Een ruimte die je niet gebruikt moet je niet verwarmen!

Ruimten die je niet gebruikt niet verwarmen!

Het klinkt zo simpel, maar een ruimte moet je alleen verwarmen wanneer je die ook daadwerkelijk gebruikt.

Ik verwarmde al die jaren vrolijk de kamers op de tweede etage, terwijl die niet in gebruik zijn. Die warmte wordt daar afgegeven en verdwijnt via ramen, muren en plafond uiteindelijk in de buitenlucht.

Ook een radiator in de hal heb ik uit gezet. De warmte van die radiator verdwijnt eigenlijk in het
geheel naar boven via het trapgat.

Ik schat dat ik simpelweg door deze maatregelen al een heel groot deel van de energie heb bespaard die nu bespaard blijkt te zijn.

Ik zat altijd op zo'n 900 euro per jaar voor gas (zo'n 1300 m3 gas). Dit jaar, 2014, heb ik kennelijk nog maar zo'n 250 kuub verbruikt. Dankzij een aantal maatregelen, die ik in dit blog heb opgenomen.
Dat scheelt zo'n slordige 600 euro! En dat (vrijwel) zonder verlies aan comfort.

Natuurlijk hebben we vorige winter een heel zachte winter gehad, en ook deze winter is vrij mild. Toch denk ik dat ik hiermee toch een groot deel extra heb bespaard!

Ik heb de volgende maatregelen genomen, waarover ook later in dit blog:

• Ruimten die ik niet gebruik, verwarm ik niet of op een lage temperatuur (radiator bijna dicht)
• Gordijnen dicht, 's avonds
• Gordijnen niet over de radiator hangen, maar erachter
• Deuren van ruimten waar ik niet kom gesloten houden: deze worden slechts op een lage temperatuur verwarmd
• Enkele voorzetramen
• Een intelligente thermostaatcontroller, zelfbouw, a la Toon: deze logt op internet de binnen- en buitentemperatuur en geeft aan wanneer de kachel heeft gebrand. Wanneer ik niet thuis ben wordt dit na enkele uren vastgesteld door een nabijheidssensor, en schakelt hij automatisch over naar een goedkoper temperatuurschema.

Waar gaat die warmte heen?

Waar gaat die warmte heen?

Dat is altijd heel moeilijk te zeggen. Om daar nu achter te komen moet je een hele reeks parameters verzameld hebben van je huis.

Een andere insteek is: waar komt de warmte uit mijn HR ketel terecht.

De gegevens over het verbruik hebben we namelijk wel: je kunt meten hoeveel kubieke meter per uur je verstookt op het moment dat de kachel brandt. Domweg naast de gasmeter gaan zitten en wat getallen noteren zodra de HR ketel aan springt.

Daarnaast hebben we invloed op de radiatoren die al dan niet branden - we kunnen ze zelf aan en uit zetten via de draaiknop - en is het oppervlak van de radiatoren een bekend gegeven.

Op die manier kunnen we wel proberen vast te stellen hoe het energieverbruik is verdeeld over de verschillende ruimten die worden gebruikt waar een radiator aan staat.

Hieronder volgt een uitleg.


Hoe groot is het verbruik van een bepaalde radiator?

De convectiefactor  h is een maat voor de hoeveelheid energie Q die per seconde wordt afgegeven door een radiator via de luchtstroming
_______________________________________________________________________
                     Convectiefactor

• Q = h * A * (T_binnen - T_radiatoroppervlak)   [Joule]
• A is totale oppervlak van de radiatorplaten         [m2]

• h is hierbij de convectiefactor                              [Joule / (m2*sec*graad Celsius) ]

__________________________________________________________________________

De convectiefactor h hangt van een aantal factoren af, waarvan de belangrijkste factoren zijn:

• Het verschil in temperatuur tussen het radiatoroppervlak (T_radiatoroppervlak) en de lucht in de kamer (T_binnen)
• De hoogte van de radiatorplaat
• Het oppervlak van de radiatorplaat
• Welke luchtstromen zijn er in het spel behalve de convectie
• Daarnaast kan het nog het geval zijn dat de radiatorplaat niet egaal is verwarmd, dwz. boven heter is dan beneden. 

