< terug naar de technische artikelen

Sportfaciliteiten mogen geen slechte relatie zijn

Casus WKK-ondersteund verwarmingssysteem Duits Tafeltenniscentrum

De afzonderlijke en nieuwe onderdelen van de verwarmingstechnologie in de gerenoveerde Duits Tafeltenniscentrum Düsseldorf Daarom is de nadruk op "innovatief" niet passend omdat de onderdelen het stadium van innovatie al verscheidene jaren voorbij zijn: Condensatieketels en WKK-systemen zijn nu state of the art en het principe van de meerwegmenger wordt steeds meer toegepast. Wat de installatie in het DTTZ niettemin het vermelden waard maakt, is de locatie van de voorbeeldige warmtevoorziening, namelijk in de sportaccommodatie, die normaal gesproken het stiefkind is wat betreft verwarmingstechnologie, de intelligentie van de apparaatcombinatie wat betreft schakeling en de gedocumenteerde doeltreffendheid ervan.

De publieke klanten hebben bewust geïnvesteerd in voorbeeldige technische gebouwvoorzieningen en hebben zo een voorbeeld gesteld voor soortgelijke faciliteiten. Natuurlijk kan het renovatiepakket alleen een voorbeeldfunctie hebben als het zijn waarde bewijst. De eerste resultaten zijn echter al duidelijk positief, zoals blijkt uit de informatieve meetrapporten. Een van de hoekstenen van de tweede plaats van het Duitse tafeltennisteam op de wereldkampioenschappen van 2014 in Tokio ligt in Düsseldorf. Om precies te zijn in de wijk Grafenberg en daar in het Duitse Tafeltenniscentrum DTTZ (afbeelding 1), dat is gevestigd in de gebouwen van de traditionele club Borussia Düsseldorf. De vitrines van Borussia bevatten een groot aantal trofeeën voor gewonnen Duitse kampioenschappen. De spelers van de club behoren regelmatig tot de absolute wereldtop, zoals Steffen Fetzner en Jörg Rosskopf, die het dubbelspel wonnen op het wereldkampioenschap van 1989, of de huidige prof Timo Boll. Hij presteerde het om tijdelijk de eerste plaats op de wereldranglijst te bereiken vóór de overmachtige Chinezen.

Afbeelding 1: Duits Tafeltenniscentrum Düsseldorf (DTTZ)

Uniek in Duitsland

In 2006 verhuisde de Duitse Tafeltennisbond (DTTB) zijn talentencentrum van Heidelberg naar Düsseldorf. De faciliteit en de mogelijkheden rondom de recordkampioenen Borussia boden efficiëntere structuren om toekomstige generaties te promoten. Dit betekent dat zowel de DTTB als de financiers van het project - de stad Düsseldorf (50 %), de deelstaat Noordrijn-Westfalen (30 %) en de federale overheid (20 %) - natuurlijk hoge verwachtingen hebben van de investering van 5 miljoen euro in de nationale basis (met internaat).

De huidige nummer 2 achter China voldoet aan dit soort eisen voor het nationale team. De duurzaamheid van een toppositie hangt echter deels af van het voortdurende gebruik en de bruikbaarheid van de faciliteit, oftewel de aantrekkelijkheid ervan. De betrokken partijen waren zich er daarom van bewust dat ze vervolgkosten zouden maken. Toen het trainings- en wedstrijdcentrum in 2006 aan de DTTB werd overgedragen, schatten de planners de jaarlijkse exploitatiekosten voor alleen al de technische apparatuur op 200.000 euro. Een reden voor deze relatief hoge post zit verborgen in de zwaluwstaartverbinding van oud en nieuw. Het gerealiseerde ontwerp met de integratie van de nationale basis in het eigendom van de Grafenberg club moest zoveel mogelijk gebruik maken van bestaande installaties op het gebied van energievoorziening - iets wat over het algemeen geldt voor renovaties. Meer dan 5 miljoen euro voor gebouwen en techniek was eenvoudigweg niet beschikbaar.

Nieuwe en oude zwaluwstaarten

Afbeelding 2: Deel van het ventilatiesysteem

Natuurlijk had het bestaande gebouw al een paar jaar achter zich: het complex dateert uit 1994, toen het werd gebouwd door een Nederlandse hoofdaannemer. Hij had zijn onderaannemer verwarmingstechnologie - atmosferisch gas - uit Nederland laten overkomen. Na de bouw trokken zowel de hoofdaannemer als de fabrikant van de installatie zich echter terug. Het in Düsseldorf gevestigde bedrijf Florack GmbH heeft daarom jarenlang de leiding gehad over de gebouwinstallaties. Dit leverde veel werk op. Het oude systeem vertoonde relatief snel gebreken, van het besturingssysteem tot defecten in het éénpijpsverwarmingssysteem, bijvoorbeeld in de kleppen. De leidingen hadden er genoeg: 240 stuks. Reparaties en gedeeltelijke renovaties vulden de orderportefeuille. Op een gegeven moment kwam er een ventilatiesysteem voor de grote hal bij, waardoor de ketel niet meer in staat was om de gebouwen op een comfortabele temperatuur te houden, zelfs niet als hij 24 uur per dag draaide. De extra 120 kW voor het ventilatiesysteem overschreed de vermogensreserve. Voorlopig had de warmteopwekker geen andere keuze dan een tekort te verdelen.

