Ontwerpparameters - Technieken

Voorbehandeling van ventilatielucht: warmtewielen en voorkoeling

11 oktober 2017

Waarom voorbehandelen?

Comfort en energiebesparing

 

Ventilatielucht die te koud of te warm in een ruimte wordt binnengebracht, veroorzaakt comfortproblemen: tocht, condens op roosters, … Koude ventilatielucht geeft bovendien aanleiding tot hogere warmteverliezen en dus meer energieverbruik. Lucht die te warm wordt binnengebracht, geeft aanleiding tot oververhitting en blijft bovenaan in de ruimte hangen. In zo’n situatie wordt het hoofd warmer dan de voeten, wat als oncomfortabel wordt ervaren.

Ventilatielucht met een te groot verschil in temperatuur tussen ruimte en inblaaslucht (de vorm van het inblaasrooster of –ventiel bepaalt mee de aanvaardbare afwijking) wordt dan ook behandeld om een aanvaardbaar resultaat te krijgen.

Een luchtbehandelingsinstallatie met batterijen voor koeling, verwarming, droging en bevochtiging kan dit in principe heel precies regelen, maar is duur, omvangrijk, niet geschikt voor kleine installaties zoals woningen, en bovendien niet zuinig zonder systemen voor energierecuperatie.

Wetgeving

Het KB Welzijn op het werk (ook bekend als de welzijnscodex, of onder de vroegere naam “ARAB”) en alle aanpassingen aan dit KB vormen een bundel verplichte eisen aan werkplekken. Deze hebben betrekking op de organisatie, beschermingsmiddelen, speciale werksituaties, uitrusting van werklokalen, eisen m.b.t. het binnenklimaat waarin gewerkt wordt, … Bij deze laatste zijn ook de temperatuur, luchtkwaliteit en relatieve vochtigheid opgenomen. Het volledige overzicht van de Codew is te vinden op http://www.werk.belgie.be/moduleDefault.aspx?id=1958

De recentste aanpassing aan dit KB zorgt door de relatief strenge eisen voor heel wat beroering. Momenteel loopt overleg tussen het kabinet van de minister en vertegenwoordigers van de bouwsector om een praktische leidraad bij het KB te bekomen, en een realistischere en werkbare definitie van de eisen. Het lijkt bijvoorbeeld bijna niet meer mogelijk om nog een ventilatiesysteem zonder bevochtiging te voorzien in een niet-residentieel gebouw. De hoge vereiste debieten zorgen in de winter immers voor een snellere uitdroging van de lucht, waardoor bevochtiging nodig wordt.

Bevochtiging van ventilatielucht veroorzaakt een energieverbruik: het inbrengen van koude waterdamp in de lucht doet de luchttemperatuur dalen, waardoor deze moet opgewarmd worden en hierbij energie nodig is. Het inbrengen van warme waterdamp of stoom beïnvloedt de luchttemperatuur nauwelijks, maar de productie van de warme damp vereist wel energie. Omdat voor kleine installaties stoombevochtiging op elektriciteit vaak het enige (en qua investering vrij goedkope) alternatief is, wordt relatief veel primaire energie aangesproken.

De behoefte aan bevochtiging terugdringen en zo de primaire energiebehoefte verminderen, is dan ook een must. Dat kan door vocht te recupereren uit de afgevoerde ventilatielucht. De meest gebruikte techniek hiervoor werkt op basis van warmtewielen.

 

 

Warmtewielen

Werking

Dit energieterugwinningssysteem bestaat uit een langzaam draaiende rotor, opgebouwd uit dunne gegolfde (meestal aluminium) plaatjes, die de warmte accumuleert en/of het vocht uit de extractielucht haalt en die dan weer aan de verse lucht afgeeft. Omdat het warmtewiel draait blijft dit proces zich herhalen.

 

Denco Happel

Bij het proces wordt energie uitgewisseld in twee vormen: voelbare en latente warmte. De voelbare warmte kan men eenvoudig meten door de temperaturen van de luchtstromen te vergelijken en zo het thermisch rendement te bepalen. Meestal ligt dit rendement door de beperkte contactoppervlakte lager dan bij de klassieke grote platenwisselaars. Het thermisch rendement is echter slechts een deel van het energetisch rendement. Door het uitwisselen van vocht wordt ook een deel van de latente warmte gerecupereerd. De latente warmte is de hoeveelheid warmte die nodig is om water te laten verdampen bij constante temperatuur, of concreet in deze toepassing: de energie die nodig is om lucht te bevochtigen en toch op dezelfde temperatuur te blijven.

De totale energierecuperatie omvat dus zowel de gerecupereerde voelbare als de latente warmte, en dit maakt dat het totale rendement van een warmtewiel wel waarden van 75% à 85% haalt. Maar deze waarde kan men dus moeilijk vergelijken met die van platenwarmtewisselaars. Dat is direct ook de reden waarom deze in EN308 in verschillende categorieën worden ingedeeld, en waarom het in de EPB-regelgeving tot 2014 heeft geduurd alvorens het rendement van warmtewielen kon ingerekend worden.

