Basiskennis Installaties: Koelinstallaties, airconditioning

Referentienummers

• Koelinstallaties en koude-opwekking
• (55) Koelinstallaties
• 62.00 koelinstallaties
• Airconditioning, Airco, Absorptiekoeling, Adiabatische koeling

Samenstelling

Systeemopbouw van koelinstallaties

Naast de term airconditioning, of afgekort airco, zijn de termen klimaatregeling, klimaatregelaar, luchtregelaar  voor installaties voor gebouwen ook gangbaar.

Basisprincipe

Een airconditioner regelt de temperatuur, de luchtbeweging en de onttrekt vocht aan de lucht. Koeling van de lucht gebeurt op basis van het onttrekken van warmte. Daarmee werkt een airconditioner eigenlijk volgens hetzelfde principe als een koelkast, het principe van de warmtepomp of koelmachine.

Airconditioners maken gebruik van een koelmiddel, een vloeistof met een erg laag kookpunt dat snel in een gas verandert. Deze chemische stof wordt gebruikt om warme lucht van binnen naar buiten te verplaatsen. Het bevindt zich in een gesloten systeem in de airco.

Warmtepomp met koudeopslag

Bij WKO wordt gebruik gemaakt van de buffercapaciteit van de aarde. De temperatuur onder de grond blijft redelijk constant, ondanks de sterk wisselende buiten temperatuur in de zomer en winter. Bovendien is de grond in staat energie op te nemen of af te staan, zonder zelf veel in temperatuur te veranderen. Een grondwarmtewisselaar is een ondergronds gesloten buizenstelsel waar een vloeistof (mees tal water met antivries) doorheen wordt gepompt. Door het rondpompen door de wisselaar krijgt de vloeistof dezelfde temperatuur als die van de grond eromheen. In de winter haalt de warmtepomp de warmte uit het water en geeft deze af aan de woning. Het afgekoelde water wordt weer door het ondergrondse systeem geleid waar het energie kan opnemen uit de grond. In de zomer werkt het proces andersom. Dan haalt de warmtepomp warmte uit de woning en wordt deze aan de aarde afgegeven.

Adiabatische koeling

'Adiabaat' betekent warmtedicht en adiabatische koeling is de benaming voor het proces om lucht adiabatisch te bevochtigen. Andere namen hiervoor zijn verdampingskoeling en evaporative cooling.

Deze vorm van koeling heeft als groot voordeel dat er alleen energie nodig is voor de ventilator die de lucht naar de gebruiksruimte pompt, wat vaak toch al wordt gedaan (mechanische ventilatie). Verder is er als koudemiddel water nodig en dat wordt ook als een milieuvriendelijk voordeel beschouwd. Een nadeel van adiabatische koeling is dat het koelpotentieel afhankelijk is van de relatieve vochtigheid van de afzuiglucht. Als die hoog is verdampt er maar weinig vocht, waardoor de afkoeling van de aangezogen lucht minimaal is.

Sorptiekoeling: absorptiekoeling en adsorptiekoeling

De term sorptiekoeling wordt als verzamelnaam voor zowel adsorptie- als absorptiekoeling gebruikt.

De meest bekende is absorptiekoeling. Absorptie werkt door de chemische aantrekkingskracht tussen water en lithiumbromide dat met warmte op gang wordt gebracht. De koelinstallatie heeft een hoge aandrijftemperatuur van minstens 80/90 ºC en is daardoor erg geschikt in situaties met afvalwarmte van hoge temperatuur, bijvoorbeeld een warmtekrachtinstallatie. Zo staan op het Mediapark in Hilversum diverse absorptiekoelmachines in combinatie met enorme warmtekrachtinstallaties. Absorptiekoelmachines kunnen ook worden gekoppeld aan zonnecollectoren, maar dan moet de zon erg krachtig zijn. Dit systeem is dan ook toe te passen in de hete gebieden in de wereld waar geen elektriciteit voorhanden is.

Bij het tamelijk nieuwe adsorptieprincipe vormt een water absorberende vaste stof de basis. Zo kan silicagel, een keramische stof, water opnemen en afgeven. Het hart van de machine bestaat eigenlijk uit twee modules omdat het adsorptieprincipe twee fases kent. Bij de eerste fase wordt aan de bronzijde, het gekoeld watercircuit, warmte onttrokken door verdamping van water. Silicagel neemt het verdampte water op. Daarbij komt warmte vrij die moet worden afgevoerd. Na enkele minuten zijn de silicagel-korrels verzadigd en begint de droging met bijvoorbeeld zonnewarmte. De vrijkomende waterdamp condenseert in een condensor en stroomt terug naar de verdamper. Na enkele minuten keert het proces om en komt er weer gekoeld water vrij, een zogenaamd cyclisch proces. Er wordt door producten gewerkt aan een gasgestookte warmtepomp op basis van zeoliet.

