Simulatie-gebaseerde methode voor integratie van warmtepompen in luchtbehandelingsunits
De transitie naar CO₂-neutrale gebouwen vereist de elektrificatie van verwarmings- en ventilatiesystemen, met warmtepompen als sleuteltechnologie. De integratie van warmtepompen in bestaande luchtbehandelingsunits, met name in niet-residentiële gebouwen, blijft echter een uitdaging vanwege bestaande ontwerpen die afgestemd zijn op warmtebronnen met hoge temperaturen.
Deze thesis speelt in op die uitdaging door een simulatiegestuurde methodologie voor te stellen die toelaat om de integratie van lagetemperatuur-warmtepompsystemen in renovatiescenario’s systematisch te beoordelen en te optimaliseren. Door de discrepantie tussen conventionele ontwerprichtlijnen en de operationele grenzen van warmtepompen, is er een duidelijke nood aan een aangepaste ontwerpmethodiek. In de huidige praktijk ontbreken vaak concrete richtlijnen, wat leidt tot inefficiënte of ondermaatse toepassingen. Dit onderstreept het belang van iteratieve en prestatiegestuurde ontwerpbenaderingen, ondersteund door dynamische simulatie.
Een referentiegebouw met een conventioneel luchtbehandelingsunitontwerp wordt gemodelleerd in Hysopt om de gangbare ontwerpfilosofie, zoals bepaald door Europese normen en lokale regelgeving, weer te geven. Vanuit deze uitgangssituatie wordt een parametrisch kader ontwikkeld om de gevoeligheid van de systeemprestaties voor belangrijke invloedsfactoren te evalueren, waaronder de isolatiegraad van de gebouwschil, ventilatiebehoeften, configuraties voor warmteterugwinning, ontwerp-inblaastemperatuur en de hydraulische dimensionering van de verwarmingsbatterijen.
De analyse maakt gebruik van dynamische simulaties om de impact van ontwerpkeuzes op seizoensgebonden prestatie-indicatoren zoals de Seasonal Coefficient of Performance (SCOP), CO₂-uitstoot en operationele kosten te kwantificeren. De resultaten tonen aan dat de systeemprestaties sterk afhankelijk zijn van de interactie tussen isolatiegraad van het gebouw, de kenmerken van het afgiftesysteem, de aanwezigheid van warmterecuperatie en de regelstrategie. Zo blijkt dat binnen een warmtepompconfiguratie de toevoeging van ontwerpmaatregelen zoals vraaggestuurde ventilatie, warmterecuperatie, een verhoogde UA-waarde en een verbeterde gebouwschil kan leiden tot een reductie van 52% in operationele kosten en CO₂-uitstoot. Optimale prestaties vereisen bovendien een iteratieve verfijning van zowel de luchtzijdige als waterzijdige subsystemen. De studie toont aan dat statische, eenmalige ontwerpbenaderingen het risico op suboptimale integratie verhogen. Iteratieve, simulatiegestuurde processen maken daarentegen oplossingen mogelijk die de efficiëntie van warmtepompen verbeteren en het binnencomfort waarborgen.
Dit werk levert een gestructureerde methodologie aan die ontwerpbeslissingen in HVAC-renovatieprojecten met warmtepompen ondersteunt. Met een generieke maar aanpasbare simulatiebenadering wordt het mogelijk om de haalbaarheid van retrofittoepassingen onderbouwd te evalueren. Dit levert een concrete bijdrage aan de verduurzaming van het niet-residentiële gebouwenbestand, waarbij een eerste stap wordt gezet richting de opbouw van een beslissingskader, dat ingenieurs en installateurs ondersteunt bij het maken van diverse systeemkeuzes.
