20190201 132438 kopieren

Een kruisstroomwisselaar van ca. 30.000 m³/h, samengesteld uit 8 blokken.

08:21
04-08-2020

Warmteterugwinning bij balansventilatie

Met de intrede van de Europese ecodesign productwetgeving (ErP) in 2016 is warmteterugwinning een verplichting geworden in balansventilatiesystemen. Als gevolg van de EPBD-richtlijnen voor bestaande gebouwen is warmteterugwinning een erkende maatregel die toegepast mag/moet worden om het vereiste energielabel te behalen in 2023. Welke keuzemogelijkheden hebt u? Waar moet u op letten? En kan er ook sprake zijn van koudeterugwinning, nu we steeds warmere zomers krijgen?

Met de ErP wetgeving (2014/1253) heeft Europa sinds 2016 strikte eisen voor warmteterugwinning in een balansventilatiesysteem (TVE). Hiermee is met name het vereiste rendement voor twincoils en platenwisselaars sterk verhoogd naar respectievelijk 68 en 73% droog rendement. Het droge rendement wordt gemeten in een laboratoriumsituatie zonder condensatie in de afvoerlucht (teruggerekend naar gelijke luchthoeveelheden op basis van de toevoerluchthoeveelheid).

Het voelbare rendement gemeten in een praktijksituatie met condensatie in de afvoerlucht kan 5 tot 10% hoger liggen dan het droge rendement. Een direct gevolg van deze rendementseis is dat voor systemen zonder vocht-overdracht het risico van dichtvriezen aan de afvoerluchtzijde aanmerkelijk is toegenomen. Dit proces begint al bij toevoerluchttemperaturen onder nul en moet dus voorkomen worden. Bij beginnend dichtvriezen neemt de weerstand toe, waardoor er minder warme afvoerlucht aangevoerd wordt en het invriesproces steeds meer versnelt. Ervaring leert dat binnen een tijdsbestek van 10 tot 15 minuten het apparaat helemaal ingevroren kan zijn en beschadigd kan raken. De beste beveiliging tegen bevriezen is om het drukverlies in de afvoerlucht over het apparaat te meten. Samen met de gemeten hoeveelheid afvoerlucht kan er dan een beginnende drukverhoging als gevolg van invriezen worden berekend. Om verder invriezen te voorkomen, moet de regeling het warmteterugwinrendement verlagen, bijvoorbeeld via het opensturen van de bypassklep of door het terugregelen van de glycolpomp. Het gevolg van deze noodzakelijke beveiliging is dat voor systemen zonder vochtterugwinning bij vorst het rendement moet worden verlaagd van 73 naar 60% en soms tot minder dan 50%, afhankelijk van de relatieve vochtigheid (RV) binnen. In het installatie-ontwerp wordt hier vaak rekening mee gehouden door de verwarmer in de luchtbehandelingskast en de hiervoor benodigde verwarmingscapaciteit groter te kiezen. Het verschil met een systeem dat wel vocht terugwint, kan oplopen tot ca. 100% (bij -10°C wordt de dT op de naverwarmer dan ca. 15°C in plaats van 7,5°C).

20190201 132414 kopieren

Laag profiel warmtewiel-deel.

 

