Micro energy communities: collective residential heating system retrofits for carbon emission abatement

Arno Meessens
Persbericht

Zijn collectieve verwarmingsinstallaties de toekomst?

De klimaatveranderingen, het hoeft u niet nogmaals verteld te worden. Van 's werelds invloedrijkste politici debatterend op meerdaags congressen tot middelbare scholieren al spijbelend in klimaatprotesten, de wereld is op een ongekende missie om aan de stijgende aardse temperatuur een halt te roepen. Maar wat kan u doen zonder er uw broek aan te scheuren?

Klimaatveranderingen … Een ver van mijn bed show?

Opwarming van de aarde, klimaatveranderingen of misschien versterkt broeikaseffect? U bent zeer waarschijnlijk al vertrouwd met voorgaande termen aangezien ze niet meer weg te denken zijn in ons dagelijks leven. Zowel in de politiek als op het werk sluipen de klimaatmaatregelen hoe langer hoe meer in de agenda’s en maar goed ook! Misschien heeft u het gevoel dat u zelf ook iets wilt doen maar u weet niet goed wat?

Een halt roepen aan de stijgende aardse temperatuur komt in feite neer op CO₂-emissies reduceren aangezien deze drie kwart van het probleem vormen. CO₂-emissies. Niet meer, niet minder. Er bestaan veel verschillende mogelijkheden waarop u deze kunt reduceren zoals bijvoorbeeld uw huis beter isoleren of uw verwarmingsinstallatie renoveren. Alleen knelt hier vaak het schoentje, de wil om te renoveren is er wel maar de kosten zijn te groot. Wat nu?

Energiegemeenschappen en collectieve verwarmingsinstallaties

Een mogelijke manier om de kost voor renovaties te drukken is door de renovatie samen met uw buren uit te voeren. Niet alleen op hetzelfde moment maar door ook samen een gemeenschap te vormen, een energiegemeenschap. Als u bijvoorbeeld één grote warmtepomp plaatst die uw buren en uzelf kan voorzien, dan is dit goedkoper dan drie aparte warmtepompen met eenzelfde vermogen. Dit wil zeggen dat de kost per huishouden daalt door een gedeelde of collectieve verwarmingsinstallatie te plaatsen.

De vraag die deze scriptie wou beantwoorden is volgende: Welke collectief gerenoveerde residentiële verwarmingsinstallatie (die verwarming en koeling voorziet) heeft de laagste kost om de CO₂-emissies te verlagen? Het antwoord op deze vraag is niet eenduidig en hangt af van de hoeveelheid CO₂-emissies die gereduceerd wordt. Hiervoor werd een nieuwe, grafische voorstellingswijze ontwikkeld die de CO₂-emissiereductie samen met de total cost of ownership (alle kosten van de systemen gedurende de gebruiksperiode tezamen) van de verwarmings- en koelsystemen weergeeft.

Grafische voorstellingswijze?

Onderstaande afbeelding is een vereenvoudigde versie van de ontwikkelde grafische voorstellingswijze en geeft het idee erachter mooi weer. Aangezien we over renovaties spreken is er een soort basisverwarmingssysteem nodig waarop de renovaties worden uitgevoerd, op de afbeelding aangeduid met ‘basissysteem’. Dit verwarmingssysteem is gebaseerd op cijfers van de Vlaamse huizenmarkt en bestaat uit een condenserende gasboiler gekoppeld aan een centrale verwarmingsinstallatie.

De horizontale as stelt de reductie in CO₂-emissies ten opzichte van het basissysteem voor. Bijgevolg staat het basissysteem op de verticale as. Deze as geeft op zijn beurt de huidige waarde (beter gekend als net present value) van de volledige kost voor de verwarmingsinstallatie over een periode van 30 jaar weer. Deze tijdshorizon is nodig om op een correcte manier renovaties te vergelijken. Zonnecollectorpanelen (STC) bijvoorbeeld vereisen een zekere investeringskost en besparen nadien elk jaar omdat ze een deel van de warmte - normaal geleverd door gas - vervangen door groene warmte en zo gas en bijhorende kost vermijden. Als alleen naar het eerste jaar wordt gekeken zouden deze vermeden kosten worden verwaarloosd wat een foutieve vergelijking oplevert.