Bibliografie
P. Sorknæs, R. M. Johannsen, A. D. Korberg, T. B. Nielsen, U. R. Petersen, and B. V. Mathiesen, “Electrification of the industrial sector in 100% renewable energy scenarios,” Energy, vol. 254, 2022, doi: 10.1016/j.energy.2022.124339. “‘IPCC — Intergovernmental Panel on Climate Change.’ [Online]. Available: https://www.ipcc.ch/. [Accessed: 14-May-2025]. ”. Europees Parlement, “Energiebesparing: EU-maatregelen om het energieverbruik te verminderen.” “IEA (2021), Net Zero by 2050, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050, Licence: CC BY 4.0”. HVAC HESS, “HVAC HESS Heating, Ventilation & Air-Conditioning High Efficiency Systems Strategy ,” Sep. 2013. L. W. Yang, Y. Li, T. Yang, and H. S. Wang, “Low temperature heating operation performance of a domestic heating system based on indirect expansion solar assisted air source heat pump,” Solar Energy, vol. 244, 2022, doi: 10.1016/j.solener.2022.08.037. S. Jacobs, “Lage temperatuur-combilus met boosterwarmtepompen: een conceptstudie,” Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica , Universiteit Antwerpen, Antwerpen, 2020. C. Citadini de Oliveira, I. Catão Martins Vaz, and E. Ghisi, “Retrofit strategies to improve energy efficiency in buildings: An integrative review,” Energy Build, vol. 321, p. 114624, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.enbuild.2024.114624. Y. Li, G. Rosengarten, C. Stanley, and A. Mojiri, “Electrification of residential heating, cooling and hot water: Load smoothing using onsite photovoltaics, heat pump and thermal batteries,” J Energy Storage, vol. 56, 2022, doi: 10.1016/j.est.2022.105873. E. Ryan, D. Kosanovic, and B. McDaniel, “Application of thermal energy storage with electrified heating and cooling in a cold climate,” Appl Energy, vol. 328, 2022, doi: 10.1016/j.apenergy.2022.120147. N. Sandoval et al., “Achieving equitable space heating electrification: A case study of Los Angeles,” Energy Build, vol. 317, p. 114422, Aug. 2024, doi: 10.1016/J.ENBUILD.2024.114422. P. Raftery, R. Singla, H. Cheng, and G. Paliaga, “Insights from hydronic heating systems in 259 commercial buildings,” Energy Build, vol. 321, p. 114543, Oct. 2024, doi: 10.1016/j.enbuild.2024.114543. “ISSO, ISSO-publicatie 50: Warmwaterverwarmingsinstallaties. Rotterdam, Nederland: ISSO, 2019. ISBN: 978-90-5044-295-4.” “ISSO, ISSO-publicatie 52: Luchtzijdig inregelen van klimaatinstallaties. Rotterdam, Nederland: ISSO, 2017. ISBN: 978-90-5044-184-1.” I. Verhaert, HVAC-calculaties. Antwerp: Universiteit Antwerpen, 2020. Buildwise, “Ontwerp en dimensionering van centrale-verwarmings- installaties met warm water,” Apr. 2013. H. Azeez mohammed Hussein, R. Zulkifli, W. M. Faizal Bin Wan Mahmood, and R. K. Ajeel, “Structure parameters and designs and their impact on performance of different heat exchangers: A review,” 2022. doi: 10.1016/j.rser.2021.111842. ASHRAE, 2016 ASHRAE Handbook. HVAC Systems and Equipment. SI, vol. 20, no. 2. 2016. T. Cholewa et al., “Critical discussion on the challenges of integrating heat pumps in hydronic systems in existing buildings,” Energy, vol. 326, p. 136158, Jul. 2025, doi: 10.1016/j.energy.2025.136158. A. Frik, J. Bielskus, and R. Džiugaitė-Tumėnienė, “Enhancing seasonal performance of heat pumps integrated into building ventilation systems using a multi-stage volume enlarger: A comparative study across European regions,” Journal of Building Engineering, vol. 98, p. 111489, Dec. 2024, doi: 10.1016/j.jobe.2024.111489. | 71 Simulatie-gebaseerde methode voor integratie van warmtepompen in luchtbehandelingsunits [21] C. Fraga, P. Hollmuller, S. Schneider, and B. Lachal, “Heat pump systems for multifamily buildings: Potential and constraints of several heat