Verwarming, ventilatie en airconditioning
Verwarming, ventilatie en airconditioning Traditioneel gezien werden de niet-industriële ventilatiesystemen als verwarming, ventilatie en airconditioning gemaakt om het volgende te controleren: temperatuur vochtigheid geuren
Achtergrondinformatie Er zijn verschillende systemen en methoden voor ventilatie afhankelijk van de eisen. Hoe de temperatuur en de luchtsnelheid zijn geregeld hangt af van het ventilatiesysteem.
Feiten Ongeveer 30% van de energie die geleverd wordt aan gebouwen gaat verloren aan uitgaande ventilatie en luchtexfiltratie. De hoeveelheid verbruikte energie hangt af van: het ventilatiedebiet de hoeveelheid airconditioning die nodig is voor thermisch comfort (verwarming en koeling) de werking van mechanische ventilatiesystemen vereiste luchtvochtigheid
Onderdelen van een luchtbehandelingskast Een luchtbehandelingskast bestaat uit de volgende onderdelen: Ventilatoren Luchtfilters Verwarmingsbatterijen Warmteterugwinningssystemen Regelsystemen Klik op de onderdelen voor meer informatie Een ventilatiesysteem bestaat uit verschillende onderdelen. Alle onderdelen zijn belangrijk als we het hebben over energie-efficiëntie. Veel onderdelen worden tijdens de ontwerpfase gekozen, maar tijdens de uitvoering worden onderdelen vaak onderhouden of verplaatst.
Ventilatoren De ventilatoren worden gebruikt voor het transporteren van verse lucht uit aanzuigpunten. Deze lucht wordt door een kanalensysteem getransporteerd naar de te ventileren ruimte. Elke ventilator moet de druk (weerstand) overbruggen die wordt veroorzaakt door het forceren van lucht door kanalen, bochten en andere ventilatie onderdelen. De weerstand geeft een drukval en deze is een bepalende factor bij het selecteren van elke individuele ventilator. Ventilatoren kunnen worden verdeeld in een aantal hoofdgroepen op basis van de vorm van de waaier en het principe: Radiaalventilatoren Axiaalventilatoren
Radiaalventilatoren Radiaalventilatoren worden gebruikt als er een zeer hoge druk nodig is. De specifieke kenmerken van een radiaalventilator worden hoofdzakelijk bepaald door de vorm van de schoep. Er zijn vier soorten: Achterovergebogen schoepen Achterovergebogen rechte schoepen Rechte radiaal schoepen Voorovergebogen schoepen Achterovergebogen schoepen (B-waaier) - De capaciteit die kan worden geleverd door deze waaier, varieert enorm onder invloed van druk. Door de vorm van de schoepen is deze uitvoering minder geschikt voor vervuilde lucht. De efficiëntie is 80% haalbaar bij een laag blijvend geluidsniveau. Achterovergebogen rechte schoepen(P-waaier) - Ventilatoren met deze schoepenvorm zijn geschikt voor vervuilde lucht. Er kan een efficiëntie worden bereikt tot 70%. Rechte radiaal schoepen (R-waaier) - De schoepenvorm voorkomt dat er vuil aan de waaier kan blijven plakken. Er kan niet meer dan 55% efficiëntie worden bereikt met dit type ventilator. Voorovergebogen schoepen (F-waaier) - De capaciteit van radiaalventilatoren met voorovergebogen schoepen wordt vrijwel niet beïnvloed door veranderingen in de druk. De waaier is kleiner dan de B waaier en de ventilatorunit heeft daardoor minder ruimte nodig. Een efficiëntie van ongeveer 60% kan worden bereikt.