Prestatie-eis Europese wetgeving

In de ErP-wetgeving stelt de Europese Unie strikte rendementseisen die energiewinst opleveren. Echter mag dit niet ten koste gaan van onevenredig veel energieverbruik. Daarom is in de 2014/1253 de toename van het opgenomen ventilatorvermogen beperkt. Het ventilatorvermogen neemt toe als gevolg van de extra luchtweerstand door de warmteterugwinning en noodzakelijke filtering van de afvoerlucht. Het opgeteld ventilatorvermogen in de ErP voor toevoer én afvoer wordt uitgedrukt in ‘internal Specific Fan Power’, of wel SFPint, uitgedrukt in W/(m³/s). Om gedurende een heel jaar (8.760 uur) een ventilatiedebiet van 1 m³/s buitenlucht te verwarmen naar 21°C, is in Nederland ca. 125.000 kWhth/a warmte nodig (door de lucht opgenomen warmte zonder opwekverliezen). Vanwege het vereiste warmteterugwinrendement van ca. 70% betekent dit dat hiervan per jaar maximaal ca. 88.000 kWhth/a kan worden teruggewonnen. In de SFPint voor een twincoilsysteem is ongeveer 1.000 W/(m³/s) opgenomen om weerstandverliezen van de WTW-batterijen en het filter in de afvoerlucht te overwinnen. Hiermee komt de benodigde elektrische energie die gebruikt wordt ten behoeve van warmteterugwinning uit op 8.760 kWhe/a. De ErP prestatie-eis van een twincoilsysteem zou dus qua energiebesparing vergeleken kunnen worden met een warmteopwekker met een COP van ca. 10. Voor systemen met een platenwisselaar of warmtewiel is de maximale SFPint een stuk lager, waardoor de vergelijkbare COP voor deze systemen uitkomt op ca. 15. Hieruit blijkt dat de eisen in de ErP wetgeving voor warmteterugwinning zeer redelijk zijn; opweksystemen met restwarmte, zonnewarmte of geothermische warmte gebruiken minder energie voor een vergelijkbare hoeveelheid warmte. Warmteterugwinning is natuurlijk nooit hetzelfde als warmte-opwekking omdat een gebouw eerst met een opwekker moet worden verwarmd voordat de warmte uit de afvoerlucht kan worden teruggewonnen.

Vergelijk warmteterugwinsystemen

In Nederlandse utiliteitsprojecten wordt warmteterugwinning voor ca. 75% met warmtewielen uitgevoerd. In 15 tot 20% van de gevallen zijn het platenwisselaars en in ongeveer 5 tot 10% zijn het systemen met twincoilbatterijen. Balansventilatie in woningen wordt voor veruit het grootste deel uitgevoerd met platenwisselaars.

Twincoil batterijen worden meestal toegepast als het niet mogelijk is om de toevoer- en afvoerlucht fysiek op één plek bij elkaar te brengen of omdat het onveilig is om dat te doen. In een enkel geval komt het voor dat de luchthoeveelheid van één luchtbehandelingskast zo groot is dat deze ruimte technisch alleen met een twincoil gebouwd kan worden. Via een leidingsysteem gevuld met glycol wordt de batterij in de afvoerkast dan gekoppeld met de batterij in de toevoerkast. Bij één op één spreken we van een twincoil. Als er meerdere afvoerkasten aangesloten worden op één of meer toevoerkasten, wordt het een multicoilsysteem genoemd. Het WTW-rendement kan worden geregeld met de pomp in het glycolsysteem. Door minder te verpompen, wordt er minder warmte teruggewonnen. Een twincoilsysteem is feitelijk het enige systeem waarbij er een absolute scheiding van de afvoer- en toevoerlucht mogelijk is. Dit is zowel bij
een platenwisselaar (lekkage <0,25%) als warmtewiel (lekkage <2%) niet mogelijk. Bij deze systemen is het van belang om de positie van de ventilatoren zo te kiezen dat de lekkage van de toevoerlucht naar de afvoerlucht optreedt.

Zowel kruisstroom als tegenstroom platenwisselaars komen meestal voor in kleinere luchtbehandelingskasten. De kruisstroom platenwisselaar wordt geproduceerd in een maximale doorstroomafmeting van 1,4 bij 1,4 m, geschikt voor ca. 10.000 m³/h. Bij hogere luchthoeveelheden worden meerdere blokken gebruikt. Zie ook de foto, waarop een kruisstroomwisselaar van ca. 30.000 m³/h te zien is, samengesteld uit 8 blokken. Vanwege de grootte van het samengestelde apparaat is de luchtbehandelingskast zo’n 2 m langer dan een luchtbehandelingskast met warmtewiel voor dezelfde luchthoeveelheid. Hierdoor zijn de productiekosten van een dergelijke luchtbehandelingskast met
grote platenwisselaar relatief hoger. Luchtbehandelingskasten met een enkelvoudige platenwisselaar tot ongeveer 8.000 m³/h zijn niet langer of soms zelfs korter en daardoor goedkoper dan een luchtbehandelingskast met een warmtewiel.

