Inhoud - EINSTEIN Project

Mr Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Nederlandse versie:
dr. ir. Ruud Cuypers
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for technical experts
(architects, engineers, construction industry etc.)
Seizoensopslag van Thermische energie (STE)
voor TECHNISCHE EXPERTS
(architecten, ingenieurs, bouwers, installateurs, etc)
1
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
2
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
3
WAT IS STE?
 Koude opslag in de winter
voor gebruik in de zomer
 Warmteopslag in de
zomer voor gebruik in de
winter
4
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
5
WAAROM STE?





Energiegebruik in gebouwen is goed voor 30-40% van het totale
energiegbruik in de EU
60-70% daarvan wordt gebruikt voor verwarming van woningen
Verwarmingsvraag vindt met name plaats in de winter als de
beschikbaarheid van zonne-energie laag is
Zonne energieopslag in de zomer voor gebruik in de winter
Noord-Europese landen hebben een gemiddelde temperatuur
van ongeveer 5°C en jaarlijkse zoninstraling tot ongeveer 1000
kWh/jaar.m² (Stockholm)
Bron: SoDa-is.com
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
7
GESCHIEDENIS VAN STE – Koude opslag
In 400 V.C. werden 20m hoge bakstenen
koepels met windvangers gebruikt om
ijs in op te slaan en om koeling te
genereren in een omgeving van 40°C
Bron: awesci.com
 Antiek Perzië
 Romeinen
 Koelhuizen
In de 18e en 19e eeuw werden
rivierwater en meertjes gebruikt om
gebouwen koel en voedsel goed te
houden (Middleton, Engeland – Glen
River, Noord-Ierland)
Bron: Griffiths & Colclough
Gebruikten in de 1e eeuw na Christus
putten en getransporteerde sneeuw om
hun voedsel en wijn te koelen op
warme dagen
8
GESCHIEDENIS VAN STE – Warmte opslag
 Duitsland na WO I
De eerste haalbaarheidsstudies in 1920
door het gebrek aan grondstoffen.
 VS
Het Keck “glazen” huis in 1933 en MIT
huis in 1939 zijn beide uit glas en hoge
thermische capaciteitsmaterialen voor
thermische opslag gebouwd
 Denemarken, Zweden
In de 70-er jaren dwong de oliecrisis
overheden naar alternatieven te
zoeken. Kleine en grote schaal
thermische opslagsystemen werden in
combinatie
met
stadsverwarming
gerealiseerd
9
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
10
HOE WERKT HET - Componenten

Warmtebron




Thermische opslag




Zon
Biomassa
Industriële restwarmte..
Hoge warmtecapaciteit
Groot volume
Lage warmteverliezen
Bijkomende systemen &
distributie


Boiler, warmtepomp
Stadsverwarmingnetwerk
11
HOE WERKT HET - CONFIGURATIES

Parallel
Warmtepomp, zonnecollector
en STE werken onafhankelijk
om te voldoen aan de vraag
In Serie
Source: Solites

Zonnecollector of STE werken
als bron voor de warmtepomp
of aanvullend aan andere
bronnen

Serie/Parallel
De warmtepomp of collector
levert warmte aan het
gebouw,
afhankelijk
of
onafhankelijk van elkaar
12
HOE WERKT HET - CONFIGURATIES

Parallel
De zonnecollectoren zijn direct met de opsalgtank verbonden en laden
hem met warmte gedurende tijden van hoge zoninstraling. DE STE levert
heet water voor thuisgebruik (tapwater), en voor ruimteverwarming in
de stookperiode (winter).
Als de temperatuur van de STE lager is dan benodigd levert de
warmtepomp de gevraagde warmte aan zowel het warmwatersysteem
als het systeem voor ruimteverwarming. De bron voor de warmtepomp is
extern en kan zowel lucht, grond of restwarmte zijn.
Solar
Collectors
DHW
Heat Pump
STES
(Air/Ground source)
LOAD
13
HOE WERKT HET - CONFIGURATIES

In Serie
De zonnecollectoren, STE tank en warmtepomp zijn in serie geschakeld.
Warmte wordt gedurende tijden van hoge zoninstraling opgeslagen. De
collector kan dienen als directe bron voor een warmtepomp of als
indirecte warmtebron via de opslagtank. De warmtepomp moet een
water-water warmtewisselaar hebben, en het zal aan de warmtevraag
voor zowel warmtapwater als ruimteverwarming kunnen voldoen.
De temperatuur van de opslagtank kan worden ingesteld op een
minimum waarde afhankelijk van de instellingen van de bron voor de
warmtepomp. Een minimum temperatuur zorgt voor minder
warmteverliezen door de STE.
Heat
Pump
Solar
DHW
Collectors
STES
LOAD
14
HOE WERKT HET - CONFIGURATIES