Axiaalventilatoren De simpelste uitvoering van een axiaalventilator is een propeller ventilator. Een vrij draaiende ventilator van dit type heeft een slechte efficiëntie, dus de meeste worden in een cilindrisch huis gebouwd. De efficiëntie kan ook worden verhoogd door het aanbrengen van richtschoepen direct achter de waaier voor het beter geleiden van de lucht. De efficiëntie die kan worden bereikt zonder richtschoepen is 75% en tot 85% met richtschoepen. Een andere soort axiaalventilator is een kruisstroomventilator. In een kruisstroomventilator stroomt de lucht recht door de waaier, zowel de in- en uitstroom zijn in de periferie van de waaier. Ondanks de kleine afmetingen, kan de waaier grote volumes verplaatsen en is geschikt voor het inbouwen in compacte ventilatiekasten, zoals bijvoorbeeld luchtgordijnen. Er kan een efficiëntie worden bereikt van 65%.
Efficiëntie van ventilatoren Ventilatoraansluitingen op de inlaat en uitblaaszijde moeten worden aangebracht op een speciale manier om verliezen te voorkomen. Als vuistregel geldt: Er moet minimaal 1 x de kanaaldiameter aan de zuigzijde (inlaat) en 3 x de kanaaldiameter aan de drukzijde (uitlaat) zijn.
Efficiëntie van ventilatoren Radiaalventilatoren moeten tenminste 5 keer groter zijn aan de zuigzijde (inlaat) en dezelfde grootte hebben als de kanaaldiameter aan de drukzijde (uitlaat). Als de ventilator anders wordt aangesloten, kan er een groter drukverschil ontstaan. Deze extra drukval noemt men het systeemeffect of systeemverlies, en kan ervoor zorgen dat de ventilator een kleinere capaciteit heeft.
Specific Fan Power Er zijn stringente eisen wat betreft het energieverbruik in een gebouw zodat deze zo efficiënt mogelijk is voor het minimaliseren van de energiekosten. Daarom is er een speciaal concept geïntroduceerd bekend onder de naam Specific Fan Power (SFP) als een meting voor de efficiëntie van een ventilatiesysteem. De SFP voor een heel gebouw kan worden gedefinieerd als het totale energieverbruik van alle ventilatoren in het ventilatiesysteem gedeeld door de totale luchtstroom door het gebouw. Hoe lager de waarde, hoe hoger de efficiëntie van het systeem bij het transporteren van de lucht.
Specific Fan Power Om de SFP te berekenen heb je de volgende gegevens nodig: Elektrische vermogen (Power) van de ventilator van het net (kW) Capaciteit (Volume) (m3/s) SFP = P/V (kW/(m3/s))
Luchtfilters Er zijn twee redenen om filters te gebruiken in een luchtbehandelingskast: Ter voorkoming van het binnenkomen van vervuiling in het gebouw Vervuiling voorkomen van de onderdelen in de luchtbehandelingskast. Het vermogen de filters om deeltjes te vangen noemt men de stofvang capaciteit en filters worden vaak in drie categorieën verdeeld afhankelijk van deze capaciteit: Groffilter EU1 to EU4 Fijnfilter EU5 to EU9 Absoluutfilter EU 10 to EU 14.
Luchtfilters Er wordt zowel glasfiber als synthetische materiaal gebruikt voor filters. Het blijkt dat glasfiber filters een betere stofvang capaciteit heeft gedurende de levensduur. Het is belangrijk het filter vrij te houden van vocht omdat dit de karakteristieken van het filtermateriaal en de stofopvangcapaciteit aantast. Glasfiberfilters zijn ontvankelijker voor vocht dan synthetische filters.
Verwarmingsbatterijen In de meeste situaties is de buitenlucht kouder dan de gewenste inblaastemperatuur, zodat het vaak nodig is de inblaaslucht op te warmen. De lucht kan worden opgewarmd met een verwarmingsbatterij, hetzij met warmwater, hetzij met een elektrische batterij.
Elektrische verwarmingsbatterij Een elektrische verwarmingsbatterij bestaat uit een aantal metalen spiralen. Deze hebben een elektrische weerstand waardoor de elektrische energie wordt omgezet in warmte. De voordelen van een elektrische verwarmingsbatterij zijn: Kleine drukval Eenvoudig te berekenen vermogen Goedkoop te installeren Het grootste nadeel is: Dat de metalen elementen door de traagheid na het uitschakelen nog een lange tijd verwarmen en dat deze daardoor met een oververhittingsbeveiliging uitgerust dienen te zijn.
