Niet alleen het opslagvolume is van belang
Onderzoek naar bestaand verwarmingssysteem met buffervat:
Meer buffercapaciteit met laden en lossen in twee zones
Het Instituut voor Bouw- en Energiesystemen van de Hogeschool Biberach heeft samen met de fabrikant HG Baunach onderzocht hoe de effectieve opslagcapaciteit van een bestaand verwarmingssysteem met bufferopslag kan worden geoptimaliseerd. Het onderwerp van de studie was een verwarmingssysteem in een zesgezinswoning van een SHK-aannemer. Het effect van het laad- en losgedrag op de bruikbare warmtehoeveelheid werd onderzocht. Het resultaat is een aanzienlijk grotere opslagcapaciteit nadat de bufferopslagtank is omgebouwd tot een laad- en losinstallatie met twee zones.
Figuur 1: SHK-ondernemer Günther Muck in de stookruimte van zijn gehuurde zesgezinswoning. Na de omschakeling op het laden en ontladen van het buffervat in twee zones werkt de WKK-eenheid als een monovalente warmtebron tot -10 °C buitentemperatuur.
Bufferopslagtanks hebben in verwarmingssystemen de taak warmte op te nemen, deze met zo weinig mogelijk verlies op te slaan en bij de gewenste temperatuur aan de verbruikers af te geven. Het is zinvol de warmte tijdelijk op te slaan,
- wanneer vraag en aanbod van warmte zich op verschillende tijdstippen voordoen,
- de schakelcycli van warmteopwekkers zoals WKK-eenheden, biomassaketels of warmtepompen zo laag mogelijk te houden,
- om optimaal gebruik te maken van de thermische energie die door thermische zonne-installaties of de werking van warmtekrachtcentrales wordt geproduceerd.
Bij veelvuldig in- en uitschakelen of onvoldoende gebruik van zonnewarmte ligt de oorzaak echter meestal niet in de grootte van het buffervat, maar in de hoeveelheid warmte die daaruit kan worden gebruikt.
Buffer heeft te weinig warmte opgeslagen
Dit was ook de veronderstelling van de SHK-ondernemer Günther Muck toen hij een vaklezing van de firma HG Baunach over de hydraulische optimalisatie van verwarmingssystemen bijwoonde in het SHK-gilde in Schweinfurt. Zijn huurflat in Dittelbrunn-Hambach, ten noorden van Schweinfurt, wordt verwarmd door een mini-WKK-eenheid (afb. 1). Zes huurappartementen en opslagruimten van zijn SHK-bedrijf moeten worden verwarmd.
Figuur 2: De korte schakelcycli van de warmteopwekker vóór de omschakeling naar laden en ontladen in twee zones (l.) wijzen op een lage effectieve opslagcapaciteit van de buffer. Na de omschakeling is er slechts één WKK-start per dag (r.).
Een buffervat met een inhoud van 1000 l is geïntegreerd als hydraulische schakelaar tussen de warmteopwekkers en de warmteverdeling. Voor het gebouw uit 1996 had Günther Muck een verwarmingsbehoefte berekend (toen nog volgens DIN 4701) van 18,1 kW. De Senertec CHP levert 12,5 kWdeEr werd ook een gascondensatieketel geïnstalleerd om de piekbelasting te dekken. De warmteverbruikers in het gebouw zijn radiatoren met een ontwerp van 70/50 °C. Zoals gebruikelijk werd de bufferintegratie zo ontworpen dat de aanvoer bovenaan en de afvoer onderaan wordt aangesloten. Günther Muck was echter niet echt tevreden over de werking van het systeem tot dan toe, want de WKK-eenheid had tot vijf start-stop operaties binnen 24 uur (figuur 2).
