Inleiding
1 Luchtbehandeling

In dit deel wordt kort toegelicht wat de eigenschappen zijn van verschillende luchttoestanden. Dit eindwerk handelt vooral over het verwarmen en koelen van lucht, maar voor de volledigheid wordt ook het bevochtigen en ontvochtigen aangehaald.

1.1 Mollierdiagram

Het Mollierdiagram (zie bijlage 1) is een handige voorstelling van de verbanden tussen o.a. de temperatuur (°C), enthalpie (kJ/kg droge lucht), absolute (kg waterdamp/kg droge lucht) en relatieve vochtigheid (%), … van lucht. Voor de relatieve vochtigheid gebruikt men in deze grafiek het symbool ϕ, in dit eindwerk zal voornamelijk ‘RV' gebruikt worden. In de x-as stelt men de absolute vochtigheid voor en in de y-as de enthalpie, maar met een functie:

y=h-2500x Formule 1.1

De isenthalpen (lijnen van constante enthalpie) verlopen dan ook niet horizontaal maar met een richtingscoëfficiënt gelijk aan -2500.

h=1,008t+2500x+1,926xt Formule 1.2

Voorgaande vergelijking geeft het verband weer tussen de enthalpie, temperatuur en absolute vochtigheid. De constanten stellen respectievelijk de soortelijke warmte van droge lucht, verdampingswarmte van één kg water bij 0°C en de soortelijke warmte van waterdamp voor.

Indien formule 1.1 en 1.2 in elkaar gevoegd worden krijgen we volgende vergelijking:

y=h-2500x=1,008t+1,926xt Formule 1.3

Hieruit is op te merken dat als: t=0 à y=0: horizontale rechte
t>0 à y>0: stijgende rechte, de
richtingscoëfficiënt wordt hoger
naarmate t toeneemt
t<0 à y<0: dalende rechte, de richtingscoëfficiënt
wordt lager naarmate t afneemt

De relatieve vochtigheid is weergegeven d.m.v. krommen die een constant verband weergeven tussen de partiële waterdampdruk en de verzadigingsdruk bij een bepaalde temperatuur.

1.2 Verwarmen
1.3 Koelen
1.4 Bevochtigen
1.5 Ontvochtigen
2 Thermisch comfort
3 Luchtbehandelingsinstallatie CILVA
3.1 Opstelling

Het gebouw CILVA (Centrale Infrastructuur voor Laagactief Vast Afval) is gebouwd in 1992 en kan bekeken worden als twee aparte zones met elk hun luchtbehandelingsinstallatie. Deze beschikken beiden over een pulsatie en extractie.
De warme zone (=gecontroleerde zone) is de zone met de verwerkingsinstallatie voor het radioactief afval. Hier kan er sprake zijn van een verhoogde radioactieve straling en besmetting.
De koude zone is de administratieve zone waar
normaal geen radioactiviteit aanwezig is.

3.1.1 Metingen

De metingen van het debiet zijn gebeurd met een Testo 445 d.m.v. een silicoonslang en een pitotbuis aangesloten. De luchtsnelheid wordt in dit toestel...

3.1.2 Koude zone

De pulsatie en extractie bestaat elk uit twee treinen van elk een capaciteit van 50%. De buitenlucht wordt aangezogen door de twee ventilatoren en passeert hierdoor eerst een grove filter om vervuiling van de componenten in de pulsatiekast te voorkomen. Na deze filtering wordt de lucht indien nodig voorverwarmd tot 10°C en na onderverdeling naar verschillende ruimtes naverwarmd tot 20°C. De extractie gebeurt zonder enige vorm van filtering.

Het aangezogen luchtdebiet bedraagt 15490 m³/h en het extractiedebiet 19450 m³/h. Door dit verschil in debiet zal er een onderdruk gecreëerd worden in de ruimte. Hierdoor zullen er geen radioactieve deeltjes van de aanliggende gecontroleerde zone naar hier migreren, omdat de onderdruk daar groter is. Dit is trouwens ook duidelijk aan de filtering die hier toegepast wordt. In theorie zou de niet-gefilterde extractielucht opnieuw aangezogen kunnen worden, waardoor men stelt dat deze lucht veilig is.

In geval van nood, als bijvoorbeeld het ventilatiesysteem van de gecontroleerde zone uitvalt, dan zal onmiddellijk ook de ventilatie van de koude zone uitgeschakeld worden. Indien dit veiligheidssysteem er niet was, zou er enkel een onderdruk zijn in de koude zone. Hierdoor zal de eventueel vervuilde lucht zich naar deze zone verplaatsen. Dit is niet de bedoeling, omdat bij een ramp dit misschien de enige overblijvende veilige zone in het gebouw is.
Er zit ook een veiligheidssysteem op de pulsatie van de warme zone, zo zal bijvoorbeeld dit systeem onmiddellijk uitvallen indien de extractie wegvalt. De reden ook hier is de onderdruk in deze zone behouden in de mate van het mogelijke en zeker geen overdruk te creëren.

Uit het oogpunt van mogelijke radioactieve besmetting is het dus toegestaan om de lucht te mengen in de koude zone. In de gecontroleerde zone daarentegen is dit verhaal een stuk complexer.

3.1.3 Warme zone

Deze zone is onderverdeeld in vier kleinere zones die qua extractie telkens met twee zijn samengenomen. De verschillen bestaan uit de onderdrukken en de luchtvernieuwingen.

Onderdrukken: groen: 0-50 Pa
geel: 50-100 Pa
oranje: 100-150 Pa
rood: 250-300 Pa

Luchtvernieuwingen:

De pulsatie bestaat uit drie treinen van elk 50%. Dit betekent dat één trein stand-by staat voor in het geval er een trein uitvalt of indien er onderhoudswerkzaamheden aan de gang zijn. Het pulsatiedebiet bedraagt 75000 m³/h. De verwarming en de filtering van de buitenlucht zijn hetzelfde als bij de koude zone met het verschil dat de filtering hier gebeurt door een grove voorfilter en een absoluutfilter.

De extractiedebieten zijn de volgende:

* geel-groen: 85000 m³/h

* oranje-rood: 8100 m³/h

* versnijdingscel: 3200 m³/h

Het totale extractiedebiet bedraagt 96300 m³/h. Hieruit is duidelijk merkbaar dat het aandeel van zone geel-groen veel groter is dan dit van de andere zones. De extractie van de zone geel-groen zal dus het belangrijkste zijn qua recuperatie, omdat er meer energie te halen is uit deze grote luchtstroom op relatief hoge temperatuur.

Een probleem qua installatie bij deze zone is dat deze ventilatie niet stilgelegd mag worden voor oranje-rood en de versnijdingscel. De reden hiervoor is dat dan de controle over de onderdrukhandhaving en daarmee de verspreiding van radioactief besmet stof enigszins wegvalt. Voor de zone geel-groen is het stilleggen van de installatie wel mogelijk in de vakantieperiodes, maar zoals later verder uitgelegd wordt, is het niet mogelijk om enkel zone geel-groen af te splitsen en te gebruiken voor warmterecuperatie.

3.1.3.1 Geel-groen

Deze zone is de relatief veilige zone binnenin de gecontroleerde zone. Het bestaat uit alle zones met een kleine radioactiviteit zoals bijvoorbeeld gangen, traphallen, lokalen zonder radioactiviteit, ...

De extractie van deze zone bestaat uit een filtering en een afzuiging. De filtering is opgedeeld in acht treinen waarvan er één stand-by staat voor in geval dat er een andere trein uitvalt, maar ook gewoon om de filters te kunnen vervangen. Deze filtering bestaat uit grove filters en absoluutfilters om alle radioactieve deeltjes zeker uit de lucht te halen vooraleer deze weggeblazen wordt. Na deze filtering staan drie groepen van elk 50% om de afzuiging te verzekeren.

3.1.3.2 Oranje-rood

Deze is de zone waarin de radioactiviteit echt aanwezig is. In deze ruimtes zal men bovenop de veiligheidskledij ook maskers moeten dragen om geen deeltjes in te ademen.

De manier van filteren en afzuigen is hetzelfde als bij zone geel-groen met het verschil dat het hier telkens gaat om twee treinen van elk 100%.

