De vraag naar gebouwen schatten

Een van de belangrijkste invoerparameters voor elke geothermische simulatie is de vraag naar verwarming en koeling van het gebouw. Soms zijn deze waarden bekend op basis van gedetailleerde simulaties of metingen, maar vaker - vooral in het beginstadium - moeten ze worden geschat. Dit artikel werpt enig licht op dit onderwerp en onderzoekt verschillende benaderingen om deze uitdaging aan te gaan.

Thermische bouwvraag in GHEtool

Binnen GHEtool is het mogelijk om verschillende soorten belastingsprofielen in te voeren. Ten eerste wordt er onderscheid gemaakt tussen resoluties per uur en per maand, met respectievelijk 8.760 en 12 tijdstappen. Doorgaans beslaat de tijdschaal van de gegevens één jaar, wat betekent dat wordt aangenomen dat de gebouwvraag elk jaar hetzelfde blijft gedurende de hele simulatieperiode. Voor gefaseerde projecten, waarbij de vraag naar gebouwen in de loop van de tijd evolueert, kun je ook gegevens met een meerjarige tijdschaal gebruiken. Dit artikel richt zich op de eerste, terwijl een ander artikel dieper zal ingaan op meerjarige gegevens.

Uurresolutie

1TP5Het meten van een boorveld met een resolutie van een uur levert de meest nauwkeurige resultaten op, aangezien piekvermogens (en hun duur, zoals besproken in dit artikel) mag niet langer worden geschat. Uurgegevens worden meestal gegenereerd uit dynamische gebouwsimulaties (met software zoals IESVE, DesignBuilder, IDA ICE, etc.), of kunnen in het geval van een renovatie worden gebaseerd op meetgegevens.

!Let op
Het is belangrijk op te merken dat een hogere resolutie niet automatisch nauwkeurigere resultaten garandeert. Als het uurprofiel niet representatief is voor de werkelijke vraag van het gebouw, kan het resultaat misleidend zijn. In zulke gevallen kan een goed geschat maandprofiel betere resultaten opleveren. Als er echter betrouwbare uurgegevens beschikbaar zijn, blijft dit de meest nauwkeurige aanpak.

Let op
Uurlijkse vraagprofielen worden soms geëxtrapoleerd van andere projecten. Dit kan resulteren in onnauwkeurige ontwerpen, aangezien piekvermogens en -duur zeer gevoelig zijn voor gebouwkenmerken. Zorg ervoor dat het vraagprofiel waarvan je extrapoleert echt representatief is voor het gebouw dat je ontwerpt (bijvoorbeeld extrapolatie van één appartement binnen hetzelfde flatgebouw).

Maandelijkse resolutie

Als er geen uurgegevens beschikbaar zijn, kan een maandelijkse simulatie worden uitgevoerd. Hiervoor zijn vier belangrijke invoergegevens nodig - vijf als de vraag naar sanitair warm water (SWW) wordt meegerekend: het piekvermogen voor zowel verwarming als koeling, en de jaarlijkse energievraag voor verwarming en koeling. Elk van deze wordt hieronder in meer detail besproken.

!Let op
Hoewel we verwijzen naar een maandelijkse resolutie, kun je gewoon de jaarwaarden invoeren in GHEtool Cloud, dat ze automatisch zal verdelen over de maanden, wat je heel wat tijd zal besparen.

Piekvermogen voor verwarming

Het piekvermogen voor verwarming komt overeen met het piekvermogen van de warmtepomp van het gebouw. Als de warmtepomp een capaciteit van 10 kW heeft, kan het gebouw niet meer dan 10 kW opnemen en moet deze waarde dus worden ingesteld als de piek voor verwarming. Afhankelijk van de regionale bouwnormen is dit warmtepompvermogen meestal gebaseerd op een statische berekening van het warmteverlies ten opzichte van een referentie buitentemperatuur (bijv. -8 °C in België).

Modulerende warmtepompen

Stel dat het berekende statische warmteverlies van een gebouw 7 kW is. Een installateur zou ervoor kunnen kiezen om een warmtepomp van 8 kW te installeren om wat oversizing toe te staan. Dit zou echter leiden tot een te groot boorveld, omdat het boorveld de piekvraag moet aankunnen. Als het systeem gebruik maakt van een modulerende warmtepomp, kun je vaak een lager piekvermogen instellen in de warmtepompregelaar, bijvoorbeeld door de 8 kW warmtepomp te beperken tot maximaal 7 kW. Dezelfde redenering geldt als het afgiftesysteem (bijv. radiatoren of vloerverwarming) niet het volledige vermogen van de warmtepomp kan benutten.