Elementopbouw van koelinstallaties

Alle airconditioners werken in principe hetzelfde en bestaan uit een binnen- en een buitendeel. De binnenunit zuigt de warme lucht op. Een koelmiddel, dat voortdurend in het systeem wordt rondgepompt, komt in de vorm van gas in de compressor terecht, waar het samengedrukt wordt. Het gas wordt onder de hoge druk een hete vloeistof. Dit gas wordt via koperen leidingen naar de condensor gevoerd, die in het buitendeel is opgesteld. In de condensor (warmtewisselaar), die koel gehouden wordt met lucht, water of een combinatie van beide, wordt de opgevangen warmte afgegeven aan de buitenlucht, waarna het gas weer in een koelvloeistof verandert. Dit koelmiddel condenseert en vloeit terug naar de verdamper, waar het terug verdampt in een koud gas onder lage druk. Na afkoeling wordt de gekoelde lucht met de juiste temperatuur weer de ruimte ingeblazen.

Warmtepomp met koudeopslag

Foto: By B.scholten (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), via Wikimedia Commons

Er zijn 2 soorten bodemenergiesystemen:

Open systemen

Open grondwatersystemen staan in open verbinding met een watervoerend grondpakket en gebruiken grondwater dat via een beperkt aantal buizen wordt onttrokken en geïnfiltreerd. Het grondwater wordt door een warmtewisselaar geleid en wordt weer in de bodem geïnfiltreerd. Dit proces vindt plaats op enkele tientallen tot ruim 200 meter diepte, afhankelijk van waar zich dat geschikte watervoerend pakket bevindt:

1. Bij doubletten worden twee bronnen op enige afstand (ca. 100 meter) geboord, een koude bron en een warme bron. In de zomer wordt het water uit de koude bron opgepompt, de kou wordt aan het gebouw of proces afgegeven. Het opgewarmde water wordt daarna in de warme bron teruggevoerd. In de winter is dit andersom;
2. Een monobron werkt hetzelfde, maar dan met één bron. De koude en warme voorraad worden boven elkaar opgeslagen. Hierbij is dus maar één boring nodig die gewoon naast het gebouw kan worden geplaatst, en dat maakt dit systeem goedkoper en rendabeler. Hiermee is WKO ook haalbaar voor kleinere projecten.

Gesloten systemen

1. Verticaal gesloten bron systeem: hier wordt een put geslagen tot een diepte van 80 meter. Het voordeel van dit systeem is dat het weinig oppervlak nodig heeft. Het nadeel is wel dat het duurder is in aanschaf;
2. Horizontaal gesloten bron systeem: hier wordt een horizontaal leidingenstelsel op minimaal 1,5 meter diepte aangelegd. De oppervlakte van dit stelsel moet ongeveer 3 keer de oppervlakte zijn van het totale te verwarmen oppervlak. Het systeem is vooral interessant als het samen gaat met de aanleg van de ruimte rondom de woning (tuin/parkeergelegenheid).

Onderdelen: een WKO systeem bestaat uit een put of een horizontaal leidingennet, de warmtepomp, een lage temperatuurafgifte verwarmingssysteem en een boiler voor warm tapwater.

Adiabatische koeling

1. Directe adiabatische koeling: als water verdampt, verhoogt dit de luchtvochtigheid en wordt de verdampingsenergie onttrokken aan de lucht, waarbij de temperatuur daalt. Dit heet adiabatische koeling. Wanneer de vochtige, gekoelde, lucht wordt teruggevoerd naar de gebruiksruimte, dan spreekt men van directe adiabatische koeling;
2. Indirecte adiabatische koeling: de vochtige gekoelde binnenlucht uit de directe adiabatische koeling kan ook worden gebruikt om een gescheiden tweede  luchtstroom te koelen die onttrokken wordt aan de buitenlucht. Deze techniek heet indirecte adiabatische koeling. Hierbij wordt de afgezogen lucht bevochtigd en daardoor afgekoeld. Een warmtewisselaar draagt deze koude over aan de inblaaslucht. Op deze manier wordt er geen extra vocht toegevoerd in het gebouw. De absolute luchtvochtigheid van de inblaaslucht is lager dan bij een direct adiabatische koeling en geeft een hoger comfort.