Wanneer we nu willen uitzoeken hoeveel van de warmte uit de HR ketel in een bepaalde ruimte terecht komt, kunnen we een aantal vereenvoudigende veronderstellingen doen:

• Een radiator staat ofwel uit, ofwel volledig aan.De temperatuur van het radiatoroppervlak is voor alle radiatoren die aan staan gelijk, bijvoorbeeld 60 graden. Dit is de temperatuur waarop de HR ketel is ingesteld. We nemen aan dat de radiatorplaten egaal zijn verwarmd.
• Meestal zijn de radiatorplaten even hoog, bijvoorbeeld 60 cm. Daarmee zijn de karakteristieken van de radiator die de convectiefactor bepalen ongeveer gelijk
• De overige luchtstromen (bijvoorbeeld tocht) negeren we
• Het verschil tussen radiatoroppervlak en binnentemperatuur stellen we voor alle ruimten waar radiatoren die branden gelijk, aangezien de opwarming van de ruimte (slechts enkele graden Celsius) wegvalt tegen het grote temperatuurverschil tussen radiatorplaat en binnentemperatuur.
• Alle warmte komt terecht in de radiatoren, het verlies van de HR ketel en van warmte die achter blijft in leidingen negeren we.

Op basis daarvan houden we per radiator alleen de oppervlakte A over. Het verbruik van een bepaalde radiator (zeg radiator 1) is daarmee gelijk aan:

                               Oppervlak van radiator 1

                              ---------------------------------------------------  * gemeten aantal m3 gas per uur

                             Oppervlak van alle radiatoren die branden 

Hiermee kun je tevens de convectiefactor h van de radiator proberen te schatten.                               

Dit is uiteraard een benadering.

NB. Vergeet niet beide zijden van een radiatorplaat te tellen voor het oppervlak!!
Aan beide zijden van de plaat treedt immers convectie op!
Een radiatorplaat met hoogte 60 cm en breedte van 2 meter telt dus voor 2 * 0,6 * 2 = 2,4 m2.

Mijn eigen metingen aan een radiator

Bij mijn werkkamer heb ik een aantal metingen gedaan. Radiator hoogte is 60 cm, het gaat om een radiator met twee radiatorplaten, lengte ongeveer 2.3 meter. De radiator werd ongeveer 60 graden Celsius

In de grafiek van de berekende convectiefactor geldt voor een groot deel van de grafiek

                             h = 10 Joule/ (m2*sec*graad Celsius)

h is ongeveer 10 bij 10 graden verschil tussen tempertuur binnen en temperatuur radiator
h is ongeveer 25 bij 32 graden verschil tussen  tempertuur binnen en temperatuur radiator

 Hoewel de temperatuur van de radiator tijdelijk wel even boven de 50 graden komt, duurt dat niet lang omdat op dat moment de thermostaatcontroller de HR ketel alweer afschakelt.

Het gewogen gemiddelde van de convectiefactor heeft in mijn geval een waarde van

         18 Joule/ (m2 * sec * C)

Dit is een geschikte waarde om mee te rekenen. Misschien in uw geval ook wel, eigenlijk, zolang uw radiator niet hoger is dan 60 cm en de radiator niet langer dan zo'n 15 minuten aan staat alvorens weer af te slaan.

Zie onderstaande grafiek van de opwarming van de kamer. In feite werd de temperatuur van 60 graden al na enkele minuten bereikt, waarna het grootste deel van de warmte-afgifte plaatsvond in een periode van afkoeling van de radiator.

Het relatieve verbruik van mijn werkkamer ten opzichte van de overige ruimten was ongeveer 36%. Daarbij hield ik alleen rekening met radiatoren die daadwerkelijk aan stonden.

"Series 1" (blauw) is de temperatuur van het radiatoroppervlak. "Series 2" (oranje) is de temperatuur van de werkkamer. Excuus voor deze labels, ik weet nog steeds niet hoe je de namen hiervan kunt veranderen in Excel ;)

In de grafiek van de oppervlaktetemperatuur is een kleine golfbeweging te zien. Dat is kennelijk een gevolg van het water dat in het systeem wordt rondgepompt. Zodra de HR ketel niet langer verwarmt, is een deel van het water in het systeem iets kouder dan de rest van het water, omdat het al op de terugweg was naar de HR ketel, en een deel is warmer, omdat het net de HR ketel verliet.

Voorzetramen... of toch niet?

Is het zinvol en betaalbaar om voorzetramen aan te schaffen? 

Op Internet vond ik een discounter waar je heel goedkoop voorzetramen kan aanschaffen: ongeveer 10 euro per stuk, bij een grootte van ongeveer 0,7 bij 1 meter. Andere maten zijn ook voorradig.
De voorzetramen bestaan uit Acryl van ongeveer 1 mm dik. Worden als het nodig is op maat gezaagd.

