Meerweg mengverdeler houdt WKK in continu bedrijf
Modernisering van de verwarming van een autohandel met tankstation en autowasstraat: systeemhydrauliek voor verschillende systeemtemperaturen, efficiënt gebruik van de condensatieketel en maximale WKK-runtimes
Onder energie-efficiëntie wordt in het algemeen verstaan het besparen van energiekosten. Voor installaties waar het hele jaar door veel energie nodig is, kan energie-efficiëntie ook bestaan uit het verkrijgen van meer bruikbare energie uit dezelfde hoeveelheid brandstof. Een voorbeeld is de uitgebreide modernisering van de verwarmingsinstallatie voor een autohandel met tankstation, shop en carwash. Het daar geïmplementeerde systeem realiseert intelligent bufferbeheer met retourbenutting en optimalisering van de condensatiewaarde door het gebruik van meerwegmengstukken. Een vergelijking van de energie-uitgaven voor en na de hoeveelheid brandstof laat zien hoe dit de energiekosten beïnvloedt. Net als de voertuigmodellen in de nieuwe autoshowroom hierboven, werkt de warmtebron voor het autobedrijf Bärenstrauch in Scheßlitz met een 4-takt verbrandingsmotor onder de motorkap. In het ketelhuis ligt de nadruk echter niet op mobiliteit, maar op efficiënte energievoorziening. Waar tot begin 2012 ongeveer 3.000 liter stookolie per jaar werd verbrand, produceert een mini-WKK nu tegelijkertijd warmte en elektriciteit. Hoewel de rekening ongeveer hetzelfde is als voorheen, is de energieopbrengst aanzienlijk hoger.
Fig. 1: Voor de warmteverdeling zijn de meerweg mengverdelers van HG Baunach GmbH & Co. KG werden gebruikt in combinatie met een driekamerverdeler. De volgorde van de verdeleruitgangen is gebaseerd op de temperatuurgradiënt in de retourstroom in de stroomrichting naar de bufferopslagtank.
Hoge vraag naar warmte en stroom het hele jaar door
Vóór de modernisering bleek uit de energiebalans voor de autohandel met werkplaats, shop van het tankstation en zelfbedieningsautowasstraat dat er het hele jaar door een grote en continue vraag naar warmte en elektriciteit is. Voor de airconditioning en koeling in de shop van het tankstation, de wasstraat, de werkplaats en de showroom voor nieuwe auto's is bijvoorbeeld ongeveer 130.000 kWh elektriciteit per jaar nodig. Naast de verwarming van de werkplaats, de shop van het tankstation en twee appartementen op de bovenverdieping van het bedrijfsgebouw, verbruikt de carwash grote hoeveelheden warm water - en moet ook in de winter vorstvrij worden gehouden. Een muurverwarming in de washal beschermt de watervoerende apparatuur tegen vorst; in het buitengedeelte van de wasinstallatie voorkomt een openluchtverwarming gevaren door ijzel. De planning van de omvangrijke moderniseringsmaatregel werd begeleid door een energieadviseur voor het gebouw, die eerst een gedetailleerde inventarisatie van de huidige toestand maakte. Het woon- en bedrijfsgebouw, gebouwd in 1971, heeft een netto vloeroppervlak van 1.239 m², inclusief de autohandel. De berekeningen resulteerden in een totale jaarlijkse energiebehoefte van 499.550 kWh/a voor het bestaande gebouw. "De vastgestelde verbruikswaarden en het feit dat het hele jaar door continu grote hoeveelheden warm water en elektriciteit nodig zijn, leidden tot de keuze voor warmtekrachtkoppeling", aldus Ralf Nüßlein, eigenaar van het gespecialiseerde bedrijf. Robert Nüßlein GmbH in Scheßlitz-Würgau. Het doel was het energiegebruik te optimaliseren en tegelijkertijd een hoog rendement bij de warmteopwekking te bereiken.
Warmteverbruikers met verschillende hydraulische eisen
Naast de beoogde energie-efficiëntie stelde het moderniseringsproject Ralf Nüßlein voor nog een andere uitdaging: De warmteverbruikers bestaan uit hoge en lage temperatuur circuits, elk met verschillende systeemtemperaturen. Het verwarmingssysteem moet in totaal vijf verschillende verwarmingscircuitgroepen voeden:
- Luchtverwarmer voor automobielwerkplaats (80/ 65 °C),
- SWW-verwarming voor woonhuis, SWW-verwarming voor zelfbedieningswasinstallatie (80/ 65 °C),
- Radiatorverwarmingscircuits voor nieuwe autoshowroom en kantoor (75/55 °C),
- Vloerverwarming voor appartementen op de 2e verdieping, wandverwarming voor zelfbedieningswasinstallatie (40/30 °C),
- Buitenverwarming voor carwash (systeemscheiding - werking met glycolmengsel, 30/20 °C).