Materiaal van koelinstallaties

Koudemiddelen

Het koudemiddel is de stof die in koelinstallaties als medium wordt gebruikt voor het transport van warmte. Er bestaan twee hoofdtypen koudemiddelen, synthetische koudemiddelen  en natuurlijke koudemiddelen. De synthetische tasten de ozonlaag aan en hebben een sterk broeikaseffect. Gemiddeld lekt ongeveer 2 tot 5% van het koudemiddel weg per jaar. Dit is zeer belastend voor het milieu. Om deze redenen worden ze uit gefaseerd.

Onderverdeling koudemiddelen:

• Synthetische koudemiddelen met als onderverdeling:
  • (H)CFK: chloorfluorkool(water)stoffen hebben een sterk ozonlaag-afbrekend effect. Voor (H)CFK's geldt een handelsverbod. Verkoop of gratis ter beschikking stellen van (H)CFK's mag niet meer. Er geldt ook een verbod voor gebruik van (H)CFK's voor service- en onderhoudswerkzaamheden. In plaats van (H)CFK's kan de ondernemer kiezen tussen broeikasversterkende HFK's óf natuurlijke koudemiddelen. De f-gassenverordening EU 517/2014 bevat een uitfaseerschema;
  • HFK, PFK, SF6: fluorkoolwaterstoffen hebben een sterk broeikaseffect. Vanaf 1 januari 2020 geldt een verbod op het gebruik voor service en onderhoud van maagdelijke f-gassen met een GWP groter of gelijk aan 2500.
• Natuurlijke koudemiddelen hebben de negatieve milieueffecten van synthetische koudemiddelen in geval van lekkage niet. In de meeste toepassingen blijken systemen met natuurlijke koudemiddelen minder energie te verbruiken dan systemen met synthetische koudemiddelen. Vanuit milieuoogpunt zijn de natuurlijke koudemiddelen daarom een beter alternatief. Om die reden zijn er ook subsidieregelingen die het overgaan op natuurlijke koudemiddelen stimuleren. Onderverdeling:
  • Ammoniak (NH3): moderne ammoniak installaties bij de bedrijven hebben een veel geringere ammoniak-inhoud dan in het verleden; meestal worden ammoniak (NH3) en CO2 gecombineerd (cascadesystemen). Slechts in bijzondere gevallen zal de ammoniakinhoud in de richting van 1.000 a 1.500 kg gaan. Bij het gebruik van 1.500 kg of meer aan ammoniak als natuurlijk koudemiddel gelden er wel nog specifieke eisen aan de afstand tot woningen;
  • Propaan (C3H8) en isobutaan (C4H10): het gebruik van propaan en isobutaan als koudemiddel komt veel voor in kleine systemen, zoals koelkasten, aggregaten. Bij grote systemen vormt de explosiviteit een gevaar en dient men extra veiligheidsmaatregelen te treffen. Men kan ook overstappen naar een cascadesysteem;
  • CO2: het gebruik van CO2 als koudemiddel komt veel voor in met name industriële koelinstallaties;
  • Koolstofdioxide: ook bekend onder de namen koolzuur, kooldioxide of R744, is een molecuul dat uit één koolstof en twee zuurstofatomen wordt samengesteld. De chemische formule CO2 wordt meestal gebruikt om koolstofdioxide aan te duiden.

Het voorheen veelgebruikte koudemiddel HCFK (R22) mag al sinds 1 januari 2015 niet meer worden bijgevuld in koel- en klimaatinstallaties of warmtepompen. Met ook de aanzienlijke vermindering van de f-gassen emissies tot het jaar 2030, is de industrie nu al op zoek naar duurzame alternatieven. Water blijkt in dat onderzoek ook goed naar te voren te komen als koelmiddel.

Koelunits

De units zijn meestal samengesteld uit koudgewalst blanke staalplaat of elektrolytisch verzinkt plaatmateriaal, verbonden met gezette dunwandige stalen profielen. Ook worden wel omkastingen vervaardigd van roestvast staal. Voor een aantal onderdelen wordt ook wel kunststof gebruikt, zoals uitblaasroosters, toegangsluikjes, schakelpanelen enz. De warmtewisselaars hebben meestal koperen pijpen en aluminium lamellen.

