THE MOBBLE: INTELLIGENTE STURING ALS STRATEGIE RICHTING ENERGIE-EFFICIENTIE
STUDENTEN UGENT HALEN VIER MEDAILLES OP SOLAR DECATHLON
Een team studenten van de Universiteit Gent werd geselecteerd om deel te nemen aan de Solar Decathlon competitie in Boedapest, Hongarije: een prestigieuze wedstrijd waarin universiteitsstudenten van over de hele wereld worden uitgedaagd om een energiezuinig en duurzaam gebouw te ontwerpen, te bouwen en te bewonen. De realisatie van de Gentse studenten, een circulair bouwsysteem in de vorm van een modulair bouwblok, kreeg de naam The Mobble mee en trekt resoluut de kaart van intelligente sturing.
PERFORMANCE GAP
Isolatie, compactheid en luchtdichtheid zijn gekende principes voor energiezuinige gebouwen. Onderzoek van de Universiteit Gent toont echter aan dat het verschil in werkelijk energiegebruik tussen slecht en goed geïsoleerde gebouwen vaak veel kleiner is dan verhoopt. Daar zijn verschillende verklaringen voor, maar één erg belangrijke is de impact van het verwarmingssysteem en de sturing. Zo zijn er tal van niet-geïsoleerde gebouwen met plaatselijke gaskachels die minder verbruiken dan lage-energiewoningen met condenserende ketels en vloerverwarming. Door hun grote thermische inertie werken die laatste systemen namelijk vaak 24/7.
De energiebesparing die door het gebruik van efficiëntere technieken gerealiseerd wordt, verdwijnt bijgevolg vaak ten voordele van comfortwinst enerzijds, of door een gebrekkige sturing anderzijds. Net om die reden zetten de studenten van de UGent in de Solar Decathlon wedstrijd voluit in op de intelligente sturing van alle installaties. Om de reactiesnelheid te verhogen, is er verder nauwelijks enige thermische inertie, en in functie van het zomercomfort werd buitenzonnewering voorzien.
DEMAND SIDE MANAGEMENT
Intelligente sturing is, zoals reeds aangegeven, het centrale uitgangspunt voor de installaties en wordt toegepast voor zowel ventilatie, verwarming, koeling en sanitair warm water als elektrische productie, verbruik en opslag. De eerste vier – de klassieke HVAC-installaties – werden bestudeerd met behulp van dynamische simulaties in Modelica. Zowel het gebouw als de systemen werden daarvoor gemodelleerd, wat toelaat om inzicht te krijgen in het volledige gedrag van het paviljoen.
Integratie van Internet of Things
Hoewel anticipatie bij ventilatie van ondergeschikt belang is, is het bij verwarming, koeling en SWW-productie essentieel dat de energie nuttig ingezet kan worden waar en wanneer er mensen aanwezig zijn. Daarom werd voor de sturing samengewerkt met Imec en IDlab van UGent, om zo ook het potentieel van IoT-sturing optimaal te benutten. Door gps-signalen, maar ook apps zoals NMBS, Google Maps, Waze en andere weet je smartphone immers vaak beter dan jou wanneer je zal thuiskomen. De sturing van het systeem kan daarop anticiperen om zo gericht de installaties aan te sturen.
Juist anticiperen
Om ook de responstijd in rekening te brengen, geeft de smartphone bovendien een signaal naar het Diamand-platform dat alle componenten met elkaar verbindt. Vervolgens wordt op basis van het dynamische gebouwmodel en de reële binnen- en buitentemperatuur berekend hoeveel minuten de systemen nodig hebben om het nodige comfort te creëren.
VERWARMING EN KOELING
Voor de verwarming en koeling van The Mobble werd een lucht-luchtwarmtepomp van Daikin geselecteerd. Dit splitsysteem heeft weinig inertie en sluit met andere woorden aan bij de ambities van het project.
Bewust ondergedimensioneerd
In relatie tot de ontwerptemperatuur in Boedapest (-15 °C) is de warmtepomp voor verwarming ondergedimensioneerd. Rekening houdende met het gereduceerde vermogen van de warmtepomp bij lage buitentemperatuur, zou een veel groter toestel nodig zijn, dat zijn vermogen in de praktijk echter zelden zou benutten. Volgens de dynamische simulaties is de werkelijke piek in warmtevraag in ieder geval veel kleiner en kan de toevoeging van een naverwarmingsbatterij op de ventilatie al een oplossing bieden.