Het regelen van het rendement om invriezing in de winter en oververhitting in de zomer tegen te gaan, gebeurt over het algemeen met kleppenregisters. Via een bypassklep wordt de toevoerlucht langs de wisselaar afgestuurd. Luchtbehandelingskasten op het dak worden soms uitgevoerd met ‘onder afschot’ liggende platenwisselaars waarbij de toevoer- en afvoerkast naast elkaar worden opgesteld om zo de hoogte van de luchtbehandelingskast te beperken. Bij de keuze van een kruisstroomwisselaar zullen de luchtstromen elkaar altijd kruisen. Met het ontwerp van de kanaalaansluitingen moet hiermee rekening worden gehouden. Hijsen en transporteren van luchtbehandelingskasten moet altijd zorgvuldig gebeuren. In geval van overmatige transportbewegingen kunnen de naden tussen de platenwisselaar en wanden van de luchtbehandelingskast soms open gaan, waardoor onverwacht meer lekkage optreedt.

Relatieve Vochtigheid (RV)

Platenwisselaars en twincoils worden ook wel recuperatieve WTW genoemd, voortkomend uit de eigenschap dat ze alleen warmte terugwinnen (recupereren). Het vocht in de afvoerlucht zal condenseren en moet worden afgevoerd naar het riool. Vaak is er na de WTW in de afvoerluchtstroom ook nog een druppelvanger nodig om eventuele condensdruppeltje af te vangen.

Als de toevoerlucht alleen wordt verwarmd en niet wordt bevochtigd, zal het in de winter erg droog worden in het gebouw. Het is dan zeer waarschijnlijk dat bij vorst de RV in het gebouw zakt tot onder de minimale waarde van 30%. Infiltratie draagt in de winter ook bij tot verlaging van de RV. De bezettingsdichtheid en eventuele aanwezigheid van groene planten zorgen dan weer voor een hogere RV. Te droge lucht is ongezond; klachten aan keel, neus en ogen zijn comfortklacht nummer één. Ook kan elektronische apparatuur defect raken door te droge binnenlucht (statische elektriciteit). Een veilige en gezonde RV ligt tussen de 40 en 60%. De laatste jaren worden onder druk van allerlei energiebesparingsprogramma’s de grenzen van de RV verder opgerekt, met alle risico’s van dien. Het bevochtigen van ventilatielucht vraagt energie; 1 m³/s volcontinu (8.760 h/a) neemt ongeveer 37.500 l/a water op om uit te komen op een RV van 40%. Voor een RV van 50% stijgt dit naar 73.500 l/a. Aan kale verdampingswarmte, zonder het opwekrendement mee te rekenen, kost dit zo’n 26.000 kWh/a resp. 51.000 kWh/a. Ten opzichte van de warmte die voor eventuele naverwarming nodig is, per 1 m³/s (125.000 – 88.000) nog 37.000 kWh/a, telt bevochtigingsenergie zeker mee in het energieverbruik.

Warmtewielen

Voor een gezonde en duurzame ventilatieoplossing zijn 30 jaar geleden de warmtewielen uitgevonden. Op voorspaak van het toenmalige College voor Ziekenhuisvoorzieningen (CvZ) zijn deze veel toegepast in alle Nederlandse ziekenhuizen. Met warmtewielen kan op een veilige en efficiënte wijze waterdamp uitgewisseld worden. In de winter vanuit de afvoerlucht naar de toevoer om de bevochtigingscapaciteit en -energie te verminderen en in de zomer vanuit de buitenlucht naar de afvoerlucht om te besparen op koelcapaciteit.

Warmteterugwinning met vochtterugwinning wordt regeneratie warmteterugwinning genoemd. In elke situatie met gezonde ontwerpeisen voor de relatieve luchtvochtigheid in het binnenklimaat is het verstandig om te overwegen een sorptiewiel op te nemen in de luchtbehandelingskast. Indien de afvoerlucht vol zit met geurstoffen die niet overgedragen mogen worden naar de toevoerlucht, is een warmtewiel niet aan te raden. Indien de luchthoeveelheid uit bijvoorbeeld toiletten minder dan 5% van de totale afvoerlucht bedraagt, is de genormeerde verdunning zo groot dat het weer wel zou kunnen. Hoewel er in de afgelopen 30 jaar geen aanwijsbare kruisinfectie is opgetreden via een warmtewiel heeft CvZ geadviseerd om warmtewielen niet rechtstreeks op operatiekamers toe te passen.