Oppervlaktebehandeling van koelinstallaties

Wanneer de apparaten bedoeld zijn voor binnen opstelling worden de omkastingen meestal gelakt of gemoffeld. Inwendige delen zijn zo nodig verzinkt of met een epoxycoating beschermd. Buiten opgesteld apparatuur wordt geleverd in een uitvoering die bestand is tegen weersinvloeden.

Vorm en afmeting

Vorm van koelinstallaties

De koelunits zijn praktisch altijd doosvormig.

Afmetingen van koelinstallaties

Voor de afmetingen van koelinstallaties moeten experts in een vroeg stadium van het ontwerp worden ingeschakeld. De opstelplaatsen voor de units en de diameters van de kanalen en leidingen kunnen namelijk aanzienlijke afmetingen aannemen.

Prestaties

Warmtepomp met koudeopslag

Bij warmte-koude opslag zijn de schaalgrootte, de warmte- en de koudevraag belangrijke randvoorwaarden voor een rendabel systeem. De mogelijkheid voor voldoende afzet van de warmte is erg belangrijk. Daarnaast gelden over het algemeen de volgende voorwaarden voor een rendabel systeem:

• Warmte- koude opslag of is pas rendabel bij voldoende schaalgrootte (enkele 100-en kW);
• De koeling kan zowel worden ingezet voor het koelen van de productieruimtes als voor proceskoeling (matrijs en oliekoeling). Als compressiekoeling het enige alternatief is, dan is WKO rendabeler.Als er al vrije koeling wordt toegepast, dan is een koudeopslagsysteem niet rendabel;
• Warmteopslag is met name rendabel als er voldoende warmtevraag is, waarbij de benodigde temperatuur maximaal circa 50°C is. Dit is afhankelijk van de tak van industrie;
• Een voorwaarde is dat de lokale opbouw van de bodem geschikt is voor energieopslag;
• Men moet een jaarlijkse bodembalans opmaken, waarbij er evenveel warmte de bodem moet worden ingebracht als er wordt uitgehaald. Bij veel bedrijven uit de sector is de koudevraag (ten behoeve van proceskoeling) groter dan de warmtevraag. Dit betekent dat er in de winterperiode aanvullende koude in de bodem moet worden gebracht om de balans te behouden. Hiervoor kunnen droge koelers of koeltoren worden ingezet.

Akoestische eigenschappen van koelinstallaties

Niet het geluid dat een airconditioningsunit produceert, maar het waargenomen geluid in de verblijfsruimte is bepalend om na te gaan of de maximale grens van 30 dB niet wordt overschreven. Lees hier meer over in het artikel dat hoofdredacteur Margo van Voskuilen hierover heeft geschreven: Het geluid van koelte.

Toepassing

Functionele bruikbaarheid van koelinstallaties

Warmtepomp met koudeopslag moet geïntegreerd worden met het verwarmings- en warmwatersysteem en is alleen geschikt voor lage temperatuurafgifte systemen (vloerverwarming en luchtverwarming). Hierdoor is WKO aan te raden bij nieuwbouw, bij renovatie of in de enkele situatie waar het gemakkelijk geïntegreerd kan worden met een huidig systeem in bouwprojecten als kleine utiliteitsbouw, individuele woningbouw, kleine appartementen complexen en bedrijven met lage temperatuurvraag zoals veeteelt en zwembaden.

Adiabatische koeling is bij uitstek in grote of hoge ruimten en hallenin bijvoorbeeld de metaalindustrie, voedingsmiddelenindustrie, kunststofindustrie, expositie- en opslaghallen. Directe adiabatische koeling is ook goed inzetbaar voor het langer vers houden van bepaalde soorten fruit en groente waarbij de temperatuur dicht bij de 0 graden gehouden wordt en de luchtvochtigheid nabij de 100%. De vochtbijdrage vormt hier een bijkomend voordeel.
Directe adiabatische koeling kan ook specifiek worden toegepast om binnen de luchtvochtigheid te vergroten. Vooral in de winter en in het voorjaar is dit gunstig in sommige industriële branches. Ook in datacenters vindt zowel de indirecte als directe adiabatische koeling steeds meer toepassing.

Economische bruikbaarheid van koelinstallaties

Adiabatische koeling en WKO worden door onze overheid beschouwd als duurzame technieken en heeft deze toegevoegd aan de EIA-lijst (Energie Investerings Aftrek). Volgens deze EIA-regeling mag 41,5% van de investeringskosten van de fiscale winst worden afgetrokken. Afhankelijk van het belastingpercentage is het mogelijk om ca. 10% van de investering terug te krijgen.

Absorptiekoeling kan worden gebruikt bij proceskoeling, opslag van producten rond de 10°C en bij de koeling van gebouwen.