Afbeelding 3: De ventilatietechnologie kreeg pas in latere jaren een ontvochtigingsfase. Vóór de maatregel speelden de professionals op ongunstige dagen, letterlijk gehuld in een sluier van vocht. Op de foto rechts DTTZ-medewerker en bouwtechnicus Danilo Enz, op de achtergrond naast Peter Weber CHP-adviseur Thilo Braun van Vaillant

Dit gebrek werd steeds duidelijker met de toenemende populariteit van tafeltennis als gevolg van het succes van het nationale team en de club Borussia Düsseldorf: vochtige en natte binnenlucht in plaats van voorhandgerichte binnenluchtcondities. Voorhand-georiënteerd betekent dat de sport met celluloid over het algemeen bekend staat om zijn gevoeligheid voor wind en tocht. De vederlichte bal weegt slechts 2,7 gram, zodat bijna elk briesje van opzij hem in de gewenste richting blaast. Minder bekend is echter de aanzienlijke invloed van vochtigheid op de baan. De profs spelen met topspin. Deze speciale slagtechniek zorgt ervoor dat de bal draait, waardoor de richting moeilijk te voorspellen is nadat hij van de tafel is gestuiterd.

Nauwelijks topspin in vochtige omstandigheden

Hoe hoger de wrijving tussen bal en club, hoe hoger de spin. Vocht daarentegen verzwakt het resultaat. Het bedekt letterlijk de pukkellaag van het racket met een smeerfilm. De bal verliest spin en wordt voorspelbaar voor de tegenstander. Het oude systeem was als volgt opgezet: De stralingsplafondpanelen (zie Fig. 1) werkten in principe in combinatie met een hoog aandeel buitenlucht. De toevoerlucht stroomde onder het plafond door naar de registers zonder ontvochtigd te worden, waardoor ze opwarmden en naar beneden werden gestuwd. Dit verhoogde de relatieve vochtigheid in de hal, vooral op vochtige en regenachtige dagen. Tijdens wedstrijden van de Bundesliga of het nationale team met duizend of meer toeschouwers schommelde dit al rond de toegestane limiet. "Toelaatbaar" verwijst hier niet naar hygiënische comfortomstandigheden, "toelaatbaar" verwijst naar de celluloid bal en het racket. "Op ongelukkige dagen speelden we letterlijk in de mist," zegt Jo Pörsch, Managing Director van Borussia Düsseldorf e. V., terugkijkend. In 2009 werd het ventilatiesysteem (afb. 2) daarom omgebouwd tot een airconditioningsysteem, waarbij de verse lucht niet meer door de plafondradiatoren kon stromen - hoewel de panelen waar warm water doorheen stroomde behouden bleven - maar in plaats daarvan door een goede ontvochtigingsfase werd geleid (afb. 3) als een van de eerste retrofittingmaatregelen. Deze retrofit zorgde ervoor dat het spel weer naar behoren gespeeld kon worden.

Zuinige WKK

Afbeelding 4: De opwekking van warmte (en elektriciteit) in het gerenoveerde DTTZ wordt verzorgd door een Vaillant WKK-eenheid met een elektrisch vermogen van 4,7 kW en een thermisch vermogen van 12,5 kW en een "Ecocraft" gascondensatieketel. Rechts installatiemonteur Peter Weber van het installatiebouwbedrijf Florack GmbH, Düsseldorf; in het midden energieadviseur Martin Halbrügge van Ecoteam, Halver. Geheel links rendeMIX ontwikkelaar Hans-Georg Baunach

Met deze en andere uitbreidingen was de tijd van de atmosferische gasketel eindelijk voorbij. Zoals aangegeven, kon deze ketel het pand tijdens de verwarmingsperiode toch maar van een maximale aanvoertemperatuur van 40 °C voorzien. In 2013 werd de gebouwinstallatie daarom volledig gerenoveerd, onder andere met een gascondensatieketel, die op advies van het milieuagentschap van de stad Düsseldorf werd ondersteund door een kleine WKK-eenheid. Waarom het milieuagentschap? Omdat de instantie van de hoofdstad van de deelstaat sportclubs advies geeft over energie-efficiënte installaties tegen de achtergrond van het klimaatdebat. Energie-efficiëntie is niet noodzakelijkerwijs een topprioriteit in veel accommodaties die eigendom zijn van clubs. Hoewel elk clubmanagementteam de ontwikkeling van energie- en bedrijfskosten met argusogen volgt, behoren deze zelden tot de belangrijkste onderwerpen van het werk gezien de heterogene belangen van de leden. De leden willen in de eerste plaats een goed functionerende warmtevoorziening, niet een zuinige. De publieke sector daarentegen, als financier of subsidiënt, ziet elektriciteit en verwarming vooral als een kostenfactor. Over de kostenfactor gesproken: waarom heeft de overheid gekozen voor een kleine WKK-eenheid, ondanks de notoir krappe financiën van de stad? "Er is een publiek belang bij sportfaciliteiten. Als het gaat om investeringen, draagt de publieke sector daarom een bepaald percentage bij. Dit geldt voor alle stadssportaccommodaties. Als er nu ook rekening wordt gehouden met ecologische eisen, is de stad ook bereid om een iets hogere subsidie te accepteren. Dat is wat er in dit geval is gebeurd," legt de semi-officiële energieconsultant Martin Halbrügge uit. Zijn ingenieursbureau IAS Halbrügge belastte het milieuagentschap met het energiebeheer van het DTTZ, met het opstellen van een masterplan - vandaar het attribuut "semi-officieel".