Kost-CO₂ grafiek

Naast zonnecollectorpanelen werden vier andere componenten geselecteerd die het potentieel hebben de emissies te verlagen zonder te locatieafhankelijk of te extensief te zijn voor de schaal van de casus in deze scriptie (drie huishoudens). Deze componenten zijn een grondwarmtepomp, een luchtwarmtepomp, fotovoltaïsche panelen (PV) en een opslagtank voor korte termijn thermische opslag. Een warmtepomp maakt gebruik van elektriciteit en energie uit de omgeving (de grond, het grondwater of de lucht) om de nodige warmte te leveren. Uit de mogelijke combinaties van deze vijf componenten werden aan de hand van een paar logische regels 12 renovatiescenario’s geselecteerd. Drie van deze 12 scenario’s zijn voorgesteld door de rode curves op deze grafiek en werden bekomen als resultaat van een grote hoeveelheid dynamische simulaties.

Allemaal mooi en wel maar wat nu met deze grafiek?

De sterkte van deze grafiek is de eenvoud waarmee complexe conclusies kunnen worden voorgesteld en de grote toepasbaarheid. Hij is namelijk niet alleen geschikt voor een casus van drie huishoudens maar kan eveneens worden toegepast op een casus van één huishouden, gehele wijken, kantoorgebouwen, renovaties die isolatiewerken bevatten, enz.

Daarnaast kan deze grafiek worden gebruikt als een praktische renovatietool. Neem bijvoorbeeld drie huishoudens die gezamenlijk hun verwarmingsinstallatie willen renoveren. Als zij de renovaties willen uitvoeren onder een bepaald budget, dan kan aan de hand van de grafiek bepaald worden welke systemen de meeste CO₂-emissies zullen reduceren voor dat budget. Anderzijds, als zij een CO₂-emissiedoel voor ogen hebben, bv. de emissienorm voor huishoudens tegen 2050 (de middelste verticale groene curve), dan kan via deze grafiek bepaald worden welke systemen dit het goedkoopst verwezenlijken.

Wat is nu de goedkoopste verwarmingsinstallatie om CO₂-emissies te reduceren?

Het antwoord op deze vraag is zoals eerder vermeld niet eenduidig en hangt af van welk doel bereikt wil worden. Voor de bestudeerde casus kan een kleine hoeveelheid CO₂-emissies het goedkoopst gereduceerd worden door het plaatsen van zonnecollectorpanelen. Als het doel de 2030 emissienorm is, wordt het emissiesysteem - zijnde radiatoren of vloeremissiesystemen - bepalend omdat het de benodigde temperaturen beïnvloedt. Bij radiatoren is het plaatsen van een luchtwarmtepomp samen met fotovoltaïsche panelen de goedkoopste optie terwijl alleen een luchtwarmtepomp plaatsen de goedkoopste optie is bij vloeremissiesystemen. De 2050 emissienorm daarentegen kan niet worden behaald zolang de overtollige elektriciteit van fotovoltaïsche panelen niet wordt benut, wat wijst op het belang van het beheer van groene stroom. Verder werd ook geconcludeerd dat een grondwarmtepomp samen met zonnecollectorpanelen de grootste hoeveelheid CO₂-emissies kan reduceren ongeacht het emissiesysteem.

Ondanks deze duidelijke conclusies die als resultaten uit deze casus kwamen zijn de belangrijkste resultaten het bewezen vernieuwende idee achter de grafiek, de mogelijkheid om deze grafiek te gebruiken als handleiding voor uw renovatieplannen en u nu een oplossing heeft om uw broek heel te houden.