sources for diverse building demands,” Appl Energy, vol. 225, 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2018.05.004. [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] E. Janssen, Ontwerpen en inregelen van cv-installaties. Antwerpen: UNIVERSITEIT ANTWERPEN Faculteit Toegepaste Ingenieurswetenschappen. F. Ardente, M. Beccali, M. Cellura, and M. Mistretta, “Energy and environmental benefits in public buildings as a result of retrofit actions,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 1, pp. 460–470, Jan. 2011, doi: 10.1016/j.rser.2010.09.022. S. Chen, G. Zhang, X. Xia, S. Setunge, and L. Shi, “A review of internal and external influencing factors on energy efficiency design of buildings,” Energy Build, vol. 216, p. 109944, Jun. 2020, doi: 10.1016/j.enbuild.2020.109944. S. Roberts, “Altering existing buildings in the UK,” Energy Policy, vol. 36, no. 12, pp. 4482–4486, Dec. 2008, doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.023. F. Nemry et al., “Options to reduce the environmental impacts of residential buildings in the European Union—Potential and costs,” Energy Build, vol. 42, no. 7, pp. 976–984, Jul. 2010, doi: 10.1016/j.enbuild.2010.01.009. “ Z. Ma, P. Cooper, D. Daly, L. Ledo, Existing building retrofits: methodology and state-of-the art, Energy Build. 55 (2012) 889–902, https://doi.org/10.1016/j. enbuild.2012.08.018.” M. C. Barma, R. Saidur, S. M. A. Rahman, A. Allouhi, B. A. Akash, and S. M. Sait, “A review on boilers energy use, energy savings, and emissions reductions,” 2017. doi: 10.1016/j.rser.2017.05.187. Jeffrey Pattavina, “Optimal Start-Stop Algorithms for Heating & Cooling of Buildings,” Jun. 2023. A. S. Gaur, D. Z. Fitiwi, and J. Curtis, “Heat pumps and our low-carbon future: A comprehensive review,” 2021. doi: 10.1016/j.erss.2020.101764. “EN 14825:2022 – Air conditioners, liquid chilling packages and heat pumps, with electrically driven compressors, for space heating and cooling – Testing and rating at part load conditions and calculation of seasonal performance. Brussels: European Committee for Standardization (CEN).” “Eurovent Certification, ‘Understanding SEER and SCOP,’ Eurovent Certification, [Online]. Available: https://www.eurovent-certification.com/en/category/article/understandin… and-scop?universe=energy-efficiency. [Accessed: 16-May-2025].” W. Dnyaneshwari, T. Rushang, T. Tejas, W. Chetan, W. Rahul, and S. Sunil, “Design And Analysis Of Fin And Tube Heat Exchanger,” Department of Mechanical Engineering Vishwakarma Institute of Technology Pune, 2024. C. C. Wang, K. Y. Chen, J. S. Liaw, and C. Y. Tseng, “An experimental study of the air-side performance of fin-and-tube heat exchangers having plain, louver, and semi-dimple vortex generator configuration,” Int J Heat Mass Transf, vol. 80, 2015, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.030. J. Van de Paer, 2-Warmteleer , v2 ed. Antwerp: Universiteit Antwerpen, 2021. A. Mardiana-Idayu and S. B. Riffat, “Review on heat recovery technologies for building applications,” 2012. doi: 10.1016/j.rser.2011.09.026. H. S. Dizaji, S. Pourhedayat, H. Moria, S. Alqahtani, S. Alshehery, and A. E. Anqi, “Performance boost of a commercial air-to-air plate heat recovery unit by mesh-net insert; thermal-frictional, economic, and effectiveness-NTU analysis,” Energy, vol. 290, 2024, doi: 10.1016/j.energy.2023.130037. A. Faraj, J. Faraj, E. Harika, F. Hachem, and M. Khaled, “Development of a new method for estimating the overall heat transfer coefficient of heat exchangers – Validation in automotive applications,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 28, 2021, doi: 10.1016/j.csite.2021.101434. C. R. Ruivo, G. Angrisani, and J. J. Costa, “Simplified