Cruciaal: belastingsprofielen analyseren

Afbeelding 5: De krappe fabrieksruimte vereiste een compacte installatie

Strikt genomen gaat het niet alleen om een openbaar belang, maar ook om een openbaar gebouw. Het nieuwe gebouw dat in 2005/2006 werd toegevoegd met de bouw van het Duitse Tafeltenniscentrum op het Borussia-terrein is gemeentelijk. En de small-ball spelers bouwden ook hun eigen stenen gebouw in 1994, grotendeels met financiering van de federale overheid, de staat en de stad, omdat de trainingsfaciliteit ook toen al belangrijk was buiten het clubniveau. "Ons basiswerk," legt de gespecialiseerde ingenieur uit, "bestond aanvankelijk uit het analyseren van het verbruik. De WKK-eenheid was de voor de hand liggende keuze toen de thermische en elektrische vereisten duidelijk werden. Thermisch: Alleen al in de 16 hotelkamers stroomt twee tot drie keer per dag douchewater, namelijk na elke training, meer dan 300 dagen per jaar. Als er geen trainingen zijn, verblijven exposanten en bezoekers van de talrijke beurzen in Düsseldorf graag in het hotel. Elektrische vereisten voor verlichting, pompen en apparatuur zijn er sowieso het hele jaar door." Martin Halbrügge registreerde de belastingsprofielen en berekende enorme kostenbesparingen als er een WKK-eenheid zou worden geïnstalleerd, aangezien het complex de elektriciteit die het zelf produceert 8.000 uur of meer per jaar zou (kunnen) verbruiken. De geselecteerde "Ecopower" eenheid van Vaillant (Fig. 4) met een vermogen van 12,5 kW thermisch (4,7 kW elektrisch) lijkt bescheiden vergeleken met de totale thermische behoefte van 280 kW, maar de 280 kW houdt rekening met het meest ongunstige winterscenario met volle trainingszalen, hotelbezetting, competitie (toeschouwerstribunes) en andere toevoegingen. De warmtevraag in een sportcentrum met hotel is onderhevig aan aanzienlijke schommelingen.

Geen verliezen door nieuwe EEG

Vanwege het elektrische vermogen van 4,7 kW hebben de nieuwe bepalingen over de betaling van de GEE-toeslag overigens geen invloed op de winstgevendheid van de "Ecopower". Hoewel de nieuwe WKK (die na 1 augustus 2014 in gebruik wordt genomen) nu ook een financiële bijdrage moet leveren aan de uitbreiding van "hernieuwbare energiebronnen", heeft het vervallen van de eerdere vrijstelling van de EEG-toeslag alleen gevolgen voor machines met een elektrisch vermogen van meer dan 10 kW. "En met het onderhoudscontract staat de exploitant aan de veilige kant. Hoewel hij zich sowieso niet al te veel zorgen hoeft te maken over de betrouwbaarheid van het aggregaat. We werken al jaren samen met Remscheid, zowel op het gebied van warmtekrachtkoppeling als gaswarmteopwekking, en er hebben zich nog nooit noemenswaardige problemen voorgedaan", zegt Peter Weber, directeur van Florack GmbH, en legt uit waarom hij zijn klant adviseerde om de "Ecopower" te combineren met de "Ecocraft" condensatieketel. Peter Weber kreeg ontwerpondersteuning met betrekking tot Vaillant energietechnologie van Thilo Braun, afgestudeerd ingenieur en sales engineer voor hernieuwbare energieën bij een van 's werelds toonaangevende bedrijven voor verwarmings- en energietechnologie (Vaillant omzet 2013 totale groep 2,381 miljard euro, 12.000 werknemers). De expertise van Florack GmbH op het gebied van warmtekrachtkoppeling was beschikbaar voor de klant DTTZ in de vorm van een quasi-licentie uitgegeven door Vaillant. De fabrikant is bezorgd over het risico dat zijn toonaangevende naam wordt beschadigd door slecht vakmanschap. De schade zou een schaduw kunnen werpen over het hele merk. Daarom ontvangen alleen klanten van Vaillant die een intensieve training in de fabriek hebben gevolgd de WKK-technologie, de onderhouds- en reserveonderdelen en de garantiebelofte.

Meerweg-mengprincipe als uitweg

Figuur 6: Mixerinstallatie voor vijf verwarmingscircuits plus een ongeregeld hogetemperatuurcircuit (ventilatie, rechts). De door "rendeMIX" geregelde verwarmingscircuits dienen onder andere voor de stralingsplafondpanelen (grote zaal) en de radiatorsystemen (hotel, kleine zaal, kleedkamer). Zie voor meer informatie ook het hoofdstuk "Analyseren van de temperatuurregistraties".

De WKK-eenheid en ketel gaan vergezeld van een buffervat met voldoende afmetingen om de efficiëntie te optimaliseren. De renovatie omvatte ook het vervangen van het gedeeltelijk vervallen warmtedistributiesysteem. Zoals eerder vermeld, werkten sommige mixers en kleppen niet meer en vielen de pompen in de categorie "energievreters". Het technisch centrum barstte echter al uit zijn voegen (afb. 5). De locatie liet geen extra uitbreiding toe. De betrokken partijen moesten daarom hun toevlucht nemen tot een compact systeem met een bescheiden opslagvolume van 1.500 liter voor het hele sport- en hotelterrein en enkele speciale technische kenmerken implementeren om geen grote compromissen te hoeven sluiten op het gebied van efficiëntie. De integratie van de "rendeMIX" meerwegmenger was bijvoorbeeld een voor de hand liggende keuze. Alleen deze verstandige ontwikkeling (Fig. 6) maakt het in principe mogelijk om met een relatief kleine opslagtank te werken: de regelklep zorgt voor een veel stabielere gelaagdheid en energiezuinig laden en ontladen. Het resultaat is een buffer die door het laden en ontladen in twee zones bijna twee keer zoveel capaciteit biedt als een conventioneel laad- en ontlaadsysteem met één zone en dezelfde inhoud.

