Elke liter opslagcapaciteit is bruikbare warmte
Verwarmingshydrauliek met zonne-energie en grote buffertank, boilerretourlift en viercircuitsysteem met retourbenutting
Hoeveel brandstof effectief kan worden bespaard door het gebruik van zonnewarmte hangt grotendeels af van het werkelijke bruikbare volume van het zonneopslagvat. Het wordt ook hydraulisch veeleisend als de aangesloten verwarmingscircuits op verschillende systeemtemperaturen werken en de warmteopwekker een terugloopversterking nodig heeft.
Afb. 1: Landbouwer Ferdinand Schörghuber (links) heeft zijn brandstofverbruik bijna gehalveerd door gebruik te maken van zonnewarmte. Het hydraulische systeem is ontwikkeld door zijn buurman Walter Grabner (rechts) met steun van HG Baunach.
Een illustratief voorbeeld is de Houtsnippers en zonneverwarmingssysteem op een boerderij in Neder-Oostenrijk. De attractie is een onconventioneel ontworpen opslagtank voor zonne-energie. Het hart van het systeem wordt gevormd door twee meerpoorts mengverdelers, die de 22.000 liter bufferopslagtank laden en ontladen volgens het tweezone-principe en die het ook mogelijk maken om de retourstroom te gebruiken voor een laagtemperatuur stabiel vloerverwarmingssysteem. Hoewel houtsnippers een ecologische en goedkope brandstof zijn, zijn brandstofkosten voor boer Ferdinand Schörghuber uit Wolfsbach synoniem met arbeid en machines. Het varkensbedrijf in de regio Mostviertel had ook een constant hoog verbruik van houtsnippers in de zomer. Dit komt doordat de biggen het hele jaar door een verwarmde stalvloer met een constante temperatuur nodig hebben. De noodzaak om de sintels in de houtsnipperketel te onderhouden verhoogde ook de brandstofbehoefte. Een paar honderd meter verderop staat het huis van zijn buurman Walter Grabner, die ook verwarmt met hout, zij het met ondersteuning van de zon. Het gebruik van zonnewarmte voor verwarming fascineerde hem 30 jaar geleden al: "Zonne-energie is voor mij zinvol als ik meerdere dagen kan verwarmen zonder boiler," zegt Walter Grabner. Zijn zonnesysteem is dienovereenkomstig gedimensioneerd: 22 m² zonnecollectoren, geïnstalleerd op een speciaal geconstrueerd volgsysteem, vullen twee buffervaten met een gezamenlijk opslagvolume van ongeveer 4.500 liter met voldoende energie op zonnige dagen.
Fig. 2: Het volledige verdeel- en regelsysteem voor de hydraulische schakeling van het verwarmings- en zonnesysteem met grote buffervat bestaat uit twee rendeMIX multi-port mengverdelers en past op een wandoppervlak van ongeveer 1 m².
Grabners enthousiasme voor het efficiënte gebruik van zonnewarmte raakte de boer in de buurt, die zijn houtsnipperverbruik en dus ook zijn werklast wilde verminderen.
Ruim bemeten blijkt juist
De energievereisten voor het agrarisch onroerend goed zijn echter veel groter. Naast een woongebouw met 220 m² woonruimte is er ongeveer 300 m² oppervlakteverwarming nodig voor de schuur, evenals extra oppervlakteverwarming voor het drogen van de houtsnippers, die de boer per ton moet verwerken en vervoeren. Voorheen voorzag de 75 kW houtsnipperketel alleen in de warmtebehoefte. Alles bij elkaar is hij ongeveer vier keer zo groot als het huis van Grabner. Met steun van de buren werd uiteindelijk een plan ontwikkeld voor een ongewoon verwarmingssysteem op zonne-energie. Voor de dimensionering van het zonnesysteem en het bufferopslagvolume extrapoleerde Walter Grabner zijn eigen systeemconcept met een factor vier naar de vereisten van de boerderij. Het resultaat van deze berekening was een bufferopslagvolume van ongeveer 20.000 liter en een zonnecollectoroppervlak van 88 m². Dat hij gelijk had met deze dimensionering werd bevestigd door de halvering van het brandstofverbruik, zo bleek later. "Eind maart hebben we de verwarmingsketel uitgeschakeld," meldt boer Ferdinand Schörghuber in de herfst van 2009. Tot begin oktober was het zonnesysteem de enige warmtebron voor het huis, de schuur en het warme water.
