Ontwerpparameters - Technieken
Een warmteverliesberekening, vuistregels of een detailberekening.
ir. arch. Pol Van Acoleyen-adviseur energieconsulentenproject • 17 augustus 2017
Onderscheid gebouw – lokaal
Om op een zinvolle manier over een warmteverliesberekening, een op een offerte vermeld vermogen, of een vereenvoudigende vuistregel te kunnen spreken, dient men zich eigenlijk eerst de vraag te stellen: waarvoor diént de warmteverliesberekening eigenlijk?
Het antwoord is eenvoudig: met de warmteverliesberekening worden zowel het vermogen bepaald dat het productiesysteem (ketel, warmtepomp, …) moet kunnen leveren, als het vermogen dat het afgiftesysteem (vloerverwarming, radiatoren, convectoren, …) moet kunnen leveren. De methodes waarmee beide vermogens worden bepaald, verschillen echter grondig.
Om het afgiftesysteem te bepalen, is een vermogen per lokaal nodig. Om het productiesysteem te bepalen, is het totale vermogen voor het hele gebouw nodig. Het zou makkelijk zijn als dat totale vermogen gelijk zou zijn aan de som van de verschillende lokalen, maar dat is niet zo.
De som van de verschillende lokalen is altijd een overschatting t.o.v. het “genormeerde totale vermogen”, omdat per lokaal extra toeslagen worden ingerekend voor opwarming na nachtverlaging, en eventueel verschillende scenario’s in de berekening worden opgenomen (bijvoorbeeld een badkamer die altijd warmte verliest naar de omliggende ruimten wanneer ze in gebruik is, maar wanneer ze niet gebruikt wordt steeds warmte onttrekt uit dezelfde omliggende ruimten).
Maar omgekeerd geldt het onderscheid ook: het is bijvoorbeeld niet zo dat men op basis van een relatief laag gemiddeld vermogen per m² voor de hele woning zomaar kan besluiten dat een systeem met 100% vloerverwarming wel zal lukken. Dat hangt immers van de individuele kamers af, en dat vereist dan weer een detailberekening per kamer.
Het nut van vuistregels
Dat neemt niet weg dat een vuistregel om het productievermogen te schatten wel nuttig kan zijn in sommige gevallen, bijvoorbeeld bij het inschatten van de grootte van een bodemwarmtewisselaar voor een warmtepomp. Deze bepaalt immers een groot deel van de kostprijs van de installatie. Zelfs indien de vuistregel geen erg precies resultaat oplevert, heeft men toch al snel een idee van welke richting de kostprijs uitgaat.
Een andere interessante piste is de berekening van het vermogen van een ketel die ook een aparte boiler verwarmt. Dit vermogen kan dan bepaald worden op de verwarmingsbehoefte, zodat deze met behulp van een buitenvoeler het hele jaar door optimaal kan moduleren. Dat komt zowel het systeemrendement als de levensduur ten goede.
Merk op dat in beide gevallen het vermogen voor de opwarming van het sanitair warm water nog moet bij het vermogen geteld worden. Anders heeft men onvoldoende vermogen om in het diepst van de winter zowel water als lokalen te verwarmen.
De vuistregels zijn minder interessant in een aantal gevallen: voor de bepaling van het vermogen van een combiketel (verwarming in combinatie met onmiddellijke opwarming van sanitair warm water zonder opslag) in een woning hoeft men enkel naar de capaciteit voor sanitair warm water te kijken. Deze is immers vele malen groter dan de warmtebehoefte van een doorsnee lage-energiewoning. In andere (grotere) gebouwen is dat mogelijk weer anders, maar voor deze gebouwen is de vuistregel op zich dan weer minder geschikt. Hierbij gelden immers vaak afwijkende ventilatiedebieten, correcties voor gelijktijdigheid, … die stuk voor stuk projectspecifiek zijn en zich niet in één eenvoudige formule laten gieten.
Men moet ook voorzichtig zijn met het gebruik van de vuistregels. Deze geven weliswaar een goede indicatie van het vermogen van een warmtepomp en de eventueel bijhorende bodemwarmtemisselaar, maar de vuistregels zijn absoluut ongeschikt om het vermogen van een warmtepomp precies te bepalen. Een kleine onderschatting van het vermogen kan ernstige gevolgen hebben op het jaarrendement of het comfort. Een warmtepomp dient dus steeds berekend te worden aan de hand van een gedetailleerde warmteverliesberekening.