Heet blijft langer heet

Bovendien stuurt de mengkraan indien nodig geen warm retourwater terug naar de boiler, maar rechtstreeks naar verwarmingscircuits waarvoor de aanvoertemperatuur van bijvoorbeeld de stralingsplafondpanelen ergens tussen 45 en 50° C ligt. Dit niveau is volledig voldoende als stroming voor bepaalde circuits met lage temperaturen. "We combineren hier twee technieken: een afvoer met twee zones, waarbij we eerst het warme water uit het midden halen en afkoelen voordat we het waardevolle warme water uit de bovenste bufferzone gebruiken, met gebruik van de retourstroom. Dit betekent dat de leidingen van het hogetemperatuurcircuit hun retourstroom als stroom beschikbaar stellen aan de aansluitingen van het centrum" (Fig. 8), aldus Hans-Georg Baunach, ontwikkelaar van de "rendeMIX", die het besparingsschema uitlegt. Legionellapreventie en hygiënische drinkwatervoorziening stonden natuurlijk ook hoog op de agenda tijdens de renovatie en modernisering. De planners hadden het niet gemakkelijk met het beantwoorden van de vraag hoe ze de piekvraag konden dekken. Een opleidingscentrum plus hotel past niet in de gebruikelijke dimensioneringsregels voor opslagtanks. Installatiefabrikant Florack en het kantoor in Halbrügge implementeerden daarom in eerste instantie warmwatermeters om het verbruik te analyseren. Op aanraden van Vaillant en na analyse van de meetresultaten, installeerden ze het "Zeeh" systeem van Joachim Zeeh uit Bockau/Erzgebirge in Saksen vanwege de hoge flexibiliteit. De WKK-leverancier uit Remscheid werkt al enige tijd samen met het Saksische bedrijf.

Waterverwarmer met turbolader

Fig. 7: Het boilercircuit loopt via twee omschakelkleppen (met oranje gekleurde actuators). In de weersafhankelijke verwarmingsmodus (met warmwaterprioriteitsmodus) zuigt de meerpoortsmengkraan grijs water aan van de onderkant van de buffer 40 (afb. 8), voert het naar de ketel en terug naar de middelste aansluiting via de overeenkomstige klepstand. In de voorrangsmodus schakelen beide kleppen om, d.w.z. de mengkraan zuigt uit het midden en voert terug aan de bovenkant.

Figuur 8: Bufferverbindingen met momenteel 65 °C bovenaan, 44 °C in het midden en 40 °C onderaan.

In principe is dit een verwarmingsbuffercilinder met geïntegreerde warmwaterverwarming in doorstroommodus (Fig. 9). Aan de bovenkant, in de warme zone van de cilinder, hangt een stalen golfpijp (d.w.z. met een groot oppervlak) coaxiaal in een mantelbuis. Deze eenheid vormt dus een tegenstroomwarmtewisselaar: koud water stroomt naar boven in de gegolfde roestvrijstalen pijp en verwarmingswater stroomt naar beneden vanaf het heetste punt van de cilinder om te worden afgekoeld (ongeveer 15 °C) en opgeslagen op het laagste punt. Dit gebeurt grotendeels zonder elektrische energie. Alleen bij piekkranen of bij lage boilertemperaturen wordt automatisch een laadpomp ingeschakeld - afhankelijk van het temperatuurverschil en het debiet - om het debiet te moduleren en te verhogen ("turbocharger") om de boiler met een inhoud van ongeveer 40 liter snel op temperatuur te brengen. Door het gebrek aan voldoende verblijftijd en de hoge temperaturen gedijen legionellabacteriën niet in deze omgeving.

Figuur 9: Oplaadsysteem van de "Zeeh"-boiler. Wanneer de temperatuur van het sanitair warm water daalt, start de oplaadpomp en stuurt extra opslagwater door de buisvormige warmtewisselaar, vergelijkbaar met een turboladersysteem.

Natuurlijk moet de circulatie van de aansluitleidingen nog steeds worden gedesinfecteerd. Dit wordt verzekerd door een extra kleine warmtewisselaar voor hoge temperaturen in de tank in de vorm van een geïntegreerde circulatielans in de gegolfde leiding om verwarmingsenergie te besparen. Het doel is om op deze manier het aantal ziektekiemen in het hele systeem te minimaliseren. De gezondheidsautoriteit controleert dit regelmatig en niet alleen volgens de nieuwe drinkwaterverordening. Openbare gebouwen, sportfaciliteiten, zwembaden, scholen en kinderdagverblijven zijn altijd al onderworpen aan regelmatige inspecties. Qua technologie komt de retourstroom van het circulatiesysteem in de warme zone van de buffer bij iets minder dan 60 °C, waardoor de stratificatie wordt gestabiliseerd.