3.1.3.3 Versnijdingscel

In deze ruimte wordt het radioactief afval verkleind. Het luchtdebiet doorheen deze installatie wordt afgezogen door twee treinen van 100% met bijhorende filtering. Het gaat om een kleine ventilator die zorgt voor afzuiging indien de versnijdingscel niet in werking is en een grotere ventilator om te zorgen voor een betere afzuiging indien de versnijdingscel wel in werking is.

3.2 Werking

In beide zones wordt een onderdruk gecreëerd doordat het extractiedebiet groter is dan het pulsatiedebiet. Deze onderdruk zorgt ervoor dat er geen deeltjes naar buiten kunnen stromen. Om ook geen eventueel vervuilde luchtstroom van de warme zone naar de koude zone te laten stromen, is de onderdruk in de warme zone groter dan in de koude zone. Dit is wel simplistisch uitgelegd, omdat in de praktijk er nog verschillende onderverdelingen zijn in de warme zone zelf. Zodanig dat ook hier vanuit de kern van de warme zone (rood) geen lucht kan stromen naar omliggende zones groen, geel en oranje. De onderdruk zorgt ervoor dat er enkel lucht kan stromen van groen naar geel en zo verder naar oranje en rood waardoor radioactieve besmetting van een zone met een hoger besmettingsrisico naar een zone met een lager besmettingsrisico niet mogelijk is.

De aanzuiging gebeurt voor heel het gebouw langs een schacht met aan de buitenzijde de roosters voor aanzuiging van de buitenlucht en aan de binnenzijde de aanzuigkanalen van de verschillende luchtgroepen. Langs deze schacht passeert dus ruim 90.000 m³/h.

De lucht wordt in beide zones voorverwarmd en na onderverdeling verder naverwarmd. Hieruit kan opgemerkt worden dat men geen koeling, bevochtiging of ontvochtiging doet in dit gebouw. De reden hiervoor is dat er enerzijds nog nooit klachten gekomen zijn i.v.m. de vochtigheid, anderzijds is dit gebouw geplaatst in 1992 en er werd toen nog niet zoveel waarde gehecht aan comfort door relatieve vochtigheid. Dit is vooral van toepassing op de koude zone, want in de warme zone is er continu weinig volk aanwezig. Anderzijds is de koeling achterwege gelaten omwille van de grote inertie van het gebouw. De muren van deze gebouwen zijn bijna overal gemaakt uit beton van ongeveer 1m 40 dikte. Dit zorgt ervoor dat in de zomer de muren hun koude afgeven overdag. Het duurt dus zeer lang vooraleer het effect van bijvoorbeeld een buitentemperatuur van 30-35°C binnen merkbaar is. Dit biedt ook voordelen naar verwarming toe, want in de winter geven deze muren hun warmte van overdag 's nachts af waardoor er 's morgens minder warmte toegevoegd moet worden.

3.10 Uitmonding extractie koude zone

Na de passage van de lucht door de gebouwen wordt de lucht afgevoerd door de verschillende extractieventilatoren. De extractie van de koude zone bevindt zich in dezelfde ruimte als de aanzuiging, maar mondt uit op het dak. De extractie van de warme zone daarentegen is zoals eerder vermeld opgedeeld in verschillende extractiezones, maar deze komen evenwel terug samen in een afvoerkanaal. Dit kanaal gaat door het dak van de 1e verdieping om dan terug in de 2e verdieping over te gaan in een betonnen kanaal (2x2m). Dit kanaal gaat over in een plotse verbreding om dan terug naar beneden te gaan en dan ondergronds naar de schouw. Men laat dit niet gewoon naar buiten stromen om het aantal lozingspunten op het bedrijfsterrein te beperken. In deze schouw monden dan ook verschillende luchtstromen uit.

In de plotse verbreding van het kanaal op de 2e verdieping bevindt zich de warmtewisselaar om de oven te koelen indien er geen behoefte is aan verwarming of indien de warmtevraag kleiner is dan het warmteaanbod. Er wordt dus op deze manier al een vorm van warmterecuperatie toegepast op de oven door het voedingswater van de verwarming door een warmtewisselaar te pompen om zo dit water voor te verwarmen met de warmte van de oven.

Samengevat ziet het vanuit de lucht er zo ongeveer uit:

Schacht (1e verdieping)

Gebouw

2e en 3e verdieping

Luchtkoker (gearceerd: hieronder bevinden zich de extractiegroepen van de gecontroleerde zone)

Pulsatiegroepen (twee onderaan voor koude zone, drie bovenaan voor gecontroleerde zone)

Uitblaas extractielucht koude zone (hieronder bevinden zich de extractiegroepen van de koude zone)

4 Warmterecuperatiesystemen en de mogelijkheid tot toepassen

4.1 Algemeen

Warmterecuperatie is momenteel booming business. De prijzen voor aardolie zullen stijgen, omdat de vraag groter is dan het aanbod en het hier niet gaat om een onuitputtelijke brandstof. Men moet dus op zoek naar alternatieven, maar vooraleer deze alternatieven er zijn, is een eenvoudigere oplossing het gebruik van recuperatoren om de hoeveelheid nodige brandstof te verkleinen. Hierdoor zal het verbruik dalen, aangezien we energie recupereren die anders in de atmosfeer geblazen wordt met nog potentiële energie aan boord. Dit kan interessant zijn voor bedrijven, want er wordt een milieuvriendelijke investering gedaan, maar vooral ook een investering waaruit iets te verdienen valt. Een tweede voordeel is de lagere uitstoot, omdat men bij Belgoprocess tegen het plafond aanleunt. Men mag eigenlijk niet nog méér uitstoten, maar aangezien men van plan is om nog uit te breiden, zullen er maatregelen genomen moeten worden.

Het grote probleem bij deze systemen is de plaatsing. De luchtbehandelingskasten dateren uit 1992 en in die tijd dacht men nog niet aan recuperatiemaatregelen (brandstof was veel goedkoper). Hierdoor is er ook geen rekening gehouden met eenvoudige maatregelen (bijvoorbeeld plaatsvoorziening) om recuperatie mogelijk te maken. Zo is geen plaats in de kasten zelf en de pulsatie en extractie staan ver uit elkaar. Hierop zal in dit hoofdstuk dieper worden ingegaan door dit per warmterecuperatiesysteem te bekijken.

4.2 Kringloopverbinding

De oudste vorm van warmterecuperatie voor luchtbehandeling is de kringloopverbinding, ook wel twin coil genoemd. Het bezit wel een laag rendement (30 à 50%) waardoor het een minder populaire recuperatievorm is. Dit rendement is ook afhankelijk van de verhouding extractie/pulsatie en is bij CILVA zeer gunstig. Hierdoor valt het rendement eigenlijk bij alle warmterecuperatiesystemen relatief hoog uit. Aangezien dit een systeem is waarbij vochtrecuperatie onmogelijk is, spreekt men van een recuperatieve vorm van warmterecuperatie.

Er zijn twee batterijen ter beschikking waarvan er één in het extractiekanaal en één in het pulsatiekanaal geplaatst worden. Door deze batterijen wordt water rondgepompt. Dit water zal in het extractiekanaal warmte opnemen uit de lucht en terug afgeven in het pulsatiekanaal. Om bevriezing te voorkomen wordt aan deze warmtedrager meestal een bepaalde hoeveelheid glycol toegevoegd (ongeveer 30%). De driewegkraan zorgt voor de regeling van de hoeveelheid circulerend water.

Voordelen: -geen luchtlek (geen geurhinder, geen verontreinigingen) -kanalen moeten niet langs elkaar liggen
-verschillende groepen kunnen parallel aangesloten worden
-ook latente warmteterugwinning mogelijk door condensatie aan extractiezijde

Nadelen: -extra kosten en accommodatie (expansievat, pomp, ...)
-pomp verbruikt energie
-geen vochtterugwinning
-laag rendement (35%)
-extra energieverbruik door ventilatoren en motoren door de hogere systeemweerstand of misschien moeten zelfs deze componenten verzwaard worden

4.2.1 Koude zone

Er bestaat de mogelijkheid om dit toe te passen, maar door het lage rendement en vooral het lage debiet is er voor gekozen om eerst de andere systemen te bekijken. Dit systeem is vooral nuttig indien de pulsatie en extractie ver uit elkaar staan. Dit is bij de koude zone nog overbrugbaar d.m.v. extra kanalenwerk.