Bibliografie

[1] A.Alcaraz, C.Valderrama, J.L.Cortina, A.Akbarzadeh, A.Farran. Enhancing the efficiency of solar pond heat extraction by using both lateral and bottom heat exchangers. Solar Energy, 134, 2016.
[2] Angi. How Much Does a Water Tank Cost? URL:https://www.angi.com/articles/how-much-does-water-tank-replacement-cost…, last checked on 2022-05-08.
[3] Be Energy Smart. Costs, savings and maintenance. URL:http://www.beenergysmart.co.uk/energy-solutions/solar-thermal/costs-sav…, last checked on 2022-05-08.
[4] Boydens Engineering. Practical values used in the company, based on norms and experience, 2022. Obtained from direct contact in the company Wouter Peere.
[5] Carrier. How Long Do Air Conditioners Last? URL: https://www.carrier.com/residential/en/us/products/air-conditioners/how…, last checked on 2022-05-07.
[6] Center for climate and energy solutions. Global Emissions. URL: https://www.c2es.org/content/international-emissions/, last checked on 2022-05-27.
[7] checkatrade. How much does a boiler service cost? URL: https://www.checkatrade.com/blog/cost-guides/boiler-service-cost/, last checked on 2022-05-05.
[8] Clean Energy Wire CLEW - Sören Amelang and Kerstine Appunn. The causes and effects of negative power prices. URL: https://www.cleanenergywire.org/factsheets/why-power-prices-turn-negati…, last checked on 2022-06-04.
[9] Dassault Systèmes. Dymola Systems Engineering, Multi-Engineering Modeling and Simulation based on Modelica and FMI. URL: https://www.3ds.com/products-services/catia/products/dymola/, last checked on 2022-06-02.
[10] David Fischer, Tobias Wolf, Johannes Scherer, Bernhard Wille-Haussmanna. A stochastic bottom-up model for space heating and domestic hot water load profiles for German households. Energy and Buildings, 124, 2016.
[11] David L. Banks. An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. Wiley-Blackwell, 2008.
[12] Dieter Gommers. Duurzame residentiële drieluikrenovaties in vlaanderen: diepgaande potentieelstudie en fundamenten. diploma thesis, Universiteit Gent, 2020-2021.
[13] Dimplex. Heat pump miracle. URL: https://dimplex.de/en/dimplex/heat-pumps, last checked on 2022-06-05.
[14] Dirk Mangold, Laure Deschaintre. Seasonal thermal energy storage - Report on state of the art and necessary further R+D. Technical report, International energy agency, 2015.
[15] diydata.com. Balancing central heating radiators. URL: https://www.diydata.com/projects/centralheating/balancing/radiator_bala…., last checked on 2022-05-16.
[16] Elexys. Electricity - Spot Belpex. URL:https://my.elexys.be/MarketInformation/SpotBelpex.aspx, last checked on 2022-05-07.
[17] energuide. What are the benefits and disadvantages of a pellet stove? URL: https://www.energuide.be/en/questions-answers/what-are-the-benefits-and…, last checked on 2022-02-16.
[18] Engineering ToolBox. Heat Emission from Radiators and Heating Panels. URL:https://www.engineeringtoolbox.com/heat-emission-radiators-d_272.html, last checked on 2022-05-16.
[19] European Commission. 2050 long-term strategy. URL: https://ec.europa.eu/clima/eu-action/climate-strategies-targets/2050-lo…, last checked on 2022-05-27.
[20] European Commission. Biomass. URL: https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/bioenergy/biomass_en, last checked on 2022-05-31.
[21] European Commission. New rules for greener and smarter buildings will increase quality of life for all europeans. URL: https://ec.europa.eu/info/news/new-rules-greener-and-smarter-buildings-…
