De warmtetransitie vraagt om nieuwe oplossingen. Woningen gaan van het gas af en moeten in plaats daarvan verwarmd worden met behulp van duurzamere alternatieven. Tijdens het project ‘PVT-Hybride warmtepomp Systeemconcept voor Woningrenovatie’ werkten verschillende partners aan het ontwikkelen van een systeemconcept voor de duurzame verwarming van bestaande woningen.
Doorontwikkeling van PVT-systeem
Voor dit project wordt een PVT-systeem gebruikt. Dit is een energiesysteem dat zowel elektriciteit (PV) als thermische energie, ofwel warmte (T), produceert vanuit zonne-energie. De zonnepanelen van een PVT-systeem zetten zonlicht om in elektriciteit, net als gewone zonnepanelen op het dak van een huis. Maar naast elektriciteit, haalt een PVT-systeem ook warmte uit het zonlicht. Dus in plaats van alleen elektriciteit op te wekken, zoals gewone zonnepanelen doen, produceert een PVT-systeem zowel elektriciteit als warmte, waardoor het een efficiënte en veelzijdige manier van energieopwekking is.
Tijdens dit project werd het PVT-systeem van Viridi PVT B.V. doorontwikkeld om de warmteoverdracht te verbeteren. Door dit te verbeteren zal het systeem meer elektriciteit en warmte op gaan brengen. Het PVT-systeem van Viridi is uniek omdat het een flexibele thermische collector heeft die op bestaande zonnepanelen kan worden geplaatst. Uit eerdere metingen blijkt dat met 6 tot 12 van deze PVT-panelen gedurende het hele jaar een goed rendement kan worden behaald, vergelijkbaar met een warmtepomp die warmte uit de grond haalt.
Een goed PVT-paneel met hoge opbrengst valt of staat met een goede verlijming en productie en verwerkingsmethode. Daarom onderzocht het projectteam eerst of zij de volgende onderdelen konden verbeteren:
- Verbeteren van het thermische contact tussen de warmtewisselaar en het PV-systeem
- Onderzoeken hoe dun de lijm kan/moet zijn om toch voldoende mechanische stabiliteit te behouden.
- De gebruikte lijm (siliconen) vervangen door een lijm met een betere warmtegeleiding.
93 verschillende lijmsoorten getest
Voor het selecteren van een geschikte lijm is een lijst met 93 diverse soorten lijm samengesteld. De 93 lijmsoorten zijn getest op basis van verschillende criteria met als belangrijke criteria de thermische geleiding en het dunner aanbrengen van de lijm. Het vergelijken van verschillende lijmsoorten was geen eenvoudige opgave, doordat regelmatig deelinformatie over de lijm ontbreekt. Naast de chemische eigenschappen van de lijmsoorten, zijn ook andere criteria vergeleken, zoals de prijs en de aan te brengen lijmdikte. Na de vergelijking kwamen 3 soorten lijm het beste uit de test.
Dunne laag lijm geeft meer stabiliteit
Met de huidige lijm van Viridi PVT is een warmte geleidbaarheidstest uitgevoerd. Hiervoor is een groter stuk gelijmd paneel verdeeld in meerdere kleinere stukken. Van deze kleinere stukken is de warmtegeleidbaarheid afzonderlijk gemeten. Hierdoor kan bepaald worden of de warmteoverdracht van het geproduceerde PVT paneel homogeen is. Uit het onderzoek komt naar voren dat de gemeten warmtegeleiding afhangt van de lijmdiktes. Het is daarom essentieel de lijm gelijkmatig te verdelen tijdens de productie.
Een dunne laag lijm zorgt juist voor meer stabiliteit. De mechanische stabiliteit is onderzocht met een trekbanksysteem. Hierbij is gebruik gemaakt van proefstukken van 25 mm x 170 mm. Na de trekbanktest is de lijm zichtbaar op zowel het PV- en T-paneel. Op enkele plekken is de lijm niet meer zichtbaar op het T-paneel, waardoor geconcludeerd kan worden dat het PV-paneel iets beter hecht dan het T-paneel. De trektesten zijn uitgevoerd met verschillende folies (diverse PV-merken), het resultaat verandert daardoor niet. Het gebruikte materiaal (folie en mat) was sterker dan de lijm. Om de mechanische trekkracht te verhogen is het daarom van essentieel belang de lijmlaagdikte te minimaliseren.
Simulatiemodel op basis van Thermisch Netwerkmodel
Om te bepalen voor welke soort woningen het PVT-systeem geschikt is, is een simulatiemodel ontwikkeld van het hele PVT-systeem, inclusief de warmtepomp, het buffervat en de woning. Dit model is gerealiseerd met behulp van een thermisch netwerk model, waarin de verschillende systeemcomponenten gemodelleerd zijn in programmeertaal Python.
Een thermisch netwerkmodel is een vereenvoudigde representatie van een thermisch systeem, zoals een gebouw of een warmtepompsysteem, waarbij de thermische eigenschappen en de interacties tussen verschillende onderdelen worden gemodelleerd. In zo’n model worden de verschillende componenten van het systeem voorgesteld als knooppunten in een netwerk, waarbij de warmteoverdracht tussen deze knooppunten wordt gemodelleerd aan de hand van thermische weerstanden en capaciteiten. Door deze benadering kan het gedrag van het systeem worden gesimuleerd en geanalyseerd om bijvoorbeeld energieprestaties te optimaliseren of ontwerpen te verbeteren.