Let op
Zelfs als het statische warmteverlies van het gebouw lager is dan het nominale vermogen van de warmtepomp, kan een modulerende warmtepomp nog steeds op vol vermogen werken, afhankelijk van de interne besturingslogica. Als je boorveld is gedimensioneerd voor een vermogen dat lager is dan het maximale vermogen van de warmtepomp, is het daarom essentieel om ervoor te zorgen dat de regelinstellingen van de warmtepomp deze vermogenslimiet afdwingen.

Vroeg stadium

Als de specificaties van de warmtepomp nog niet bekend zijn, kan de piekvraag naar verwarming worden geschat met behulp van vastgestelde vuistregels. Deze zijn gebaseerd op de capaciteit van het emissiesysteem of algemene richtlijnen met betrekking tot het type gebouw en de leeftijd. Hieronder vindt u een voorbeeldtabel met typische waarden, maar houd er rekening mee dat deze cijfers regiospecifiek zijn en moeten worden aangepast aan uw lokale context.

(Gegevens verkregen uit het Cooling 2.0-project)

(Gegevens verkregen van nPro, waarden voor het klimaat van Berlijn)

Gelijktijdigheid

Wanneer meerdere warmtepompen zijn aangesloten op een centraal, gedeeld boorveld, is het resulterende piekvermogen niet simpelweg de som van de individuele units. In plaats daarvan moet er een gelijktijdigheidsfactor worden toegepast. Dit is besproken in een van onze eerdere artikelen, die u kunt vinden op hier.

Piekvermogen voor koeling

De aanpak voor het bepalen van het piekkoelvermogen hangt af van het feit of het boorveld actief is ontworpen voor koeling of dat koeling wordt beschouwd als een secundair voordeel, een ‘nice to have’.

Design voor koeling

In warmere klimaten, waar koeling een belangrijkere rol speelt dan verwarming, wordt het boorgat meestal beperkt door de piekinjectietemperatuur (zie ons artikel over boorgatkwadranten voor meer details). In dergelijke gevallen wordt de koelvraag meestal bepaald in overeenstemming met de plaatselijke bouwvoorschriften, waarbij rekening wordt gehouden met factoren zoals glasoppervlak, g-waarde en U-waarde. Op basis van deze berekeningen wordt de koelvraag van het gebouw op dezelfde manier afgeleid als de verwarmingsvraag.

Leuk om te hebben

In regio's waar koeling geen primaire zorg is, wordt het emissiesysteem meestal niet gedimensioneerd om thermisch comfort in de zomer te garanderen. Hier wordt koeling vaak beschouwd als een “leuk extraatje” - een bijkomend voordeel van de installatie van een geothermisch boorveld. In dit geval is het piekvermogen voor koeling meestal gebaseerd op de capaciteit van het emissiesysteem (oorspronkelijk ontworpen voor verwarming). Zie de eerder gegeven tabel met typische capaciteiten van emissiesystemen.

Vroeg stadium

In het beginstadium van een project kan de piekvraag naar koeling, net als de vraag naar verwarming, worden geschat met behulp van vuistregels, op basis van de capaciteit van het emissiesysteem of waarden van vergelijkbare referentiegebouwen.

Energievraag voor verwarming

Hoewel het piekvermogen één belangrijk aspect is van het energieprofiel van een gebouw, is de andere belangrijke parameter voor het ontwerp van een boorveld de jaarlijkse energievraag voor verwarming. Deze kan op verschillende manieren worden geschat: met behulp van vollasturen, vuistregels of verwarmingsgraaddagen.

Uren volledige belasting

Het gebruik van vollasturen is een eenvoudige methode om de jaarlijkse energievraag te schatten op basis van het bekende (of geschatte) piekvermogen. Als een systeem x aantal uren per jaar op piekbelasting werkt, wordt de totale energievraag gegeven door: $$energy = piek cdot FLH$$. Hieronder staat een tabel met indicatieve uurwaarden bij volledige belasting voor verschillende typen gebouwen.

Let op
Zoals eerder besproken, kan de geïnstalleerde warmtepomp overgedimensioneerd zijn ten opzichte van de werkelijke piekvraag van het gebouw. Om overschatting te voorkomen, wordt geadviseerd om de FLH toe te passen op het statische warmteverlies van het gebouw in plaats van op de geïnstalleerde warmtepompcapaciteit.

(Gegevens ontleend aan SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)

Vuistregel

Net als bij piekvermogen kan de jaarlijkse verwarmingsvraag ook worden geschat met behulp van empirische waarden op basis van vloeroppervlak. De onderstaande tabel geeft typische warmtevraagwaarden voor gebouwen in de klimaatregio Berlijn.