4.2.2 Gecontroleerde zone

In deze zone kan een kringloopverbinding zijn nut bewijzen, omdat de pulsatie en extractie ver uit elkaar staan. Er is ook geen probleem met enige luchtlek, zodat contaminatie van de pulsatielucht onmogelijk is. In dit geval moet enkel twee batterijen geplaatst worden met hiertussen een leidingnet (met pomp en regeling). Het probleem is dan de plaatsing van de batterijen, omdat er geen rekening gehouden is in de luchtbehandelingskasten. De meest voor de hand liggende oplossing is het plaatsen van de batterij op de plaats waar nu de filters zitten. De filters moeten dan naar voor gebracht worden in de schacht.

Aangezien de schacht niet erg breed is, is het beter om de filters te laten zitten en de voorverwarmingsbatterijen te vervangen door de recuperatiebatterijen. Deze oplossing is mogelijk doordat er naverwarmingsbatterijen in het luchtkanaal voor elke zone geïnstalleerd zijn die voldoende vermogen hebben om deze kleine extra temperatuurdaling te overbruggen. Momenteel verwarmen de voorverwarmingsbatterijen de lucht op tot zo'n 18°C. Met de recuperatiebatterijen zal dit ongeveer 0°C zijn indien de buitenlucht lager is dan -10°C, maar de naverwarming is gedimensioneerd van 10°C tot 33°C terwijl tijdens de metingen aan het licht kwam dat ze zijn ingesteld op zo'n 20°C. Dus theoretisch gezien kan het zijn dat deze batterijen wel voldoende capaciteit hebben, maar het probleem is dat dit setpoint een momentopname is (meting) en dat deze instelling ontzettend veel gewijzigd wordt. Bij effectieve installatie van het recuperatiesysteem moet dan ook nog eens nagekeken worden of de capaciteit aan de noden voldoet of ze vervangen moeten worden. Dit vergt slechts een kleine investering.

Een bijkomend probleem is de extractie. Theoretisch gezien zijn daar verschillende mogelijkheden, maar niet alles is praktisch haalbaar.

Tunnel: de extractie gaat ondergronds naar de schouw.
In deze koker een warmterecuperatiesysteem plaatsen is moeilijk door het kleine mangat en door de grote afstand (fig 3.11)

Koker: de extractielucht komt door de koker naar buiten via het dak en wordt dan terug binnengenomen op de volgende verdieping (fig. 3.12)
De enige minst complexe oplossing is uiteindelijk dat er een recuperatiesysteem geïnstalleerd wordt op het dak door deze in te bouwen in de koker. Aangezien het niet toegelaten is om het systeem stil te leggen voor verbouwingswerken (liefst uitgevoerd in vakantieperiodes) is het nodig om een bypass te bouwen over deze koker:

Recuperatiebatterij in koker

Luchtkanalen

Plaats waar luchtkanaal uit dak komt

Aansluitkanalen

Leidingnet

Kleppen

Een bijkomende (complexe) oplossing is het onderzoeken van de mogelijkheid om de ovenbatterij te gebruiken of eventueel te vervangen door een grotere batterij die zowel kan dienen voor recuperatie als voor koeling van de oven. Het was niet mogelijk om dit nog bijkomend te onderzoeken voor dit eindwerk, aangezien dit een zeer grote invloed heeft op de bedrijfsvoering en de werking van de koeling van de oven.

Lokaal: de extractie mondt uit in een groter lokaal vooraleer naar de tunnel te gaan.
Het probleem is hier dat er al een warmtewisselaar (fig 3.14) aanwezig is om de oven te koelen, waardoor er weinig ruimte voor handen is. Zoals in fig 3.13 zichtbaar is, is er geen geleidelijke uitstroming en aangezien er maar 1,3 m plaats is, die dan nog gedeeltelijk ingenomen wordt door de batterij, is de luchtverdeling over de batterij minder goed. Zoals eerder aangehaald zou het wel mogelijk zijn om de warmtewisselaar van de oven te vervangen en zo te recupereren indien de oven niet in werking is. Wanneer de oven wel in werking is wordt er al recuperatie toegepast door de warmte via warmtewisselaars over te brengen naar het sanitair warm water.

Aanvulling ovenrecuperatie

4.3 Warmtepijpen

Bij dit systeem (recuperatief) draait het concept rond verdampen en condenseren. In bovenstaande figuur is het bovenste kanaal het pulsatiekanaal en het onderste het extractiekanaal, dit is noodzakelijk bij deze vorm van warmterecuperatie. De pijpen zijn capillaire buisjes die gevuld zijn met een koelmiddel dat exact afgestemd moet zijn op bepaalde grenzen van temperaturen van het systeem. De stof moet verdampen bij de extractietemperatuur en condenseren bij de pulsatietemperatuur. Het rendement van deze installatie bedraagt ongeveer een 50 à 60%.

De relatief warme lucht afkomstig van de verschillende ruimtes stroomt over de pijpen en zal ervoor zorgen dat het koelmiddel warmte opneemt. Deze warmteopname heeft een verdamping van het koelmiddel tot gevolg waardoor deze stof naar boven getransporteerd wordt. Doordat aan deze zijde koude buitenlucht stroomt zal de stof zijn condensatiewarmte afgeven. Na de condensatie vloeit het medium langs de wand van het capillaire buisje terug naar beneden en wordt de hele cyclus (continu proces) herhaald.

Voordelen: -relatief klein
-geen bewegende delen
-geen luchtlek

Nadelen: -geen koeling mogelijk
-geen vochtterugwinning
-luchtstromen samenbrengen
-beveiliging tegen bevriezing en overmatige warmteoverdracht (bypass)

Dit systeem is tegenwoordig zo goed als van de markt verdwenen. Voor sommige specifieke toepassingen wordt het nog wel gebruikt, maar in de luchtbehandeling is het zo goed als volledig verdrongen door de goede rendementen van het warmtewiel en de (kruisstroom-)warmtewisselaars. Dankzij deze vooruitgang was het niet mogelijk om verschillende offertes te krijgen van meerdere constructeurs voor deze vorm van warmterecuperatie.

Recuperatiesysteem

Luchtkanalen

Plaats waar luchtkanaal uit dak komt

Aansluitkanalen

Kleppen

4.4 Platenwisselaar

In bovenstaande figuur is duidelijk dat de vereiste van dit systeem (recuperatief) het samenbrengen van de luchtstromen is. Dit is dan ook één van de enige vereisten en zorgen ervoor dat dit één van de eenvoudigste manieren van warmte recupereren is. Met deze recuperatievorm is het enkel mogelijk om voelbare warmte over te dragen, omdat er geen contact (bijvoorbeeld bij menging) of overgangen (bijvoorbeeld bij warmtewiel) zijn tussen de twee luchtstromen. Het principe rust op het overbrengen van warmte via een sterk warmtegeleidend materiaal (aluminium) en is vooral eenvoudig toepasbaar bij kleine luchthoeveelheden. Het rendement bedraagt ongeveer 55 à 65%.

De buitenlucht stroomt langs één zijde, de extractielucht langs de andere zijde. Zoals in figuur 4.4 merkbaar is, zijn deze recuperatoren zo uitgevoerd dat de luchtstromen niet met elkaar in contact komen hoewel 0% lek bij deze vorm nooit gegarandeerd kan worden.

Voordelen: -verwarmen en koelen is mogelijk
-geen bewegende delen

Nadelen: -luchtstromen samenbrengen
-geen vochtterugwinning
-relatief groot
-beveiliging tegen bevriezing en overmatige warmteoverdracht (bypass)
-100% lekvrij kan niet gegarandeerd worden, maar kan wel in grote mate beperkt worden door de extractie “zuigend” en de pulsatie “persend” op te stellen.