Warmwater batterij Tegenstroom warmwater batterijen zijn de meest gebruikte warmwater batterijen in ventilatie apparaten. Het water loopt in rechte hoeken en stroomt tegen de luchtstroom in. Het water wordt getransporteerd van beneden naar boven door de batterij waardoor de lucht in de batterij naar het hoogste punt wordt getransporteerd en eenvoudig kan worden ontlucht door een ontluchtingsventiel.
Warmteterugwinningssystemen In een ventilatie installatie is het vaak economisch om te proberen de warmte terug te winnen uit de afgezogen lucht en te gebruiken om de toevoerlucht op te warmen. Er zijn verschillende methodes om dit te doen: Terugwinunits met platenwisselaar Terugwinunits met warmtewiel (rotor) Terugwinunits met waterbatterijen Terugwinunits met kamers Warmtebuis
Terugwinunits met platenwisselaar De afzuiglucht en inblaaslucht passeren elkaar aan weerskanten van een aantal platen of lamellen. De afzuig en toevoerlucht zouden niet met elkaar in contact mogen komen, maar in de praktijk is aangetoond dat er altijd een kleine hoeveelheid lekkage is. Er kan sprake zijn van condensvorming bij een platenwisselaar, zodat deze een condens afvoer dienen te hebben. Door deze condensvorming is er ook een serieuze kans op ijsvorming, zodat er een ontdooifunctie aanwezig dient te zijn. De warmteterugwinning kan worden geregeld door middel van een bypassklep die de inlaat van de afgezogen lucht regelt. Efficiëntie: 50-85%
Terugwinunits met warmtewiel (rotor) De warmte wordt uitgewisseld door een warmtewiel tussen afzuig en toevoerlucht. Dit is een open systeem en er is een kans aanwezig dat vervuiling en geuren overgebracht kunnen worden van de afzuiglucht aan de toevoerlucht, wat tot een zeker niveau kan worden voorkomen door het goed opstellen van de ventilatoren. De warmteterugwinning kan worden geregeld door het laten toe of afnemen van de draaisnelheid. Er is een zeer kleine kans van ijsvorming in de rotor. Efficiëntie: 75-90%
Terugwinunits met waterbatterijen Water, of water vermengd met glycol, circuleert tussen ene waterbatterij in de afzuiglucht en een waterbatterij in de toevoerlucht. De vloeistof in de afzuiglucht wordt opgewarmd zodat het kan worden overgebracht op de toevoerlucht. De vloeistof circuleert in een gesloten systeem en er is geen risico voor het overbrengen van vervuiling van de afgezogen lucht op de toegevoerde lucht. De warmteterugwinning kan worden geregeld door het laten toe of afnemen van de watercapaciteit. Efficiëntie: 45-60%
Terugwinunits met kamers Een kamer is verdeeld in twee delen door een klep. De afzuiglucht warmt een deel van de kamer op, dan verandert de klep de luchtstroom zodat de toevoerlucht wordt opgewarmd door de warme zijde van de kamer. Vervuiling en geuren kunnen worden overgebracht van de afzuiglucht op de toevoerlucht. Efficiëntie: 80-90%
Warmtebuis Dit warmteterugwinsysteem bestaat uit een gesloten systeem van buizen gevuld met een vloeistof die verdampt als het wordt opgewarmd door de afzuiglucht. Als de toevoerlucht de buizen passeert, condenseert de damp weer. Er kan geen vervuiling worden overgedragen. Efficiëntie: 50-70%
Regelsystemen Idealiter zouden gebouwen een minimaal aantal HVAC (Heating, Ventilation, Airconditioning) systemen moeten hebben. Echter de meeste modern stedelijke gebouwen, met hun locatie en constructiebeperkingen, vereisen meer uitgebreide elektrische en mechanische systemen met automatische controle.
