver heat and cold

• Integration of innovative short and long term thermal storage systems

• Smart control and interaction with other energy networks (electricity and gas) and RES

• In parallel the cost-effectiveness must be enhanced to enable significant expansion

47

4th Generation Thermal Networks Background

4G Thermal Network Challenges: • Overall low penetration rate, unknown acceptance level by citizens

• High investment costs and economic impact

• (Trans)Formation of (thermal) energy market

• Cities as crucial players

• Legal & supporting measures (political support)

48

Optimal trajectory definition

Defines the ideal heat net cluster for a set of potential heat consumers and producers

Economic feasibility

Calculates the economic and financial feasibility of a heat net based on a number of input data

District heating related tools

49

Optimal trajectory definition

Street map (bv. OpenStreetMap.org)

Building map with building function and

heat demand

Read in and convert n Producer n Consumer n Node

1. Read geographical data

50

Optimal trajectory definition

Original n Producer n Consumer n Node

Delete ‘dead end streets’

Remove impossible routes

2. Reduce calculation time

51

Optimal trajectory definition

3. Optimization-algorithm

Smart grids

53

Some topics which are covered.

What are smart(er) grids

Why do we need smarter grids

What is the relevance for the end consumer

54

What are smart grids? SmartGrids definition

A Smart Grid is an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it – generators, consumers and those that do both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies.

Source ENTSO-E

55

Smart Grids will introduce new functions

www.smartgridnews.com

Smart grids will provide

more features to existing

grids

Higher level of interaction

Higher level of

participation

56

One European policy…

Three goals that have to converge simultaneously!

Sustainability

Security of supply Competitiveness

& affordability

The transmission grid must become smarter

57

The transmission grid must become smarter

Year 2000

~30.000 power

plants

Year 2005

~221.000 power

plants

Year 2010

~750.000 power

plants

Source 50Hz-Transmission

58

New generation paradigm

• Increasing wind generation & CHP units in Denmark

59

New generation paradigm

• Current grid = hierarchical

• One-way pipeline

• Source has no realtime info on termination points

• Peak demand reserve => inefficient use of grid

G G Generation

Transmission

Distribution Demand

Traditional one-way supply system

Supply

60

New generation paradigm

• Future grid = distributed

• Wind and solar “farms”

• Home PV + CHP+ PHEV

G G Generation

Transmission

Distribution

Demand

Traditional one-way supply system

G Generation G

Bi-directional supply system

Supply

Generation

61

Users

Energy service

providers Technology providers

Researchers

Regulators

Network

companies

Traders

Generators Governmental

agencies

Stakeholders

Relevant stakeholders

Liberalization changed the picture

62

Future of electricity demand

Rise of consumption at 1-2% a year (EU)

1250 TWh/year extra by 2030

Dependence on imported fuels?

Plug-in Hybrid Electric Vehicles?

Increased importance of electricity in the energy supply

Electricity is green

shift to more electricity

63

Technology advancement in ICT and measurement technology

Computational power has increased exponentially from the moment most grids were installed

Communication capabilities increased at the same time, both wired and wireless

Smart meters are readily available

We may know much more about our system

We may manage our system in a better way

64

o AMR – automated meter reading

o AMM – automatic meter management

• AMR + dimming, shutdown, reconnection, etc.

AMI – automated meter infrastructure

• includes bidirectional communication technology

o Smart meters

• AMM + real-time control

streaming, demand response, …

Smart metering is not smart

grid, but a grid without smart

metering cannot be “smart”

Smart metering: Is not smart grid!

65

Smart grids are an ongoing process

Former grids were not “stupid”

Current grids are “smarter”

Still evolution possible

Source IEA

66

So what is in it for the consumer

Electricity grids are regulated business, why do consumers actually care about smart grids?

Intelligence brings flexibility

Possibly new services

Flexibility is a choice

Potentially lower energy costs

Higher quality of service

Smart grids are the enablers for custom power delivery

67

The role of smart grids in demand supply

balancing

Balancing: Generation must equal load at all

times (storage is difficult)

Uncontrollable variability

Flexibility or controlled variability

Energy storage

Electric vehicles

Integrating balancing into markets

Grid services

68

Uncontrollable variability

Both load and generation have an “uncontrollable” aspect

69

Flexible Generation

Short term

Generation is typically scheduled day-ahead

Taking into account load and generation forecasts (e.g. RES)

High penetration of renewables can cause serious issues

Forecast errors need to be matched (50 Hz)

Primary reserves (immediate)

Secondary reserves (minutes) to restore primary reserves, operating generators

Tertiary reserves (spinning or non-spinning optimized use)

Generator ramping speed is determining factor

Long term

Scheduling and investment need to be considered

Adequacy of supply

How much do we need to install (both generation and transmission) in future systems with massive renewables?

Energy and capacity market

70

Flexible Demand

70

71

Source: MoMa Modellstadt Mannheim

Flexibility in household appliances:

Short term: Refrigerator and freezer

Airconditioning

Ventilation

Batteries

Electrical vehicle

Long term Boilers

Heating

Batteries

Dishwasher

Flexible Demand

72

Storage

Source: Electrical Storage

Association,

www.electricitystorage.org

Source: Prospects for Large-Scale energy

Storage In Decarbonised Power Grids;

IEA; 2009

73

“Dangers” of the smart grid

Higher complexity

Same security (communication failure?)

More data does not necessarilt mean more information

Data processing will be crucial

Many communication channels are likely to operate in parallel

Standards are needed

Cyber-security?

Ownership of measurement data and privacy

Customer acceptance is key!

74

Technologische aandachtspunten en tendensen

Integratie van hernieuwbare energie

Verschuiving naar elektriciteit als energiedrager

Gelijktijdigheid tussen vraag en aanbod opslag nodig

Problemen met het net als virtuele opslag

Volgende generatie thermische netten

Kunnen verschillende hernieuwbare bronnen koppelen input en onttrekking van energie

Laten toe op verschillende temperatuurniveaus en met variabele debieten te werken

Ontwikkeling van onderstations noodzakelijk

75

Technologische aandachtspunten en tendensen

Smart grids

Faciliteren de integratie van hernieuwbare energie

Bieden de mogelijkheid om energie en informatie uit te wisselen

Belang van opslag

ICT dient verder ontwikkeld

Privacy

Gebouwen zijn niet langer op individuele basis te evalueren

Aanpassing van wetgeving noodzakelijk

Interactie met bewoners

Nieuw soort marktwerking