4.5 Warmtewiel

Deze vorm van warmterecuperatie is momenteel een zeer hot item door het hoge rendement (circa 70-80%) en een bijkomend voordeel is dat er uitvoeringen bestaan die het mogelijk maken om vocht terug te winnen uit de extractielucht (regeneratieve warmtewielen met een hygroscopische absorptiemassa, ook wel absorptierotoren genoemd). De energie-inhoud van dit vocht is niet te verwaarlozen (zie figuur 4.7) en er zal minder droge lucht ingeblazen worden. Er kan ook gekozen worden voor een goedkoper warmtewiel zonder vochtterugwinning (recuperatieve warmtewielen).

Een warmtewiel wordt zoals alle voorgaande warmterecuperatiesystemen zo geïnstalleerd dat er warmte kan overgedragen worden van de extractielucht naar de pulsatielucht. Het wiel draait met een bepaalde snelheid rond (veranderlijk d.m.v. frequentieregelaar om temperatuur te regelen: 1 tot 12 omwentelingen per minuut) en bestaat voornamelijk uit aluminium pijpjes. Door deze pijpjes zal de lucht stromen met onderaan bijvoorbeeld het pulsatiekanaal en bovenaan het extractiekanaal. Het aluminium zal dan in de bovenste helft van de draaicirkel warmte opnemen en in de onderste helft deze warmte terug afgeven. Doordat er in de overgangen de kans bestaat dat er zich nog lucht bevindt in de gaatjes van uit het andere kanaal, is het zeer goed mogelijk dat er lucht overgedragen worden van de ene zijde naar de andere zijde. Dit kan enigszins in grote mate beperkt worden indien aan volgende vereisten voldaan is:
-pulsatieventilator vóór het warmtewiel
-extractieventilator na het warmtewiel
-spoelzone (zone in warmtewiel die ervoor zorgt dat bij de overgang van de ene luchtstroom (extractielucht) naar de andere (pulsatielucht) er zo weinig mogelijk lucht meegenomen wordt)

Pulsatiekanaal

Extractiekanaal

Voordelen: -verwarmen en koelen is mogelijk
-hoog rendement (60 à 80% en in ideale omstandigheden zelfs 90%) en kan eenvoudig geregeld worden door een toerentalregeling op aandrijving
-kleine drukval over het systeem (maar meestal wel groter dan bij de
statische accumulator (zie 4.6))
-vochtrecuperatie mogelijk
-zelfreinigingseffect (tegenstroomprincipe)

Nadelen: -extra kost kleine motor en frequentieregelaar (zit meestal in kostprijs warmtewiel verwerkt)
-extra verbruik kleine motor (is verwaarloosbaar laag)
-luchtstromen samenbrengen
-bewegende delen (onderhoud)
-luchtlek
-relatief groot

4.6 Statische accumulator

Pulsatie

Extractie

Dit systeem bestaat uit twee warmteopnemende elementen (cassettes genoemd) bestaande uit aluminium (rood en blauw) en een kantelklep. Zoals in de schematische voorstelling van figuur 4.8 merkbaar is, stroomt de extractielucht over het aluminium, ook wel accumulator genoemd. Het aluminium zal de warmte die in de lucht zit opnemen tot deze temperaturen gelijk zijn. In de pulsatiestroom gebeurt op dat moment juist het omgekeerde. De buitenlucht is koud en zal warmte opnemen van het aluminium. De kantelklep zal ongeveer elke minuut kantelen en zorgen voor een stromingsverandering, waardoor het proces zich herhaalt en het aluminium dat juist warmte opgenomen heeft, deze nu terug zal afgeven en omgekeerd.

Voordelen: -verwarmen en koelen is mogelijk
-hoog rendement (tot 90%)
-vochtrecuperatie mogelijk
-kleine drukval over systeem

Nadelen: -extra kost kleine motor
-luchtstromen samenbrengen
-groot
-luchtlek
-bewegende delen (onderhoud)
-relatief hoge investeringskost

Dit systeem is zoals de warmtepijpen zo goed als in onbruik geraakt. Het is nog wel te verkrijgen bij verschillende leveranciers, maar vanwege de goede rendementen en eigenschappen van warmtewielen en warmtewisselaars wegen de voordelen van deze systemen zwaarder door. De bewegende kantelklep is de grote boosdoener. Doordat deze lang moet meegaan is de klep nogal zwaar uitgevoerd en heeft men bijvoorbeeld hiervoor perslucht (en dus ook een bijkomend persluchtnet) nodig om deze telkens te laten kantelen.

4.7 Warmtepomp

Een warmtepomp is gelijkaardig qua principe aan de kringloopverbinding (zie 4.2), met als voornaamste verschillen dat er een compressor in het systeem is opgenomen i.p.v. een pomp, een koelmiddel i.p.v. water-glycol en een smoorkraan.

De bedoeling is ook hier om warmte te leveren. Er wordt een verdamper aangebracht in het extractiekanaal en een condensor in het pulsatiekanaal. Om de cyclus te sluiten zijn d.m.v. een leidingsysteem deze twee onderdelen verbonden met een compressor en smoorkraan zoals merkbaar is in figuur 4.8.

Het koelmiddel (in gasfase) wordt aangezogen door de compressor en ondervindt hierdoor een drukverhoging met een hierop volgende temperatuursstijging. Dit koelmiddel geeft vervolgens zijn warmte af (condenseert) aan de lucht in de condensor en wordt dan terug in druk verlaagd door de smoorkraan. Het koelmiddel verkeert dan op lage temperatuur waardoor het gemakkelijk warmte kan opnemen uit de lucht in de verdamper, waarna de cyclus zich herhaalt. Dit systeem kan dus warmte op een relatief lage temperatuur omzetten naar warmte op hoge temperatuur.

De COP of winstfactor van een warmtepomp = afgegeven warmte / geleverde arbeid door compressor. Deze waarde is een maat voor de efficiëntie (“rendement”) van een warmtepomp en maakt het mogelijk om warmtepompen beter te vergelijken.

Voordelen: -geen luchtlek (geen geurhinder, geen verontreinigingen) -kanalen moeten niet langs elkaar liggen
-verwarmen en koelen is mogelijk
-luchtstromen
-transformatie naar hoger energieniveau (betere energieoverdracht)

Nadelen: -grote investeringskost
-extra onderhoud (vergelijkbaar met koelmachine)
-verbruik compressor = warmtepompvermogen/COP (dus ¼ van warmtevermogen bij een COP = 4)

Voor de berekening van de verschillende warmterecuperatiesystemen: zie hoofdstuk 5

5 Kosten-batenanalyse
5.1 Doel

Het doel van deze analyse bestaat uit het berekenen van terugverdientijden en interne rendementen die de realiteit zo veel mogelijk benaderen voor de verschillende systemen. Hierop exacte getallen kleven is onmogelijk, aangezien er voor verschillende factoren een veronderstelling gemaakt moest worden (weersomstandigheden, temperaturen, installatiekosten, ...).
Veel van deze factoren zijn wel opgemeten (temperaturen, debieten, opvoerhoogtes), maar deze zijn niet volledig constant en sommigen worden soms door personeel aangepast hoewel deze constant zouden moeten blijven.

De database is zo opgesteld dat na het invoegen van de nodige gegevens, de berekening volledig uitgevoerd wordt. De bedoeling hiervan is dat, mits eventueel enkele kleine aanpassingen, de berekening ook gebruikt kan worden voor andere installaties en eventueel ook andere onderwerpen waarvan men ook de terugverdientijd en het interne rendement wil kennen.

5.2 Berekening
5.2.1 Database

De volledige berekening is gebaseerd op een database van temperaturen en relatieve vochtigheid. Deze waarden zijn elk uur opgemeten van 02/07/2007 0:00u tot 01/07/2008 23:00u door de Katholieke Hogeschool Mechelen en gedeeltelijk door Janssen Pharmaceutica in Beerse. Aangezien de afstand tussen deze twee gemeentes en de gemeente Dessel relatief klein is, ben ik er vanuit gegaan dat deze gegevens ook voor Belgoprocess relevant zijn. Ik heb deze database aangepast en hoofdzakelijk aangevuld waar nodig, omdat sommige berekeningen voor mij niet van toepassing waren.