life-all-europeans-2019-apr-15_en, last checked on 2022-05-27.
[22] European commission. VERORDENING (EU) 2015/1188 VAN DE COMMISSIE van 28 april 2015 tot uitvoering van Richtlijn 2009/125/EG van het Europees Parlement en de Raad wat eisen inzake ecologisch ontwerp voor
toestellen voor lokale ruimteverwarming betreft. Technical report, European
Union, April 2015.
[23] Frédéric Kuznik, Oliver Opel, Thomas Osterland and Wolfgang K. L. Ruck. Thermal energy storage for space heating and domestic hot water in individual residential buildings. In Advances in Thermal Energy Storage Systems. Woodhead Publishing Series in Energy, 2021.
[24] Glasco Heating Air Conditioning, Inc. How long should your heat pump last? URL: https://glascohvac.com/heating/heat-pumps/long-heat-pump-last/#:~:text=…., last checked on 2022-05-07.
[25] Ground Source Heat Pump Association. Ground Source Heat Pumps – Commercial. URL:https://www.gshp.org.uk/Ground_Source_Heat_Pump.html, last checked on 2022-05-07.
[26] Hans Olsson. Modelica StateGraph2. URL: https://github.com/HansOlsson/Modelica_StateGraph2, last checked on 2022-06-02.
[27] HomeAdvisor, Inc. How Much Does It Cost To Install Or Replace A Boiler? URL: https://www.homeadvisor.com/cost/heating-and-cooling/install-a-boiler/#…, last checked on 2022-05-05.
[28] HomeAdvisor, Inc. How Much Does It Cost To Service And Maintain An AC? URL: https://www.homeadvisor.com/cost/heating-and-cooling/service-maintain-a…, last checked on 2022-05-07.
[29] Homebuilding renovating - Tim Pullen. Ground Source Heat Pumps: Types, Costs, Plus How to Claim Grants. URL: https://www.homebuilding.co.uk/advice/ground-source-heat-pumps, last checked on 2022-05-31.
[30] HSE. Managing legionella in hot and cold water systems. URL:https://www.hse.gov.uk/healthservices/legionella.htm#:~:text=Legionella…, last checked on 2022-05-16.
[31] inspectapedia-Daniel Friedman. Radiant Heat Temperatures. URL: https://inspectapedia.com/heat/Radiant_Heat_Temperatures.php, last checked on 2022-05-16.
[32] InstallatieProfs. Verwarmen én koelen met radiatoren. URL: https://www.installatieprofs.nl/nieuws/koudetechniek/koudetechniek/verw…., last checked on 2022-05-31.
[33] Ipsos. REG 2019, Energiebewustzijn en -gedrag van Vlaamse huishoudens. Technical report, Vlaams Energie- en Klimaatagentschap, November 2019.
[34] Jaeun Kim, Matheus Rabelo, Siva Parvathi Padi, Hasnain Yousuf, Eun-Chel Cho and Junsin Yi. A Review of the Degradation of Photovoltaic Modules for Life Expectancy. Energies 2021, 14, 2021.
[35] F. Jorissen, G. Reynders, R. Baetens, D. Picard, D. Saelens, and L. Helsen. Implementation and Verification of the IDEAS Building Energy Simulation Library. Journal of Building Performance Simulation, 11:669–688, 2018.
[36] K.Allaerts, M.Coomans, R.Salenbien. Hybrid ground-source heat pump system with active air source regeneration. Energy Conversion and Management, 90, 2015.
[37] KU LEUVEN energy institute. EI Fact Sheet Heat Pumps. Technical report, EI Fact Sheet Heat Pumps, 2015.
[38] Kumudu Rathnayaka. Seasonal Demand Dynamics of Residential Water End- Uses. Water, 7, 2015.
[39] Liaison Ventures, Inc. How much does a geothermal heating and cooling system cost to install? URL:https://homeguide.com/costs/geothermal-heat-pump-cost, last checked on 2022-05-08.
