Veel meer dan een gunmetal fitting
Vierwegmixer als beslissende systeemintegrator
Het is al meer dan tien jaar op de markt en de voordelen en economische efficiëntie ervan zijn onbetwist, maar het ontbreekt nog aan een brede acceptatie. Misschien komt dit omdat de geavanceerde besturingslogica en mengtechnologie van de vierwegmixer "rendeMIX" een uniek verkoopargument is. En krijgt daarom weinig aandacht in opleiding en literatuur. De fabrikant moet zelf zorgen voor marktpenetratie in cursussen en seminars. DKZ ging aan de schoolbank zitten.
"Het grootste probleem bij het conventionele laden en ontladen van bufferopslagtanks, d.w.z. het gebruikelijke laden en ontladen in één enkele zone, is vermenging. Dit beperkt de hoeveelheid warmte die effectief kan worden gebruikt aanzienlijk.
Afbeelding 1: Würzburg, zomer 2013
Het is eenvoudigweg niet te voorkomen dat het water dat in en uit de container stroomt leidt tot een circulatie die de temperatuur in de warme zone verlaagt en in de koude zone op de bodem opbouwt. Het voordeel van laden en ontladen in twee zones met de 'rendeMIX' is dat warm, koud en gemengd water - gemengd water door retourbenutting - alleen in en uit hun respectievelijke zones stroomt. In het midden van de buffer wordt een soort veiligheidsschild opgebouwd. Dit stabiliseert de scheiding tussen de bovenste warme helft en de onderste koelere helft in de ketel. De gelaagdheid blijft behouden.
Hans-Georg Baunach legt de energie- en hydraulische voordelen uit van de "rendeMIX" meerpoortsmenger. Locatie: Würzburg in de nazomer van vorig jaar. Gelegenheid: Hydraulisch seminar georganiseerd door HG Baunach GmbH & Co. KG. Onderwerp: Het verhogen van de efficiëntie van verwarmingssystemen. "Efficiëntie is het resultaat van de harmonieuze samenwerking van verschillende componenten binnen een systeem. Het "rendeMIX" principe ondersteunt u bij het opzetten van efficiënte verwarmingssystemen. Het seminar onthult het sluimerende efficiëntiepotentieel in uw klantsystemen - en hoe u dit tot leven kunt brengen."
Veelzijdig gebruik
Dit is precies de reden waarom de 16 meester-ambachtslieden de uitnodiging hebben aangenomen en naar Würzburg zijn gekomen. Ongeveer 15 jaar geleden De firma Baunach uit Hückelhoven op de linker Rijnoever trok voor het eerst de aandacht met zijn speciale besturingstechnologie.
Figuur 2: 240 procent in plaats van 100 procent warmteopslag in de 100-liter buffer, testresultaat Biberach Hogeschool
Destijds lag de nadruk op het in serie schakelen van een hogetemperatuurcircuit (radiatoren) met een lagetemperatuurcircuit (vloerverwarming). Dit schema is standaard in vrijstaande huizen in veel regio's van Duitsland. Het gepatenteerde proces zet de retourstroom van het hogetemperatuurcircuit om in de stroom van de vloerverwarming, ook al circuleren er totaal verschillende hoeveelheden water. De interne vereffeningssecties in de vierwegmenger en de mengstructuur - de technologie gebruikt verschillende temperatuurniveaus voor een nauwkeurige en energiebesparende menging van de aanvoertemperatuur - lossen deze schakeltaak op, die handmatig bijna onmogelijk te realiseren is (afb. 2).
"Maar dat betekent niet dat je een gevorderde cursus thermodynamica moet volgen om het apparaat te begrijpen. Het doet het meeste werk zelf. Het wordt automatisch geregeld met alleen de temperaturen. Je hoeft geen volumestromen aan te passen. Het enige wat je echt moet doen in deze cursus is de filosofie begrijpen," zegt de spreker, waarmee hij de angst voor te veel theorie wegneemt.
