Integrale vloerverwarming & koeling woonboerderij

1. Managementsamenvatting

In opdracht van Sluiter Techniek BV heeft W-floo een integraal legplan en berekening verzorgd voor een prachtige woonboerderij. De kernvraag was het realiseren van een comfortabel en energiezuinig laagtemperatuur systeem (LTV) voor zowel verwarmen als koelen via vloerverwarming. Dit project kenmerkt zich door specifieke bouwkundige uitdagingen, waaronder het bewust weglaten van isolatie op verdiepingsvloeren en de wens voor meerdere verdelers per verdieping. Door inzet van onze engineeringsafdeling en onze Calstrim software is een optimale balans gevonden tussen een warmtepomp geschikte ΔT, het benodigde afgiftevermogen vergeleken met de warmteverliezen en een advies voor het waterzijdig inregelen.

2. Projectspecificaties en Uitgangspunten

2.1 De Bouwkundige Situatie

Het betreft een volledige nieuwbouw met de kenmerken van een authentieke woonboerderij.

Vloeropbouw
Zandcementdekvloer van 70mm.

Isolatiestrategie
Een strategische keuze was het weglaten van isolatie onder de vloerverwarming op de verdiepingsvloeren. De slangen voor vloerverwarming worden rechtstreeks, via draadstaalnetten op de constructievloer geplaatst. Door het ontbreken van isolatie wordt de thermische massa van de vloer volledig benut. Dit resulteert in afgifte aan de bovenzijde (vloerverwarming en koeling) én afgifte aan de onderzijde (plafondverwarming en koeling voor de beneden gelegen verdieping). De afgifte aan de onderzijde draagt dan bij aan het verwarmen en het koelen van de beneden gelegen ruimte. De kelder is wel voorzien van isolatie om ongewenst warmteverlies naar de bodem te voorkomen.

2.2 Wensen van de Opdrachtgever

In overleg met de installateur en eindklant hebben we een aantal specifieke uitgangspunten besproken

Meerdere Verdelers per verdieping
In plaats van één (centraal) punt, is gekozen voor meerdere verdelers verspreid door de woning. Dit minimaliseert de lengte van 'dode' transportleidingen door gangen en andere ruimtes en verbetert daarom de onafhankelijke zoneregeling per ruimte. Zie ook afbeeldingen in paragraaf 3 voor verdeler posities. Voor meer informatie over dit punt zie ons blog over het belang van een centrale positie voor een verdeler voor vloerverwarming

Korte Groepslengtes
De wens was om met kortere slangen te werken dan gebruikelijk. Dit verlaagt het drukverlies, maakt een hogere volumestroom (l/min) mogelijk en zorgt voor een snellere opwarmtijd. De hogere gemiddelde watertemperatuur zorgt dan ook voor meer afgifte.

3. Ontwerpfase

3.1 Buisdiameter en Hydrauliek

Tijdens de ontwerpfase is een vergelijkende studie gedaan tussen 16 mm en 18 mm buis en een afweging gemaakt voor de hartafstand tussen de slangen.

De afweging
Een 18 mm buis heeft een lagere interne weerstand, wat een nog hogere volumestroom en afgifte mogelijk maakt bij dezelfde pompdruk. 

Besluit
In overleg met de klant is gekozen voor de 16x2 mm buis. Uit onze berekeningen bleek dat, door de groepen kort te houden, de 16 mm buis voldoende capaciteit biedt om de benodigde warmte en koeling te transporteren zonder dat de drukverliezen in gevaar komen. Dit ook volgens de klantwens. We adviseren verder bijna altijd een hartafstand van 10 cm tussen de slangen voor een zo groot mogelijke afgifte bij een zo laag mogelijke watertemperatuur. Voor meer informatie over hartafstanden zie ons blog hierover 

3.2 Oppervlaktebepaling

Voorafgaand aan het tekenwerk is een nauwkeurige netto-oppervlaktebepaling uitgevoerd. Hierbij zijn vaste elementen zoals keukeneilanden, kasten en douchebakken in mindering gebracht.

3.3 Warmteverlies -en koellastberekeningen

Warmteverlies -en koellastberekeningen zijn twee verschillende soort berekeningen die we ook op die manier hebben behandeld. Warmteverliesberekeningen (en ook koellastberekeningen) gaan vaak uit van bruto vloeroppervlak. Dat geeft ook per m2 een bepaald vermogen. Onze methode toetst of het netto beschikbare oppervlak voldoende is om het bruto warmteverlies te dekken. Het netto oppervlak is immers alleen de oppervlakte waar buis wordt geïnstalleerd. Dus niet waar keukenblokken, baden en dergelijke zijn gesitueerd

Hieronder de resultaten van de twee berekeningen. In paragraaf 4 hebben we deze vergeleken met de afgifte berekeningen (dimensioneren via netto oppervlakten) om tot een zo zuinig mogelijke warmtebalans te realiseren.