[40] Lisa Feldmann. Advantages and Disadvantages of Biomass. URL: https://energypedia.info/wiki/Advantages_and_Disadvantages_of_Biomass, last checked on 2022-02-16.
[41] Livios. Vlaming verwarmt met radiatoren. URL: https://www.livios.be/nl/bouwinformatie/technieken/verwarming-en-koelin…, last checked on 2022-05-31.
[42] Luc Peeters - Administrateur-generaal. Warmte in Vlaanderen, rapport 2020. Technical report, Vlaams Energie- en Klimaatagentschap (VEKA), 2021.
[43] M. Bakker, K.J. Strootman and M.J.M. Jong. PVT panels: fully renewable and competitive. Technical report, ECN, Energy research Centre of the Netherlands, 2003.
[44] Map Developers. Area calculator - Find the area of a shape you draw on a google map. URL: https://www.mapdevelopers.com/area_finder.php, last checked on 2022-05-17.
[45] Michael Clark. 2050 working assumption Gas Boiler Domestic 2010-2050. URL:http://2050-calculator-tool-wiki.decc.gov.uk/costs/624, last checked on 2022-05-05.
[46] T. S. N. Michael Wetter, Wangda Zuo and X. Pang. Modelica buildings library. Journal of Building Performance Simulation, 7:253–270, 2014.
[47] Mohsen Mhadhbi. Phase Change Materials and Their Applications. IntechOpen, 2018.
[48] MYSUN. What would be the annual maintenance cost for a solar PV system? URL:https://www.itsmysun.com/faqs/what-would-be-the-annual-maintenance-cost…, last checked on 2022-05-08.
[49] Patrice Pinel, Cynthia A. Cruickshank, Ian Beausoleil-Morrison and Adam Wills. A review of available methods for seasonal storage of solar thermal energy in residential applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 2011.
[50] Poul Alberg Østergaard, Anders N. Andersen. Booster heat pumps and central heat pumps in district heating. Applied Energy, 184, 2016.
[51] Restaurantnorman.com. What is the life expectancy of a heat exchanger? URL:https://www.restaurantnorman.com/what-is-the-life-expectancy-of-a-heat-…, last checked on 2022-05-08.
[52] Robin Haesen and Louis Hermans. Design and Assessment of Low-carbon Residential District Concepts with (Collective) Seasonal Thermal Energy Storage. diploma thesis, KU Leuven, 2020-2021.
[53] Saeed Abdul-Ganiyu, David A Quansah, Emmanuel W Ramde, Razak Seidu and Muyiwa S. Adaramola. Investigation of Solar Photovoltaic-Thermal (PVT) and Solar Photovoltaic (PV) Performance: A Case Study in Ghana. Energies 2020, 13, 2020.
[54] Samenwerking tussen de Vlaamse provinvies. CO2-emissie door huishoudens - provincies, in ton per huishouden. URL: https://provincies.incijfers.be/databank/detailview?detailview_guid=ac5…, last checked on 2022-05-27.
[55] Select Water Tanks. What Size Water Tank Do I Need? URL:https://www.selectwatertanks.com.au/what-size-water-tank-do-i-need/, last checked on 2022-05-08.
[56] Siddharth Suman, Mohd. Kaleem Khan, Manabendra Pathak. Performance enhancement of solar collectors—A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 49, 2015.
[57] Solar Heat Europe. Solar Heat for Buildings (residential and commercial). URL:http://solarheateurope.eu/about-solar-heat/solar-heat-buildings-residen…, last checked on 2022-05-08.
[58] Statistiek Vlaanderen. Huishoudensvooruitzichten: aantal en groei. URL: https://www.vlaanderen.be/statistiek-vlaanderen/bevolking/huishoudensvo…, last checked on 2022-05-27.
[59] Statistiek Vlaanderen. Huishoudtypes. URL: https://www.vlaanderen.be/statistiek-vlaanderen/bevolking/huishoudtypes…, last checked on 2022-05-17.