Waarom de WKK in het schema past

Het "Ecopower" blok van Vaillant produceert 70 °C. Ze regelen de temperatuur van het warme water met het grootste gemak. Het ventilatiesysteem vereist ook hoge temperaturen, omdat relatief kleine wisselaars elk uur 30.000 kubieke meter toevoerlucht op kamertemperatuur moeten brengen bij temperaturen van bij wijze van spreken min 10 °C. De doorslaggevende factor hierbij is ontvochtiging om mistvorming in de hal te voorkomen. Het systeem koelt de lucht eerst voor ontvochtiging, maar moet vervolgens de koude lucht met een relatief hoge temperatuur in korte tijd naar het niveau van de toevoerlucht brengen met een beperkt oppervlak van de wisselaar. Deze temperatuurpieken worden "automatisch" geleverd door de WKK-eenheid. In elk geval eisen ketelfabrikanten over het algemeen een beperking van de maximale spreiding, en de WKK-eenheid voldoet aan deze eis. De reden hiervoor is dat zolang het systeem in de weersgestuurde modus kan werken om de verwarmingsbelasting te dekken in een temperatuurbereik onder 50 °C, de WKK-eenheid zal proberen de bovenkant van de buffer te belasten met de benodigde piektemperatuur, zodat de ketel het lage temperatuurniveau op een energiebesparende manier kan leveren. De temperatuursignalen van de omschakelkleppen bepalen of de condensatieketel of de WKK-eenheid werkt. VUV betekent debietomschakelventiel en RUV betekent retouromschakelventiel. De diagrammen tonen enkele temperatuur- en bedrijfstoestanden. Vóór de renovatie (bovenste diagram) leverde de ketel (rood) 24 uur per dag een hoge temperatuur voor stralingsplafondpanelen en ventilatie, er was geen vraaggerichte regeling van de aanvoertemperatuur. In het tweede diagram van boven, na de renovatie, dekt de condensatieketel de basislast via de opslagtank. Op een zachte zondag, 26 januari 2014, draait de ketel alleen 's nachts, rekening houdend met het ventilatiedebiet (derde diagram). Overdag schommelde de aanvoertemperatuur tussen 40 en 50 °C en werd de ventilatie gevoed vanuit het potentieel van de opslagtank. Als het ventilatiesysteem echter wordt ingeschakeld bij 50 of 60 kW, bereikt het opslagsysteem snel zijn limiet. De ketel moet harder werken. Het diagram hieronder toont de temperatuurcurven na installatie van de vraaggestuurde regeling van de aanvoertemperaturen.

De temperatuurregistraties analyseren

Startpunt

De bedrijfsgegevens van het verwarmingssysteem in het DTTZ Borussia Düsseldorf (Afbeelding 10 toont de vraag in het DTTZ-complex) werden voor en na de renovatie geregistreerd om het succes van de renovatie en modernisering te kunnen volgen. De volgende gegevens werden geregistreerd: Maart 2013 ? Waterverbruik na installatie van watermeters in de inlaten van de warmwatertank ? Temperatuur verwarmingscircuit ? Boilertemperatuur augustus 2013 ? Registratie van het werkingsgedrag van de WKK januari-februari 2014 ? Bedrijfstemperaturen van condensatieketel en WKK ? Retourtemperaturen van alle verwarmingscircuits en het ventilatiesysteem afzonderlijk Bovendien werden de meters regelmatig uitgelezen vanaf het moment van ingebruikname.

Beoordeling van het oude systeem

Uit de gegevens blijkt dat de warmteopwekker niet langer op vraag werd geregeld, maar 24 uur per dag op de maximale bedrijfstemperatuur draaide via de thermostaat van de ketel. De aanvoertemperaturen van de verwarmingscircuits werden aangepast aan de gebruikstijden, maar de spreidingen waren vrij laag. De ventilatie was onderbezet. Met behulp van de geïnstalleerde watermeters was het mogelijk om het warmwaterverbruik te bepalen en ook om referentiewaarden te verkrijgen met betrekking tot de impactbelasting. De gasmeterstanden gaven informatie over de benodigde verwarmingsbelasting.

Figuur 10: Vraag in het complex DTTZ-Borussia

Door het bedrijfsgedrag te observeren, werden de volgende punten direct na de ingebruikname snel verbeterd:

1. Schakelgedrag van de WKK-eenheid

Door het in- en uitschakelgedrag van de WKK te observeren, kon de plaatsing van de bijbehorende sensoren op de buffer worden geoptimaliseerd. De WKK moet altijd de warmteopwekking als prioriteit overnemen en tegelijkertijd zo lang mogelijk draaien zodat ook een hoog aandeel zelf opgewekte elektriciteit wordt bereikt. De positionering van de sensoren kan het schakelgedrag beïnvloeden; de positionering hangt af van de interactie van de buffercapaciteit met het warmteverbruik van de verwarmingscircuits en de warmwaterbereiding.

Detail mengprincipe

De twee mengers rechts staan ongeveer een derde in de blauwe schaal, dat wil zeggen dat ze op dit moment alleen worden gevoed vanuit de middelste bufferkamer en hun eigen retour. De kraan links betrekt ongeveer tweederde van zijn toevoer uit de middelste kamer en eenderde uit de bovenste kamer. Elk van de Baunach mengkranen betrekt constant warm water uit de middelste aansluiting over een groot deel van het instelbereik. Dit heeft het energetische voordeel dat dit water ofwel rechtstreeks uit een retourstroom van de hogetemperatuurcircuits komt of uit de middenkamer van de buffer. In beide gevallen is het water gemengd, waardoor het minder voordeel heeft voor de warmteopslag. Het water met het grootste voordeel voor warmteopslag is ofwel zeer warm of zeer koud. De prioritaire onttrekking van gemengd water verhoogt de koud- en warmwatercapaciteit.