Tabel 5.1 Gegevens

Datum

Tijd

Temperatuur

Relatieve vochtigheid

2/07/2007

0:00

18,1

78%

2/07/2007

1:00

17,0

81%

2/07/2007

2:00

16,3

85%

2/07/2007

3:00

16,6

86%

2/07/2007

4:00

16,9

83%

2/07/2007

5:00

16,8

83%

2/07/2007

6:00

16,8

82%

2/07/2007

7:00

16,8

82%

2/07/2007

8:00

17,2

80%

2/07/2007

9:00

17,6

77%

2/07/2007

10:00

18,5

72%

2/07/2007

11:00

19,1

68%

2/07/2007

12:00

18,1

74%

2/07/2007

13:00

17,3

81%

Omwille van eenvoud ben ik eerst uitgegaan van de berekening via temperatuur. Op deze manier wordt het vermogen telkens bepaald d.m.v. het temperatuursverschil.

Q = V.c.ρ.(tu-ti) Formule 5.1

Met: Q = vermogen (kW)
V = luchtdebiet (m3/s)
c = soortelijke warmte van lucht (1,008 kJ/kgK)
ρ = soortelijke massa van lucht (1,2 kg/m³)
tu = uitgaande temperatuur
ti = ingaande temperatuur

5.2.1.1 Uitschakeling gebaseerd op uren

Er is de mogelijkheid toegevoegd om te kiezen voor een uitschakeling gedurende een bepaald aantal uren per dag. Voorbeeld: stel de installatie wordt 's nachts uitgeschakeld om energie te besparen en wordt 's morgens om zeven uur ingeschakeld tot zeven uur 's avonds. De berekening wordt dan enkel uitgevoerd voor de gegevens tussen deze uren.

Tabel 5.2 Werkingsuren

Opstartuur

7:00

Einduur

19:00

Deze gegevens dienen ingegeven te worden zoals in tabel 5.2 merkbaar is.

In de berekening wordt de effectieve waarde van temperatuur en vochtigheid van uren die buiten de ingestelde zone liggen in de laatste twee kolommen van tabel 5.3 vervangen door de boodschap ‘Buiten bereik'.

Tabel 5.3 Weergave 'Buiten bereik'

Datum

Tijd

Tempe-ratuur

Relatieve vochtigheid

Temp voor berekening

Vocht voor berekening

T afgerond

V afgerond

2/07/2007

0:00

18,1

78%

18,1

0,8

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

1:00

17,0

81%

17,0

0,8

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

2:00

16,3

85%

16,3

0,9

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

3:00

16,6

86%

16,6

0,9

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

4:00

16,9

83%

16,9

0,8

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

5:00

16,8

83%

16,8

0,8

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

6:00

16,8

82%

16,8

0,8

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

7:00

16,8

82%

16,8

0,8

18,0

0,85

2/07/2007

8:00

17,2

80%

17,2

0,8

18,0

0,80

2/07/2007

9:00

17,6

77%

17,6

0,8

18,0

0,80

2/07/2007

10:00

18,5

72%

18,5

0,7

20,0

0,75

2/07/2007

11:00

19,1

68%

19,1

0,7

20,0

0,70

2/07/2007

12:00

18,1

74%

18,1

0,7

20,0

0,75

2/07/2007

13:00

17,3

81%

17,3

0,8

18,0

0,85

2/07/2007

14:00

18,6

74%

18,6

0,7

20,0

0,75

2/07/2007

15:00

18,1

71%

18,1

0,7

20,0

0,75

2/07/2007

16:00

19,5

67%

19,5

0,7

20,0

0,70

2/07/2007

17:00

19,0

71%

19,0

0,7

20,0

0,75

2/07/2007

18:00

20,0

68%

20,0

0,7

20,0

0,70

2/07/2007

19:00

20,5

65%

20,5

0,7

22,0

0,65

2/07/2007

20:00

20,3

64%

20,3

0,6

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

21:00

18,1

70%

18,1

0,7

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

22:00

16,9

73%

16,9

0,7

Buiten bereik

Buiten bereik

2/07/2007

23:00

16,1

74%

16,1

0,7

Buiten bereik

Buiten bereik

5.2.1.2 Uitschakeling gebaseerd op dagen

Een bijkomende optie is het ingeven van twee datums waartussen het stookseizoen ligt. Het komt nogal dikwijls voor dat volledige verwarmingssystemen uitgeschakeld worden buiten de koude periode. Dit gaat gepaard met lagere kosten, want het zou kunnen dat bijvoorbeeld op een iets koudere zomerdag de verwarmingsinstallatie in werking zou treden, wat in de meeste gevallen niet gewenst is. Bij Belgoprocess schakelt men de installatie in op 15 september en terug uit op 15 mei (=stookseizoen). Men kan dus kiezen voor ‘Ja' of ‘Nee'. Indien ‘Ja' gekozen is moeten de twee cellen met witte achtergrond ingevuld worden met de datums wanneer het systeem terug ingeschakeld (15/09/2007) respectievelijk uitgeschakeld (15/05/2008) wordt.

Tabel 5.4 Uitschakeling: 'Nee' Uitschakeling in zomer:

Nee

0/01/1900

tot en met

14/09/2007

16/05/2008

tot en met

0/01/1900

Tabel 5.5 Uitschakeling: 'Ja'

Uitschakeling in zomer:

Ja

2/07/2007

tot en met

15/09/2007

15/05/2008

tot en met

1/07/2008

Bij deze keuze zal de database opnieuw berekend worden en de waarden die buiten het stookseizoen liggen zullen gewijzigd worden in ‘Geen waarden'.

Tabel 5.6 Database bij overgang naar stookseizoen

Datum

Tijd

Tempe-ratuur

Relatieve vochtigheid

Temp voor berekening

Vocht voor berekening

T afgerond

V afgerond

14/09/2007

20:00

18,1

69%

geen waarde

geen waarde

geen waarde

geen waarde

14/09/2007

21:00

18,1

69%

geen waarde

geen waarde

geen waarde

geen waarde

14/09/2007

22:00

18,1

69%

geen waarde

geen waarde

geen waarde

geen waarde

14/09/2007

23:00

18,1

69%

18,1

0,7

19,0

0,70

15/09/2007

0:00

18,1

69%

18,1

0,7

19,0

0,70

15/09/2007

1:00

14,5

82%

14,5

0,8

15,0

0,85

15/09/2007

2:00

14,5

82%

14,5

0,8

15,0

0,85

15/09/2007

3:00

14,5

82%

14,5

0,8

15,0

0,85

15/09/2007

4:00

13,5

86%

13,5

0,9

14,0

0,90

5.2.2 Frequentie

Aanvankelijk ben ik begonnen met het bekijken in welke mate het mogelijk was om een frequentietabel op te stellen. Deze tabel stelt het aantal uren voor dat een bepaalde temperatuur voorkwam in deze tijdsperiode met een bepaalde relatieve vochtigheid. Dit was al gedeeltelijk gebeurd in de oorspronkelijke database, maar daar was blijkbaar een foutje in geslopen zodat enkel zeer lage temperaturen niet zichtbaar waren in deze tabel.

Om de gegevens gemakkelijker en voornamelijk op een overzichtelijke wijze te gebruiken was het nodig om de temperaturen en relatieve vochtigheid af te ronden en dan ook gebruik te maken van klassen. De nauwkeurigheid van de metingen bedraagt voor de temperatuur 0,1°C en voor de relatieve vochtigheid 1%.
De temperaturen worden afgerond naar boven tot op het dichtstbijzijnde veelvoud van 2 en de relatieve vochtigheid tot op een veelvoud van 5% (zie tabel 5.2 en 5.3). Door deze afronding toe te passen is het noodzakelijk om te werken met klassen. Bijvoorbeeld voor de klasse ]18;20]: hierin zitten alle waarden tussen 18 en 20, zonder 18 en met 20. Verklaring: alle waarden tussen 18 en 20 worden afgerond naar het bovenliggende veelvoud van 2 namelijk 20. Dit is ook het geval voor 20 zelf, maar niet voor 18 (18 is zelf een veelvoud van 2).
Dit geldt ook voor de relatieve vochtigheden, zo wordt bijvoorbeeld 78% afgerond naar 80%. De klasse wordt dan ]75;80].