Serie/Parallel
De STE tank wordt opgeladen door de zonnecollectoren en zorgt voor
warmte voor zowel warm tapwater als ruimteverwarming. Wanneer de
temperatuur in een STES onder een minimumwaarde komt (afhankelijk
van het verwarmingsdoel) schakelt de warmtepomp in. De
warmtepomp gebruikt de overige warmte uit de opsalg om warm
tapwater en ruimteverwarming aan het gebouw te leveren.
In alle drie de gevallen kan de warmtepomp draaien in tijden van lage
electriciteitskosten om de warmwatertank kosteneffectief op te
warmen. Daarbij zal een hulpsysteem gebruikt moeten worden (bv. Een
gasgestookte ketel) om de warmtevraag te leveren die niet door de STE
geleverd kan worden.
Solar
Collectors
DHW
STES
Heat
Pump
LOAD
15
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
16
MANIEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG

Latente Warmte

Chemische Warmte

Voelbare Warmte
17
MANIEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG

Latente warmteopslag
De meest veelgebruikte materialen voor
latente warmteopslag zijn vast-vloeistof
fase-overgangsmaterialen (Phase Change
Materials, PCMs). Thermische energie kan
door PCMs worden opgenomen in zowel
de vaste als vloeibare toestand. Er wordt
gedurende de overgang van vast naar
vloeibaar een grote hoeveelheid warmte
opgenomen (smelten). PCMs kunnen 5 tot
14 keer meer warmte per volume eenheid
opslaan dan conventionele opslagmaterialen zoals water, cement of steen.
Als warmte door de PCM wordt afgegeven
verandert hij weer van vloeistof naar
vaste stof.
MANIEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG

Thermochemische Opslag
Chemische warmte en sorptiewarmte
opslag-systemen (Zgn. Thermo-chemische
opslagsystemen)
zijn
veelbelovende
technologieën met aanzienlijke voordelen
met betrekking tot zowel voelbare als
latente opslagtechnieken.
Opslagdichtheden tot 10 keer hoger dan bij
warm water als opslagmedium kunnen
theoretisch worden bereikt, waardoor zeer
compacte toepassingen denkbaar zijn.
Vanwege de aard van de processen en de
opslag
bij
kamertemperatuur
zijn
warmteverliezen nagenoeg afwezig. Deze
combinatie van factoren maakt dat
thermchemische opslag een zeer efficiente
methode
is
voor
lange
termijn
warmteopslag en transport.
MANIEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG

Voelbare Warmteopslag
Voelbare warmte is de warmte die wordt
opgenomen of afgegeven bij aanleggen
van een temperatuurverschil. Het is een
directe en de meest veelgebruikte
manier van warmteopslag, echter, de
voornaamste nadelen zijn de grote
benodigde
opslagvolumes
en
de
warmteverliezen
wanneer
het
opslagmedium zich in een omgeving van
lagere temperatuur bevindt. Het gebruik
van watertanks voor thermische opslag is
een
aloude
techniek.
Innovatieve
oplossingen zouden de warmteverliezen
moeten kunnen minimaliseren door
optimale gelaagdheid en efficiente
thermische isolatie te bewerkstelligen.
Heißwasser-Wärmespeicher
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG – Kies/Wasser-Wärmespeicher
systemen
Sommer
Heißwasser-Wärmespeicher
Heißwasser-Wärmespeicher
Winter
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Sommer
Winter
Sommer
Winter
Wärmedämmung
Abdichtung
Schutzvlies
Wärmedämmung
Wärmedämmung
Abdichtung
Abdichtung
Schutzvlies
Hot Water tank thermal energy store (HW-TTES)
Erdsonden-Wärmespeicher
1)
~70 kWh/m³
Schutzvlies
Pit Thermal Energy Store (PTES)
~55 kWh/m³ 2)
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
Borehole Thermal Energy Store (BTES)
15-30 kWh/m³
1) J
max=90
Aquifer-Thermal Energy Store (ATES)
30-40 kWh/m³
°C, Jmin=30 °C zonder warmtepomp 2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C gravel-water TES met warmtepomp
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG - Systemen

Thermische energieopslag systemen
Source: http://solar-district-heating.eu/
22
OPSLAGVERLIEZEN

