IA Een innovatieve toekomst voor de bouw. Sessie 1. Dirk Saelens. Energie-efficiënte gebouwen en...
-
Upload
ikinnoveer -
Category
Business
-
view
394 -
download
0
Transcript of IA Een innovatieve toekomst voor de bouw. Sessie 1. Dirk Saelens. Energie-efficiënte gebouwen en...
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