Moderne sorptiewielen worden uitgevoerd met zeoliet als adsorptiemateriaal. Zeoliet heeft een nano-poriestructuur. Dat wil zeggen dat de poriën maar 0,3 nm groot zijn, waardoor alleen waterdampmoleculen (0,27 nm) er in kunnen om aan het oppervlak te hechten. Een spoelzone zorgt ervoor dat de luchtinhoud van het wiel terugspoelt naar de afvoer voor het verder draait in het toevoerdeel van de  luchtbehandelingskast. Afhankelijk van de inpassing kan met een sorptiewiel 50 tot 75% op de bevochtigingscapaciteit en bevochtigingsenergie worden bespaard.   

Vanwege de vochtoverdracht zal een sorptiewiel in de winter niet invriezen, waardoor het ontwerp verwarmingsvermogen voor de luchtbehandelingskast 50% lager kan zijn vergeleken met een platenwisselaar of twincoil. Daarbij zorgt de vochtoverdracht van een sorptiewiel ervoor dat ook in de zomer tot ca. 40% op het ontwerp koelvermogen voor de luchtbehandelingskast bespaard kan worden. Toepassing van sorptiewielen vermindert het risico op een te lage RV in bijvoorbeeld kantoren zonder bevochtiging aanzienlijk.

Warmtewielen kunnen geproduceerd worden tot een diameter van 5 m, geschikt voor een luchthoeveelheid van zo’n 100.000 m³/h. Grote luchthoeveelheden in minder hoge luchtbehandelingskasten kunnen gemaakt worden door twee of meer kleinere warmtewielen naast elkaar te plaatsen. Deze oplossing gecombineerd met de moderne EC-fanwalls voor de ventilatoren maakt dat warmtewiel luchtbehandelingskasten in compacte en ook relatief lage uitvoeringen gemaakt kunnen worden. Het WTW-rendement van een warmtewiel wordt bepaald door de draaisnelheid die via een V-snaar om het wiel en een frequentiegeregeld motortje gestuurd kan worden. Om onbalans te voorkomen, is er puls/pauze-bedrijf in plaats van stilstand. Naast de veel toegepaste sorptiewielen zijn er ook nog enthalpiewielen en condensatiewielen voor meer specifieke toepassingen of als tussenoplossing in de prijs-prestatieverhouding. Een enthalpiewiel gedraagt zich in de winter ongeveer hetzelfde als een sorptiewiel maar in de zomer is er nauwelijks sprake van vochtoverdracht. Een condensatiewiel gedraagt zich identiek aan een twincoil en platenwisselaar. Het aluminium oppervlak van de rotor bevat geen adsorptie toplaag waardoor het vocht in de retourlucht gewoon condenseert. Net zoals de twincoil en platenwisselaar kan een condensatierotor dichtvriezen in de winter.

180704fanwall2 kopieren

Fanwall met EC-ventilatoren.

 

Interne lekkage warmteterugwinning

Zoals eerder vermeld, is alleen een twincoilsysteem met gescheiden toeren afvoerkasten absoluut lekdicht. Zowel bij een platenwisselaar als bij een warmtewiel kan er lekkage optreden van de afvoer naar de toevoer. De lekkage over een warmteterugwincomponent hangt behalve van de kwaliteit ook af van het drukverschil over de warmteterugwinning. Als de druk in de toevoer hoger is dan in de afvoer, dan zal de richting van de lekkage meer van toevoer naar afvoer zijn. Andersom is dit natuurlijk ook het geval. Belangrijk hierbij is de positie van de ventilatoren. In Nederland zijn we gewend om op twee verschillende manieren luchtbehandelingskasten met warmteterugwinning te ontwerpen. In het eerste geval wordt de afvoerventilator aan de kant van de buitenlucht geplaatst en in het tweede geval wordt de afvoerventilator aan de gebouwzijde geplaatst. De tweede situatie is nodig als er ook recirculatie plaatsvindt in het gebouw. Bijvoorbeeld gebouwen met inductie-units gebruiken vaak, voor bedrijftijd, de recirculatiestand om het gebouw op te warmen. De tweede situatie geeft meestal ook een kortere kastlengte en dus minder ruimtebeslag, wat soms ook een reden is om voor dit ontwerp te kiezen.