Verliezen van de STE
kunnen aanzienlijk zijn
Door een lagere
oppervlakte/volume
ratio koelen grotere
opslagtanks langzamer
af en zijn daarom in het
voordeel
Dit heeft geleid tot een
focus op STE in
combinatie met
warmtenetten
Afkoelcurve van een warmwateropslag met een netto volume
van m3 (cylindrisch: Ø 2 m, hoogte 3,18 m).
Start temperatuur 80 °C, buitentemperatuur 5 °C
Time in days
A: conventional insulation material: λ = 0,05 W/(m·K), insulation thickness s = 0,2 m
B: conventional insulation material : λ = 0,05 W/(m·K), insulation thickness s = 2 m
C: Vacuum insulation: λ = 0,005 W/(m·K), insulation thickness s = 0,2 m
23
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG - Systemen

Voelbare warmteopslag
Verschillende typen STE worden gekarakteriseerd door verschillende specifieke
opslagcapaciteiten, temperatuurniveaus en laad- en ontlaadmogelijkheden. Daarbij komt dat
de bruikbare volumetrische opslagcapaciteit afhankelijk is van de gebruikte temperaturen en
de warmtecapaciteit van het opslagmateriaal. Dit moet worden meegewogen voor de
technische selectie van een van de types STE.
Maximale gebruikstemperaturen van de verschillende STE technieken afhankelijk
van de terugvoertemperaturen van de stadsverwarmingsnetwerk en het gebruik
van warmtepompen [bron: ITW, USTUTT].
Bruikbare volumetrische opslagcapaciteit afhankelijk van de
minimale ontlaadtemperatuur van de verschillende STE
technieken [bron: ITW, USTUTT].
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG - TTES
TTES
Beton
Lokaal gestort
Staal
Prefab
Lokaal
geinstalleerd
Fiber
Vacuum
Geisoleerd
Uit de fabriek
Gewapend beton
Metalen Tank
VOORDELEN

Extra energieopslagcapaciteit (tot +25%)

Het materiaal beschermt de isolatie.
NADELEN

Zware structuur

Moet waterdicht worden gemaakt

Beperkingen voor drukvaten

Gewoonlijk lage hoogte/diameter
verhouding, slechte stratificatie
VOORDELEN

Lichte structuur

Gemakkelijk waterdicht te maken

Flexibel in vorm en geometrie
NADELEN

Zeer geleidend, beinvloed thermische
verliezen

Geleiding kan stratificatie om zeep helpen
25
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG - Stratificatie

Thermische opslag en
stratificatie
Effectieve thermische energieopslag in warm
watervaten heeft een goed geisoleerde
tankwand en simpele laad- en ontlaadsystemen
nodig die thermische stratificatie leveren en
effectief behouden in de tank. De kwaliteit van
de thermische stratificatie in de opslag heeft
een grote invloed op de thermische
karakteristieken van het zonnewarmtesysteem.
Menging van koud en warm water in de opslag
kan de opbrengst verlagen en kan de
hoeveelheid benodigde naverwarming danig
verhogen. In dat geval is het gebruik van een
zonne-energiesysteem niet langer energetisch
verantwoord.
THERMISCHE ENERGIEOPSLAG - Stratificatie

Typen stratificatie



Extern: automatische kleppen controleren de stroming langs
de hoogte van de tank
Intern: de warm water inlaathoogte is automatisch
afhankelijk van de dichtheid van het water
Redenen voor gebruik




Stratificatie in een STE heeft een positieve invloed op de
kwaliteit en duurzaamheid van de opgeslagen hoeveelheid
energie
Temperatuurdiversiteit: zonnecollectoren, warmtepompen
en conventionele boilers draaien met verschillende
temperaturen
Aan- en afvoertemperaturen van het water beinvloeden de
stratificatie in de opslagtank
Slecht ontworpen stratificatiesystemen hebben direct
invloed op de kwaliteit den de duurzaamheid van een STE
systeem
27
THERMISHE ENERGIEOPSLAG - Buffer




Buffer tank
Benodigd in thermische generatoren
om productie en gebruik te scheiden,
waardoor
onafhankelijke
warm
waterstromen mogelijk zijn
Stabiliseert de warmtecapaciteit en
temperatuuroutput
van
de
warmtepomp
Bepaalt de temperatuurniveaus en
verbertert
daarmee
de
warmte
uitwisseling
28
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
29
VOORBEELD VAN DE SERIE/PARALLEL
STE WERKINGSMECHANISMEN
(EINSTEIN OPSTELLINGEN)
HOE WERKT HET – Serie/Parallel

Laden
Het laden van een STE systeem start als de thermische energie van de
bron (zon) beschikbaar is. Zonthermische energie kan worden opgevangen
in de zomermaanden en worden opgelsagen in de STE voor later gebruik.
Het is alleen mogelijk om tegelijk thermische energie op te slaan en te
leveren als de tank afzonderlijke circuits voor laden en ontladen heeft.
HOE WERKT HET – Serie/Parallel