Regelsystemen De beste regelstrategie geeft gasten de mogelijkheid direct op een simpele en begrijpbare manier gebruik te maken van de functies van het gebouw, zoals ramen en zonneschermen. Regels moeten directe feedback geven op de effecten van de handelingen. Regels moeten niet de aandacht van de gasten trekken voor veiligheid, gezondheidscondities, lage energieverbruik en operationele kosten. Automatische regelingen voor gebouwen moeten ervoor zorgen dat de gebouwen een efficiënte werking hebben ongeacht het gedrag van de gasten.
Waarom ventileren? Goede ventilatie zorgt voor een gezond en fris binnenklimaat door het verwijderen en verdunnen van verontreinigende stoffen in een ruimte. Maar het moet niet worden gebruikt als basismiddel voor een goede controle van verontreinigende stoffen. Bovendien wordt ventilatie ook nog gebruikt voor verkoeling (vooral woningen) en om verbrandingsapparaten te voorzien van zuurstof. Goede ventilatie draagt sterk bij aan het welzijn en de comfort van de gasten in het gebouw.
Hoe werk ventilatie? Ventilatie wordt bereikt door de ruimte te voorzien van ‘schone’ lucht. Deze lucht wordt gemixt met de lucht die al in de ruimte aanwezig was wat zorgt voor een ‘mixende’ of ‘verdunnende’ ventilatie of deze lucht wordt gebruikt om lucht te ‘verplaatsen’ wat leidt tot ‘verplaatsende’ of ‘afzuigende’ ventilatie. Deze technieken leveren kenmerkend verschillende verontreinigings-profielen op.
Soorten ventilatie Ventilatie kan op twee manieren gerealiseerd worden: Natuurlijke ventilatie. Mechanische ventilatie
Natuurlijke ventilatie In het verleden domineerde natuurlijke ventilatie. De voordelen hiervan zijn: simpele onderdelen lage investeringskosten vrijwel geen operationele kosten De nadelen hiervan zijn: weinig regelbaarheid temperatuurschommelingen niet zo effectief tijdens warme, vochtige zomermaanden moeilijk in te bouwen snel warmteverlies
Natuurlijke ventilatie Er zijn veel kantoorgebouwen in Europa die gebruikmaken van natuurlijke ventilatie om te voldoen aan de wensen omtrent koeling. In Noord-Amerika zijn natuurlijke ventilatiesystemen een trend en veel nieuwe gebouwen hebben bedienbare ramen. Het niet gebruikmaken of vermijden van mechanische airconditioning is moeilijk in warme, vochtige klimaten maar is mogelijk in de meeste andere klimaten.
Mechanische ventilatie Mechanische ventilatie zorgt ervoor dat de ruimte wordt voorzien van verse lucht. Door middel van een speciale ventilator zorgt de mechanische ventilatie ervoor dat de vervuilde lucht in de ruimte naar buiten wordt afgevoerd. De lucht wordt dus ververst. Er kan zelf geregeld worden hoeveel lucht er wordt afgezogen. Sommige systemen zijn voorzien van een warmteterugwininstallatie. De potentiële voordelen van mechanische ventilatie wegen vaak niet op tegen de installatie- en operationele kosten, nodige onderhoud en onvoldoende rendement van warmteterugwinning, met name voor kleinere gebouwen. Mechanische ventilatie is vaak essentieel in hele grote kantoorgebouwen waar de frisse lucht moet doordringen tot het midden van het gebouw.
Ventilatiedebiet De hoeveelheid ventilatie die nodig is hangt af van de hoeveelheid en aard van de vervuiling in de lucht. Om te bepalen hoeveel ventilatie er nodig is, is het handig om de dominante vervuilde stoffen te identificeren. Dit zijn de verontreinigde stoffen waarvoor de grootste hoeveelheid ventilatie nodig is om ze te verwijderen.