Afgedankte ketelwagen wordt opslagtank voor zonne-energie
Vooraf stonden Grabner en Schörghuber echter voor de vraag hoe het vereiste buffervolume van 20.000 liter kon worden gerealiseerd - en tegen de laagst mogelijke kosten. De bouwkundige omstandigheden in een bijgebouw van de varkensstal boden niet al te veel ruimte voor een opslagtankinstallatie, maar dat gold des te meer voor de hoogte. Als voormalig voorman van de ÖBB (Oostenrijkse Federale Spoorwegen) had Walter Grabner al een oplossing in gedachten die op dat moment onderweg was naar de spoorwegemplacementen: zijn plan was om de tank van een afgedankte ketelwagen om te bouwen tot een opslagtank voor zonne-energie. Enige tijd later stond de grote container, gescheiden van het chassis en van binnen schoongemaakt, op het erf van de boer uit Wolfsbach. Met een passie voor onconventionele oplossingen, gekoppeld aan gedegen ontwerpkennis en expertise in metaalbewerkingsprocessen, kortte Grabner de tank van de voormalige goederenwagon met ongeveer een derde in tot een verticale opslagtank. De warmtewisselaar is gemaakt van 28 mm koperen pijp, die hij op rollen bestelde om er met landbouwmachines spiraalvormige warmtewisselaars van te maken. In het onderste deel van de opslagtank werden twee opgerolde buizenwarmtewisselaars gebruikt, elk met een warmteoverdrachtsoppervlak van 7 m², elk voor de helft van het collectorveld van 2 x 44 m².
Twee zones opladen en retourgebruik
Fig. 3: De zonneboiler is 4,5 m hoog en bevat ongeveer 22 m³ verwarmingswater.
Naast het bouwen van het opslagvat voor zonne-energie werkte Walter Grabner ook intensief aan het opzetten van het hydraulische circuit voor het hele verwarmingssysteem. Er dienden zich twee uitdagingen aan: de eerste vraag was hoe we te allen tijde bruikbare warmte uit de buffer konden halen zonder eerst enkele duizenden liters verwarmingswater te moeten verwarmen. Een groot opslagvolume heeft immers weinig nut als de gehele inhoud slechts een lauwe mengtemperatuur heeft. Het tweede probleem waren de verschillende systeemtemperaturen: terwijl de radiatorverwarmingscircuits in het woongebouw ontworpen zijn voor 70/50 °C, werkt het vloerverwarmingssysteem in de schuur met 40/30 °C. De houtsnipperketel levert echter een aanvoertemperatuur van 80 °C, terwijl de retourtemperatuur niet lager dan 60 °C mag zijn. Daarom was er een distributie- en regelsysteem nodig dat de respectieve circuits op betrouwbare wijze van de vereiste temperaturen zou voorzien. De zoektocht van Walter Grabner leidde hem via een catalogus voor verwarmingstechnische producten naar de rendeMIX meerpoorts mengverdeler. Hij werd overtuigd door het principe van laden en ontladen van de buffer in twee zones en de mogelijkheid van retourgebruik. Bovendien maakte het laad- en losprincipe verdeeld over twee bufferzones het mogelijk om tegelijkertijd de vereiste verhoging van het retourdebiet te realiseren. De fabrikant HG Baunach, gevestigd in de Duitse deelstaat Noordrijn-Westfalen (www.baunach.net) ideeën uitgewisseld met Grabner en een systeemschema opgesteld voor de hydraulica van het zonne-energie-ondersteunde verwarmingssysteem met de grote buffervat en verschillende temperatuurvereisten. Er werden twee rendeMIX multi-port mengverdelers gepland, die tegelijkertijd worden gebruikt voor stratificatieopbouw in de opslagtank en voor temperatuurmenging:
Hydraulisch systeem tussen warmteopwekker en buffervat, tweezone-belading van het buffervat
- Voer de warmte geproduceerd door de houtsnipperketel naar de bovenste bufferzone (aanvoertemperatuur 80 °C).
- Verlaging van de retourtemperatuur voor de ketel op vaste brandstof door de retour te mengen met verwarmingswater uit de buffer en, indien nodig, uit de aanvoer. Met de rendeMIX van de "2×3"De retourtemperatuur die via een regelaar met vaste waarde is ingesteld, wordt verhoogd door te mengen vanuit het bovenste derde deel of vanuit het midden van de buffertank. Als de temperatuur in de buffer niet voldoende is, schakelt de menger over op bijmengen vanuit de flow.
Hydraulisch systeem tussen buffertank en systeem met vier circuits, afvoer van de buffer in twee zones
- Mengen van de aanvoertemperatuur voor radiatorverwarmingscircuits en warmwaterbereiding met verwarmingswater uit de bovenste en middelste bufferzones.