Direct ontladen
Het ontladen van een STE systeem start met het stookseizoen. De tank
levert warmte direct aan het gebouw door een stadsverwarmingsnet of een
directe pijplijn. De temperatuur van het warme water wordt
voorgeschreven door de opwarming aan de vraagzijde. Maximale STE
outgaande temperatuur is typisch 80°C (met druktanks is zelfs >100°C
mogelijk).
TSTES > 50°C
HOE WERKT HET – Serie/Parallel

Warmtepomp aansturing
De warmtepomp treedt in werking wanneer de STE temperatuur onder de
gevraagde temperatuur voor de volledige warmtevraag komt. Water van
de STE levert warmte voor de verdampingscyclus van de warmtepomp en
de condensatie levert voldoende warm water voor de vraag.
10°C < TSTES < 50°C
HOE WERKT HET – Serie/Parallel

Hulpsysteem – Boiler
Als de temperatuur in de watertank zakt onder een niveau waarbij nog
efficient gebruik kan worden gemaakt van de warmtepomp (10°C) start
het hulpsysteem. De warmte in de STE tank is dan volledig gebruikt en de
warmtevraag wordt dan volledig door het hulpsysteem geleverd.
TSTES < 10°C
HOE WERKT HET – Serie/Parallel

Hulpsysteem – Boiler/Warmtepomp




Een hulpsysteem is essentieel om piekvraag en perioden waarin
de opslagtank volledig is ontladen te overbruggen
Warmtepompen zijn typisch drie tot vier keer efficienter dan
conventionele verwarmingssystemen voor dezelfde hoeveelheid
warmte
Water – water warmtepompen hebben een lage
terugvoertemperatuur naar de bron. Dit temperatuurverschil
helpt de gelaagdheid in de opslagtank te behouden.
Lagere temperaturen op de bodem van de opslagtank zorgen
voor hogere efficientie van de zonnecollectoren en verkleinen
warmteverliezen door de bodem
35
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
36
BEREKENINGEN - Diagram

Energiediagram van een STE systeem met warmtepomp
37
HOEVEEL ENERGIE KAN WORDEN OPGESLAGEN

Q= m.cp.ΔΤ




Q: Opgeslagen thermische energie
m: Massa van het warmteopslagmateriaal
cp: Specifieke warmtecapaciteit van het
opslagmateriaal
ΔT: Temperatuurverschil van het opslagmedium
tussen laden en ontladen
38
BEREKENINGEN

Maximale opslag thermische energie
De maximale hoeveelheid thermische energie die in een STE systeem kan
worden opgeslagen (MWh) kan worden berekend met:
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 ∙ 𝜌 ∙ 𝐶𝑃 ∙ (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑖𝑛 )
V: Volume (m3)
ρ.Cp: warmtecapaciteit van het opslagmedium (MJ/(m3 K)
Tmax: Maximum opslagtemperatuur
Tmin: Minimum temperatuur
39
BEREKENINGEN

Solar collector output
De twee factoren die voornamelijk de efficientie van de seizoensopslag met
warmtepomp bepalen zijn de solar fraction (SF) en de coefficient of
performance (COP) van de warmtepomp. Deze factoren hangen af van de
collectoroppervlakte en het opslagvolume.
Verwarmingssystemen op zonne-energie worden voornamelijk beoordeeld op
hun SF, i.e. de hoeveelheid energie geleverd door de zon gedeeld door de
totale energievraag:
𝑞𝑐 − 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑆𝐹 =
𝑄ℎ𝑑
qc: collector output
Qloss: Thermische verliezen in het systeem
Qhd: Warmtevraag
40
BEREKENINGEN

STE systeem energiebalans
De relatie tussen SF, COP, collectoroppervlakte en opslagvolume kan worden
berekend met behulp van energiebehoudsprincipes, met de energie in de
opslag als volgt:
𝑞𝑐 + 𝑊ℎ𝑝 = 𝑄ℎ𝑑 + 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 + 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑘
Met qc collector output, Whp electriciteitsinput naar de warmtepomp, Qhd de
warmtevraag voor ruimteverwarming en warmwatervoorziening, Qloss de
warmteverliezen in het systeem, en Qtank de energie opgeslagen in de tank
(alle in kWh).
41
BEREKENINGEN