Tijdens de lezing in Schweinfurt hoorde hij in een gesprek met Hans-Georg Baunach dat deze op zoek was naar bestaande systemen die geschikt waren als testobject voor de "rendeMIX" meerpoortsmenger. In het kader van een samenwerking tussen HG Baunach en het Instituut voor Bouw- en Energiesystemen van de Hogeschool Biberach startte Baunach vervolgens een onderzoek naar het bufferopslagsysteem. Het doel was om efficiënter gebruik te maken van het opslagvolume en zo de draaitijden van de WKK te optimaliseren.
Verwarmingssysteem als testlaboratorium
Figuur 3: De grafieken tonen de temperatuurverdeling in een ideaal gemengde (l.), een ideaal gestratificeerde (m.) en een lineair gestratificeerde opslagtank (r.). In theoretisch opzicht kan de reële werking het best worden beschreven met het model van de lineair gestratificeerde opslagtank.
Aan de Hogeschool Biberach hield Christian Dietrich, aankomend ingenieur bouwklimatologie, zich in het kader van zijn afstudeerscriptie bezig met het onderwerp "Optimale integratie van bufferopslagvaten in hydraulische systemen". In eerste instantie werd de efficiëntie van de opslag onderzocht door te bepalen hoeveel kWh warmte idealiter in het buffervolume van 1000 liter kon worden opgeslagen en hoeveel hiervan daadwerkelijk kon worden gebruikt. Onder ideale omstandigheden zou het opslagvolume bij een WKK-aanvoertemperatuur van 90 °C en een retourtemperatuur van het verwarmingscircuit van 50 °C resulteren in een theoretische opslagcapaciteit van 47 kWh. De schakelcycli van de WKK-eenheid in het appartementenblok van Günther Muck kwamen echter niet overeen met deze theoretische overwegingen (afb. 3). Dit gaf aan dat de effectieve opslagcapaciteit - de effectief beschikbare thermische energie in verhouding tot de inhoud van de bufferopslagtank - aanzienlijk verlaagd moest worden. Om dit te bepalen werd het verwarmingssysteem van de huiseigenaar enkele maanden lang een testlaboratorium: de bestaande driewegmengkleppen werden vervangen door meerwegmengverdelers. Temperatuursensoren en volumestroommeters werden op de opslagtank en het leidingwerk geplaatst.
Het diagram van de opslagefficiëntie brengt de zwakte aan het licht
Fig. 4: De stookruimte als testlaboratorium: Tijdens het lopende onderzoek naar de werking van het systeem met twee verschillende bufferlaadmethoden werden de meetgegevens permanent geregistreerd en via gegevensoverdracht op afstand doorgegeven aan de Hogeschool Biberach voor evaluatie.
Voor een eerste testfase werden de "rendeMIX" mengverdelers aanvankelijk zo ingesteld dat het laad- en ontlaadproces overeenkwam met het vorige circuit met driewegmengers. Van half oktober 2007 tot half februari 2008 registreerde een pc in het ketelhuis de meetgegevens om het laad- en ontlaadgedrag te onderzoeken (Fig. 4a + 4b). Volgens de waarnemingen van Günther Muck waren bijna alle typische weersomstandigheden van een verwarmingsperiode in deze periode aanwezig.
De meetgegevens werden via gegevensoverdracht op afstand naar de Hogeschool Biberach gestuurd en daar door Christian Dietrich geëvalueerd. De gediplomeerde student gebruikte dit om de werkelijke opslagefficiëntie te achterhalen. Daartoe ontwikkelde Dietrich een grafische voorstelling, het zogenaamde opslagrendementsdiagram. Daarin wordt de hoogte van de opslagtank uitgezet op de verticale Y-as en de temperatuur horizontaal op de X-as. Langs de hoogte van de buffertank werden verschillende temperatuursensoren geplaatst (figuur 5). Uit de coördinaten van de temperatuur en de hoogte van de opslagtank kan de opslagcapaciteit grafisch worden voorgesteld als een oppervlakte wanneer deze wordt ingevoerd in het diagram van de opslagefficiëntie (figuur 6).