Al te vaak zien we in de praktijk gebeuren dat zelfs een warmtepomp door een installateur wordt geselecteerd op basis van een vuistregel, of nog erger: “ervaring”. Soms wordt er daarbij nog gerekend op een ingebouwde elektrische weerstand die de ergste winterpieken wel zal opvangen. Maar zo’n elektrische weerstand heeft een dramatisch effect op het seizoensrendement van een installatie, zeker als die door een slechte inschatting van het vermogen veel vaker moet werken dan voorzien. Mits een goede berekening is zo’n elektrische hulpweerstand ook helemaal geen vereiste: er zijn genoeg warmtepompen op de markt die perfect kunnen werken zonder.
De belangrijke parameters in de detailberekening
In de detailberekening is een belangrijke taak weggelegd voor de architect. Het rekenwerk zelf kan door iedereen gebeuren die kennis heeft van de norm, maar het bepalen van de ingangsparameters is bij uitstek een opdracht van de architect en de bouwheer.
Een aantal parameters worden in de regel vaak strenger gekozen dan de standaard normwaarden, opwarmtijden moeten bepaald worden in functie van het systeem en de wensen van de gebruiker, en sommige opdrachtgevers hebben bovendien eigen specifieke eisen die soms flink van de norm afwijken. Een voorbeeld: de temperatuur in een leefruimte, die slechts 20°C bedraagt in de norm, wordt meestal op 22°C gekozen, wat 10% scheelt op het resultaat.
Anderzijds zijn er ook parameters waar de architect vaak als enige een goed overzicht over heeft, die de berekening kunnen beïnvloeden. Het gaat dan bijvoorbeeld over de correcte U-waarden, een inschatting van de luchtdichtheid, en vooral: de correcte ventilatiedebieten. In een BEN-woning, waar isolatie en luchtdichtheid steeds performanter worden, zullen deze ventilatiedebieten (die al meer dan 10 jaar onveranderd gebleven zijn) een steeds belangrijker aandeel in het warmteverlies innemen.
In de tabel bij dit artikel wordt een overzicht gegeven van de parameters die voor de detailberekening moeten geleverd worden aan de rekenaar, en na de berekening dienen gecontroleerd te worden. Het relatieve belang van elke parameter wordt vermeld, al verschilt dit natuurlijk kamer per kamer en project per project.
De systeemtemperaturen en het belang voor EPB
De gedetailleerde berekening dient niet alleen om een precies gedimensioneerde installatie te ontwerpen, maar ook om enkele zeer belangrijke parameters in de EPB-aangifte te kunnen bewijzen. In lage-energiewoningen en BEN-woningen is deze berekening dus de facto onontbeerlijk.
Behalve de warmteverliesberekening, is hier ook de berekening van het afgiftesysteem nodig. En opnieuw dient dit kamer per kamer te gebeuren. Een afgiftesysteem is immers kamergebonden.
De temperatuur van het verwarmingswater heeft invloed op het rendement van de warmteopwekking. Intuïtief kan men al weten dat het meer energie kost om water op een hogere temperatuur te verwarmen, maar binnen de gangbare productiesystemen zijn er bovendien factoren die het rendement extra beïnvloeden.
Bij condensatieketels wordt bijvoorbeeld extra energie uit de rookgassen gehaald (letterlijk door condensatie van de rookgassen) door deze in contact te brengen met het retourwater van de verwarming. De vrijgekomen condensatiewarmte wordt gebruikt om het retourwater alvast op te warmen alvorens het door de ketel verder wordt opgewarmd. Hoe lager de retourtemperatuur, hoe hoger het totale rendement van de ketel.
Bij warmtepompen haalt men warmte uit de bodem of de omgeving. Deze warmte wordt in een koelcircuit door compressie op een hogere temperatuur gebracht en vervolgens afgegeven aan het verwarmingscircuit. Hoe hoger de temperatuur van het verwarmingscircuit, hoe meer energie er in de compressie moet gestopt worden, en hoe onrendabeler de warmtepomp zal werken. Ook aan de bronzijde is de temperatuur van belang: hoe lager de brontemperatuur, hoe meer de compressor moet bijspringen om warmte te kunnen leveren aan het verwarmingscircuit. Dat is ook de reden waarom luchtwarmtepompen in de regel een lagere COP hebben dan grondwarmtepompen: de luchttemperatuur zakt in de winter veel lager dan de bodemtemperatuur.