4. Dimensionering via voorcalculatie warmtebalans en koelen

Dit is de kern van de W-floo methodiek: het systeem niet "blind" leggen, maar dimensioneren op basis van berekende de verliezen zoals in paragraaf 3 is uiteengezet. En zorgen dat de vloer afgifte van de netto vloeroppervlakte nagenoeg gelijk is hieraan.

4.1 Streven naar Lage Temperatuur

Het doel was een zo laag mogelijke aanvoertemperatuur om het rendement (COP) van de warmtepomp te maximaliseren.

Startscenario
Aanvoer 31°C / Retour 26°C.

Temperatuurverschil (ΔT)
We sturen op een verschiltemperatuur (ΔT) van 5°C.

Een warmtepomp werkt op het hoogste rendement bij een zo laag mogelijke aanvoertemperatuur en een ΔT van ongeveer 5°C. Het hele systeem is logischerwijs ook energiezuiniger bij een lagere aanvoertemperatuur van het water

4.2 Knelpuntenanalyse

Uit de Calstrim-simulatie kwamen drie kritische zones naar voren waar de warmteverliezen (transmissie + ventilatie) hoger lagen dan de basisafgifte van de vloer:

Badkamers
Vaak een probleemgebied door klein oppervlak en hoge warmtevraag. In dit geval kan door de korte groepen een hoge volumestroom en daardoor de gemiddelde watertemperatuur in de badkamervloer omhoog worden gezet zonder dat de drukverliezen in gevaar kwamen. Hierdoor wordt de gewenste ruimtetemperatuur gehaald zonder dat er bij verwarmd hoeft te worden.

Atelier (Vide) & Woonkamer (Glas)
Hier zorgen de vide (hoogte) en grote glaspartijen voor significante verliezen die per m2 hoger liggen dan de overige ruimtes. Deze kunnen door de vloerverwarming niet worden opgevangen. Een oplossing zou kunnen zijn om wand -en/of plafondverwarming toe te passen. Na overleg met de klant bleek dit niet nodig te zijn omdat er in het Atelier een airco wordt voorzien en in de woonkamer een houtkachel.

Bij koude dagen zijn er dus mogelijkheden om deze ruimtes bij te verwarmen

4.3 Resultaat Warmtebalans

Door te 'spelen' met de hydraulische balans hebben we een situatie gecreëerd waarbij de totale afgifte en het totale warmteverlies in evenwicht zijn bij een ΔT van ongeveer 5°C over het geheel.

4.4 Resultaat Koelen

Daarnaast hebben we de koellastberekening getoetst in Calstrim. De oorspronkelijke berekening ging uit van vrij lage ruimtetemperaturen van 22 en 24°C. Wij hanteren doorgaans 26°C als uitgangspunt voor comfortkoeling. Om de gevraagde koellast uit de oorspronkelijke berekening te behalen, zou een gemiddelde watertemperatuur van 14°C nodig zijn.

Hoewel hiermee een aanzienlijk koelvermogen wordt gerealiseerd, adviseren wij dit niet vanwege het grote risico op condensvorming. Condensatie op de vloer moet te allen tijde worden voorkomen en ook op de verdeler is dit onwenselijk (een reden waarom wij composiet verdelers prefereren). Daarom adviseren wij een aanvoertemperatuur van minimaal 18°C. De koellast wordt hiermee echter niet gehaald.

Een mogelijke optimalisatie is om ook aan het plafond leidingen aan te brengen. Hoewel dit de installatietechnisch iets complexer maakt – er zijn immers extra verdelers en aansluitingen nodig – verdubbelt hiermee effectief het afgifteoppervlak. Eigenlijk nog wat meer omdat men hier meestal kan uitgaan van een bruto oppervlak. Er bevinden zich namelijk geen ‘blinde’ vlakken aan het plafond waardoor dit volledig benut kan worden.

Het grote voordeel is dat de gewenste koellast door deze verdubbeling in de meeste gevallen wél wordt gehaald met een veilige aanvoertemperatuur van 18°C. Daarnaast biedt dit ook voor het verwarmen een significant rendement voordeel: door het extra oppervlak kan de aanvoertemperatuur nog verder omlaag, wat resulteert in een aanzienlijk zuiniger systeem.