- Mengen van de aanvoertemperatuur voor lage temperatuurverwarming (stabiele vloerverwarming). Het bijzondere hier is de retourbenutting, die het rendeMIX-ontwerp "3×4"Als de retourtemperatuur van de radiatorverwarmingscircuits nog steeds voldoende is om het debiet van de paneelverwarming te voeden, schakelt de meerpoorts mengverdeler over op retourbenutting. Als deze warmtetoevoer niet beschikbaar is, neemt de mengverdeler de benodigde warmte uit de middelste bufferzone en voegt naar behoefte verwarmingswater uit het bovenste deel van de buffer toe.
- Retour naar de buffercilinder: Retour radiatorverwarmingscircuits via de mengverdeler naar de middelste bufferzone (indien niet gebruikt als retour voor de paneelverwarming); retour paneelverwarming naar de onderste bufferzone.
Efficiënt buffergebruik
Fig. 4: Walter Grabner heeft drie thermometers op kijkhoogte geïntegreerd in de houten lambrisering van de gesloten en geïsoleerde bufferopslagtank om de temperaturen in de bovenste, middelste en onderste bufferzone te controleren.
Fig. 5: Walter Grabner ontwierp en bouwde een hydraulisch aangedreven volgsysteem voor het zonneverwarmingssysteem dat zijn huis van stroom voorziet.
Afb. 6: Gered van de sloop: een afgedankte ÖBB ketelwagen werd omgebouwd tot een opslagtank voor zonne-energie.
Het laden en ontladen van het buffervat volgt het principe van "bovenin langer heet - onderin sneller koud". Tijdens een bezoek ter plaatse op een oktoberdag met een buitentemperatuur van +9 °C laten de thermometers op de multipoort mengverdeler zien hoe de verwarmingsvraag en de beschikbare warmtevoorraad in de buffer zich gedragen:
- Buffertemperatuur boven: 68 °C
- Buffertemperatuur midden: 45 °C
- Lagere buffertemperatuur: 45 °C.
Het zonnesysteem levert warmte van onderaf, die wordt gebruikt voor de stalverwarming via de middelste bufferzone. De positie van de actuator laat zien dat de rendeMIX op dit moment ongeveer 1/3 van zijn warmte onttrekt aan de bovenste bufferzone en 2/3 aan de middelste zone. De 75 kW ketel heeft ongeveer 12 uur nodig om de bufferinhoud op te warmen tot het niveau van de zonnewarmtewisselaar. "Nu zou een boiler van 20 kW voldoende zijn voor de hele boerderij," schat Walter Grabner. Boer Ferdinand Schörghuber is vooral blij dat zijn arbeidskosten voor de productie, het transport en de opslag van de houtsnippers bijna gehalveerd zijn.
Werkingsprincipe onafhankelijk van de grootte van de opslagtank
Fig. 7: ... de warmtewisselaar werd in de tank geplaatst, die met ongeveer een derde was ingekort, en de bodem werd weer vastgelast.
Tijdens de planningsfase maakte HG Baunach een secundaire berekening om de afmetingen van de buffervat te illustreren: als 4,5 m cilinderhoogte (vereenvoudigd als cilinder) 22.000 liter bevat, komt 15 cm cilinderhoogte overeen met een inhoud van 750 liter - de gemiddelde grootte van een conventionele zonneboiler voor een eengezinswoning. Met andere woorden, de grootte van de buffervat is vanuit hydraulisch oogpunt minder belangrijk dan de hoeveelheid warmte die eruit kan worden gebruikt. Het voorbeeld van dit systeem laat zien dat echt efficiënt gebruik van de bufferinhoud alleen mogelijk is door het principe van laden en ontladen in twee zones. De rendeMIX, die wordt gebruikt voor het ontladen van twee bufferopslagtanks met een totale capaciteit van 4500 liter in het huis van Walter Grabner, werkt volgens hetzelfde principe. In zijn ervaring heeft een ruim bemeten buffervolume een belangrijk voordeel: "Bij het gebruik van zonne-energie kan het altijd gebeuren dat de boiler de buffer net heeft opgewarmd en het weer plotseling omslaat naar zonneschijn.
Fig. 8: De rendeMIX in het huis van Walter Grabner is het schakelpunt tussen de bufferopslagtanks en een dubbelcircuitsysteem met radiatoren en vloerverwarming.
Dan is er nog genoeg ruimte in de onderste bufferzone om zonnewarmte op te laden," zegt Walter Grabner. De rendeMIX zorgt ervoor dat het onderste buffergebied altijd koud blijft. De actuators voor de meerpoorts mengverdelers worden eenvoudig aangestuurd via een driepuntsignaal van een conventioneel verwarmingsregelsysteem. "Innovatieve verwarmingsengineers hoeven zich alleen maar vertrouwd te maken met de werking van de rendeMIX", raadt Walter Grabner aan.
Fig. 9: Een zonnecollector van 88 m² dekt de verwarmingsbehoefte van april tot oktober.
Wolfgang Heinl
Download het technische artikel als PDF