In de tussentijd is het aantal toepassingen aanzienlijk uitgebreid, wat merkbaar is in de verkoop van de fitting. Innovatieve installatiebedrijven gebruiken de component in verschillende systemen. Ten eerste natuurlijk voor het koppelen van een hoge- en een lagetemperatuurcircuit. Ten tweede voor het laden van buffercilinders met twee zones. In dit geval zorgt de rendeMIX ervoor dat de gelaagdheid in de cilinder zo lang mogelijk behouden blijft. Ten derde laadt en ontlaadt de rendeMIX de buffervaten op een vergelijkbare vakkundige manier als de Baunach ontwikkeling, met als resultaat dat de bedrijfstijd (jaarlijkse gebruiksuren) van zonnesystemen en kleine WKK-eenheden economisch wordt verlengd.
Verdubbelde looptijd ketel
Figuur 3: Mengprincipe in systemen met twee circuits
Vraag aan het publiek: "Hoe vaak moet je een boilervat bijvullen?" "Op zijn laatst na twee dagen." "Ja, en daarom kunnen jullie klanten niet zomaar een weekendje weg. De mixer hier verdubbelt min of meer het gemak van een houtverwarmingsketel. De warmteopwekker brandt niet zoals vroeger binnen twee dagen vol, maar de 'rendeMIX' benut het opslagvolume van de buffer zo handig dat de sensoren van de primaire luchtregeling melden 'nog geen warmtebehoefte'. De ketel verwarmt vier dagen in de spaarstand. Het gezin kan in de winter in het weekend gaan skiën zonder zondagavond terug te keren naar een koude flat of de buren te moeten bellen. Dit is al verschillende keren bevestigd." (Afbeelding 3)
De baas van het bedrijf legt de tweedaagse winst overtuigend uit aan de hand van het stroomdiagram in de bronzen behuizing.
Afbeelding 4: Condensaathoeveelheid en rendement van gascondensatieketels als functie van de retourtemperatuur (Afbeelding: Ruhrgas AG)
Zijn publiek luistert aandachtig. Hans-Georg Baunach weet hoe hij het eigenlijk droge en ingewikkelde onderwerp "hydraulica" op een levendige, onderhoudende en begrijpelijke manier moet presenteren. Gebaren en dictie maken de theorie bijna zichtbaar.
En natuurlijk de zwakke punten van conventionele installatietechnologie: "Het maakt niet uit hoeveel warmte er in de buffervat zit, maar welk voordeel het oplevert. We maken onderscheid tussen waardevolle exergie en minder waardevolle anergie.
Een gemengde boiler is niet alleen te koud om voldoende drink- of badwater te leveren, met als gevolg dat de boiler eigenlijk onnodig vaak moet draaien, hij is tegelijkertijd ook te warm om bijvoorbeeld zonnewarmte te kunnen opnemen - een dubbel verlies." De schade zit in het verspillen van de beschikbare (zonne)warmte en capaciteit.
De beslissende fysica
Een vuistregel loopt door het vijf uur durende evenement in variaties:
Figuur 5: Rendementbenutting in condensatieketeltechnologie: besparing op hydraulische separator en radiatorpomp plus 8 procent hoger rendement (volgens figuur 4)
"Denk eraan: 1 kWh komt ongeveer overeen met 1 m3 Opslagwater x 1 Kelvin Delta T". Met een delta T van 10 Kelvin of graden Celsius kan een buffer met 1 m3 volume van 10 kWh. "Hoe groter de delta T, hoe groter de capaciteit in de ene of de andere richting. Dus hoe lager de retourtemperatuur, hoe kleiner de opslagtank kan zijn. In de tabel kun je zien hoe groot een buffer moet zijn die 8 uur lang 15 kW moet leveren, afhankelijk van de delta T." Met "rendeMIX" kan de cilinder in het voorbeeld twee maten kleiner zijn.
Het beslag probeert een hoge temperatuurspreiding te bereiken om compactere ontwerpen mogelijk te maken of om de opslagcapaciteit van de geïnstalleerde capaciteit te vergroten. De hogeschool van Biberach heeft berekend in welke mate het laden en ontladen in twee zones met retourbenutting, dat is toegestaan door het mengprincipe, extra opbrengst genereert. Daar werd een buffer van 1.000 liter op de proef gesteld. Deze diende voor een WKK-eenheid met een aanvoertemperatuur van 90 °C. Met een retourtemperatuur uit het hogetemperatuurcircuit van 50 °C werd een theoretische opslagcapaciteit van 47 kWh berekend. In werkelijkheid kon er echter slechts 17 kWh worden afgezogen met de standaardaansluiting van de afzuigarmatuur (afvoer in één zone): In dit geval wordt de theoretische capaciteit verminderd met een factor 2,7.