Voorbeeld ventilatiedebiet Voorbeelden van debieten worden in onderstaande tabel gegeven: Ventilatiedebieten worden omschreven in de Europese Standaard EN15251
Evaluatie van het energieverbruik Evalueren van het energieverbruik luchtverwarming luchtventilatie Je zult vaak zien dat de hoeveelheid energie voor verwarming even hoog is als voor verplaatsing Energie voor verwarming hangt af van: Luchtvolume Temperatuur van binnen- en buitenlucht Warmteterugwinning Aantal uren dat het in bedrijf is Energie voor ventilatie hangt af van: Vermogen voor ventilatoren
Evaluatie van het energieverbruik How to find data for the energy consumption
Evaluatie van het energieverbruik A. Verwarming: Je berekent het energieverbruik met de volgende formule: E [kWh] = (c x ) x [m3/s] x [ C] x (1 – ŋ) x [h] (c x ) = 1,21 kJ/m3xC B. Luchtventilatie: E [kWh] = [kW] x [h]
Voorbeeld A. Basisgegevens - Verwarming: Luchtvolume: 2.4 m3/s Temperatuur buitenlucht jaarlijks gem.: + 8 C Temperatuur binnenlucht: + 20 C Warmteterugwinning efficiëntie: 0.7 Aantal uren in bedrijf: 60 uur/week x 52 weken = 3120 h Energieverbruik voor verwarming: 1.21 [kJ/m3xC] x 2.4 [m3/s] x (20 – 8) [ C] x (1 – 0.7) x 3120 [h] E = 32618 kWh
Voorbeeld B. Basisgegevens - Luchtventilatie: Vermogen ventilatoren: 8 kW Aantal uren in bedrijf: 60 uur/week x 52 weken = 3120 h Energieverbruik voor luchtventilatie: E = 8 [kW] x 3120 [h] E = 24960 kWh
Voorbeeld Energieverbruik voor verwarming: 32618 kWh Energieverbruik voor luchtventilatie: 24960 kWh Totale energieverbruik: 57578 kWh
Energie besparen Het energieverbruik van ventilatie is het product van vermogen (kW) en tijd in uren (h). Het belangrijkste is dus om ofwel het vermogen ofwel het aantal uren dat het in bedrijf is te verminderen. Bij de vermindering van beide moet er zorgvuldig voor worden gezorgd dat de kwaliteit van de binnenlucht acceptabel blijft. Energie kan worden bespaard door: Uitschakelen Langzamer zetten Kies onderdelen met de beste efficiëntie Gebruik een regelsysteem
Energiebesparing - 1. Uitschakelen De eenvoudigste manier om het energieverbruik te verminderen is door het uit te schakelen wanneer er geen ventilatie niet nodig is. Er zijn verschillende manieren om dit te regelen: Handmatig uitschakelen Tijdschakelaar Vraaggestuurde ventilatie Regelsysteem
Energiebesparing – 1. Uitschakelen De eenvoudigste manier om het energieverbruik te verminderen is door het uit te schakelen wanneer er geen ventilatie nodig is. Er zijn verschillende manieren om dit te regelen. Handmatig uitzetten ...van de ventilator of het ventilatiesysteem: Deze manier is de goedkoopste omdat er geen investering nodig is. Maar omdat deze manier afhankelijk is van mensen, is dit de minst betrouwbare manier. Voorbeelden: Uitschakelen tijdens de lunch, pauzes, etc. Tijdschakelaar Vraaggestuurde ventilatie Regelsysteem
Energiebesparing – 1. Uitschakelen De eenvoudigste manier om het energieverbruik te verminderen is door het uit te schakelen wanneer er geen ventilatie nodig is. Er zijn verschillende manieren om dit te regelen. Handmatig uitschakelen Tijdschakelaar ...op de ventilator of het ventilatiesysteem: Voor het gebruik in speciale ruimtes of kamers die op verschillende tijden worden gebruikt of bezet dan de rest van het gebouw (of systeem). Voorbeeld: Vergaderruimtes. Vraaggestuurde ventilatie Regelsysteem
Energiebesparing – 1. Uitschakelen De eenvoudigste manier om het energieverbruik te verminderen is door het uit te schakelen wanneer er geen ventilatie nodig is. Er zijn verschillende manieren om dit te regelen. Handmatig uitschakelen Tijdschakelaar Vraaggestuurde ventilatie: De luchtstroom wordt geregeld door een aanwezigheidssensor. Als er geen mensen aanwezig zijn, wordt het systeem na een bepaalde tijd uitgeschakeld. Regelsysteem
Energiebesparing – 1. Uitschakelen De eenvoudigste manier om het energieverbruik te verminderen is door het uit te schakelen wanneer er geen ventilatie nodig is. Er zijn verschillende manieren om dit te regelen. Handmatig uitschakelen Tijdschakelaar Vraaggestuurde ventilatie Regelsysteem: Stel het regelsysteem van het gebouw in voor periodes waarin het systeem zou moeten worden uitgeschakeld. Dit kan vaak in het algemene gebouwbeheersysteem.