Doordat er in het tweede geval een overdruk heerst aan de afvoerzijde van de warmteterugwinning en een onderdruk aan de toevoerzijde, zal er een relatief grotere lekkage ontstaan van de afvoer naar de toevoer. Dit geldt zowel voor een platenwisselaar als voor een warmtewiel maar is meestal voor een warmtewiel het grootst. Binnen Eurovent is er al geruime tijd aandacht voor de interne lekkage van luchtbehandelingskasten omdat die van invloed is op het energieverbruik en de kwaliteit van de toevoerlucht. Men onderzoekt de mogelijkheid om ook de interne lekkage als een Eurovent kwaliteitsparameter mee te nemen in het Eurovent certificaat.

Warmtewielen in grote gebouwen

Grote gebouwen zoals (academische) ziekenhuizen hebben vaak veel inpandige ruimtes. Een inpandige ruimte grenst niet aan de gevel en heeft dus minder of helemaal geen warmteverliezen in de winter. Vaak zijn deze gebouwen installatietechnisch ontworpen met een all-airsysteem en naverwarming. In de zomer wordt er direct gekoeld met de ventilatielucht (all-air) en in de winter wordt de relatief koude centrale toevoerlucht uit de luchtbehandelingskasten vaak per ruimte naverwarmd. De centrale toevoertemperatuur wordt zodanig ingesteld dat de inpandige ruimtes in de winter kunnen worden gekoeld als dat nodig is vanwege de interne warmtelast.

Grote gebouwen worden veelal bevochtigd met stoom. In plaats van met stoom kan echter ook adiabatisch bevochtigd worden. Adiabatische bevochtiging koelt de toevoerlucht af terwijl die vocht opneemt. Met name voor grote gebouwen waarbij de centrale toevoertemperatuur een stuk lager is dan de ruimtetemperatuur, heeft dit een heel gunstig effect. Er vindt nauwelijks begrenzing plaats en een groot deel van de bevochtigingsenergie wordt geleverd uit de extra teruggewonnen warmte. Hiermee lopen de jaarrendementen voor temperatuur en vocht flink op. Relatief gezien is de besparing ten opzichte van stoom zelfs iets hoger, omdat het water bij adiabatische bevochtiging niet tot 100°C hoeft te worden verwarmd. In tegenstelling tot de vroegere waterbevochtigers droogt de luchtbehandelingskast helemaal op als er niet bevochtigd wordt en wordt er bevochtigd met heel zuiver ‘omgekeerd osmosewater’. Hierdoor ontstaat een veilige manier van bevochtiging die alleen aan de vraagzijde al de aanvullende energiebehoefte laat dalen van ca. 60 naar ca. 23%.

Er zijn tegenwoordig nieuwe, veilige manieren om adiabatisch te bevochtigen. Afhankelijk van de situatie kan gekozen worden voor verdampen, vernevelen of een hybride combinatie van beide. Ervaring leert dat in het genoemde voorbeeld met relatief lage centrale toevoertemperatuur het toepassen van moderne adiabatische bevochtiging bij aanschaf van nieuwe luchtbehandelingskasten een terugverdientijd heeft van ruim onder de 5 jaar. Ook het ombouwen van bestaande luchtbehandelingskasten van stoom naar adiabatisch levert vaak een terugverdientijd op van minder dan 10 jaar en past daarom ook in het rijtje van erkende maatregelen ter verbetering van het energielabel naar minimaal C in 2023.   

Tekst Toine van den Boomen, Systemair BV    |    Beeld Systemair BV

Abonneer u op onze nieuwsbrief

Blijf op de hoogte van de laatste trends en ontwikkelingen

Abonneer u op onze nieuwsbrief

Blijf op de hoogte van de laatste trends en ontwikkelingen

Installatie en Bouw Nederland partners

qneqt aanwezigheidsmelder bij ing kopieren20200512 141311 kopieren