Warmtepomp performance
De efficientie van een warmtepomp bij verwarming wordt bepaald door de
coefficient of performance (COP). De COP van een warmtepomp geeft de
verhouding aan tussen de geproduceerde nuttige energie en de gebruikte
energie. De COP hangt af van de temperatuur van de bron en de bestemming,
de efficientie van de compressor, en het werkmedium.
𝐶𝑂𝑃 = 𝜂𝑐 ∙ (𝑇𝑠𝑖𝑛 𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑟 )
𝑛
𝑄ℎ𝑑
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 +
𝑊𝑖,𝑝𝑢𝑚𝑝 𝑎𝑛𝑑 𝑓𝑎𝑛 =
𝐶𝑂𝑃
𝑖=1
De COP kan worden verhoogd door verlaging van het temperatuurverschil
tussen de bron en de bestemming. Een lagetemperatuurverwarmingssysteem
en een hoge temperatuurbron zijn daarom aan te bevelen.
ηc: Carnot efficientie
Tsin, Tsor : Temperatuur van de warmtebestemming en warmtebron (C)
W: arbeid verricht door de compressor, pomp en fan (kWh)
Qhd: warmtevraag (kWh)
42
BEREKENINGEN

STE Grootte
Als het volume van het opslagsysteem bekend is, kunnen de andere
dimenties eenvoudig worden berekend. Als wordt aangenomen dat een
cylindrische tank met RHD=0.6 wordt toegepast, geldt:
1
𝐷 = [4 ∙ 𝑉 (𝜋 ∙ 𝑅𝐻𝐷)] 3
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐻𝑎𝑐𝑢 = 𝑅𝐻𝐷 ∙ 0.5
𝐴𝑎𝑐𝑢 = (𝑅𝐻𝐷 ∙ 0.5) ∙ 𝜋 ∙ 𝐷2
RHD: hoogte/diameter ratio
Hacu: hoogte STE (m)
Aacu: Totale oppervlakte van STE (m2)
43
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
44
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?
Gebouwtype





Klimaat condities


Vrijstaand huis
Appartment
Nieuwbouw (bij voorkeur)
Bestaande bouw
Bron: Asko professionals

Hoge jaarlijkse zoninstraling
& beperkte warmtevraag in
de winter zijn ideaal
Verwarming


Stadsverwarming
Vloerverwarming (lage T)
45
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? - Overwegingen

STE bodemgesteldheid




Warmtebron




Geologie
Landgebruik voor opslag
Hydrogeologische karakteristieken (aquifers)
Voldoende oppervlakte voor zonnecollectoren (land, dak)
Industriële restwarmtebronnen (temperaturen, afstand tot
warmtevraag en beschikbaarheid)
Beschikbaarheid van stadsverwarming
Gebruik


Enkele cyclus – (stabiel gebruik)
Onafhankelijk van externe bronnen (complex regelsysteem)
46
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?
– EINSTEIN data

Locatie binnen de EU
Ruimteverwarmingsvraag varieert sterk van land tot land in de
EU. De voornaamste factoren voor de variatie zijn de
gebouwenvoorraad, de bouwperiode, de gebouwdichtheid en het
lokale klimaat.
Het grootste potentieel voor
toepassing van STE systemen
in de EU kan worden
gevonden in het rapport:
“Classification of EU building
stock according to energy
demand requirements.”
Residential energy demand vs. average ambient temperature.
(ACC4: Bulgaria, Romania, Turkey, Croatia; EFTA3: Iceland, Norway and
Switzerland; NMS 10: new ten member states since May 2004.
(Source: ECPHEATCOOL).
47
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?
– EINSTEIN data

STE integratie
Met de recente EU energieregulering zullen gebouwen in de nabije
toekomst een lagere energievraag hebben (<50kWh/m².jaar). In
dat geval is het mogelijk om lagere aanvoertemperaturen voor
ruimteverwarming te gebruiken en daarmee warmteverliezen te
verminderen. Dat zorgt ervoor dat STE systemen beter kunnen
worden toegepast in energie-efficiente verwarmingssystemen.
Integratie van STE met verschillende types van warmtegeneratie
zoals gasgestookte ketels, warmtepompen, warmte-kracht
koppelingen (wkk’s) en distributiesystemen wordt behandeld in
het volgende document: “Technology assessment HVAC and DHW
systems in existing buildings throughout the EU”
48
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?
– EINSTEIN data

Ontwerp STE systemen en EINSTEIN opstellingen
Verschillende stappen moeten worden doorlopen om een STE
systeem te ontwerpen. Voornamelijk technische problemen
zoals grootte van opslagtanks, locatie, grootte van het
collectorveld en aanpassing van het verwarmingssysteem
moeten worden bestudeerd. Een flexibel systeem, voornamelijk
beinvloed door het weer, geeft de grootste vrijheid om het
gedrag door simpele berekeningen te kunnen voorspellen. Een
volledige leidraad voor het plannen en optwerpen van een STE
systeem kan hier worden gevonden: “Design guidelines for STES
systems in Europe”.
Voor een overzicht van
het
ontwerp
en
de
installatie
van
de
EINSTEIN demonstraties
opstellingen klik hier.
49
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?– Combinatie van
verbeterde energie efficientie en gebruik van hernieuwbare
energie