• Temperatuur gespreide ventilatie-/verwarmingscircuits

De speciale hydraulische omstandigheden in het ventilatieverwarmingscircuit resulteerden aanvankelijk in ongecontroleerd hoge retourtemperaturen, die konden worden gecorrigeerd door achteraf retourtemperatuurbegrenzers in te bouwen.

• Temperatuurkrommen na initiële optimalisatie

De gegevens van nog geen zes maanden na de ingebruikname van het gemoderniseerde systeem tonen op indrukwekkende wijze de technische verbeteringen (zie ook de foto's in Kader 1):

- Werkingsgedrag warmteopwekker

Fig. 11: De "rendeMIX" meerwegmenger maakt het mogelijk: De luchtafvoer van 45 tot 50° C is voldoende als stroom naar de stralingspanelen en heeft dus een laag temperatuurniveau dat voor condensatie in de condensatieketel zorgt. Zonder een Baunach menger zouden condensatiewinsten en extra rookgaswarmte verloren gaan.

De WKK draait bijna 24 uur per dag. De condensatieketel wordt alleen ingeschakeld als de vereiste aanvoertemperaturen niet meer worden bereikt bij de verdeler. De buffer geeft de "Ecocraft" genoeg tijd om op te starten en hij verlaagt ook zijn vermogen weer wanneer de aanvoertemperaturen worden bereikt. Terwijl de WKK-eenheid altijd warmte genereert op een hoog temperatuurniveau, werkt de condensatieketel alleen op de maximaal vereiste vertrektemperatuur, wat het gebruik van de condensatieketel bevordert.

- Overdracht van verwarmingsbelasting door de WKK-eenheid

De temperatuurcurven laten zien hoe de buffer helpt om de verwarmingsbelasting naar de WKK-eenheid te verschuiven. Het is mogelijk om tijdelijk aan de hoge temperatuurvereisten van de verwarmingscircuits te voldoen vanuit de buffer en zo de condensatieketel zo min mogelijk te gebruiken.

- Warmtebenutting van de verwarmingscircuits

De temperatuurniveaus, met name de retourtemperaturen, tonen het potentieel dat door de Baunach-menger wordt benut (afb. 11). De relatief hoge retourtemperaturen van de ventilatie kunnen worden gebruikt in de andere verwarmingscircuits, vooral in de stralingsplafondpanelen van de sportzalen. Op deze manier wordt de hulpenergie verminderd en de warmteproductie ontlast. Bovenal bevordert de grotere afkoeling van de retour het gebruik van calorische waarde en gelaagdheid in de buffer.

- Probleemloze bereiding van warm water

Aangezien het warm water in de buffer wordt geproduceerd en dit permanent rechtstreeks door de WKK-eenheid wordt geleverd, kan de warmwaterbelasting niet worden herkend aan de temperaturen in de buffer. Tot nu toe is er echter geen onderaanbod aan de kranen geweest, zelfs niet op piekmomenten.

- Gasverbruik inclusief elektriciteitsopwekking

Uit de evaluatie van het gasverbruik op de hoofdmeter blijkt dat de verwarmingsbelasting, gebaseerd op 24 uur per dag, niet hoger is dan 90 kW. Met betrekking tot 15 uur per dag stijgt de waarde naar 140 kW. Deze waarden zijn lager dan die van het oude systeem, hoewel het elektriciteitsverbruik nog steeds is inbegrepen. De efficiëntiewinst van de modernisering is hier zichtbaar. Het aanleggen van een reserve is gerechtvaardigd omdat niet kan worden aangenomen dat alle systeemcomponenten altijd optimaal samenwerken en in extreme gevallen kunnen er hogere belastingen optreden (bijvoorbeeld het verwarmen van de hal vanuit een koude toestand).

- Werking van de verwarmingscircuits

De temperatuurregistraties laten zien dat er relatief goede spreidingen worden bereikt, hoewel er hier grenzen zijn vanwege het éénpijps verwarmingssysteem. Het totale retourtemperatuurniveau van alle verwarmingscircuits ligt dicht bij het dauwpunt van de rookgassen; in een volgende testfase zal de werkelijke hoeveelheid geproduceerd condensaat worden geregistreerd en geanalyseerd. Er zijn ook plannen om retourtemperatuurbegrenzers te installeren, vergelijkbaar met die in de twee luchtverwarmingsregisters, om het vermogen van de ketel te verlagen als de retourtemperatuur een grenswaarde overschrijdt.

Basisstructuur van een renovatie

Vereisten voor het ontwerp en de werking van een efficiënt en betrouwbaar verwarmingssysteem

De meest voorkomende reden voor het vervangen van een verwarmingssysteem is het uitvallen van de ketel of andere essentiële onderdelen zoals het regelsysteem. Technische ontwikkelingen hebben echter het pakket maatregelen bij een renovatie van een verwarmingssysteem opnieuw gedefinieerd. Tegenwoordig moet er met veel meer factoren rekening worden gehouden en moeten de systeemcomponenten zorgvuldig op elkaar worden afgestemd. Hieronder staan de belangrijkste punten aan de hand van het voorbeeld van de renovatie van het verwarmingssysteem dat in 2013/2014 werd uitgevoerd in het TTZ van Borussia Düsseldorf.

1. technisch concept

We zijn verplicht om zorgvuldig om te gaan met energie en gebruik te maken van regeneratieve en rationele energieopwekkingsopties. Voordat we zomaar een ketel vervangen, moeten we ons daarom altijd afvragen welke opties er zijn bij een aanstaande ketelvervanging.

