Mei 2022
Duurzame koelsystemen kunnen voldoende comfort bieden
Van 2018 tot 2021 is in België onder de projectnaam Scools onderzoek gedaan naar de prestaties van duurzame koelsystemen in woningen, kantoren en industriële gebouwen en processen. De voorkeur bij koeling ligt nog steeds te veel op de toepassing van actieve koelsystemen terwijl duurzame alternatieven minimaal zo goed kunnen zijn. In het project zijn de prestaties van verschillende duurzame koel- en afgiftesystemen onderzocht via in situ-metingen, laboratoriumtesten en simulaties. Hieruit blijkt dat actieve koelsystemen in de meeste gevallen niet nodig zijn.
Koeling van gebouwen wordt in steeds belangrijker. Dit heeft enerzijds te maken met de opwarming van de aarde, maar anderzijds ook met de toenemende hoeveelheid glas in gebouwen en de steeds betere isolatie waardoor temperaturen binnen oplopen.
Tot nu toe werd koeling vanuit de bouwfysische hoek vooral aangepakt door actieve koelsystemen. Geen onlogische keuze gezien het feit dat deze systemen eenvoudig zijn te plaatsen en zeer effectief koelen. Belangrijke nadelen zijn echter het hoge energiegebruik en de gebruikte koelmiddelen die de opwarming van de aarde in de hand werken (GWP). Bovendien zijn ze niet in elke situatie toe te passen vanwege budgettaire, technische of zelfs esthetische redenen.
Duurzame alternatieven – koelsystemen die energie-efficiënter zijn en geen HFK’s nodig hebben – zijn voldoende beschikbaar, zoals warmtepompen of passieve koeling via geothermie of koeltorens. Andere voorbeelden zijn evaporatieve koelsystemen, maar ook passieve anti-opwarmingssystemen, zoals screens, zonwerende beglazing en (intensieve nacht-)ventilatie.
Toch loopt de toepassing ervan geen storm. Enerzijds door het gebrek aan kennis en ervaring ten aanzien van het energiegebruik, comfort en hygiëne. Consumenten zijn huiverig dat ze met deze systemen terug moeten in comfort en dat de besparingen minder groot zijn dan beoogd. Anderzijds is de dimensionering van deze systemen vaak kritischer, waardoor ze minder makkelijk (doe-het-zelf) zijn te installeren.
Scools
Margot de Pauw doet als senior onderzoeker KennisCentrum Energie (een multidisciplinair expertisecentrum) van hbo-instelling Thomas More, onderzoek naar energie en comfort in gebouwen. De Pauw: ‘Om mensen goed te kunnen informeren, is drie jaar geleden het Scools-project gestart. Scools staat voor Sustainable Cooling Systems. Hierin zijn de prestaties van de verschillende duurzame koelsystemen onderzocht met als doel een beter inzicht te krijgen in de toepassing ervan in woningen, kantoren en industriële gebouwen en processen.’
Het onderzoek is uitgevoerd door middel van een drietal deelonderzoeken: in situ-meetcases, computersimulaties en laboratorium-metingen. Daarbij is samengewerkt met het Belgische WTCB (wetenschappelijk en technisch centrum voor het bouwbedrijf) voor de residentiële- en kantoortoepassingen en met de Duitse partners UBT (Universiteit Bayreuth) en SKZ (kunststof centrum) voor de industriële toepassingen.
Metingen en testen
De in situ-metingen zijn uitgevoerd bij verschillende residentiële gezinswoningen en appartementen gedurende de zomers van 2019 en 2020. De woningen zijn voorzien van hun eigen duurzame bron, afgiftesystemen en/of passieve anti-opwarmingsstrategieën.
De in situ-metingen betroffen:
- Rijtjeswoning zonder passieve technieken, met een warmtepomp met verticale boringen en ventilatiesysteem D met enthalpiewisselaar. Afgifte van de warmte en koude via de vloer en een koelbatterij.
- Losstaande woning met screens als passieve techniek. Verder een warmtepomp met verticale boringen en afgifte via de vloer, koelbatterij en adiabatische koeling. Ventilatiesysteem D.
- Residentiële woning met screens (passieve techniek), een warmtepomp met verticale boringen en afgifte via de vloer. Koelbatterij ventilatie.
- Appartementengebouw met vijftig woningen met screens, warmtepomp en wko. Afgifte via een vloersysteem.
