PCM-onderzoek: HATS (Hybrid Adaptable Thermal Storage)

Ontwerp woningen Zonne Entree, Apeldoorn (Lars Courage Architecten).

Het leeuwendeel van onze gebouwen bezit een permanente capaciteit voor de opslag van warmte en koude. Het gebouw is óf thermisch zwaar óf thermisch licht. Hierdoor is thermisch comfort bij een zo beperkt mogelijk energiegebruik niet het gehele jaar door haalbaar. Immers, een thermisch zwaar gebouw heeft meer energie nodig in de zomer en winter, een thermisch licht gebouw in de tussenseizoenen.

De TU Eindhoven onderzoekt de opties voor een concept dat de voordelen van zowel een thermisch zwaar en als een thermisch licht gebouw benut: hybride adaptieve thermische energieopslag (HATS).

Hybride adaptieve thermische energieopslag (HATS) is onderwerp van promotieonderzoek aan de TU Eindhoven, in samenwerking met het Material Innovations Institute (M2I) en Tata Steel. HATS staat voor de mogelijkheden om de thermische massa van het gebouw aan te passen aan het seizoen of veranderde klimaatomstandigheden. Hiertoe worden PCM’s aangebracht in een deels te openen, verlaagd plafond.

HATS: aanpassing van de thermische massa via PCM’s in het plafond.

Aanpak

Als onderzoeksobject dient het ontwerp van Courage Architecten van de woningen Zonne Entree in Apeldoorn. Deze woningen worden op dit moment gebouwd. De licht-gewicht casco’s worden uitgevoerd in staalframebouw. De kenmerkende bouwfysische eigenschappen van de woning zijn weergegeven in onderstaande afbeelding:

Bouwfysische eigenschappen van de woningen in het HATS-onderzoek.

Tijdens het onderzoek is het energiegebruik van de woning over een geheel jaar gesimuleerd. Hierbij zijn twee aanwezigheidsprofielen aangehouden:

• ‘avond’: de bewoners zijn aanwezig van 18.00–24.00 uur;
• ‘dag en avond’: de bewoners zijn aanwezig van 08.00–24.00 uur.

De simulatie van het energiegebruik is uitgevoerd bij een lage thermische massa (5 kg/m²), een hoge thermische massa (100 kg/m²) en een aanpasbare thermische massa (HATS).

De prestaties van de drie opties zijn uitgedrukt in:

• warmtevraag (kWu/m² per jaar), het eigenlijke energiegebruik;
• gewogen temperatuur over- en onderschrijdingsuren (GTO), de uren dat een bepaalde binnentemperatuur wordt overschreden.

Resultaten
De energieprestaties van de drie mogelijkheden op warmtevraag en GTO-uren zijn vervat in de tabel. Tussen haakjes staat hoeveel het energieverbruik procentueel afwijkt.

Warmtevraag en GTO-uren per jaar bij een lage thermische massa, hoge thermische massa en HATS.¹

¹ TVVL magazine 02-2011: Hybride adaptieve thermische energieopslag; ir. P. Hoes (M2I en TU/e), dr.dipl-ing. M. Trcka (TU/e), prof.dr.ir J.L.M. Hensen (TU/e), drs.ir. B. Hoekstra Bonnema (Tatasteel Construction Centre).

De tabel toont dat bij toepassing van HATS de warmtevraag tot 27% kan worden verlaagd. Het aantal GTO-uren is minimaal.

Gevoeligheidsanalyse
Vervolgens is onderzocht welke bouwfysische parameters de meeste invloed hebben op de warmtevraag en GTO-uren.

Voor de warmtevraag blijken de insteltemperatuur en de isolatiewaarden van de schil het meest bepalend:

Invloed van verschillende parameters op de warmtevraag. Hoe langer de balk, hoe groter de invloed.²

² Investigation the potential of a novel low-energy house concept with hybrid adaptable thermal storage, ir. P. Hoes (M2I en TU/e), dr. dipl-ing. M. Trcka (TU/e), prof.dr.ir J.L.M. Hensen (TU/e), drs.ir. B. Hoekstra Bonnema (Tatasteel Construction Centre)
Energy and management 52, Elsevier.

Voor de GTO-uren zijn de raamgrootte en de ventilatie het meest invloedrijk:

Invloed van verschillende parameters op de GTO-uren. Hoe langer de balk, hoe groter de invloed.

In een nieuwe simulatie zijn de invloedrijke parameters gevarieerd tussen minima en maxima. Vervolgens zijn uit deze parameterstudie twee varianten gehaald, waarbij HATS de meeste winst behaalt. Het verschil tussen variant 1 en variant 2 is de isolatiewaarde. Bij variant 1 is dat: 3 m²K/W en bij variant 2: 8 m²K/W. De tabel zet de resultaten op een rij:

Warmtevraag (kWu/m² per jaar) en GTO-uren bij twee optimale varianten.

De tabel laat zien dat bij toepassing van HATS de warmtevraag tot 35% omlaag kan, in vergelijking met een hoge thermische massa. Het aantal GTO-uren kan met maximaal 1.295% worden verminderd, in vergelijking met een lage thermische massa.

Conclusies

Deze resultaten gelden in het algemeen voor gebouwen, waarin vaak en voor lange tijd geen mensen aanwezig zijn, zoals woningen (de bewoners zijn overdag op hun werk), kantoren (het personeel gaat ’s avonds naar huis) en hotels (de gasten zijn overdag hun vakantiebestemming aan het verkennen). Deze gebouwen dienen veelvuldig, relatief sterk te worden opgewarmd, van een lage naar een hoge (verblijfs)temperatuur.
Bij gebouwen met een continue bezetting en warmtevraag – ziekenhuizen, cellencomplexen, 24-uurs-productiegebouwen – zullen de resultaten anders uitvallen.

• Voor meer informatie: artikel 'Hybride adaptieve thermische energieopslag' bij de downloads