Gebruik van zonne-energie

•  Eigen stroomopwekking door middel van warmtekrachtkoppeling
•  Installatie van zeer efficiënte warmteopwekkingstechnologie
•  Installatie van pompen met hoog rendement
•  Keuze uit bijzonder efficiënte hydraulische oplossingen
•  Selectie van speciale regelstrategieën

De renovatie van het DTTZ-verwarmingscentrum heeft op bijna alle gebieden speciale kenmerken die bijdragen aan het efficiënt en betrouwbaar maken van het systeem. In aanvulling op de bestaande planningsdocumenten moet het concept worden gebaseerd op aanvullende metingen of actuele bedrijfservaringen met het bestaande systeem. In plaats van veiligheidsmarges in te calculeren, moeten de werkelijke vereisten zo nauwkeurig mogelijk worden vastgelegd. Dit geldt in het bijzonder voor de vereiste verwarmingsbelasting, de warmwatervraag en het warmwaterbelastingprofiel. De volgende punten kunnen op eenvoudige wijze worden bepaald:

Verwarmingsbelasting

Referentiepunten zijn het bestaande ketelvermogen, de berekende vereiste verwarmingsbelasting en het huidige ketelgebruik (meterstanden om de huidige buitentemperatuurafhankelijke verwarmingsbelasting te bepalen).

Prestaties van de circulatiepompen

De ingestelde pompuitgangen moeten hier worden gedocumenteerd.

Tijdprogramma's voor de aangesloten verwarmingscircuits

De tijdprogramma's die zijn ingesteld op het oude besturingssysteem moeten worden gedocumenteerd en vergeleken met de werkelijke gebruikstijden. Lange doorlooptijden duiden vaak op leveringsproblemen.

Verwarmingscurves

De ingestelde verwarmingscurves moeten ook worden gedocumenteerd. Als verwarmingscircuits niet zijn gekalibreerd, worden vaak te hoge verwarmingscurves gebruikt.

Hoeveelheden warm water

Door een watermeter te installeren bij de ingang van de opslagtank kan de vraag naar warm water nauwkeurig worden gevolgd en bepaald. Dit maakt het eenvoudiger om het opslagvat te ontwerpen en maakt een zorgvuldige, betrouwbare beoordeling van het potentieel voor het gebruik van zonne-energie mogelijk. Te grote opslagtanks hebben een negatief effect op de bijdrage van zonne-energie.

Profiel warmwaterkraan

De meter maakt het ook mogelijk om het tapprofiel te bepalen als de meter vaker wordt uitgelezen, vooral tijdens piekmomenten. Kennis van het tapprofiel is van centraal belang voor het ontwerp van de warmwaterwarmtewisselaar. Rekening houdend met alle bovenstaande parameters ontwikkelde DTTZ de hydraulica in het schakelschema hiernaast met enkele speciale technische kenmerken.

2 Technische oplossingen

2.1 Warmtekrachtkoppeling

Vanaf een elektriciteitsbehoefte van meer dan 20.000 kWh/a en een warmtebehoefte het hele jaar door is het gebruik van warmtekrachtkoppeling meestal de beste optie. Een professioneel ontwerp, hydraulische integratie en besturing zorgen voor een zuinige werking. Er moet voor worden gezorgd dat de WKK-eenheid zo lang mogelijk draait en dat de opgewekte elektriciteit grotendeels door het systeem zelf wordt verbruikt.

2.2 Condensatieketel

Terwijl spreidingen van 10 tot 20 K gebruikelijk zijn bij conventionele ketels, kunnen effectieve condensatieketels ook 20 tot 30 K bereiken. Het volgende moet worden nagestreefd: lage distributietemperaturen (bij voorkeur paneelverwarming), lage retourtemperatuur (hoge spreiding) en werking onafhankelijk van ruimtelucht (voorverwarming verbrandingslucht).

2.3 Bufferopslagtank als hydraulische afscheider

In gebouwen met meerdere verwarmingscircuits is hydraulische ontkoppeling van warmteopwekking en warmtedistributie zinvol, omdat dit de enige manier is om de werking van de afzonderlijke componenten te optimaliseren. In veel systemen worden hydraulische afscheiders gebruikt voor ontkoppeling. Deze hebben echter het nadeel dat ze de temperatuurstratificatie vernietigen en daardoor de efficiëntie van energiebesparende oplossingen zoals condensatieketeltechnologie, warmtepompen of zonne-energietechnologie nadelig beïnvloeden.

2.4 Buffervat als combinatiecilinder voor verwarming en warmwaterbereiding

Aangezien warmtekrachtkoppeling en warmwaterproductie beide baat hebben bij warmteopslag, is het zinvol om deze vereisten te realiseren door gebruik te maken van een gecombineerde opslagtank in één component. Dit heeft ook het voordeel van ruimtebesparing. Met betrekking tot het bovenstaande aspect moet de opslagtank ook fungeren als een hydraulische afscheider met een temperatuurstratificerend effect. De Zeeh-opslagtank die in de DTTZ wordt gebruikt, voldoet op voorbeeldige wijze aan deze eisen.

2.5 Bedrijfsomstandigheden verwarming (tijdprogramma en aanvoertemperatuurniveau)

Om lage verwarmingscurves te kunnen gebruiken, is het noodzakelijk om de afzonderlijke verwarmingscircuits hydraulisch te balanceren, d.w.z. om de debieten bij volle belasting aan te passen aan de vastgestelde verwarmingsbelasting. Hydraulisch balanceren is een voorwaarde voor minimale bedrijfstemperaturen en maximale spreiding.