- Toonzaal kelder met appartement. Dit gebouw maakt geen gebruik van passieve technieken en beschikt over een warmtepomp met een horizontaal (open) net. Afgifte via vloer- en plafondsysteem.
De Pauw: ‘Omdat deze metingen erg case-specifiek zijn, is het lastiger om hieraan algemene conclusies te verbinden. Toch zijn er wel enkele markante dingen op te merken.’
1. Energiestromen in kWh voor augustus 2020.
Combinatie
‘Een van de zaken die we konden vaststellen op basis van de in situ-metingen was dat een combinatie van technieken goede resultaten oplevert. Dat blijkt ook uit het diagram (figuur 1) dat de energiestromen weergeeft voor een van de cases in augustus 2020. We zien hier dat de vloerkoeling het merendeel van de koelvraag voor zijn rekening neemt. De koelbatterij in de ventilatie is nogal beperkt in zijn koelvermogen en ook de ‘free koeling’ – of ventilatieve (nacht-)koeling door het openen van vensters als Tbuiten < Tbinnen – levert in vergelijking niet veel minder koelenergie op. Hetzelfde geldt voor de interne warmtewisselaar, die in vergelijking met de koelbatterij reeds een groot koelvermogen heeft.’
‘Wat echter niet meteen duidelijk wordt uit dit Sankey-diagram, is het effect van zonnewering: het maximale koelvermogen van de verschillende koelsystemen bij de gegeven omstandigheden is in de figuur zo goed als bereikt, maar de ingaande pijl ‘warmtewinsten’ kan bij een nadelige oriëntatie, grote glasoppervlakken en/of afwezigheid van zonnewering nog sterk toenemen. In dat geval zal de uiteindelijke balans wel leiden tot een sterke opwarming van de woning. We kunnen dus concluderen dat passieve technieken, zoals zonnewering en ventilatieve (nacht-)koeling, een hele effectieve eerste ‘verdedigingslinie’ vormen tegen opwarming in de zomer. Zij voorkomen opwarming en reduceren hiermee de koelvraag zodanig, dat er verschillende (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om het overblijvende benodigde koelvermogen te leveren.’
Uit de in situ-metingen is tevens een relatie vastgesteld tussen de efficiëntie van koelsystemen en de relatieve vochtigheid, maar ook het comfort dat bewoners ervaren. Grofweg is te zeggen dat de beperkingen die de relatieve vochtigheid oplegt aan de verschillende koelsystemen, ervoor zorgen dat deze afgifte-elementen elkaars prestaties zullen beïnvloeden. Zo verhoogt vloerkoeling de relatieve vochtigheid van de extractielucht, waardoor adiabatische koeling minder vermogen zal kunnen leveren. Ook een koelbatterij met hygrostaat zal hierdoor beperkt worden in zijn koelvermogen.
Laboratoriumtesten
Bij de laboratoriumtesten is de aandacht uitgegaan naar vloerkoeling, plafondkoeling en ventiloconvector. Deze hydronische afgiftesystemen zijn qua prestaties met elkaar vergeleken ten aanzien van het afgiftevermogen [W/(K*m2) en W/(K*m3/h)], de regelbaarheid en reactiesnelheid en het comfortgevoel. De Pauw: ‘Op basis van zowel de in situ-metingen als deze laboratoriummetingen is het nog steeds niet eenvoudig algemene conclusies te trekken. Dit heeft te maken met het grote aantal parameters dat de verschillende prestaties beïnvloedt. Het is immers niet alleen de technieken die je gebruikt om te koelen; ook de montage, de bouwmaterialen, de pasafstand, de heersende temperaturen en nog veel parameters hebben invloed op het vermogen, snelheid van regelen en het comfort. Je zou dus heel veel metingen moeten doen met steeds weer een andere parameter die je varieert, om de uiteenlopende duurzame koelsystemen zinvol te vergelijken. In de praktijk ondoenlijk en daarom hebben we uiteindelijk de meeste informatie kunnen vergaren door het uitvoeren van computersimulaties.’
Labometingen met een warmtepomp.
Simulaties
Voor de computersimulaties zijn vijf verschillende gebouwtypes in de programmeeromgeving TRNSYS gemodelleerd: rijtjeswoning, architecturale woning/villa, hoekwoning, 2- en 3-gevel appartement. Bij alle modellen is te variëren in isolatiegraad, thermische capaciteit, glaspercentage en oriëntatie van het gebouw. De simulatie houdt tevens rekening met de schaduwvorming van het eigen gebouw en omliggende woningen. Vervolgens is een weerprofiel opgesteld dat het gebouw in realistische toekomstige zomercondities plaatst. Daarbij zijn de interne warmtewinsten gesimuleerd voor elke specifieke ruimte en volgens een bepaald gebruikerspatroon.