Tabel 5.7 Afronding

Temp voor berekening

Vocht voor berekening

T afgerond

V afgerond

18,1

0,8

20,0

0,80

17,0

0,8

18,0

0,85

16,3

0,9

18,0

0,85

16,6

0,9

18,0

0,90

16,9

0,8

18,0

0,85

16,8

0,8

18,0

0,85

16,8

0,8

18,0

0,85

16,8

0,8

18,0

0,85

17,2

0,8

18,0

0,80

17,6

0,8

18,0

0,80

18,5

0,7

20,0

0,75

19,1

0,7

20,0

0,70

18,1

0,7

20,0

0,75

17,3

0,8

18,0

0,85

Tabel 5.8 Keuze voor afronding

Afronding naar boven tot het dichtstbijzijnde veelvoud van:

2

Afronding naar boven tot het dichtstbijzijnde veelvoud van:

5

(in %)

Na deze afronding zijn de twee kolommen (temperatuur en relatieve vochtigheid) gesorteerd, maar dit dient enkel ter controle van het aantal uren dat een bepaalde temperatuur voorkomt bij een bepaalde vochtigheid.

Tabel 5.9 Oplopend gesorteerd

T afgerond en gesorteerd

V afgerond en gesorteerd

-6,0

0,90

-6,0

0,90

-6,0

0,90

-6,0

0,90

-6,0

0,90

-6,0

0,95

-4,0

0,90

-4,0

0,90

-4,0

0,90

-4,0

0,90

-4,0

0,90

-4,0

0,90

-4,0

0,95

-4,0

0,95

-4,0

0,95

-4,0

0,95

-4,0

0,95

-4,0

0,95

-4,0

0,95

Het was mogelijk om de uiteindelijke tabel op te stellen d.m.v. een draaitabel, maar dit was om moeilijkheden vragen aangezien het aantal kolommen en het aantal rijen afhankelijk is van het aantal gegevens. Bijvoorbeeld de temperaturen -11°C, -9°C, 35°C en 37°C worden in de tabel weergegeven, terwijl dit niet zo is in een draaitabel, want bij deze temperaturen horen geen waarden bij. Er is hier dus bewust niet voor gekozen, aangezien er zo de mogelijkheid bestaat om op eenvoudige wijze een langere database in te voegen en gebruik te maken van exactere gegevens die niet gebaseerd zijn op één jaar maar op meerdere jaren.

Bijvoorbeeld -11°C kan wel voorkomen, maar is in mijn database niet van toepassing. Zou de database verlengd worden, dan zullen er plots één of meerdere kolommen in de database bijkomen en moet er overal in de berekening een extra rij (vanwege transformatie naar temperaturen met het aantal uren zie verder) ingevoegd worden.

Bovenstaande tabellen moeten naast elkaar bekeken worden. Het geeft de verschillende klassenmiddens van temperaturen weer en het klassenbegin, klasseneinde en klassenmidden van de relatieve vochtigheid. In de tabel zelf worden de uren weergegeven. Bijvoorbeeld: 13°C en RV 77,5% is 113 uren voorgekomen.

De berekening is gebaseerd op de Excel-functie DBAANTALC(). Deze functie zoekt in een opgegeven database (in dit geval de kolom “T afgerond” en “V afgerond”) de waarden die gevraagd worden en geeft weer hoeveel keer dit voorkwam. Het nadeel aan deze werkwijze is de nodige ruimte om de te zoeken waarden in te geven (zie tabel 5.7). De blauwe waarden zijn deze voor de berekening van het aantal uren in de cel met blauwe kader (zie tabel 5.5). Merk op dat er gezocht wordt in de database naar de klasseneinden voor temperatuur en relatieve vochtigheid.

Tabel 5.12 Waarden voor DBAANTALC()

V afgerond

T afgerond

V afgerond

T afgerond

1,00

-10

1

-8

V afgerond

T afgerond

V afgerond

T afgerond

0,95

-10

0,95

-8

V afgerond

T afgerond

V afgerond

T afgerond

0,90

-10

0,90

-8

D.m.v. voorwaardelijke opmaak is duidelijk merkbaar waar in de tabel de hoogst frequente luchttoestanden aanwezig zijn. In dit geval ligt dit rond de 7 à 9°C en een RV van ongeveer 80%. Dit is ook te merken in volgende grafiek:

Met deze tabel is het mogelijk om een hele kosten-batenanalyse op te stellen, maar de vraag was of dit correct is, want de volledige berekening kan ook gebaseerd worden op enthalpie i.p.v. temperatuur. Het voordeel van deze enthalpieberekening is dat ook de latente warmte in rekening gebracht wordt (zie fig 4.).

De benodigde formules:

h=1,008.t+2500.x+1,926.x.t Formule 5.2

xv=0,622.pv1013-pv Formule 5.3

RV%=xxv.100% Formule 5.4

Eerst wordt, d.m.v. de temperatuur, de verzadigingsdruk uit de verzadigingstabel gehaald (tabel 5.10) met de functie VERT.ZOEKEN().

Tabel 5.15 Verzadigingstabel

tv (°C)

pv (mbar)

-20

1,03

2

7,06

24

29,83

-19

1,14

3

7,58

25

31,67

-18

1,25

4

8,13

26

33,61

-17

1,37

5

8,72

27

35,65

-16

1,51

6

9,35

28

37,80

-15

1,65

7

10,01

29

40,06

-14

1,81

8

10,72

30

42,43

-13

1,98

9

11,47

31

44,93

-12

2,17

10

12,27

32

47,55

-11

2,38

11

13,12

33

50,31

-10

2,60

12

14,02

34

53,20

-9

2,84

13

14,97

35

56,24

-8

3,10

14

15,98

36

59,42

-7

3,38

15

17,04

37

62,76

-6

3,69

16

18,17

38

66,26

-5

4,02

17

19,37

39

69,93

-4

4,37

18

20,63

40

73,78

-3

4,76

19

21,96

41

77,80

-2

5,17

20

23,37

42

82,02

-1

5,62

21

24,86

43

86,42

0

6,11

22

26,43

44

91,03

1

6,57

23

28,09

45

95,80

De verzadigingsdruk is de evenwichtsdruk bij een bepaalde temperatuur van een hoeveelheid water en waterdamp bij condensatie/verdamping. Indien deze druk gekend is, is het mogelijk de absolute vochtigheid te bepalen met formule 5.3 en 5.4, want de relatieve vochtigheid is ook telkens gegeven in de enthalpietabel.
Nu x en t gekend zijn kan de enthalpie bepaald worden d.m.v. formule 5.2.

In het bestand ‘Berekeningen_warmterecuperatie' is ook een tabel voor de absolute vochtigheid weergegeven, maar deze zit in principe al verwerkt in de enthalpietabel, want is enkel gebaseerd op de formules 5.3 en 5.4.

5.2.3 Vermogenberekening

De volgende stap is de berekening van de verschillende vermogens die uit de warmtewisselaars gehaald kunnen worden voor de koude en de warme zone. Dit is gebeurd voor alle mogelijke warmterecuperatiesystemen waarvan ik offertes heb kunnen bemachtigen.