Op de bron heeft men als ontwerper weinig invloed. Alhoewel: een te kleine bodemwarmtewisselaar kan de bodem wel jaar na jaar afkoelen, wat op middellange termijn nefast is voor het systeemrendement. Het afgiftesysteem ligt daarentegen wel binnen het bereik van het ontwerp.
De regel is eenvoudig: hoe lager de systeemtemperaturen (aanvoer- en retourwater), hoe hoger het rendement zal zijn. Maar hoe lager de systeemtemperaturen, hoe minder warmte een verwarmingstoestel (of oppervlakteverwarming) kan afgeven naar de ruimte. Om dit te compenseren, zal een radiator, convector of luchtverwarming groter moeten ontworpen worden. Vloerverwarming zal met een kleinere legafstand moeten werken, of beperkt worden qua oppervlakteafwerking.
Het gevolg voor de architectuur
Als we de berekening terugkoppelen naar architectuur, merken we dat er toch heel wat invloed van het ene op het andere en omgekeerd bestaat. De nodige ruimte voor “over”-gedimensioneerde verwarmingstoestellen moet men ergens voorzien.
Het is vaak ook veel interessanter om van bij het begin het warmteverlies te beperken, door grondig te isoleren, luchtdicht te bouwen, en vooral: de ventilatieverliezen beperken.
Wanneer men met ventilatie met natuurlijke toevoer werkt, komt er steeds koude lucht binnen die moet opgewarmd worden. Een vraaggestuurd systeem A of C is hierbij géén oplossing, omdat een verwarming steeds moet berekend worden op het worst case scenario: dus wanneer het volledige debiet aan koude lucht binnenkomt. Raamroosters die langer zijn dan strikt noodzakelijk, laten ook meer lucht door dan vereist, wat alleen maar extra onnuttig warmteverlies betekent. De zelfregelendheidsklasse van raamroosters laat bovendien in het beste geval nog een ruime marge toe (+20% op het debiet).
Het voordeel van een systeem D is op dit vlak wel duidelijk: circa 80% van de warmte kan teruggewonnen worden en blijft dus weg uit de warmteverliesberekening, en de debieten kunnen fijn ingeregeld worden zodat deze in de berekening ook niet tot meer ventilatieverlies dan strikt noodzakelijk leiden.
Een voorbeeld
Warmteverliesberekening in detail voor een slaapkamer van 4 x 3m, met twee buitenmuren (4m) met een raam van 4,5 m². In de kolom “invloed” wordt het extra nodige vermogen gegeven voor de ongunstige t.o.v. de meest gunstige waarde in de kolom “simulatie”, met telkens de overige parameters in het gunstige scenario.
Voorbeeld warmteverliesberekening
In dit voorbeeld zou het warmteverlies zich situeren tussen 399W en 1880W, afhankelijk van de gekozen of ontworpen parameters. Een detailberekening is dus absoluut noodzakelijk!
Conclusies
Een berekening van het totaal vermogen voor een woning: dit kan met vuistregels, maar enkel voor bijvoorbeeld tussentijdse ramingen.
De detailberekening volgens de norm NBN EN 12831 dient gebruikt te worden om zowel de vermogens per kamer als het totale gebouwvermogen te bepalen.
Het totale gebouwvermogen, of “genormeerd verwarmend vermogen”, houdt enkel rekening met de warmteverliezen door transmissie naar buiten, infiltratie en ventilatie. Verliezen naar andere ruimten en extra vermogen voor opwarming na bv. nachtverlaging worden daar niet in meegerekend, wat in het vermogen per kamer wel gebeurt.
Bij de detailberekening zijn een reeks parameters nodig waarover de architect het overzicht dient te bewaren.
De parameters m.b.t. comfort (temperatuur, opwarmtijd) dienen uiteraard steeds afgetoetst te worden met de bouwheer (wat overigens letterlijk in de norm vermeld staat).
Beperken van de warmteverliezen is de eerste stap in een gunstige dimensionering van het afgiftesysteem. Pas nadien kan het systeem ontworpen worden voor een optimaal productierendement.
De warmteverliesberekening is slechts de helft van de nodige stavingsdocumenten voor de EPB-aangifte. Het andere deel is de berekening voor het afgiftesysteem.