 

Types warmtewielen

In EN308 worden  warmteterugwinningstoestellen onderverdeeld in enkele categorieën. Het grootste onderscheid maakt men tussen recuperatoren (categorieën I, II) en niet-hygroscopische regeneratoren (categorie IIIa) waarmee vooral voelbare warmte wordt uitgewisseld, en regeneratoren  (categorie IIIb), waarmee behalve voelbare warmte ook een significante hoeveelheid latente warmte in de vorm van vochtrecuperatie word uitgewisseld.

Het warmtewiel geldt volgens de definitie in EN308 als “regenerator” van categorie IIIa of IIIb. Afhankelijk van het gebruikte materiaal wordt meer of minder vocht uitgewisseld. Een niet-hygroscopisch warmtewiel (cat IIIa) heeft slechts minimale uitwisseling van latente warmte (bij condensatie van het vocht op het materiaal). Een hygroscopisch warmtewiel (cat IIIb) veel meer omdat dit vocht in het materiaal van het wiel opneemt. Bij de meest gebruikte types warmtewielen spreekt men van enthalpiewielen, bij een grote hoeveelheid vochtuitwisseling van absorptiewielen. De keuze voor het type wiel hangt af van de vochtbehoefte en de hygiënische vereisten. Bij vochtwisseling heeft immers steeds ook een beperkte uitwisseling van geuren en contaminanten. Voor veel toepassingen is dit geen probleem, maar bv. in ziekenhuizen en cleanrooms kan een warmtewiel niet zomaar toegepast worden.

 

 

Voorkoeling

Principe

Het principe van voorkoeling van ventilatielucht is eenvoudig: de ventilatielucht wordt in contact gebracht met een kouder materiaal, waardoor deze afkoelt en vervolgens de ruimte wordt ingebracht. Maar de praktische uitwerking van dit eenvoudig principe is veel complexer, niet in het minst door de grote keuzevrijheid qua systemen.

Als men naar het resultaat kijkt dient dit in het slechtste geval om oververhitting wat te verminderen, in het beste geval kan een ruimte er mee gekoeld worden. Als men naar de gebruikte energie kijkt, gebeurt voorkoeling in het beste geval met “gratis” energie, in het slechtste geval werkt men met een elektrisch aangedreven aircotoestel. Binnen deze twee paar uitersten liggen veel tussenvormen, en vooral: veel praktische uitwerkingen.

 

Actief of passief

Het is belangrijk om in te zien dat actieve koeling (dus met een compressiekoelmachine, in de volksmond ook gekend als “airco”) wel degelijk een optie is. Het bijhorende (vaak elektrische) energieverbruik van de compressor in de koelcyclus is uiteraard een nadeel, maar de mogelijkheid om een ruimtetemperatuur precies te regelen met gekoelde lucht is wel interessant. Een heel belangrijk aandachtspunt hierbij: een bescheiden ventilatiedebiet (zelfs de hoge debieten zoals geëist in het KB arbeidsplaatsen) is in veel gevallen onvoldoende om enkel hiermee te kunnen koelen. Een kleine hoeveelheid ingeblazen lucht zou immers tot een onaangenaam lage temperatuur moeten afgekoeld worden om het vereiste vermogen te halen. Een systeem waarbij men koeling voorziet gecombineerd met ventilatielucht zal dus bijna altijd nood hebben aan extra lucht (via recirculatie) en dus ook grotere kanalen. Een systeem met actieve koeling dat gebaseerd is op de ontwerpdebieten voor ventilatie, zal vrijwel nooit een koelvermogen kunnen ontwikkelen dat echt in staat is om precies te gaan koelen – zeker niet als de ventilatie dan nog eens vraaggestuurd geregeld wordt. Ter vergelijking: een binnenunit van een airco verplaatst gebruikelijk tussen de 500 en 2000 m³ lucht per uur. Een kantoor met 4 personen heeft zelfs met het nieuwe KB “slechts” een goeie 200 m³/h verse lucht nodig.

Aangezien de focus tegenwoordig terecht verschuift naar energiezuinige systemen, bekijken we verder uitsluitend de passieve voerkoelingssystemen, volgens de indeling zoals we deze ook in de EPB-regelgeving terugvinden.

 

 

Enkele types van passieve voorkoeling

Grondbuizen

De aangevoerde lucht wordt aangezogen via lange buizen die in de bodem worden geplaatst. De buiswand neemt de temperatuur van de koude bodem aan, en de lucht die in contact komt met de buiswand geeft zijn warmte af aan de buis en zo aan de bodem. De lucht koelt af en komt zo het ventilatiesysteem binnen. Een bypass langs het recuperatiesysteem in de ventilatie-unit is dan een must: men moet immers voorkomen dat de afgekoelde lucht weer onnodig opgewarmd wordt door de afgevoerde lucht.

Materiaal van de buis (i.f.v. warmteoverdracht), diameter (contactoppervlak), luchtsnelheid (hoe trager, hoe meer energieuitwisseling), aantal buizen (meer buizen met kleinere diameters geven een beter resultaat qua koeleffect), diepte onder het maaiveld (bodemtemperatuur), hebben dus allemaal invloed op het ontwerp van de grondbuizen.