Geen geld, eigenlijk. En je ziet ze eigenlijk niet: ik heb op mijn werkkamer de voorzetramen gewoon met wat kleine plastic houdertjes vastgespijkerd op het kozijn voor het raam. Met een kleine kier bovenaan, geen idee wat anders het condens gaat doen.
De ramen waren al voorzien van dubbel glas.

Met een plakkertje erop heb ik de oppervlaktetemperatuur van ramen met- en zonder zo'n voorzetraam gemeten bij een buitentemperatuur van ongeveer 5 graden Celsius. Bij een binnentemperatuur van ongeveer 17,5 graden:

• werden de "gewone" dubbele glazen ramen ongeveer 14 graden,
•  terwijl de voorzetramen een evenwichtstemperatuur kregen van ongeveer 15,5 graden.

Convectieverlies gehalveerd

Dat betekent dat het warmtetransport door convectie (de zogenaamde convectiefactor h) bij deze omstandigheden ongeveer is gehalveerd, zelfs terwijl er al dubbel glas aanwezig was!

Wat bespaar ik mij hiermee?

Om het warmtetransport naar buiten via de ramen te berekenen gebruik ik de volgende twee begrippen:

• Degree days bij 18 graden Celsius
• U waarde van de ramen

NB. Er is ook nog zoiets als warmtestraling. Dubbel glas (HR) is al voorzien van een warmtecoating. Heb je enkel glas, dan is een voorzetraam zonder meer voordelig. Ook is het dan handig om een folie te nemen met zo'n coating, of voorzetramen die al van een coating zijn voorzien. Hierover later meer in een apart blogbericht.

Degree days is een maat voor de "koude" ten opzichte van een bepaalde temperatuur op een bepaalde locatie. Stel de gemiddelde temperatuur is 5 graden, dan tellen dagen met die gemiddelde temperatuur ieder voor 13 (=18-5) degree days. Zo sommeer je dat over een heel jaar. Voor Amsterdam geldt dat bij 18 graden het aantal Degree Days ongeveer gelijk is aan 2378.

U waarde
De U-waarde is het verlies aan warmte in Watt voor iedere vierkante meter oppervlak per graad Celsius verschil tussen binnen en buiten.
De U waarde van "gewoon" (niet-gecoat) dubbel glas schommelt tussen de 2 en de 3,5 Watt per vierkante meter per graad Celsius  (W/m2*K ).
(In plaats van Celsius wordt hier vaak de K van Kelvin gebruikt, maakt in dit verband geen verschil)
Voor HR glas is de U waarde lager, rond de 1,5 W/m2*K




Berekening
Nu de berekening, zet je maar even schrap! ;)

Een Watt is een Joule per Seconde. We moeten de totale getransporteerde hoeveelheid Joules per jaar delen door 30 MegaJoule, zijnde de gemiddelde opbrengst van een kubieke meter gas, en dan weten we het totale gasverbruik bij deze U waarde.

Dat is gelijk aan

• het aantal    Degree Days                         2378       Celsius * dagen
• maal Totaal Oppervlak                                 1,4    m2
• maal Seconden per Etmaal                   86400       seconden per dag
• maal U waarde                                               3       W/m2=Joule/(sec*m2)

Totaal   834 MegaJoule per Jaar.

Delen we dit door 30 MegaJoule, dan komen we op rond 28 m3 gas per jaar wanneer de U-waarde op 2,9 zou liggen, wat bij mijn situatie het geval lijkt te zijn (uit eerdere metingen). Ik verstook dus ongeveer 28 kuub maal 64 cent per kuub is ongeveer 18 kuub per jaar via de ramen.

Aangezien de U-waarde kennelijk wordt gehalveerd, is de besparing per jaar 9 euro per jaar.

Bij de investering van 3 * 30 euro + 25 euro bezorgkosten = 65 euro is de
 terugverdientijd ongeveer zeven jaar. 


Niet bijzonder kort, maar wat mij betreft okee.

Gordijnen niet over de radiator hangen!

Een gordijn moet je niet over de radiator hangen!

Een gordijn moet je niet over de radiator hangen. Toch doen een hoop mensen dat (ikzelf deed dat ook altijd), zonder erover na te denken. Jarenlang verdwijnt zo een hoop warmte achter dat gordijn richting het raam. Je staat daar verder niet bij stil.