Fig. 2: Ralf Nüßlein verhoogde de energieopbrengst uit de gebruikte hoeveelheid brandstof met gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit, hydraulisch bufferbeheer en benutting van het rendement
Verwarmingsmeester Nüßlein loste de veeleisende hydraulische taak op met meerweg mengverdelers. De "rendeMIX"-menggroepen van de fabrikant HG Baunach werken volgens het principe van een vijfwegmengkraan. De actuator van de rendeMIX verbindt twee van zijn drie ingangen met elk één uitgang. Zo wordt ofwel warm water met warm water gemengd, ofwel warm water met koud verwarmingswater. Hierdoor wordt niet alleen maximaal gebruik gemaakt van de beschikbare temperatuur in het verwarmingswaternet, maar wordt ook de retourtemperatuur naar de warmteopwekker verlaagd. Het systeem omvat een speciaal ontwikkeld driekamerspruitstuk met een extra retourkamer. Met deze technologie wordt het principe van benutting van de retourstroom gerealiseerd - dus een geleidelijke temperatuurverlaging van de retourstromen. Indien bijvoorbeeld in de retour van een hogetemperatuurcircuit een warmteoverschot met een retourtemperatuur van 60 °C aanwezig is, wordt dit beschikbare temperatuurniveau gebruikt om een verwarmingscircuit te voeden dat bijvoorbeeld een aanvoertemperatuur van 50 à 60 °C nodig heeft. Pas wanneer de warmte-energie van de terugloop van een circuit met een hogere systeemtemperatuur niet meer voldoende is om de warmtevraag te dekken, gaan de meerweg-mengverdelers naar de bufferopslag.
Ononderbroken WKK-werking ondanks klein buffervat
Fig. 3: De rendeMIX aangesloten tussen de WKK-eenheid en de bufferopslag zorgt voor het laden van de buffers volgens het twee-zone-principe en zorgt tegelijkertijd voor de retourstijging naar de WKK-eenheid.
In de basisbehoefte aan warmte en elektriciteit bij autobedrijf Bärenstrauch wordt voorzien door een Dachs WKK-eenheid van Senertec met een vermogen van 15 kW.de en 5,5 kWel gedekt. Een Vitodens gascondensatieketel van Viessmann met een nominaal vermogen van 100 kW dient als pieklastketel. "De piekbelastingsketel werkt voortdurend in het condensatiebereik - als hij al werkt, omdat de WKK bijna continu draait," zegt Ralf Nüßlein. Via de meervoudige mengverdeler - in combinatie met de driekamerverdeler en de route via de onderste bufferzone - ontvangen de twee warmteopwekkers lage retourtemperaturen en bereiken zo lange looptijden. Deze worden bereikt ondanks een relatief klein buffervolume. Vanwege de geringe hoogte in de stookruimte van iets minder dan 2 m kon slechts een buffervat van 900 liter worden geïnstalleerd.
Turbo voor de WKK-uitlaatgaswarmtewisselaar maximaliseert het gebruik van de calorische waarde
Om de energieopbrengst te maximaliseren, werkt de WKK-eenheid ook met condensatiewarmtebenutting. In de ervaring van Ralf Nüßlein is het echter niet voldoende om alleen een condensatiewarmtewisselaar aan te sluiten: "Bij een WKK-eenheid moet de hele installatie nauwkeurig worden afgesteld, wil men door het gebruik van de condensatiewaarde daadwerkelijk een extra energiewinst behalen." Daartoe heeft de meester-verwarmingsmonteur, die goed thuis is in de systeemhydrauliek, een meerwegmengverdeler van het type "rendeMIX 3 x 3 condensator"is verbonden tussen de WKK-eenheid en de bufferopslagtank. De afkorting "3 x 3" betekent dat zowel aan de kant van de warmteopwekker als aan de kant van het bufferopslagvat drie ingangen of uitgangen worden geregeld. De condensor zorgt ervoor dat slechts een beperkte hoeveelheid verwarmingswater met een lage temperatuur uit de onderste bufferzone van het bufferopslagvat wordt genomen. De stratificatiestructuur blijft dus grotendeels ongestoord. Het effect van deze mengverdeler tussen de WKK-eenheid, de rookgaswarmtewisselaar en het buffervat is te zien aan de thermometers in het systeem: Bij het bezoek ter plaatse op een decemberdag vertoonden deze een temperatuurverschil van ongeveer 8 K tussen de retour van de bufferopslag (38 °C) en het debiet van de rookgaswarmtewisselaar (46 °C). De warmtewinst door het gebruik van de condensatieketel wordt gebruikt om de retourstroom voor de WKK-eenheid te verhogen, zodat lange en ononderbroken draaitijden van de eenheid kunnen worden bereikt.
Meer beschikbare nuttige energie plus elektriciteitsproductie uit dezelfde hoeveelheid brandstof
Fig. 4: De temperaturen tonen aan dat er een ongestoorde stratificatieopbouw is in het buffervat en dat de gascondensatieketel de lage retourtemperaturen ontvangt die nodig zijn voor de rookgascondensatie.
Om het succes van de hydraulische optimalisatiemaatregelen vast te stellen, zijn in totaal zeven warmtemeters in de installatie geïntegreerd - het autobedrijf is een bedrijf binnen de familie, zodat de verwarmingsinstallatie ook als "testlaboratorium" voor Ralf Nüßlein dient. De evaluatie voor het hele jaar 2013 toont een totaal van 7.589 bedrijfsuren voor de WKK-eenheid; daarvan waren 800 bedrijfsuren alleen al in de koude maand januari. "Door modernisering van het verwarmingssysteem en optimalisering van de systeemhydrauliek kan nu aanzienlijk meer nuttige energie uit dezelfde hoeveelheid primaire energie worden gehaald", vat Ralf Nüßlein samen. In vergelijking met het vorige verwarmingssysteem kan bijvoorbeeld de volledige energiebehoefte voor de carwash - verwarming, warmwaterbereiding en vorstvrij onderhoud - zonder extra energie-uitgaven worden gedekt. Bovendien bespaarde het warmtekrachtkoppelingssysteem kosten voor 41.000 kWh elektriciteit in 2013 door het hoge aantal jaarlijkse bedrijfsuren.
Foto's: HG Bauanch/Wolfgang Heinl
Download het technische artikel als PDF