Voorschriften voor koelinstallaties

Onze hoofdredacteur Margo van Voskuilen zocht voor het artikel 'Wie warm is wil airco' uit, welke restricties er gelden bij het plaatsen van airconditionings units.

Ontwerpdetails voor koelinstallaties

Voor units met watergekoelde condensoren, zoals bij grotere vermogens, dient een toe- en afvoer van koelwater te worden geïnstalleerd.

Bij buiten opgestelde condensing units dient in het bijzonder op de geluidhinder voor de omgeving gelet te worden. Deze is met de juiste voorzieningen te voorkomen.

Voor alle units geldt dat voor een aansluiting op het elektriciteitsnet en op de regelapparatuur moet worden gezorgd.

Verwerking en montage

Voorbereiding voor koelinstallaties

De hiervoor bij Ontwerpdetails vermelde aansluitingen voor elektro, koelwater en dergelijke kunnen op aanwijzing van de fabrikant en/of leverancier van de apparatuur volgens tekening worden aangebracht.

Kwaliteit en garantie

Keuring van koelinstallaties

Koelsystemen, verwarmingssystemen en airconditioningssystemen moeten goed functioneren, om het milieu niet te overbelasten, om verantwoord met energie om te gaan en voor de veiligheid. In Nederland bestaat daarom een keuringsplicht voor gasgestookte verwarmingssystemen van 100 kW of groter en niet-gasgestookte verwarmingssystemen van 20 kW of groter, gebaseerd op de Europese Energy Performance of Buildings Directive (EPBD).

De keuring is verplicht. Gebouweigenaren of huurders dienen de  genoemde systemen om de 5 jaar te laten keuren door een deskundige volgens een voorgeschreven inspectiemethodiek.

Garanties op koelinstallaties

Garanties worden geregeld in de leveringsvoorwaarden. In het algemeen is de garantieperiode één jaar, of zo lang als de garantie ven een toeleveringsbedrijf bedraag (regelapparatuur, filters, appendages).

Milieu en gezondheid

Brandstofverbruik van koelinstallatie

Bodemenergie is een bewezen duurzame techniek voor het energiezuinig koelen en verwarmen van gebouwen, kassen, bedrijfshallen en industrieën waarmee besparingen van 30% tot wel 80% op de energiekosten kunnen worden gerealiseerd en wordt door het ministerie van Infrastructuur en Milieu gestimuleerd.

De besparing van een adiabatisch koelsysteem bedraagt 70% tot 80% ten opzichte van conventionele compressiekoeling. Directe adiabatische koeling is energiezuinig: voor 10.000 m³ gekoelde lucht is slechts 1 kW elektrisch vermogen nodig. Als adiabatische koeling wordt toegepast in een natuurlijk ventilatieconcept, kan het benodigde vermogen nog verder naar beneden, om hetzelfde resultaat te bereiken.

De terugverdientijd van absorptiekoeling voor procesinvesteringen is bij de huidige energieprijzen niet aantrekkelijk. Bij gebouwen worden vaak andere rendementscriteria gehanteerd en is absorptiekoeling mogelijk wel een redelijk alternatief.

Energy Performance Directive

Het RVO biedt de Europese Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) als extra hulpmiddel om klimaatinstallaties in gebouwen te verbeteren, bijvoorbeeld aan WKO, het distributiesysteem, het afgiftesysteem en door middel van onderhoudscontracten.

De IPS richt zicht op installaties in de utiliteitsbouw en de woningbouw met een gezamenlijke verwarmingsinstallatie of koelinstallatie en biedt inzicht in mogelijkheden voor energiebesparing, minder storingen en meer comfort. Op basis van de hoofdkenmerken van de installatie wordt er door de software vragen gesteld en komen de te beoordelen onderdelen in zicht. De IPS richt zich heel praktisch op haalbare aanpassingen en maatregelen, waarmee aan de wettelijk verplichte EPBD-installatiekeuringen wordt voldaan.

Referenties

Geraadpleegde publicaties

Koude & Luchtbehandeling RCC, Vakmedianet B2B

WKO Tool Nederland, Rijksoverheid

Energielijsten EIA, Rijksdienst voor ondernemend Nederland

Bouwbesluit

Greenchoice

Gawalo, Vakmedianet B2B

RVO Installatie Performance Scan

RVO Installatiekeuringen

Wikipedia Koude-warmteopslag

Wikipedia Koudemiddelen

Normen van NEN

Wenken, voorschriften