Tabel 5.16 Gegevens offerte warmtewisselaar (koude zone)

GEA CAIRplus SX 160,160IVBV

Klima PW

Recuterm (Plate heat exchanger)

Aankoopprijs warmtewisselaar

€ 13.172,57

€ 15.220,00

€ 12.062,00

Aantal warmtewisselaars nodig

1

1

1

Totale aankoopprijs warmtewisselaar

€ 13.172,57

€ 15.220,00

€ 12.062,00

Vast rendement (ruwe berekening)

60,00%

78,20%

64,10%

In bovenstaande tabel zijn de relevante gegevens voor de berekening van de kostprijs weergegeven. Het gaat hier om de aankoopprijs van het systeem zelf, het aantal warmtewisselaars die nodig zijn, de totale aankoopprijs (= aantal x kostprijs van één warmtewisselaar) en het rendement. Let op dat de prijzen hier enkel de aankoopprijs is en er dus nog geen rekening gehouden werd met de installatiekosten!
Het aantal warmtewisselaars kan meer dan één zijn, omdat het mogelijk is om een debiet op te splitsen over meerdere systemen. Zo kan bijvoorbeeld een debiet van 50000 m³/h opgedeeld worden in twee luchtstromen van 25000 m³/h met dan warmtewisselaars die elk dit debiet aankunnen. Dit kan handig zijn indien de constructeur geen warmtewisselaars aanbiedt die een debiet van 50000 m³/h aankunnen, maar wel een interessant voorstel kan doen voor twee kleinere warmtewisselaars.
Het exacte rendement van een warmtewisselaar te weten komen, is helaas een probleem. Eén van de redenen hiervoor is dat de rendementen op de offertes altijd groter zijn dan het rendement na installatie, omdat het moeilijk is om de ideale situatie te benaderen. Zo moeten de ventilatoren bijvoorbeeld zuigend aan het systeem worden opgesteld. Dit wil zeggen dat de ventilatoren aan de pulsatie en de extractie telkens na het systeem moeten geplaatst worden, zodat zij de lucht erdoor zuigen. Om de ideale situatie nog meer te benaderen moet het systeem zo veel mogelijk gebruikt worden in de omstandigheden waarvoor het ontworpen is. Indien de temperaturen of het debiet sterk verschillen van de ontwerpvoorwaarden, zal het vermogen dat overgebracht wordt ook sterk verschillen.
Een bijkomende reden is dat er dikwijls één rendement wordt opgegeven, maar dit rendement is afhankelijk van de temperatuur.

η=A'-AB-A=thermisch rendement Formule 5.5

Met: A = buitenluchttemperatuur
A' = temperatuur van de pulsatielucht ná de warmtewisselaar
B = temperatuur van de extractielucht vóór de warmtewisselaar
B' = temperatuur van de extractielucht ná de warmtewisselaar

In deze formule is telkens de buitentemperatuur en de extractietemperatuur (koude zone: 21°C; warme zone: 26°C) gekend. Er is voor gekozen om met een vast rendement te werken indien er slechts één gekend is.

Er is in deze berekening voor gekozen om toch de rendementen aan te houden van de constructeurs, omdat er niet met zekerheid gezegd kan worden wat het effectieve rendement op de installatie van Belgoprocess zou zijn. Dus door het aanhouden van deze rendementen zal achteraf toch een keuze gemaakt kunnen worden uit de meest rendabele systemen.

Tabel 5.17 Berekening Klima PW

Klima PW

Vast of exact rendement:

Vast

temp A (°C)

Rendement

temp A' (°C)

Vermogenoverdracht (kW)

temp B' (°C)

Rendement (invullen)

-11

78,2%

14,0

130,2

1,1

0,0%

-9

78,2%

14,5

122,1

2,3

0,0%

-7

78,2%

14,9

114,0

3,6

0,0%

-5

78,2%

15,3

105,8

4,8

0,0%

-3

78,2%

15,8

97,7

6,1

0,0%

-1

78,2%

16,2

89,5

7,3

0,0%

1

78,2%

16,6

81,4

8,5

0,0%

3

78,2%

17,1

73,3

9,8

0,0%

5

78,2%

17,5

65,1

11,0

0,0%

7

78,2%

17,9

57,0

12,3

0,0%

9

78,2%

18,4

48,8

13,5

0,0%

11

78,2%

18,8

40,7

14,8

0,0%

13

78,2%

19,3

32,6

16,0

0,0%

15

78,2%

19,7

24,4

17,3

0,0%

17

78,2%

20,1

16,3

18,5

0,0%

19

78,2%

20,6

8,1

19,8

0,0%

21

0,0%

21,0

0,0

21,0

0,0%

23

0,0%

23,0

0,0

21,0

0,0%

25

0,0%

25,0

0,0

21,0

0,0%

27

0,0%

27,0

0,0

21,0

0,0%

29

0,0%

29,0

0,0

21,0

0,0%

31

0,0%

31,0

0,0

21,0

0,0%

33

0,0%

33,0

0,0

21,0

0,0%

35

0,0%

35,0

0,0

21,0

0,0%

37

0,0%

37,0

0,0

21,0

0,0%

Bij een bepaalde constructeur was het mogelijk om het rendement zelf te berekenen voor elke temperatuur en zelfs debieten, waardoor het mogelijk was om dit in te voegen als exact rendement zoals in tabel 5.12 merkbaar is.

Tabel 5.18 Berekening Recuterm Plate heat exchanger

Recuterm (Plate heat exchanger)

Vast of exact rendement:

Exact

temp A (°C)

Rendement

temp A' (°C)

Vermogenoverdracht (kW)

temp B' (°C)

Rendement (invullen)

-11

67,90%

10,7

113,1

3,7

67,9%

-9

67,20%

11,2

104,9

4,9

67,2%

-7

66,60%

11,6

97,1

6,1

66,6%

-5

66,00%

12,2

89,3

7,3

66,0%

-3

65,40%

12,7

81,7

8,5

65,4%

-1

65,00%

13,3

74,4

9,6

65,0%

1

64,60%

13,9

67,2

10,7

64,6%

3

64,40%

14,6

60,3

11,8

64,4%

5

64,20%

15,3

53,5

12,8

64,2%

7

64,10%

16,0

46,7

13,9

64,1%

9

64,10%

16,7

40,0

14,9

64,1%

11

64,00%

17,4

33,3

15,9

64,0%

13

64,00%

18,1

26,6

16,9

64,0%

15

64,00%

18,8

20,0

17,9

64,0%

17

63,90%

19,6

13,3

19,0

63,9%

19

63,90%

20,3

6,7

20,0

63,9%

21

0,00%

21,0

0,0

21,0

0,0%

23

0,00%

23,0

0,0

21,0

0,0%

25

0,00%

25,0

0,0

21,0

0,0%

27

0,00%

27,0

0,0

21,0

0,0%

29

0,00%

29,0

0,0

21,0

0,0%

31

0,00%

31,0

0,0

21,0

0,0%

33

0,00%

33,0

0,0

21,0

0,0%

35

0,00%

35,0

0,0

21,0

0,0%

37

0,00%

37,0

0,0

21,0

0,0%

In de kolom ‘Vermogenoverdracht' is het vermogen weergegeven dat overgedragen wordt door de warmtewisselaar. Dit is berekend d.m.v. temp A en temp A' op volgende manier:

Vermogen (kW)=pulsatiedebiet*soortelijke massa lucht*soortelijke warmte lucht*A'-A Formule 5.6

Met: soortelijke massa lucht = 1,2 kg/m³
soortelijke warmte lucht = 1,008 kJ/kgK
koude zone: debiet = 15490/3600 m³/s = 4,30 m³/s
warme zone: debiet = 75000/3600 m³/s = 20,83 m³/s

Temperatuur B' is dan omgekeerd berekend aan de hand van het vermogen en de gekende temperatuur B:

Vermogen (kW)=extractiedebiet*soortelijke massa lucht*soortelijke warmte lucht*B-B' Formule 5.7

Deze gegevens worden berekend voor verschillende warmtewisselaars en warmtewielen in beide zones en in de gecontroleerde zone ook voor een kringloopverbinding. Deze kringloopverbinding is vanwege het lage rendement niet nuttig om te berekenen in de koude zone aangezien het sowieso rendabeler zal zijn om een ander systeem te plaatsen. In de gecontroleerde zone is dit wel nodig aangezien dit één van de weinige oplossingen is zoals later behandeld zal worden in dit hoofdstuk.

5.2.4 Algemeen

Nu de vermogens bekend zijn, is het mogelijk om eens te bepalen wat er bespaard kan worden aan verbruik met een warmtewisselaar met een rendement van 60%. Hiervoor is het nodig het momentele verbruik te kennen. Dit is in volgende tabel gegoten:

Tabel 5.19 Algemene berekening

In deze tabel is merkbaar dat de energiekost voor Belgoprocess ruim 100.000 EUR bedraagt en hiervan een 90% terug te winnen is door energierecuperatie bij een rendement van 60%. Waarom er meer dan 60% terug te verdienen is te verklaren door de hogere extractietemperatuur.