De modellen zijn in de simulaties gecombineerd met verschillende koel-afgiftesystemen waaronder plafond- en vloerkoeling, koelbatterijen in de ventilatiekanalen en adiabatische koeling. Als referentie voor het energiegebruik (hoogste) en het comfortniveau (beste) is in de simulaties ook een airconditioningsysteem meegenomen. Tot slot is de mogelijkheid ingebouwd om het effect van screens of zonwerende beglazing en/of (intensieve) ventilatie mee te nemen in de simulaties. Voor de evaluatie van het comfort zijn verschillende internationale standaarden bestudeerd, op basis waarvan een relevante beoordelingsmethodiek is ontwikkeld. Deze is gebaseerd op een vaste temperatuurgrens van 26 °C voor de slaapkamers en 28 °C voor de andere ruimtes. Afhankelijk van het aantal uren dat deze vaste grens wordt overschreden, zijn er vier comfortniveaus te definiëren:
- goed comfort,
- comfort,
- mogelijk comfort,
- oncomfortabel.
Met het oog op de geplande ontwikkeling van een online tool bieden deze vier categorieën de mogelijkheid het comfortniveau in een kleurencode weer te geven.
Resultaten
De resultaten van de simulaties zijn weergegeven voor alle typen woningen bij de inzet van drie verschillende koelstrategieën (figuur 2):
- Zonder enige passieve anti-opwarmingsmaatregelen (geen screens, geen ventilatie).
- Inzet van screens.
- Inzet van screens én (nacht-)koeling door ventilatie met buitenlucht.
De blauwe balk toont alle gebouwen zonder enige koelstrategieën. De andere balken tonen respectievelijk de situatie bij inzet van adiabatische koeling (oranje), koelbatterij ventilatie hoge (grijs) en lage (geel) temperatuur, ventilo convectoren (groen), vloerkoeling met lichte (rood) en zware (zwart) opbouw en actieve koeling via airco (bruin). De bijhorende horizontale lijnen tonen de bovengrens van het aantal uren dat in een woning de comfortgrenzen van dag- en nachtzones (respectievelijk 28 °C en 26 °C) worden overschreden. Groen = ‘goed comfort’, geel = ‘comfort’, rood = ‘mogelijk comfort’, alles hierboven is ‘slecht comfort’. In het ideale geval is het streven om met de maatregelen onder de groene lijn te blijven.
‘Passieve technieken vormen een hele effectieve eerste ‘verdedigingslinie’ tegen opwarming in de zomer’
Zonder maatregelen
Slechts 15 procent van de woningen valt in de categorie ‘comfortabel’ wanneer er géén passieve anti-opwarmingsmaatregelen of koelstrategieën (blauwe balk) zijn toegepast (figuur 2a en 2b). De ventilatieve koelstrategieën (adiabatisch (oranje balk) en koelbatterijen (grijze en gele balken)) volstaan niet om de koelvraag in te willigen en voor meer dan de helft van alle cases heerst er een slecht comfort.
De Pauw: ‘Hydronische systemen als vloerkoeling en ventilo convectoren of een airco kunnen wel voorzien in de koelvraag, waarbij we enkele opmerkelijke zaken hebben vastgesteld. Zoals verwacht kan de airco in 98 procent van de gevallen in een goed comfort voorzien met een koelcapaciteit van 50 W/m². De duurzame systemen leiden in 80 procent van die cases tot een goed comfort met een minimale capaciteit van slechts 15 W/m². Dit is een groot verschil in energiegebruik, maar een relatief klein verschil in comfortbeleving. Het toont aan dat hydronische, duurzame koelsystemen, zoals vloerkoeling of ventilo convectoren, wel degelijk een haalbaar alternatief vormen voor de klassieke actieve koeling. Om dit resultaat te bereiken, zullen de duurzame systemen wel langer actief moeten zijn met een aangepaste sturing; dus vroeger opstarten en later afschakelen.’