Wij horen vaak de tegenwerping: 'Warme lucht stijgt en koude lucht daalt, dus verwarmen via het plafond of koelen via de vloer is zinloos.' Dit is een hardnekkig misverstand. Deze natuurwet geldt voor convectie (luchtverwarming), maar bij dit type systeem werken we met stralingswarmte. Extra oppervlakte in het plafond (of de wanden) draagt daardoor wel degelijk direct bij aan extra verwarming, een hoger comfort en lagere energiekosten.

Na overleg met de klant zijn er uiteindelijk aan het plafond geen slangen meer toegepast. Hieronder wordt wel aangegeven wat we met Calstrim hebben berekend voor het uiteindelijke effect (extra afgifte en opname per m2) naar de beneden gelegen ruimtes per m2 omdat er geen isolatie is toegepast onder de slangen. Komt neer op 22 W/m2 bij verwarmen en 4 W/m2. Toch een aanzienlijk percentage op het geheel.

5. Van voorcalculatie naar legplan en nacalculatie

Nu alles is gedimensioneerd via de warmteverlies -en koellast berekeningen en met behulp van de Calstrim voorcalculatie, hebben we het legplan in combinatie met een nacalculatie gerealiseerd. Meer lezen over een voorcalculatie versus een nacalculatie? Lees ons blog hierover

Calstrim heeft de mogelijkheid om de voorcalculatie direct om te zetten naar een nacalculatie. Het verschil is nu echter dat de calculatie ook is voorzien van een verdelerstaat waarin de exacte lengtes van de groepen kunnen worden genoteerd, waarbij de exacte debieten worden weergegeven.

Deze exacte lengtes van de groepen kunnen we nu aan de hand van het legplan bepalen. Correct waterzijdig inregelen op basis van deze lengtes is essentieel. Hiermee wordt aangetoond dat het systeem daadwerkelijk functioneert zoals berekend en maximaal rendement levert.

Een ander belangrijk aandachtspunt, wat het benoemen waard is, in onze werkwijze is de balans tussen verwarmen en koelen. Wij streven ernaar de benodigde debieten voor beide modi zo dicht mogelijk bij elkaar te brengen. Hierdoor blijven de inregelstanden in de zomer en winter gelijk, wat het gebruiksgemak en de stabiliteit van de installatie ten goede komt.

Op de legplannen tonen we bovendien 'totaalstaten' (deze worden ook in een nacalculatie getoond). Een slimme combinatie van de ruimtestaat en verdelerstaat. Deze output is volledig aanpasbaar, zodat de installateur in één oogopslag over alle relevante data beschikt.

Conclusie en kanttekeningen

Het project 'Woonboerderij Sluiter' demonstreert dat een gedegen voorbereiding verder gaat dan het tekenen van lussen. Door integraal te ontwerpen met Calstrim is een systeem gerealiseerd dat:

Energiezuinig is
door optimalisatie op uiteindelijk 32°C aanvoer.

Beheersbaar
Is door correcte inregelgegevens voor de installateur.

Dit project laat zien dat een woning, mits cijfermatig goed onderbouwd, de basis vormt voor een energiezuiniger en comfortabeler systeem. Het is een theoretisch uitgewerkt vloerverwarming – en koelsysteem. De praktijk blijkt zoals altijd wel een stuk complexer.

 De reden dat we de afgifte en opname aan de plafondzijde vanuit de bovengelegen slangen niet hebben meegerekend bij de totale afgifte en opname is omdat in de praktijk vaak objecten worden voorzien zoals meubilair, vloerkleedjes en dergelijke. Hier zal de afgifte en opname dan niet of minder werken. We hopen dat de extra afgifte en opname aan de plafondzijde dit dan kan opvangen zodat de ruimtes verarmd en gekoeld kunnen worden met de berekende temperaturen.

Verder worden warmteverliezen altijd berekend aan de hand van een buitentemperatuur van -10°C. Op dat moment is een watertemperatuur gewenst van 32°C. Dit komt weinig voor en bij alle andere gevallen kan de watertemperatuur lager zijn en kan het systeem nog zuiniger werken.

Een laatste kanttekening is het feit dat de gezamenlijke retourtemperatuur en bijbehorende ΔT is berekend op het moment dat in alle ruimtes een warmtevraag (of koelvraag) nodig is. Mocht een ruimte geen vraag hebben dan zullen deze groepen geen flow hebben (ze staan dicht) en is de retourtemperatuur en bijbehorende ΔT ook anders wat weer invloed heeft op het rendement van de warmtepomp.