Daar bovenop komen echter nog een hele reeks aandachtspunten van praktische en hygiënische aard, die vaak de energetisch interessantste oplossingen tegenwerken. Te veel afkoeling is bijvoorbeeld niet goed: dan kan de lucht de aanwezige hoeveelheid waterdamp niet meer bevatten en ontstaat condens op de buiswanden, waarin bacteriën en schimmels zich kunnen nestelen. Het materiaal moet ook vlot reinig baar zijn, en mag geen aanleiding geven tot lekken of stagnatie van condenswater. De buisdiameter moet bovendien groot genoeg zijn om deze te kunnen inspecteren en reinigen. Al deze randbeslommeringen maken dat het ontwerp van grondbuizen moet gebeuren door ervaren personen, met berekeningen van best- en worst-case scenario’s, en dat het onverstandig is om te beknibbelen op materiaal- en uitvoeringskwaliteit. Dat brengt helaas met zich mee dat een goed grondbuissysteem vaak relatief prijzig is. Als men er andere vormen van actief of passief koelen mee kan vermijden, kan het zeker een goede optie zijn.

Het systeem werkt ook in de winter: omdat de temperatuur van de bodem relatief constant is doorheen het jaar, kan men ook warmte uit de bodem onttrekken en de lucht voorverwarmen. Let wel: als er al een performante warmtewisselaar in de ventilatieunit voorzien is,moet men de invloed van de voorverwarming niet overschatten. Bij een heel extreem voorbeeld: waar lucht van -10°C wordt voorverwarmd tot 5°C, warmt een warmtewisselaar met rendement van 80% de lucht nog op tot 17°C als de binnentemperatuur op 20°C staat. Maar zonder voorverwarming haalt dezelfde warmtewisselaar nog altijd 14°C, wat slechts 3°C verschil is. In vergelijking met het veel grotere voorkoeleffect is dit bijna verwaarloosbaar. Voor een systeem met grondbuizen kiest men dus in de eerste plaats als men wil voorkoelen, niet om voor te verwarmen.

 

Afb: PRAKTISCHE AANBEVELING ENE22 van Leefmilieu Brussel

Bodemwarmtewisselaar

Een systeem met een warmtewisselaar werkt heel analoog aan het systeem met grondbuizen, maar met een belangrijk verschil: het is niet de ventilatielucht die door buizen in de grond gaat, maar een vloeistof (meestal water met glycol). De vloeistof zit in een gesloten lus. Deze vloeistof wordt d.m.v. een warmtewisselaar in contact gebracht met de aangevoerde lucht en koelt zo de toevoerlucht af.

De verschillen met grondbuizen leggen direct de voordelen bloot: alle hygiënische bezwaren zijn in één klap van tafel geveegd. De buizen kunnen veel kleiner uitgevoerd worden, moeten niet per se geïnspecteerd kunnen worden. Bovendien heeft men geen heel grote tuinoppervlakte nodig: in principe kan de bodemwarmtewisselaar zelfs verticaal geplaatst worden. En ten slotte hoeft er nergens in de tuin een speciale plaats voor de aanzuigopening van de ventilatielucht voorzien te worden.

Een nadeel t.o.v. grondbuizen: om de vloeistof rond te pompen in de bodemwarmtewisselaar is een pomp nodig die energie verbruikt. Ook de warmtewisselaar en bijhorende condensafvoer vragen wat installatieruimte.

 

Afb: Netec

Verdampingskoeling

Verdampingskoeling, ook adiabatische koeling genoemd, steunt op een principe dat aan het begin van het artikel al werd aangehaald: door het laten verdampen van water wordt warmte gebruikt. Die warmte onttrekt men direct of indirect uit de ventilatielucht.

Er bestaan verschillende systemen die grofweg kunnen ingedeeld worden in drie groepen: directe adiabatische koeling (waarbij het verdampte water in de luchtstroom blijft en zo dus relatief vochtige lucht in de ruimte komt – wat niet altijd wenselijk is), indirecte adiabatische koeling (waarbij het vocht uit de luchtstroom blijft, maar een gecompliceerdere installatie vereist) en een recentere techniek: diabatische of dauwpuntkoeling (de lucht wordt altijd indirect gekoeld en de absolute vochtigheid blijft gelijk).

Elk van deze technieken vindt vooral zijn toepassing in de niet-residentiële sector, en welk type het meest is aangewezen is steeds afhankelijk van de koelbehoefte en de gewenste relatieve vochtigheid. Bij de verkeerde randvoorwaarden kan verdampingskoeling een verkeerde keuze zijn, maar in de juiste omstandigheden is het een zeer duurzame manier van koelen. Dit dient dan ook steeds bekeken te worden door ervaren installateurs, fabrikanten of studiebureaus. Vaak zijn ook interessante combinaties met andere technieken mogelijk (bvb droging van lucht met hygroscopische buffermaterialen), maar deze opties vinden hun toepassing vooral in grotere gebouwen met specifieke behoeften, en vallen buiten de scope van dit artikel.

Afbeelding: Trotec