De vermogenkolom is berekend met de formule 5.6, maar met als temperatuursverschil het verschil tussen de gewenste pulsatietemperatuur en de buitenluchttemperatuur. Er is een opsplitsing gemaakt tussen voorverwarmen en naverwarmen voor koude en warme zone, omdat er voorverwarmd wordt tot zo'n 10°C en dan naverwarmd tot ongeveer 20°C. Deze opsplitsing is in principe niet nodig, aangezien ook gewerkt kan worden met het volledige temperatuursverschil. Dit is het vermogen dat nodig is om de lucht op te warmen van de buitenluchttemperatuur tot de gewenste temperatuur.
De energiekolom is dan de vermogenkolom vermenigvuldigd met het aantal uren deze toestand voorkomt per jaar. Als dit vermenigvuldigd wordt met de kostprijs (EUR/kWh) dan is duidelijk hoeveel het Belgoprocess jaarlijks kost voor verwarming (105.751 EUR).

De besparingskolom is de opbrengst die per zone opgewekt wordt door de warmtewisselaar.
Opbrengst=vermogenzie tabel 5.12.aantal uren.kostprijs stoom

Algemeen wordt in deze berekening, maar ook in de andere volgende berekeningen, rekening gehouden met het feit dat als er een bepaalde temperatuur niet voorkwam (zoals -11°C) hier ook geen rekening mee dient gehouden te worden. En als de buitentemperatuur hoger is dan de gewenste temperatuur binnen is er ook geen vermogen dat toegevoegd dient te worden en zijn er geen kosten.

5.2.5 Verschillende recuperatiesystemen

Voor elke zone en elke warmtewisselaar dienen volgende gegevens ingegeven te worden zoals merkbaar is in tabel 5.20.

Tabel 5.20 Gegevens voor berekening per systeem

GEA CAIRplus SX 160,160IVBV

Klima PW

Recuterm (Plate heat exchanger)

Drukverlies pulsatie (Pa):

330

151

137

Drukverlies extractie (Pa):

340

219

148

Aantal ventilatoren waarop drukverlies effect heeft (pulsatie)

2

2

2

Aantal ventilatoren waarop drukverlies effect heeft (extractie)

2

2

2

Totaal te overwinnen drukverlies pulsatie (Pa)

660

302

274

Totaal te overwinnen drukverlies extractie (Pa)

680

438

296

Drukval over extra benodigd kanalenwerk (Pa)

Rendementen:

VP115,125

84,0%

84%

84%

MO115,125

87,0%

87%

87%

VE131,141

75,0%

75%

75%

MO131,141

87,0%

87%

87%

Besparing door warmtewisselaar:

€ 11.380

€ 14.832

€ 5.666

Extra vermogen om drukverlies op te vangen (kW):

9,52

5,40

4,06

Kost om drukverlies op te vangen:

€ 4.106

€ 2.332

€ 1.754

Totale besparing = besparing - extra kosten

€ 7.273

€ 12.500

€ 3.912

Deze tabel is opgebouwd uit gegevens i.v.m. drukverliezen en rendementen. Drukverliezen zorgen voor een vermogenverlies. Indien er een extra weerstand ingebouwd wordt in het kanaal, dan zullen de ventilatoren dit compenseren door extra opvoerhoogte. Dit extra vermogen is afhankelijk van het drukverlies en het debiet en wordt weergegeven d.m.v. volgende formule:

P=∆p.q Formule 5.8

Met: P = Vermogen (W)
∆p = drukverlies (Pa)
q = debiet (m³/s)

Maar aangezien de ventilatoren extra vermogen moeten leveren is het nodig eens te kijken of deze dat nog aankunnen. Dit is eenvoudig geschetst (zie bijlage), waarbij de opsplitsing gemaakt wordt tussen de verschillende zones.

5.2.5.1 Koude zone
5.2.5.2 Warme zone
5.3 Terugverdientijd en intern rendement

Tabel 5.20 Investeringsgegevens

Investering

13.172,57

EUR

Installatiekosten

70.000,00

EUR

Levensduur

15

jaar

Netto besparing per jaar over looptijd

9.889,60

EUR

Restwaarde

0,00

EUR

Afschrijvingstermijn

5,0

jaar

Vennootschapsbelasting

33,99%

Investeringsaftrek

15,5%

Mogelijke installatiekost

11.116,72

EUR

Hierboven zijn de verschillende gegevens merkbaar die ingegeven dienen te worden om automatisch het intern rendement en de terugverdientijd te berekenen.

Investering: kostprijs van de investering zonder al de kosten die gemaakt dienen te worden om de investering te installeren (=aankoopkost)

Installatiekosten: kosten die gemaakt dienen te worden om de investering te installeren

Levensduur: geschatte tijd dat dit product gaat functioneren.
Dit is in praktijk moeilijk te definiëren, omdat het een voorspelling is. Soms zal men ook een installatie of een onderdeel hiervan vroegtijdig vervangen, omdat er bijvoorbeeld ondertussen zuinigere systemen op de markt zijn.

Netto besparing per jaar over looptijd: totale besparing over een jaar die teweeggebracht wordt door de investering. In dit geval is dit de besparing in energiekosten door het recuperatiesysteem waarbij de extra (andere) energiekosten afgetrokken zijn. In dit geval is dit voornamelijk de extra drukval die overwonnen moet worden door de ventilatoren, waardoor deze meer energie uit het net zullen trekken.

Restwaarde: waarde van de investering na gebruik. Deze is positief indien men het product nog kan verkopen, maar kan ook negatief zijn indien men kosten moet maken om het product naar het containerpark te brengen, … In de warme zone zou in sommige gevallen de kosten hoog kunnen oplopen doordat er gecontroleerd moet worden op enige contaminatie en eventueel de verwerking van het product. Dit is niet van toepassing op het systeem dat hier behandeld wordt, want het is enkel mogelijk om het recuperatiesysteem in de extractie te plaatsen na de filters.

Afschrijvingstermijn: aantal jaren waarover de kosten van de investering gespreid worden.

Vennootschapsbelasting: belasting die geheven wordt op de winst van een onderneming. Het basisbedrag bedraagt volgens de Belgische Federale Overheidsdiensten (2009) 33,99%.

Investeringsaftrek: dit is een korting die verkrijgbaar is op de belastingen in geval van bepaalde investeringen, bijvoorbeeld voor energiebesparende maatregelen zoals hier het geval is.

Mogelijke installatiekost: deze installatiekost is mogelijk om nog juist een IRR van 15% te halen. Dit wordt niet automatisch berekend, maar is mogelijk via de functie ‘doelzoeken' in Excel.

5.4 Warmterecuperatiesystemen

Besluit

Literatuurlijst

Leijten, J.L., & Kurvers, S.R. (2007). Praktijkgids arbeidshygiëne: Binnenklimaat kantoorgebouwen. Alphen aan den Rijn: Kluwer.

Eindwerken:

Beyers, K. (2004). Ontwerp van een HVAC-installatie voor kantoorgebouwen. Onuitgegeven verhandeling, Katholieke Hogeschool Kempen, Industrieel Ingenieur en Biotechniek Geel.
Gevonden op 2/2/2010 op http://doks2.khk.be/eindwerk/do/record/Get?dispatch=view&recordId=SKHK413ebf17fb06726200fb06bc8f9e158c

Alen, P. (2009). Energiebesparingen in HVAC: Integratie warmtepomp en koelwaterrecuperatie voor verwarming. Onuitgegeven verhandeling, Katholieke Hogeschool Kempen, Industriële en biowetenschappen Geel.
Gevonden op 17/8/2009 op https://doks2.khk.be/eindwerk/do/record/Get?dispatch=view&recordId=SKHKff8080811dcec504011dcece48d204ce

Cursussen:

Ver Elst, J., (2009). Luchtbehandeling. Onuitgegeven nota's bij een cursus voor het derde jaar bachelor in de industriële wetenschappen Elektromechanica, Katholieke Hogeschool Kempen, Departement IBT Geel.

Ver Elst, J., (2009). Toegepaste Mechanica Aanvullingen. Onuitgegeven nota's bij een cursus voor het derde jaar bachelor in de industriële wetenschappen Elektromechanica, Katholieke Hogeschool Kempen, Departement IBT Geel.