Voorbeeld ventilatiedebieten Kantoorgebouw 2000 m2 Verwarmingscapaciteit voor ventilatie 45 kW Ventilatie Voor 24 uur per dag, 7 dagen per week (168 uur per week) Warmeterugwinning 0 % Energieverbruik 420000 kWh (100%) Uitschakelen 12 uur 5 dagen (Ma-Vr) 18 uur 1 dag (Za) 24 uur 1 dag per week (Zo) Van 168 tot 66 uur per week Uitschakelen voor 102 uur Energieverbruik 165000 kWh (40%) Energiebesparing 255000 kWh (60%) De energie die nodig is voor de elektrische motoren om de ventilatoren aan te drijven moet ook in beschouwing worden genomen. Dit zal een vergelijkbaar percentage aan energiebesparing laten zien.
Energiebesparing – 2. Langzamer zetten In plaats van het systeem uit te schakelen, kan het ventilatiesysteem ook de luchtstroom verminderen zonder dat dit het binnenklimaat hierdoor merkbaar verandert. Er kan eenvoudig bespaard worden door de luchtstroom te verlagen.
Voorbeeld ventilatiedebiet Kantoorgebouw 2000 m2 Ventilatie Voor 24 uur per dag, 7 dagen per week (168 uur per week) Warmteterugwinning 0 % Energieverbruik 420000 kWh (100%) Langzamer zetten Voor 24 uur per dag, 7 dagen per week (168 uur per week) Verminderde Ventilatiedebiet Van 10000 m3/h tot 7000 m3/h Energieverbruik 295000 kWh (40%) Energiebesparing 125000 kWh (60%)
Energiebesparing – 3. Kies onderdelen met de beste efficiëntie Alle van de volgende onderdelen zijn belangrijk wanneer we het hebben over energie-efficiëntie: Ventilatoren: De efficiëntie van ventilatoren kan liggen tussen de 80-85%, maar een verkeerde keuze en/of grootte van een ventilator kan resulteren in een efficiëntie van beneden de 50%! Luchtfilters: Je moet ervoor zorgen dat de filters goed werken, maar ook moeten de individuele onderdelen van het hele systeem regelmatig schoongemaakt worden. Bijvoorbeeld: de efficiëntie van warmteterugwininstallatie dat onder het stof zit daalt van 80% tot 20%. Warmteterugwinning: Zorg ervoor dat het warmteterugwinningssysteem zo werkt zoals het moet werken.
Energiebesparing – 4. Gebruik van regelsystemen De potentiële energiebesparing door het gebruik van regelsystemen kan oplopen tot 60% van de energiekosten van de ventilatie, afhankelijk van: Type gebouw en het gebruik ervan Lokale klimaat Regelsystemen:
Koeling Vooral in grote commerciële kantoorgebouwen is veel warmte door verlichting, computers en andere elektrische bronnen. Verder komt er warmte van de mensen die het gebouw bezetten, van zonnestraling en van hoge buitentemperaturen. Deze factoren maken het verkoelen van de binnenlucht essentieel. De keuze is ofwel mechanische koeling of airconditioning. In ieder geval moet warmte worden geminimaliseerd door een goede constructie van het gebouw en minder stroomverbruik. Mechanische koeling is energie-intensief en draagt bij aan een heel hoog verbruik van stroom. Wanneer er mechanische koeling nodig is, moet ventilatie worden geminimaliseerd om onnodig verlies van gekoelde lucht te voorkomen.