2.6 Verdeler 3-draadstechnologie

Er zijn meestal verschillende temperatuurniveaus in vertakte distributienetten. Een typisch voorbeeld is de combinatie van vloerverwarming, radiatorverwarming en ventilatieverwarming. De retourtemperaturen van een radiatorverwarmingscircuit kunnen gemakkelijk worden gebruikt als aanvoer voor een vloerverwarmingscircuit. Op deze manier is het mogelijk om de circulerende watervolumes sterker te koelen en te verminderen en zo ook de warmteopwekking efficiënter te maken (hoger rendement van condensatiewarmteopwekking, lagere behoefte aan hulpenergie van de circulatiepompen).

2.7 Gebruik van pompen met hoog rendement

Hoewel het gebruik van hoogefficiënte pompen tegenwoordig verplicht is, wordt er nog niet consequent rekening gehouden met het feit dat een overstap naar deze technologie alleen soepel en met het volle effect werkt als de verwarmingscircuits hydraulisch in balans zijn. Er moeten niet alleen efficiëntere pompen worden gebruikt, maar ook de volumestromen moeten worden verminderd om hoge spreads te bereiken.

2.8 Beperking retourtemperatuur

Retourwater moet zo koud mogelijk zijn. Dit kan effectief worden geregeld met een retourtemperatuurbegrenzer.

3. systeemoptimalisatie

Na een systeemrenovatie of -modernisering moet er altijd een aanpassings- en succesbewakingsfase worden gepland.

3.1 Aanpassing

Hoewel een complex systeem theoretisch kan worden berekend, is er nog steeds een inregelfase nodig zodat de debieten en verwarmingscurves worden ingesteld op de minimaal vereiste waarden in lijn met de vraag. Het is goed als de aanpassingsfase gepaard gaat met temperatuurcurves en deze curves ook zorgvuldig worden gedocumenteerd voor latere beoordelingen. Het kan ook nuttig zijn om de curven zichtbaar te maken voor het bedienend personeel in de ketelruimte.

3.2 Verbruikscontrole

Tot slot kan de verbruikscontrole worden gebruikt om nogmaals te controleren of het gewenste succes is behaald. De verbruikscontrole moet ten minste de bepaling van de jaarwaarden omvatten; het is beter om momentopnames te hebben op basis van dagelijkse waarden, zodat een systeemcontrole op elk moment mogelijk is, zelfs op korte termijn.

4. systeemonderdelen

4.1 Baunachmengkraan

De Baunach mengkraan is een ontwikkeling voor een effectievere werking van verwarmingscircuits. Het zorgt er onder andere voor dat warm retourwater van circuits met een hoge temperatuur als stroom beschikbaar komt voor circuits met een lage temperatuur. Het voordeel van de technologie is dat de te circuleren volumestromen kleiner worden en de temperatuurspreiding groter voor een effectiever gebruik van de calorische waarde.

4.2 Oplaad- en ontlaadtechnologie voor bufferopslagtanks

Ook hier een speciale technologie van HG Baunach GmbH & Co. KG, die een effectievere op- en ontlading van het bufferopslagvat mogelijk maakt. De aanvoer en retour worden gelijktijdig omgeschakeld voor een snelle reactie op de warmtebehoefte, wat ook de interactie tussen de twee warmteopwekkers verbetert.

4.3 Warmwaterverwarming met golfpijp-warmtewisselaar

Het gebruik van buffervaten met golfpijpwarmtewisselaars is vrij gebruikelijk in kleinere vermogensbereiken, maar is eigenlijk ongebruikelijk voor de vereisten hier. Omdat dit principe van warmwaterbereiding echter als zeer solide en minder gevoelig wordt beschouwd, werd de opslagtank door de fabrikant speciaal ontworpen voor de speciale vereisten bij Borussia Düsseldorf. Het voordeel van deze oplossing is dat het mogelijk is om af te zien van technisch complexe verswaterstations en toch een uiterst hygiënische warmwaterbereiding te hebben. Dankzij een speciale technische eigenschap van de cilinder is het ook mogelijk om indien nodig een hoger warmwatervermogen te realiseren. Dit is met name interessant voor sportclubs, die vaak te maken hebben met kortstondige piekbelastingen.

4.4 Combinatie van warmtekrachtkoppeling en condensatieketel

De hydraulische integratie van een warmtekrachtcentrale, in de DTTZ het type "Ecopower" van Vaillant, is een van de grootste uitdagingen van een eigen elektriciteitscentrale. Door haar eigen elektriciteit op te wekken, kan de vereniging zichzelf onafhankelijk maken van de aankoop van openbare elektriciteit voor zover ze erin slaagt een hoge contributiemarge te bereiken. Voorwaarde voor een hoge contributiemarge is dat de WKK-eenheid zo lang mogelijk draait en dat de opgewekte warmte vakkundig wordt gebruikt. Het economische voordeel is sterk afhankelijk van de hydraulische integratie, de dimensionering van het bufferopslagvat en de juiste plaatsing van de temperatuursensoren die in- en uitschakelen. De eerste balansen sinds de ingebruikname in augustus zijn veelbelovend: de WKK-eenheid wekt meer elektriciteit op dan DTTZ nodig heeft en er hoeft slechts een paar kilowattuur elektriciteit te worden ingekocht om piekbelastingen te overbruggen.

Martin Halbrügge, Ecoteam

www.ecoteam-nrw.de

Dipl.-Ing. Bernd Genath is freelance journalist in Düsseldorf.

Download het technische artikel als PDF

< terug naar de technische artikelen