(Gegevens verkregen van nPro)

Verwarmingsgraaddagen

Een andere methode om de verwarmingsvraag te schatten is door gebruik te maken van Heating Degree Days (HDD). HDD's kwantificeren hoeveel (en hoe lang) de buitenluchttemperatuur lager is dan een bepaalde basistemperatuur, die de evenwichtstemperatuur wordt genoemd en waaronder het gebouw moet worden verwarmd. De totale HDD is de som van de dagelijkse temperatuurverschillen tussen deze basistemperatuur en de werkelijke buitentemperatuur, gedurende een verwarmingsseizoen.

Methoden op basis van HDD bieden een verfijndere schatting in vergelijking met FLH, omdat ze afzonderlijk rekening houden met gebouwkenmerken (isolatie, zonnewarmte, enz.) en klimaatomstandigheden.

!Let op
Het balanspunt is niet simpelweg het instelpunt van de thermostaat. In de EU wordt meestal uitgegaan van 15,5°C, rekening houdend met interne winsten, gebouwmassa en andere factoren.

Energievraag voor koeling

Dezelfde principes die gelden voor verwarming, gelden ook voor koeling. Als er geen gedetailleerde uurgegevens beschikbaar zijn, kan de koelvraag worden geschat met behulp van ofwel vollasturen (FLH) of vuistregels.

Uren volledige belasting

Voor het Belgische klimaat variëren typische waarden voor FLH in koeling tussen 500 en 1000 uur. Zodra het piekkoelvermogen bekend of geschat is, kan de energievraag als volgt worden berekend:

$$energie = piekdot FLH$$

Vuistregel

Je kunt ook referentiewaarden gebruiken voor de jaarlijkse koelvraag per vierkante meter. De tabel hieronder geeft zulke waarden op basis van.

(Gegevens verkregen uit de Warmte Roadmap Europa)

Koelingsgraaddagen

Net zoals Heating Degree Days (HDD) gebruikt kunnen worden om de verwarmingsvraag in te schatten, bieden Cooling Degree Days (CDD) een manier om de koelbehoefte in te schatten. CDD worden berekend op basis van het verschil tussen een evenwichtspunttemperatuur (meestal 18°C) en de werkelijke buitentemperatuur, telkens wanneer deze laatste het evenwichtspunt overschrijdt.

Twee empirische formules, ontwikkeld door de Europese Commissie (ENER/C1/2018-493, doi: 10.2833/158083).

Voor ruimtekoeling in de residentiële sector:

$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$

Voor ruimtekoeling in de tertiaire sector:

$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$

Energievraag voor sanitair water

Een steeds belangrijkere parameter bij het ontwerp van boorvelden is de vraag naar sanitair warm water. In de meeste woonomgevingen is een typische waarde ongeveer: 1000 kWh/persoon/jaar. Deze waarde kan echter aanzienlijk hoger liggen in gebouwen zoals hotels en ziekenhuizen.

!Let op
Een uitdaging bij het schatten van de vraag naar sanitair warm water (SWW) ligt in de beslissing of je dit baseert op het huidige aantal bewoners of op de maximale potentiële bezetting. Stel je bijvoorbeeld een gebouw voor met drie tweepersoonsslaapkamers waar momenteel slechts twee oudere bewoners wonen. Moet je het borefield dimensioneren op basis van slechts 2 bewoners (d.w.z. 2 MWh/jaar), of op basis van de volledige capaciteit van 6 personen?

Als het de bedoeling is dat het geothermische boorveld op de lange termijn dienst doet, moet het geschikt zijn voor het volledige potentieel van het gebouw en niet alleen voor het huidige gebruik. Daarom raden we aan om de warmwatervraag te schatten op basis van het maximaal redelijke aantal bewoners, in plaats van alleen op basis van de huidige bezetting. Dit zorgt ervoor dat het systeem toekomstbestendig en geschikt voor het doel blijft, zelfs als de bezetting verandert.

Conclusie

In dit artikel is de warmtevraag van gebouwen besproken en hoe deze kan worden geschat. Er werd onderscheid gemaakt tussen gegevens over de vraag naar gebouwen met een uurresolutie en een maandresolutie, waarbij de eerste de meest nauwkeurige resultaten biedt, hoewel deze vaak niet beschikbaar zijn. Voor de maandelijkse resolutie werden verschillende richtlijnen en vuistregels gepresenteerd om de energievraag van het gebouw voor verwarming, koeling en sanitair warm water te schatten.

Referenties

• Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.
• Het emissievermogen van verschillende emissiesystemen werd verkregen hier.
• De belastingsprofielen van nPro kunnen worden gevonden hier.