Figuur 5: Voor het onderzoek naar het opslagrendement werden verschillende temperatuursensoren geplaatst op de bufferopslagtank van 1000 l, verdeeld over de hoogte van de opslagtank.
Het resultaat: De effectieve opslagcapaciteit bedroeg ongeveer 17 kWh met conventionele ontlading, wat 2,7 keer minder was dan de theoretisch bruikbare opslagcapaciteit van 47 kWh.
Haal meer warmte uit dezelfde buffercapaciteit
Figuur 6: De vergelijking voor/na toont de respectieve effectieve opslagcapaciteit van het buffervat met conventionele integratie (l.) en na conversie naar laden en ontladen in twee zones (r.).
Figuur 7: Het speciaal door diplomastudent Christian Dietrich ontwikkelde opslagrendementsdiagram toont de hoeveelheid warmte die effectief kan worden gebruikt in de bufferopslagtank over de hoogte van de opslagtank.
De volgende stap van het onderzoek was na te gaan welke parameters van invloed zijn op de effectief bruikbare opslagcapaciteit. Het echte laden en lossen, zoals weergegeven in figuur 7 (opslaggrafiek rechts), leidt onvermijdelijk tot menging in de bufferopslag, waardoor de effectief bruikbare warmtehoeveelheid aanzienlijk wordt beperkt. In het bestaande systeem heeft dit soort laden en lossen van de buffer regelmatig de gelaagdheid teniet gedaan. De vermenging tijdens het laden en lossen leidt er dus toe dat de temperatuur in het onderste gedeelte van de opslagtank stijgt, maar in het bovenste gedeelte daalt. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de efficiëntie van een hydraulische buffer sterk afhangt van de temperatuurverdeling in de bufferopslag. De efficiëntie van de opslag wordt beïnvloed door
- de aanvoertemperatuur van de warmtebron, die zo hoog mogelijk moet zijn,
- de retourtemperatuur van het verbruikerscircuit, die zo laag mogelijk moet zijn,
- alsmede de stromingsomstandigheden en -snelheden bij het binnenkomen van de buffertank.
Laden en lossen verdeeld over twee zones
Figuur 8: Voor het laden en lossen van de buffertank in twee zones werden de bestaande driewegmengers vervangen door meerwegmengstukken van het type rendeMIX 3×4.
In plaats van driewegmengers is er een meerwegmenger geïntegreerd in zowel het warmteopwekkingscircuit als het verbruikercircuit. Voor het verdere verloop van de test werd de laadstrategie gewijzigd in de bedrijfsmodus "laden en ontladen in twee zones". Hiervoor werden de reeds geïnstalleerde meerwegmengers omgebouwd door de actuators te vervangen zodat, afhankelijk van de setpointspecificatie, warm water nu gemengd wordt met warm water of warm water met koud water in plaats van warm water met koud water. Dit verandert het laad- en losgedrag van de buffervat: bij het laden wordt de bovenste bufferzone (warm) eerst geladen, die daardoor sneller opwarmt. De onderste zone blijft langer koud. Bij het ontladen wordt de warmte eerst uit de onderste bufferzone afgevoerd via de middelste (!) cilinderaansluiting, die daardoor sneller afkoelt. De bovenste bufferzone blijft daardoor langer op een hoog temperatuurniveau.
De meerwegmengers (fig. 8) worden aangestuurd via een driepuntsignaal (230 V), net als de eerder gebruikte driewegmengers. Terwijl de aanvoertemperatuur van het verwarmingscircuit tijdens het lossen een weersafhankelijke verwarmingscurve volgt, wordt de retourtemperatuur naar de warmteopwekker tijdens het laden op een vast setpoint ingesteld. Het laden in twee zones vervangt dus ook een anders noodzakelijke verhoging van de retourstroom.