[60] Sun City Hot Water Plumbing. Evacuated Tube vs. Flat Plate Solar Hot Water. URL: https://suncityhotwaterplumbing.com.au/evacuated_tube_vs_flat_panel, last checked on 2022-06-06.
[61] Sunrun. Cost of solar in 2021. URL:https://www.sunrun.com/solar-lease/cost-of-solar, last checked on 2022-05-08.
[62] The MathWorks, Inc. Understanding Model Predictive Control. URL: https://www.mathworks.com/videos/series/understanding-model-predictive-…, last checked on 2022-06-06.
[63] The Regents of the University of California. Modelica Buildings Library. URL:https://simulationresearch.lbl.gov/modelica/, last checked on 2022-06-02.
[64] This Old House Ventures, LLC. How Much Does an Air Conditioner Cost? URL: https://www.thisoldhouse.com/heating-cooling/22371384/air-conditioner-c…, last checked on 2022-05-07.
[65] Tine Aprianti, Evan Tan, Chan Diu, Ben Sprivulis, Greg Ryan, Kandadai Srinivasan, Hui Tong Chua. A comparison of ground and air source heat pump performance for domestic applications: A case study in Perth, Australia. Energy research, 45, 2021.
[66] Ulrike Jordan, Klaus Vajen, FB. Physik, FG. Solar. Realistic Domestic Hot-Water Profiles in Different Time Scales. Solar Heating and Cooling Program of the International Energy Agency (IEA SHC), 2.0, 2001.
[67] Underfloor Heating Systems Ltd. What is the water flow temperature? URL: https://www.underfloorheatingsystems.co.uk/self-install-information/que…, last checked on 2022-05-16.
[68] Urban Persson, Sven Werner. STRATEGO: enhanced Heating Cooling plans - Quantifying the Heating and Cooling Demand in Europe. Technical report, Halmstad University - supported by the Intelligent Energy Europe Programme, 2015.
[69] Viessmann. Technical Data Manual: VITOSOL 200-FM, 2021.
[70] Vincent Basecq, Ghislain Michaux, Christian Inard and Patrice Blondeau. Shortterm storage systems of thermal energy for buildings: a review. Advances in Building Energy Research, 7, 2013.
[71] Vitens. Hoe koud is kraanwater? URL: https://www.vitens.nl/over-vitens/pers-en-nieuws/blogarchief/hoe-koud-i…, last checked on 2022-06-02.
[72] Vlaamse overheid. Ingrijpende energetische renovatie (IER) (huidig). URL:https://www.energiesparen.be/EPB-pedia/indeling-gebouw/IER, last checked on 2022-02-11.
[73] Vlaamse overheid. Verwarmen met stookolie: wat mag nog wel en wat niet meer? URL: https://www.energiesparen.be/duurzaam-verwarmen/stookolie-wat-mag-wat-n…, last checked on 2021-12-26.
[74] Vlaamse overheid. Vlaamse klimaatstrategie 2050. Technical report, Vlaamse overheid, 2019.
[75] Vlaamse Regering. Vlaams energie- en klimaatplan 2021-2030. Algemeen kader voor de geïntegreerde nationale energie- en klimaatplannen. Technical report, Vlaamse Regering, 2019.
[76] VREG. Energieverbruik. URL: https://www.vreg.be/nl/energieverbruik, last checked on 2022-05-17.
[77] VREG. Opbouw en evolutie prijzen. URL: https://dashboard.vreg.be/report/DMR_Prijzen_gas.html, last checked on 2022-05-05.
[78] Wikipedia. Aquifer. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Aquifer, last checked on 2022-02-13.
[79] William D’haeseleer. Solar Thermal Energy. Slidepack 61, KU LEUVEN department mechanical engineering, 2021.
[80] YES Energy Solutions. How much energy do solar panels produce for your home? URL:https://www.yesenergysolutions.co.uk/advice/how-much-energy-solar-panel…, last checked on 2022-05-08.

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
Lieve Helsen; Wim Boydens
Kernwoorden
Share this on: