Samenvatting

Dit rapport richt zich op de uitbreiding van een bestaande rekentool in Excel van mijn stagebedrijf: IF Technology. Deze uitbreiding is bedoeld om de energiestromen en efficiëntie van lucht-water warmtepompen te berekenen, in combinatie met bodemenergiesystemen (functie uit de bestaande tool).
De aanleiding voor dit project is de behoefte aan een efficiëntere methode om verschillende ontwerpopties voor klanten door te rekenen. Momenteel kost het handmatig doorrekenen van deze opties te veel tijd, wat ten koste gaat van de optimalisatie van concepten. IF Technology wil met deze tooluitbreiding sneller en accurater kunnen werken, waardoor adviezen m.b.t. bodemenergiesystemen in samenwerking met lucht- waterwarmtepomp geoptimaliseerd kunnen
worden zonder uitgebreide handmatige berekeningen.

Op basis van de probleemanalyse in het eerste hoofdstuk zijn de probleemstelling en de doelstelling geformuleerd. Deze vormen de basis voor de onderzoeksvragen en de deelvragen.
De probleemstelling is:
“Het met de hand doorrekenen en tegen elkaar afwegen van verschillende relevante
oplossingsmogelijkheden voor een klant kosten te veel tijd, waardoor concepten onvoldoende
geoptimaliseerd kunnen worden.”

De overkoepelende projectdoelstelling die vervolgens is geformuleerd luidt:
“Op geautomatiseerde wijze inzicht geven in de efficiëntie en energiestromen van verschillende soorten lucht-water warmtepompen onder specifieke omstandigheden."

Als gevolg van de probleemstelling en de doelstelling zijn er een tal van onderzoeksvragen opgesteld onder de overkoepelende hoofdvraag:
“Hoe ontwikkel je een Excel waarin je de energiestromen en de efficiëntie van een lucht-water
warmtepomp berekent die samenwerkt met een bodemenergiesysteem en welke adviezen kun je
daaraan koppelen voor verschillende relevante koudemiddelen?”

De deelvragen zijn gegroepeerd in acht categorieën. De belangrijkste onderzoeksresultaten zijn als volgt:
Werking lucht-water Warmtepompen: Er is een gedetailleerd overzicht gecreëerd van de werking
van lucht-water warmtepompen. De belangrijkste inputparameters zijn verzameld, waaronder
koudemiddel, buitentemperatuur, aanvoertemperatuur, retourtemperatuur, CV-debiet, warmte- en
koudevraag, en stooklijnen. De outputparameters omvatten de verdeling van de energielevering
door verschillende systeemcomponenten, het benodigde vermogen van piekvoorzieningen, en de
SCOP en SEER. De noodzakelijke rekenstappen, zoals interpolatie van COP-waarden op basis van
specifieke buitentemperaturen en aanvoertemperaturen, zijn vastgesteld en toegepast in de tool.

Relevante Koudemiddelen: Een selectie van relevante koudemiddelen (R32, R410A, R134A, R407C,
R717, R744, R290, R454B, R1234YF) is gemaakt op basis van de huidige- en verwachte toekomstige
vraag. Voor elk koudemiddel moet data worden verzameld: COP-waarden bij verschillende
buitentemperaturen en aanvoertemperaturen. Deze data zijn cruciaal voor verdere optimalisaties
van de tool, t.b.v. de universele inzetbaarheid.

Ontwerpmethodiek: Voor dit project is een iteratieve ontwerpmethodiek toegepast, gebaseerd op
het V-model en agile projectmanagementprincipes. Het V-model biedt een gestructureerde aanpak
waarbij eerst het totale ontwerp wordt geanalyseerd en vervolgens subsystemen worden
gedetailleerd. Agile projectmanagement zorgt voor flexibiliteit en continue verbetering tijdens het
ontwerpproces. In het iteratieve proces zijn negen concepten ontwikkeld en geëvalueerd in
samenwerking met de opdrachtgever (Bijlage 13: Ondernomen iteratiestappen). Dit leidde tot de
ontwikkeling van een samenhangend totaalontwerp, dat is geïmplementeerd in Excel en getoetst
aan het Programma van Eisen. Het ontwerp van de tooluitbreiding is vastgelegd in een
informatieschema dat meerdere functies dient: Het communiceren van informatiestromen, in
samenwerking kunnen afwegen van onuitgewerkte conceptideeën, het communiceren van de
systeemregeling naar de programmeur van de energiecentrale.

Buffervat en Ontdooicyclus: Het buffervat en de ontdooicycli zijn niet geïmplementeerd in het
eindontwerp. Gebaseerd op resultaten uit deskresearch is er wel een strategie geformuleerd hoe
deze functie toegevoegd kan worden aan de rekentool. Dit kan worden gedaan door de benodigde
elektrische energie, en de niet-geleverde thermische energie behorend bij het doorlopen van een
ontdooicyclus te berekenen. Dit dient te worden gedaan in samenwerking met een buffervat, omdat
dit in de praktijk ook gebeurt. De berekening begint bij het benaderen van de benodigde thermische
energie om ijsvorming op de verdamper te ontdooien. Dit resultaat dient te worden doorgerekend in
de geladen warmte in het buffervat.