Passief systeem
Aangezien het in Boedapest in de zomer vaak 35 °C wordt en de wedstrijd twee passieve dagen oplegt - waarop er geen gebruik gemaakt mag worden van een carnotcyclus (bv. warmtepomp) om een comfortabel binnenklimaat te behouden - werd een passief systeem ontwikkeld.
Op het dak van The Mobble ligt een PVT-systeem van Climapac waarbij ‘s nachts warm water, afkomstig uit het thermische buffervat, door de panelen gestuurd wordt. Dit water koelt af dankzij langegolfstraling. Door het thermische buffervat via een lucht-waterwarmtewisselaar met de luchtleidingen te verbinden, kan het gebouw overdag gekoeld worden. Om de twee passieve dagen effectief te kunnen overbruggen, zal het buffervat voorafgaand diep gekoeld worden. Dat is mogelijk dankzij de integratie van een refrigerant-waterwarmtewisselaar tussen het buffervat en de warmtepomp. Aangezien er volgens het wedstrijdreglement niets in de grond geboord mag worden, werd er verder nog phase-changematerial in het buffervat geïntegreerd om extra warmtecapaciteit te creëren.
Afhankelijk van de weervoorspelling kon dan beslist worden om overdag eerst de passieve koeling te benutten, of deze te sparen om samen met de warmtepomp een piek in koellast te kunnen opvangen (zie hydraulisch schema).
SANITAIR WARM WATER
Sanitair warm water wordt geproduceerd met een Daikin warmtepompboiler, die kiest tussen de binnen- of buitenlucht als warmtebron. In de controller van de warmtepompboiler zit een gecombineerd biologisch-thermohydraulisch model dat de aangroei van legionella kan voorspellen. Zo kan de gemiddelde temperatuur van de boiler verlaagd worden zonder bijkomende risico’s.
VENTILATIE
Ook de ventilatie verloopt in dit project vraaggestuurd. Er is een decentrale hybride toevoer (minimale stromingsweerstand, mechanische ondersteuning wanneer nodig), in combinatie met een centrale afvoer. De toevoer wordt gereguleerd door CO2 en VOC; de afvoer door RV. Uiteraard worden de debieten steeds gebalanceerd.
“De technieken op zich zijn niet baanbrekend. Het potentieel zit in de slimme sturing” - Prof. Nathan Van Den Bossche (UGent)
GEEN STANDAARDSTURINGEN
Ten slotte werd voor het elektrische verhaal een beroep gedaan op Climapac (PVT), Niko Home Control, Smappee en een batterij van Varta. Om de elektrische zelfconsumptie te maximaliseren, werden alle elektrische toestellen doorgemeten, en om de PV-productie in te schatten, worden ook de weersvoorspellingen in rekening gebracht.
Merk op dat de sturingen van de verschillende systemen niet de standaardsturingen zijn. Er zijn aparte sensorplatformen ontwikkeld via Arduino en er werden verwerking met Raspberry Pi en sturing via het Diamand-platform of Q-bus toegevoegd. Bij het uitwerken van een dergelijk demonstratieproject is het mogelijk om een aantal innovatieve concepten te tonen.
VIER MEDAILLES
Tijdens de Solar Decathlon wedstrijd werden de deelnemende teams beoordeeld op tien wedstrijdonderdelen. Zeven van die onderdelen werden beoordeeld door een jury, maar voor de overige drie – meer bepaald comfort, elektrische energiebalans en efficiëntie van systemen – waren metingen doorslaggevend. Zo waren er heel strikte eisen voor de binnentemperatuur, CO2-concentratie, relatieve vochtigheid, VOC, lichttoetreding, akoestische prestaties enzovoort.
Uiteindelijk sleepte het team van de UGent vier medailles in de wacht.
Het best scoorden de studenten op vlak van Engineering & Construction. In die categorie behaalden ze de hoogste onderscheiding en dus de gouden medaille. Daarnaast kwamen er ook nog drie bronzen medailles mee naar huis: in de categorieën Energy Balance, Neighbourhood Integration & Impact, en Communication & Social Awareness.