component model of heating and dry cooling coils: Influence of altitude and of glycol concentration in the heat transfer fluid on the error prediction of the heat transfer rate,” Journal of Building Engineering, vol. 6, 2016, doi: 10.1016/j.jobe.2016.02.005. | 72 Simulatie-gebaseerde methode voor integratie van warmtepompen in luchtbehandelingsunits [40] K. Janssens, “Hydronisch ontwerp van luchtbehandelingssystemen in Hysopt,” Master of [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] Science, Universiteit Antwerpen, Antwerpen, 2019. G. Nellis and S. Klein, Heat Transfer. New York: Cambridge University, 2009. EnergyPlusTM Version 22.1.0 Documentation Engineering Reference, 22.10.0. U.S. Department of Energy, 2022. Y. A. Cengel, “Heat Transfer: A Practical Approach 2nd Edition,” MacGraw-Hill, vol. 4, no. 9, 2004. C. R. Ruivo, G. Angrisani, and J. J. Costa, “Accuracy of simplified heating coil models based on manufacturer catalogue data,” Journal of Building Engineering, vol. 10, pp. 110–119, Sep. 2017. M. Wetter, “Simulation Model: Finned Water-to-Air Coil without Condensation. LBNL-42355,” 1998. Y. A. Cengel, Heat Transfer: A Practical Approach, 2nd ed., Boston, MA: McGraw-Hill, 2004. “NBN EN 16798-3:2017, Energieprestatie van gebouwen – Ventilatie voor gebouwen – Deel 3: Voor niet-residentiële gebouwen – Prestatie-eisen voor ventilatie en ruimten, vereiste luchtdebieten. Brussel: NBN, 2017.” “NBN EN 12831-1:2017, Energieprestatie van gebouwen – Methode voor berekening van het ontwerpwarmteverlies – Deel 1: Ruimteverwarming – Berekening van het ontwerpwarmteverlies van gebouwen. Brussel: NBN, 2017.” “Centrale Verwarming CV, ‘Verbod op aardgas en stookolie in nieuwbouw vanaf 2025,’ [Online]. Available: https://www.centraleverwarmingcv.be/nieuws/verbod-aardgas nieuwbouw#:~:text=Vanaf%201%20januari%202025%20is,mogelijk%20fossiele%20brandstoffe n%20te%20gebruiken. [Accessed: May 5, 2025].”. J. Cleiren, “Hydronisch ontwerp van warmte- en koudeproductiesystemen met geothermische seizoensopslag,” Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica , Universiteit Antwerpen, Antwerpen, 2018. “CIBSE Journal, ‘CPD Module 2019: Pressure independent control valves,’ CIBSE Journal, Jan. 2019. [Online]. Available: https://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2019-01-vvs/.” “Hysopt, ‘Pareto analysis usage,’ Hysopt Documentation, [Online]. Beschikbaar: https://hysopt.atlassian.net/wiki/spaces/HRM/pages/3089368665/Pareto+an…. [Geraadpleegd: 18-mei-2025].” “NBN, NBN D 50-001: Ventilatievoorzieningen in woongebouwen – Basisprincipes en vereisten, Bureau voor Normalisatie (NBN), Brussel, België, 1991.” “ISSO, ISSO-publicatie 72: Ontwerpen van individuele bodemgebonden warmtepompsystemen voor woningen, Rotterdam: ISSO, 2022.” M. Lämmle et al., “Performance of air and ground source heat pumps retrofitted to radiator heating systems and measures to reduce space heating temperatures in existing buildings,” Energy, vol. 242, 2022, doi: 10.1016/j.energy.2021.122952. “International Energy Agency. Energy efficiency 2022. Online, 2022. https://www.iea.org/ reports/energy-efficiency-2022. 1.” “European Environment Agency, Greenhouse gas emission intensity of electricity generation in Europe, [Online]. Available: https://www.eea.europa.eu/en/analysis/indicators/greenhouse gas-emission-intensity-of-1. [Accessed: 10-May-2025].” “VREG, ‘Energieprijs,’ Vlaamse Regulator van de Elektriciteits- en Gasmarkt. [Online]. Beschikbaar: https://www.vreg.be/nl/energieprijs. [Geraadpleegd: 18-mei-2025].” B. Vanheel, “Wegwijzer voor een optimaal ontwerp van hybride verwarmingssystemen ,” Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica , Universiteit Antwerpen, Antwerpen, 2019.