Samenwerking WKO en LWP: Door middel van evaluatiesessies en iteratief ontwerp is een
geoptimaliseerd schema ontwikkeld voor de inbedrijfstelling van systeemcomponenten. De
uiteindelijke tool is in staat om met de gekozen input de thermische energievraag efficiënt te
verdelen tussen de WKO en LWP, afhankelijk van de buitentemperatuur, en andere factoren zoals de
gekozen drempeltemperatuur en de vorm van warmte of/en koudevraag. Hierdoor kan de tool
scenario's simuleren waarbij de energievraag wordt geleverd door de componenten die dat het
meest efficiënt kunnen doen.
Deze onderzoeksresultaten vormen de basis voor de verdere ontwikkeling en validatie van de
tooluitbreiding.

De tooluitbreiding bestaat uit twee hoofdonderdelen: ‘Drempeltemperatuur’ en ‘Tijdstapberekeningen’.
Beide onderdelen dragen bij aan het optimaliseren van de energie efficiëntie en het leveren van nauwkeurige resultaten voor verschillende scenario's met lucht-waterwarmtepompen (LWP) en bodemenergiesystemen (WKO).
De ‘drempeltemperatuur’ voert op basis van vaste input een klein aantal berekeningen uit om de COP en EER van de LWP te schatten en om de drempeltemperatuur te berekenen.
In de ‘tijdstapberekeningen’ worden de berekende waarden uit ‘drempeltemperatuur’ meegenomen om per tijdstap te bepalen welk systeemcomponent voorrang krijgt bij warmtelevering en hoeveel elektrische energie daarbij benodigd is.

In de drempeltemperatuurberekeningen berekent de tool de buitentemperatuur waarbij de LWP efficiënter warmte levert dan de WKO. De berekeningen zijn gebaseerd op geautomatiseerde tabellen die de COP van de LWP
berekenen bij verschillende buitentemperaturen, voor alleen het door de gebruiker gekozen koudemiddel. De drempeltemperatuur wordt bepaald door de temperatuur waarbij de COP van de LWP gelijk is aan de COP van actieve warmtelevering vanuit de WKO. De tool maakt gebruik van interpolatie tussen de COP-waarden uit datasets om de prestaties bij verschillende temperaturen te schatten. Hierdoor kan de tool efficiënt bepalen bij welke buitentemperaturen de LWP beter presteert dan de WKO, wat cruciaal is voor het optimaliseren van de keuze voor ‘inbedrijfstelling’ van de systeemcomponenten.

De tijdstapberekeningen worden uitgevoerd in een speciaal tabblad in de bestaande Excel-tool en zijn grotendeels gebaseerd op waarden die per tijdstap verschillen. Dit onderdeel bestaat uit vier subonderdelen:
1. Inventarisatie Benodigde Waarden: Hier worden de tijdstapafhankelijke waarden zoals
buitentemperatuur, flow CV-net, CV-aanvoertemperatuur, CV-retourtemperatuur, warmte- en
koudevraag per uur verzameld. De COP- en EER-waarden worden geïnterpoleerd op basis van de
buitentemperaturen en stooklijnen van de casus.
2. Voorwaarden en Bedrijfsstanden: Dit subonderdeel bevat voorwaarden die per tijdstap bepalen
welke systeemcomponent prioriteit krijgt bij warmtelevering. Door gebruik te maken van IF-functies
worden de bedrijfsstanden gekozen, waarbij elke tijdstap één bedrijfstand krijgt toegewezen. Dit
bepaalt of de LWP of de WKO de primaire warmtebron is en of er bijverwarming nodig is.
3. Thermische Energie en Elektra: Op basis van de gekozen bedrijfsstand wordt berekend hoeveel
warmte de prioritaire systeemcomponent daadwerkelijk levert en of de secundaire component
moet bijspringen. Als de LWP én WKO samen niet voldoende warmte kunnen leveren, wordt de
resterende warmtevraag door een piekvoorziening aangevuld. De benodigde elektrische energie
wordt berekend door de geleverde warmte te delen door de COP (die per tijdsstap wordt benaderd)
van de componenten.
4. Output: De uiteindelijke output omvat de jaarlijkse warmtelevering door de WKO, LWP, en
piekvoorzieningen, evenals het bijbehorende elektriciteitsverbruik. Deze gegevens worden
teruggekoppeld naar het algemene tabblad van de tool en gebruikt voor verdere analyses, zoals
emissieberekeningen.
Deze uitgebreide en gedetailleerde aanpak stelt IF Technology in staat om op efficiënte wijze,
nauwkeurige ontwerpen te leveren, en met minimaal benodigde moeite toolaanpassingen te
implementeren.

Voor de validatie van de tooluitbreiding wordt gebruik gemaakt van een casusopdracht. De resultaten van de nieuwe tool worden vergeleken met de oude versie, waarbij dezelfde input wordt gebruikt. Verschillen worden geanalyseerd en gevalideerd op basis van de onderliggende informatiestromen en gewenste uitkomsten.
Enkele aanbevelingen voor verdere ontwikkeling van de tool zijn:
- Verdere detaillering en uitbreiding van de dataset met relevante koudemiddelen.
- Optimalisatie van de berekeningsmethodes voor EER, door inzichtelijk te maken hoeveel van
de koude (per uur) niet wordt geleverd door het bodemenergiesysteem.
- Implementatie van een buffervat en ontdooicycli.
- Implementatie van hysterese rondom de drempeltemperatuur om pendelgedrag van de warmtepompen te voorkomen om zo de levensduur te vergroten.
De uitbreiding van de Excel rekentool bij IF Technology biedt een efficiëntere en nauwkeurigere manier om de energiestromen en efficiëntie van lucht-water warmtepompen te berekenen en te visualiseren. Dit draagt bij aan een verbeterde ondersteuning van toekomstige projecten en biedt klanten beter geoptimaliseerde ontwerpopties