Zonwering
Met inzet van zonnewering (tweede koelstrategie) daalt het benodigde koelvermogen in de woning drastisch. Voor de dagzones kan zelfs zonder een koelsysteem (blauwe balk) voor 55 procent van de gevallen in ‘goed comfort’ worden voorzien. Een verbetering van 40 procent. De ventilatieve koelsystemen verbeteren het comfort in deze dagzones verder. De Pauw: ‘Slechts 1 procent riskeert hier nog ‘slecht comfort’. Voor de nachtzones dragen de screens wel bij aan verbetering, maar hier blijft de situatie eerder kritisch en zijn er in de meeste gevallen hydronische systemen nodig om voldoende comfort te bereiken. Voor deze systemen daalt het jaarlijkse energiegebruik van de ventilo convector (15 W/m²), vloerkoeling (30 W/m²) en de airco (50 W/m²) respectievelijk van 1.500, 1.700 en 2.150 kWh/jaar naar 550, 600 en 700 kWh/jaar
Screenshot van de online tool.
Ventilatieve (nacht-)koeling
Tot slot leidt de inzet van zonwering en ventilatieve (nacht-)koeling (derde koelstrategie) tot een dermate grote daling van de koelvraag, dat praktisch alle bestudeerde koelsystemen goed comfort kunnen leveren op enkele zeer specifieke cases na. Sterker nog: zelfs zonder koelsystemen is er in de dagzones doorgaans een relatief hoog comfort te behalen. Alleen in de nachtzones volstaat de adiabatische koeling nog steeds niet. Het energieverbruik van de hydronische systemen daalt verder naar respectievelijk 400, 450 en 635 kWh/jaar voor de ventilo convector, vloerkoeling en airco.
De Pauw: ‘Deze simulatieresultaten tonen aan dat passieve anti-opwarmingsstrategieën de beste eerste verdedigingslinie vormen tegen opwarming. Zij reduceren de koelvraag zover dat er meer (duurzame) koelsystemen in aanmerking komen om de overblijvende koelvraag te leveren. De combinatie van passieve strategieën met duurzame koelsystemen kan tegemoetkomen aan de gestelde comforteisen en zeker de hydronische systemen concurreren zo rechtstreeks met de klassieke airco.’
Een drempel richting toepassing in de praktijk is dat deze passieve maatregelen niet altijd op de meest optimale manier zijn in te zetten. Hierdoor komt de resterende koelvraag hoger te liggen. Verder geldt dat niet geautomatiseerde, passieve strategieën een zekere inspanning van de bewoners vragen, zoals het tijdig handmatig sluiten van de screens. Dit is voor sommigen een nadeel ten opzichte van het ‘gebruiksgemak’ van de klassieke actieve koelsystemen. Tot slot kan de ligging van bepaalde ruimtes – zoals zolderruimtes – de koelvraag extreem verhogen. Dit zijn ook typisch de gevallen die in de grafieken zichtbaar zijn als uitschieters. In die gevallen zullen bepaalde duurzame afgifte-systemen vanaf een bepaald moment in de praktijk toch tekortschieten
Online tool
Op basis van de metingen en simulaties is uiteindelijk een online tool ontwikkeld waarmee voor elk pand is te bepalen welke koelstrategieën afdoende zijn. Zijn passieve maatregelen voldoende of is er ook een aanvullend (duurzaam) koelsysteem nodig? Door het best passende gebouwtype te kiezen en de bijpassende parameters te selecteren vormt de gebruiker een model. Vervolgens is de SEER (seasonal energy efficiency rating) van een eventueel free-cooling systeem op te geven. De output toont dan via een eenvoudige kleurcode hoe de verschillende afgiftesystemen presteren voor de geselecteerde parameters met het oog op comfort, voor zowel de dag- als nachtzones. Tot slot toont de tool de specifieke piekvermogens per ruimte.
Margot de Pauw: ‘Binnen Scools is inmiddels een drietal wetenschappelijke rapporten gepubliceerd waarin de verschillende onderzoeken zijn beschreven. Daarnaast zijn we ook gestart met het Tetra project Koeling 2.0 als direct vervolg: Waar we in Scools vooral hebben gekeken naar de haalbaarheid van duurzame koelsystemen in (voornamelijk) de residentiële context, gaan we bij Koeling 2.0 dieper in op het ontwerp en de dimensionering van deze installaties. Daarnaast zullen we ook een Interreg-aanvraag indienen rond duurzaam zomercomfort met focus op het demonstreren van comfort en energieprestaties van duurzame koelsystemen in bredere zin. De resultaten van dit volledige traject rond koeling zullen online worden gegroepeerd https://www.duurzamekoeling.be/.’
Tekst: ing. M. de Wit - Blok
Fotografie: iStock, Scools