Tijdens het uitgevoerde onderzoek werd ook duidelijk dat de plaatsing van de temperatuursensoren op de opslagtank van grote invloed is op de opslagefficiëntie. De Senertec WKK-unit in het systeem heeft twee afzonderlijke temperatuursensoren die op verschillende hoogten op de buffer moeten worden gemonteerd. Wanneer het setpoint op de bovenste sensor wordt onderschreden, start de unit. Als de temperatuur op de onderste sensor onder het setpoint komt, schakelt de machine uit. Uit de evaluaties van Christian Dietrich bleek dat het laden en ontladen in twee zones de effectieve opslagcapaciteit met ongeveer 60 % verhoogde van 17 kWh tot 27,4 kWh. Als bovendien de onderste sensor op de opslagtank nog verder naar beneden zou worden verplaatst, zou de bruikbare bufferefficiëntie in dit geval met nog eens ca. 30 tot 50 % kunnen worden verhoogd.
Twee-zone-principe van toepassing op elk hydraulisch systeem
Fig. 9 + 10: Indien de temperatuur in het midden van het opslagreservoir tijdens de afvoer in twee zones van een bufferopslagreservoir boven de aanvoertemperatuur van de verbruiker ligt, wordt het water uit de middelste bufferaansluiting genomen en vervolgens gemengd met het retourwater van de verbruiker tot het gewenste temperatuurniveau. Indien de temperatuur bij de middelste bufferaansluiting tijdens het lossen onder de aanvoertemperatuur zakt, wordt de temperatuur verhoogd door er warmer water uit het bovenste opslaggebied bij te mengen. Het onderste opslaggebied kan zo vrijwel geheel op retourtemperatuur worden geloosd.
SHK-ondernemer en huiseigenaar Günther Muck merkte het effect van de toegenomen opslagcapaciteit op in de schakelcycli van de mini-WKK: Sinds de omschakeling naar laden en ontladen in twee zones (afb. 9) start de eenheid slechts eenmaal per dag. Volgens zijn waarnemingen werkt de WKK nu grotendeels als een monovalente warmteopwekker. De gascondensatieketel voor de piekbelasting wordt alleen ingeschakeld wanneer de buitentemperatuur ongeveer -10 °C bereikt, hoewel hij in januari 2009 slechts vier dagen in bedrijf was. De omschakeling van de bufferopslagmodus had ook een positief effect op de energiestatus van het gebouw: Günther Muck heeft sindsdien een energiecertificaat laten opstellen voor de zesgezinswoning, waaruit blijkt dat de energie-efficiëntie van het gebouw aanzienlijk is verbeterd.
Het onderzochte verwarmingssysteem met WKK, gascondensatieketel en radiatorverwarmingscircuit is echter slechts één voorbeeld van de mogelijke toepassingen van het tweezoneprincipe. In paneelverwarmingssystemen kunnen bijvoorbeeld nog lagere retourtemperaturen worden bereikt, omdat de laagste retourtemperatuur van het warmteverbruikerscircuit de retour van de warmteopwekker bereikt en onderweg niet wordt gemengd met warmer retourwater. Het laden en ontladen in twee zones kan ook worden overgebracht naar elk ander hydraulisch systeem dat werkt met bufferopslag, bijvoorbeeld de integratie van regeneratieve energie of koelsystemen.
Onze auteur Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß is in 1995 zelfstandig geworden met een TGA-planningsbureau. Sinds 1999 is hij verantwoordelijk voor de gebieden thermische energiesystemen en installatieplanning voor de opleiding Building Climate Control and Energy Systems aan de Hogeschool Biberach. Floß leidt daar ook het instituut voor bouw- en energiesystemen, telefoon (0 73 51) 58 22 56, e-mail floss@hochschule-bc.de.
Onze auteur Wolfgang Heinl heeft een redactie als freelance vakjournalist en PR-manager, gespecialiseerd in de SHK-sector en de bouwtechniek, 88239 Wangen, Tel. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
Download het technische artikel als PDF