Het woningmodel is op twee manieren getest. Allereerst aan de hand van de BESTEST en daarnaast ook met metingen van de co-heatingtest in combinatie met gegevens over het gebouw uit IDA-ICE. Voor dit onderzoek zijn woningen gerenoveerd en is de isolatie verbeterd. Saxion heeft zowel vóór als na de renovatie een co-heatingtest en een blowerdoortest uitgevoerd op de gerenoveerde woningen. Deze tests laten zien wat het effect van de renovatie is, en de gegevens na de renovatie zijn gebruikt om het rekenmodel van de woning te valideren.
Model Predictive Control
Met behulp van het rekenmodel is een verkenning gemaakt naar geavanceerd ‘model predictive control” voor het complexe systeem (PVT/warmtepomp/buffervat/warmteafgifte). Model Predictive Control (MPC) is een geavanceerde regelstrategie die wordt gebruikt in de regeling van complexe systemen. Het werkt door toekomstige voorspellingen te maken op basis van het huidige systeemgedrag en dan optimale regelbeslissingen te nemen om het systeem naar een gewenste toestand te sturen.
Momenteel wordt dit systeem aangestuurd op basis van watertemperatuur en buitentemperatuur. Dit wordt ontwikkeld tot op niveau van pseudo-code. Dit is een belangrijke stap om te komen tot optimale inzet van de ontwikkelde hardware en de hier ontwikkelde kennis is ook van belang voor andere energiesystemen. Pseudocode is een informele programmeertaal die lijkt op gewone programmeertalen, maar die niet aan een specifieke syntaxis of grammatica gebonden is. Het wordt gebruikt om algoritmen te beschrijven en te documenteren voordat ze in een specifieke programmeertaal worden geïmplementeerd. Pseudocode gebruikt vaak Engelse woorden en structuur om de logica van een algoritme stap voor stap te beschrijven, zonder de details van een specifieke programmeertaal te hoeven volgen.
Eenvoudige aanpassingen verhogen energierendement
Uitgevoerde simulaties tonen aan dat met eenvoudige aanpassingen, zoals het aanpassen van de thermostaatregeling van de woning, het percentage zelf opgewekte elektriciteit (PV) voor de warmtepomp aanzienlijk kan stijgen. Dit is belangrijk op wijkniveau om congestie (ophoping/verstopping) op het net te verminderen. Ook bleek het mogelijk de COP van de warmtepomp te beïnvloeden door de slimme sturingsstrategie toe te passen. Uiteindelijk kan volgens de simulaties ook de opbrengst van de PV-installatie worden verhoogd door op het juiste moment te koelen.
Effect van weersomstandigheden
Naast productontwikkeling en simulaties is het PVT-systeem ook getest op locaties en gekoppeld aan weersomstandigheden. Het PVT-warmtepompsysteem is geïnstalleerd en een meetopstelling geplaatst om de weersomstandigheden te meten. Tijdens twee meetreeksen zijn de parameters van de collectorcurve bepaald. Een belangrijk resultaat van deze metingen is de invloed van neerslag, regen en vocht op het PVT-proces. Water kan namelijk veel warmte dragen, en de aanwezigheid ervan heeft een grote invloed op hoe goed het PVT-systeem presteert. Vooral wanneer waterdamp condenseert op het paneel, komt er veel warmte vrij die door het PVT-systeem kan worden opgenomen.
PrestatieFactor in de winter
Het integrale systeem PVT-systeem van Viridi is ook geplaatst in een woning, samen met een systeem voor gegevensanalyse. Hiervoor zijn een meetplan en installatie handleiding opgesteld. Gedurende bijna een hele winter is het PVT-systeem met een minimumaantal panelen gemonitord. De PrestatieFactor (PF) voor deze periode was 2.9, inclusief het verwarmen van de woning en het gebruik van warm water. Als er alleen gekeken wordt naar het verwarmen van de woning dan is de PF 3.3.
Let op: De gevonden waarden zijn afhankelijk van het gemeten jaar, de bewoner en type woning. Tevens kan een slimme sturing van het systeem de PF verhogen.
Verbetering van energieprestaties van bestaande woningen
Met het testen en ontwikkelen van het PVT systeem is een bijdrage geleverd voor verbetering van energieprestaties van bestaande woningen. Met het concept van 6 PVT-panelen kunnen we 12% van de woningvoorraad bedienen, en met 12 panelen kunnen we zelfs 36% van de woningvoorraad voorzien van duurzame energie. Het systeem maakt geen gebruik van een buitenunit. Uit metingen blijkt dat een goede PF kan worden behaald.
Met het project is de kennispositie versterkt op het gebied van productontwikkeling PVT-systemen, modelvorming van woningen en PVT-systemen, monitoring van woningen en PVT-systemen, slimme regeling van PVT-systemen en tenslotte praktijkdata en interpretatie.
Mede mogelijk gemaakt door
Dit project is uitgevoerd in opdracht van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland met financiering van Topsectoren Energiesubsidie van het Ministerie van Economische Zaken. Penvoerder van dit onderzoeksproject is Hogeschool Saxion in samenwerking met projectpartners Viridi B.V., TNO, Woningcorporatie Domijn, Woningcorporatie Reggewoon en Stichting Pioneering.