Energie Strategie
Om STE systemen zo effectief mogelijk in te zetten moeten ze
onderdeel zijn van een energiestrategie (gebaseerd op de TRIAS
ENERGETICA).
Dit houdt in:
 Verlagen van de energievraag van het bestaande gebouw door
energieefficiente maatregelen te treffen
 Integratie van hernieuwbare energie (zon, wind, …)
 Integratie van specialistische oplossingen zoals STE
Deze beslissingen moeten worden geoptimaliseerd met de
randvoorwaarden voor de specifieke toepassing in het achterhoofd:
 Klimaat
 Kosten
 Gebouwtype
Er is een Evaluation Tool ontwikkeld om de meest kosteneffectieve
combinatie van maatregelen te identificeren.
50
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? –
Evaluation Tool
Configuratie van de Evaluation tool
1.Definitie van
gebouw
• Selectie van het klimaatgebied
• Selectie van het gebouwtype
• Oppervlakte van het gebouw
• Selecteer de gewenste besparing
2. Gewenste
energiebespraring
3. Bereken de
meest kosteneffectieve
oplossing
4. Resultaten
•Uitvraag naar de database, resultaten:
•- Lever de optimale case(s) die de besparing halen.
•- Identificeer de meest kosteneffectieve combinatie van passieve en actieve
maatregelen (inclusief STE)
• Selecteer de beste combinatie-optie
• Geef de besparing in ‘Primary energy’. (-kWh/jaar)
• Geef de benodigde investering (€)
51
EVALUATION TOOL – De meest kosteneffectieve oplossing
Software Model
om
energiegebruik
van bestaande
gebouwen te
bekijken
VOORNAAMSTE DOEL:
“To develop a methodology
evaluation tool for de most
cost –effective global
energy intervention
framework for building
retrofitting”
Passieve retrofit
strategieën
STE bijdrage aan
kosteneffectiviteit
Decision tool voor
ontwerp en
evaluatie van STE
Evaluation Tool
voor de meest
kosteneffectieve
oplossing voor
retrofitting
EVALUATION TOOL
52
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST?– STE
Decision Support Tool
Decision Support Tool
Om de beste aanpak voor het voorlopige ontwerp en de CAPEX/OPEX voor
STE systemen in bestaande gebouwen te analyseren is een Decision Support
Tool (DST) ontwikkeld als onderdeel van het EINSTEIN project. De DST helpt
gebruikers om de best mogelijke technologieen en hun prestaties te
identificeren afhankelijk van hun specifieke randvoorwaarden:
 Klimaat
 Ruimtevereisten
 Materiaal en integratievereisten
(zonnecollectoren, STE, stadsverwarming, warmtepomp
en hulpsysteem)
Gebruikers
Mogelijke gebruikers voor de tool zijn installatie- en constructiebedrijven
met basiskennis van verwarming-, koeling- en ventilatiesystemen die geen
ervaring met STE installaties hebben.
Voor meer informatie over het model, klik hier.
53
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? – STE
Ontwerp Tool
DST Omschrijving
Het ontwerpgereedschap bestaat uit drie gedeelten:
 Invoer data selectie
 Berekeningen
 Resultaten
Ontwerp cases
Behalve de selectie en evaluatie van STE systemen geeft de tool de
gebruikers ook de mogelijkheid om verschillende scenario’s te analyseren
en vergelijken. Centrale systemen en decentrale configuraties kunnen
worden bekeken voor elke locatie en elke warmtebehoefte voor zowel
bestaande als niet-bestaande gebouwen.
Voor toegang tot de tool, klik:
DECISION SUPPORT TOOL
54
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? – Referentie
eengezinswoning
SFH: Single Family house (eengezinswoning)
SFH
84,5
m2
55
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? – Referentie
meerfamiliewoning (flat)
MFH: Multifamily house (flats)
MFH
676
m2
litres of water
consumption
DHW MFH
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00
h
56
WAAR KAN HET HET BESTE WORDEN TOEGEPAST? – Voorbeeld
resultaten
€ saving/kWh consumed
Ratio Total result per period/Primary energy
consumed vs Primary energy
Curves voor de
beste resultaten
(Pareto
distribution)
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
0%
140.00
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
Ratio Investment / Primary energy savings vs % Primary energy
reduction
120.00
100.00
best restults (Invest
aproach)
80.00
60.00
best results (20 y
exploitation
aproach)
40.00
20.00
0.00
0%
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
57
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
58
WAT KOST HET?
De kosten en opbrengsten (€) voor seizoensopslag van
thermische energie variëren zeer.
Verschillen omvatten:





Klimaat (zoninstraling, buitentemperatuur)
Verwarmingsvraag
Type STE
Integratie van stadsverwarming
Financiële variabelen omvatten inflatie, brandstofkosten,
internal rate of return, etc.
59
WAT KOST HET? – De STE tank

Voorbeeldkosten voor STE tanks
Er
bestaan
verschillende
methoden voor het analyseren
van financiele prestaties van
STE installaties.
Het diagram laat de kosten
zien van een brede band van
STE tankgroottes in gebruik
voor grote stadsverwarmingssystemen. De investeringskosten worden lager bij grotere
schaal.
De kosten voor de EINSTEIN
STE tanks voor zowel kleine als
grote schaal scenario’s staat in
de tabel hiernaast.
Source: Solites
Site
STES Size
{m3}
Cost {€}
Cost/m3
{€}
Sweden
23
16225
705.4
Poland
800
Spain
180
60
WAT KOST HET? – Totale kosten voor verwarming

Voorbeeld voor een STE installatie in een eengezinswoning
Een passiefhuis met warm water door
zonnecollectoren
en
ruimteverwarming door STE
 Snelste terugverdientijd was voor
het systeem zonder STE (optie
met de laagste kosten in jaar 16
& daarna in jaar 24 na upgrade).
 Wanneer de STE werd toegevoegd
werd de optie met de laagste
kosten bereikt in jaar 33.
 Let op: de STE is nodig als een
integraal element in het systeem
zodat technische problemen met
stagnatie worden voorkomen.
Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016
Gepresenteerde kosten omvatten systemen,
kosten voor gebruik en brandstof en zijn
aangepast voor inflatie en Net Present Value.
61
WAT KOST HET?

Voorbeeld van een kleine schaal STE installatie
10 wooneenheden met zonnecollectoren voor warm water en
ruimteverwarming en STE in Lysekil, Zweden



Gebouwen zijn gerenoveerd naar
Passiefhuis standaard
Zonneverwarming met STE toegepast
Terugverdiend na 17 jaar
Description
Multiunit development
10 (4 commercial, 6
residential)
Number of units
Total floor area {m2}
381 plus 390 = 781 Total
Solar Array {m2}
50
Diurnal Store {m3}
3.3
STES Size {m3}
23
Space heating energy
demand {kWh}
DHW
energy
demand
{kWh}
Total NPV cost over 40
years {€}
Payback peiod {Years}
Saving compared
non Solar STES
with
53,422
7,417
405,415
17
27%
62
WAT KOST HET?

Voorbeeld van een kleine schaal STE installatie
10 wooneenheden met zonnecollectoren voor warm water en
ruimteverwarming en STE in Lysekil, Zweden



De totale kosten voor warm water
en ruimteverwarming staan
hiernaast weergegeven.
Gepresenteerde kosten omvatten
systemen, kosten voor gebruik en
brandstof en zijn aangepast voor
inflatie en Net Present Value
De verwarmingskosten met
stadsverwarming (€514,492) zijn
hoger dan die met zonnewarmte en
STE met stadsverwarming als backup
(€405,415) voor de 40 jaar die zijn
berekend
De volledige analyse is beschikbaar
hier (insert link to Del 7.5)
63
Inhoud

Wat is Seizoensopslag van thermische energie (STE)?

Waarom STE?

Geschiedenis van STE

Hoe werkt het?

Manieren van thermische energiesopslag (types, systemen,
stratificatie, etc.)

Seriële/parallelle opslag

Berekeningen

Waar kan het het beste worden toegepast?

Wat kost het?

EINSTEIN pilots & Case Studies
64
EINSTEIN pilot plants
65
EINSTEIN PILOT – Bilbao (Spanje)
EINSTEIN Demonstratieopstelling Spanje
Spaanse Demo
Gebouw
zonnecollectors
Flat plate
Gebruiksoppervlakte
1050m2
Oppervlakte
62m2
Jaarlijkse warmtevraag
83MWh/yr
Collector hoek
40°
Verwarming T
Lage Temp.
Orientatie
Zuid
transportvloeistof
Glycol
Buffer Tank Vol.
2m3
STE Tank Vol.
180m3
Meer details zijn te vinden
in de volgende rapporten:
• Design and installation
• Monitoring
• Impact Assessment
• Overall report
66
EINSTEIN PILOT PLANT - Bilbao
Hydraulisch schema
Collectoren
Boiler
Warmtepomp
STE opslag
Buffer
Gebouw
67
EINSTEIN PILOT PLANT - Bilbao
11 dagen bouwtijd
68
EINSTEIN PILOT PLANT - Bilbao
STE Innovatief ontwerp
Dubbele onafhankelijke tank. Modulaire bouw.