Nu heb ik de laatste tijd mijzelf verdiept in warmtetransport simulaties. Via het pakket OpenFOAM kun je simuleren hoe de lucht circuleert. Je weet wel, van die mooie plaatjes met verschillende kleuren waar de lucht het hardste stroomt. Langs de boeg van dat schip.
Spannend! Niet eenvoudig, maar een mens leert. Als je ook nog de wiskunde erachter wilt snappen ben je wel een paar jaar bezig, maar je kunt natuurlijk ook iets gebruiken zonder dat je die differentiaalvergelijkingen snapt.

Het is mij na een hoop gepruts eindelijk gelukt om twee gevallen te simuleren: een waarbij het gordijn achter de radiator hangt, en een waarbij deze er juist nog voor hangt.
Ziet en huivert hieronder.



Luchtstroming in beeld
De ruimte is 2 bij 2 (anders werd de rekentijd zo lang). De muren links en rechts en het raam zijn 15 graden, en binnen is het in het begin 20 graden. In het eerste geval hing het gordijn ongeveer 5 cm VOOR de centrale verwarming. De radiatorplaat is zo'n 60 graden Celsius.

De gemiddelde temperatuur in de ruimte nam in die eerste drie minuten vrijwel niet toe (0,1 graad Celsius). De warmte blijft voornamelijk hangen in het deel van de ruimte tussen raam en gordijn. In dat stukje neemt de temperatuur wel zo'n 1,7 graden toe.
VRIJWEL alle warmte gaat nu eerst langs dat koude raam.

Het verschil is spectaculair

In het geval dat het gordijn netjes achter de centrale verwarming hangt, neemt de temperatuur in de kamer toe met ruim 1 graad celsius binnen die ruim drie minuten. Het verschil met een situatie zonder gordijn heb ik ook nog uitgeprobeerd. Het verschil is ook nog groot: zonder gordijn zou de opwarming na 200 seconden slechts 0,3 graden Celsius zijn.

Langs de rechtermuur zie je een groenige stroom (zo'n 16 graden) van koude lucht langs de muur naar beneden zakken. In de kamer krijg je een vertikale temperatuurverdeling. Het bewijs is daar. Warme lucht stijgt.


Over de simulatie

Dit zijn nog maar mijn eerste babystapjes met OpenFOAM.

Ik heb de resultaten vergeleken met de tijd die het duurt voordat de lucht van de werkelijke kamer met 1 graad is toegenomen. Om dit te schatten moet je het centrum van de ruimte (waar ongeveer de thermostaat hangt) in de gaten houden bij deze animatie. Na 200 seconden is de temperatuur hier wel ongeveer zo'n 1 graad Celsius gestegen, zo te zien.

Mijn huiskamer is 10 meter lang en 2.65 meter hoog (ik ben de gelukkige bezitter van zo'n echt huis uit de jaren dertig), dus het gaat ongeveer 2,65*10/(2*2)= 6,6 keer zoveel lucht als in deze simulatie, maar er zijn in werkelijkheid twee radiatorplaten in plaats van een.

Naar schatting zou de opwarming van de werkelijke kamer met 1 graad daarmee ongeveer 6.6/2 = 3.3 keer zo lang duren als in deze animatie = 3.3*200 seconden = 11 minuten.

Uiteraard is dit een enigszins grove benadering: de luchtstroming is bij zo'n langere ruimte anders dan hier, ook is de absorptie door plafond niet meegenomen.

Die 11 minuten komt wat mij betreft toch qua orde van grootte best aardig in de buurt van de tijd die het in werkelijkheid kost, zijnde 20 minuten. (bij mij is de thermostaatcontroller overigens afgesteld op 18 graden, niet op 20 graden.)

Over de openFOAM solver

De zg. solver (oplossingsmethode) is boyantSimpleFOAM, die rekening houdt met turbulentie en viscositeit van lucht, en uit gaat van een samendrukbare "vloeistof". "Transient", dat wil zeggen, niet uitgaand van een evenwichtstoestand in de tijd. De theorie erachter is behoorlijk lastig, ik neem aan dat er uit wordt gegaan van RANS (Reynolds Averaged Stress model). Nu kan het best zo zijn dat die methode niet ideaal is voor het berekenen van stromingen nabij muren (isotropie). Maar daar weet ik domweg niet genoeg van.

Ik ben nog op zoek naar mensen die mij hier iets meer over kunnen en willen vertellen.

Over het simuleren van warmte en over het pakket openFOAM in een later blogbericht meer.