Binnentank:  6m; Hoogte 6.45 m water (6.70m totaal)

Buitentank:  7.10m; Hoogte 8.05 m

Weinig thermische bruggen vanwege afwezigheid van
versterkingen in de wand
Innovatieve isolatie.
Bodemisolatie op de grond:

0.45m klei granulaten.
Lengterichting en bovenin: nieuwe PUR granules (recycled).

Lengterichting 0.55 m; bovenin 0.87m

Opblaasbaar isolatiemateriaal.
69
EINSTEIN PILOT PLANT - Bilbao

Pompen, pijpleidingen, HX, buffer tank
Warmtewisselaar (HX)
primair/secondair circuit
Secondair circuit,
hydraulische collectors
Buffer tank, 2 m3
70
EINSTEIN PILOT PLANT - Bilbao
Laden van de STE tank
Max Temp 66.7°C
71
EINSTEIN PILOT OPSTELLING – Zabki (Polen)
EINSTEIN Demonstratieopstelling Polen
Opslag Systeem
Gebouw
Type
TTES
Gebruiksoppervlakte
794 m2
Volume
800 m3
Max. warmtevraag
75kW
Collectorhoek
40°
Verwarming
Hoge Temp.
Orientatie
Zuid
Transportvloeistof
Glycol
Stadsverwarmingssysteem
Totale Lengte
150m
Buizen
2x De65 flexibel,
voorgeisoleerde
polibutylene buizen in
PEHD casing
Meer details zijn te vinden
in de volgende rapporten:
• Design and installation
• Monitoring
• Impact Assessment
• Overall report
72
EINSTEIN PILOT PLANT - Zabki
73
EINSTEIN PILOT PLANT - Zabki
Buffer Tank
Gas Boiler
Warmte
pomp
74
EINSTEIN PILOT PLANT – Zabki SCADA system
75
CASE STUDIES
Centraal verwarmingsHeizzentrale
systeem
Gas
Zonnecollectoren
Flachkollektoren
BrennwertKessel
WärmeüberSubstation
gabestation
warmteoverdracht
Wärmenetz
Warmte
Saisonaler Zonnewarmte
Solarnetz
netwerk
Wärmespeicher
STE
netwerk
CASE STUDIES
STE Tanks onder een huis



1e Europese huis obv. 100% zonne-energie
Oberburg, Zwitserland
In bedrijf sinds januari 1990
Bron: Jenni Energietechnik

77
CASE STUDIES
Oberburger Sonnenhaus




Eerste meer-familie huis (appartementen) dat volledig
met zonne-energie kan worden verwarmd
Oberburg, Zwitserland
276m² zonnecollectoren
205m³ thermische opslagtank
Bron: Jenni Energietechnik

78
CASE STUDIES
Hamburg (1996)




3.000 m²
Flat plate coll.
4500 m³
Water tank
Neckarsulm (1997)




5.900 m²
Flat plate coll.
63.300 m³
BTES
Rostock (2000)




1.000 m²
Solar-roof
20.000 m³
ATES
Source: USTUTT
Friedrichshafen (1996)




4.050 m²
Flat plate coll.
12.000 m³
Water tank
Steinfurt (1998)




510 m²
Flat plate coll.
1.500 m³
Pit TES
(Gravel/Water)
Hannover (2000)




1.350 m²
Flat plate coll.
2.750 m³
Water Tank
CASE STUDIES
Chemnitz, 1. phase (2000)




540 m²
Vacuum tubes
8.000 m³
Pit TES
(Gravel/Water)
Munich (2007)




2.900 m²
Flat plate coll.
5.700 m³
Water tank
Eggenstein (2008)




1.600 m²
Flat plate coll.
4.500 m³
Pit TES
(Gravel/Water)
Source: USTUTT
Attenkirchen (2002)




800 m²
Solar-Roof
9.850 m³
Water tank &
Boreholes
Crailsheim (2007)




7.500 m²
Flat plate coll.
37.500 m³
BTES
Mr Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Nederlandse versie:
dr. ir. Ruud Cuypers
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for technical experts
(architects, engineers, construction industry etc.)
Seizoensopslag van Thermische energie (STE)
voor TECHNISCHE EXPERTS
(architecten, ingenieurs, bouwers, installateurs, etc)
81