Resultaten van Biberach Hogeschool
Figuur 6: Nauwelijks calorische waardewinst bij 43 °C retourtemperatuur van conventionele mengtechnologie
De Universiteit van Toegepaste Wetenschappen in Biberach heeft aangetoond dat de reden voor dit lage rendement de onvermijdelijke vermenging in de buffercilinder is bij het gebruik van conventionele lading. Dit vermindert de hoeveelheid bruikbare warmte aanzienlijk omdat het de gelaagdheid vernietigt. In het tweede deel van de test veranderden de supervisors de laadstrategie naar de tweezone laad- en ontlaadmodus met de rendeMIX. De actuators mengden nu geen warm met koud, maar warm met warm en - afhankelijk van de setpointspecificatie - warm met koud water. De laadzijde was zodanig dat de bovenste bufferzone alleen warm water ontving en daardoor sneller opwarmde, terwijl de onderste zone langer koud bleef. Voor het lossen onttrok het regelsysteem eerst warmte aan de onderste bufferzone via de middelste cilinderaansluiting. Hierdoor koelde deze sneller af. Hierdoor bleef de bovenste bufferzone op een hoog temperatuurniveau.
Resultaat: De effectieve opslagcapaciteit steeg met ongeveer 60 procent van 17 kWh naar 27,4 kWh. Als de locatie van de sensoren op de opslagtank, die de WKK-eenheid in- en uitschakelen, geoptimaliseerd zou worden, zou de bruikbare bufferefficiëntie in de Biberach-case met nog eens 30 tot 50 procent verhoogd kunnen worden (Afbeelding 4).
Hans-Georg Baunach vat de conclusie van het Biberach-rapport samen met zijn woorden: "Het mengprincipe wordt heel eenvoudig uitgelegd. Stel je voor dat je een emmer water van 55 °C en een emmer water van 45 °C hebt. Je kunt ze bij elkaar gieten om twee emmers met water van 50 °C te maken. Neem nu twee emmers van 30 °C en 70 °C en meng ze om twee emmers van 50 °C te maken. Van die kant is er niets gewonnen. Het enige verschil is dat je in het eerste geval maximaal 55 °C beschikbaar hebt, in het tweede geval 70 °C. Als je ergens in de winter een aanvoertemperatuur van 65 °C nodig hebt, heb je weinig aan de lage Delta T of de 45 °C in de boiler. De ketel moet opnieuw verwarmen. Bij 70 °C kun je terugvallen op de boiler. Dat is de 'gedachte' achter de rendeMIX."
Het verschil met de gelaagde opslagtank
Zoals verwacht van de docent wordt op een gegeven moment de gebruikelijke vraag gesteld: "Waarin verschilt een gelaagd opslagsysteem van uw proces, meneer Baunach?"
Eenvoudig antwoord: "De mijne werkt". De ideale gelaagde opslagtank, zegt de ontwikkelaar, is in principe net zo goed. Het enige verschil is dat de nadruk ligt op ideale, d.w.z. schone stratificatie. Dit is echter nauwelijks mogelijk met de klepbediening en andere trucs. "De 'rendeMIX' daarentegen neemt het warme boilerwater uit het midden tussen de bovenste warm en onderste koel tijdens het lozen in één zone en mengt dit met de aanvoer of de retour. Afhankelijk van de situatie is het energiezuiniger om warm water te koelen in plaats van warm water of warm water te verwarmen in plaats van koud (retour)water." Bovendien stabiliseert deze vorm van afvoer vanuit het midden van de buffer de warme en koude zones.
Functionele beschrijving
De gepatenteerde rJET 3×4 met zijn drie aansluitingen zorgt voor een optimale gelaagdheid in de buffertank tijdens de afvoer door eerst de retourstroom van de radiatoren naar de vloerverwarmingsysteemscheiding te voeren voordat de warme ketelstroom wordt aangesproken. Dit betekent dat er geen hydraulische afscheider of extra pomp stroomopwaarts van de systeemscheiding nodig is. Het ingebouwde overstortventiel houdt het drukverschil over de systeemscheiding constant op ongeveer 60 mbar. Het warmere overschot van de radiatorretour wordt apart van de koude retour van het vloercircuit teruggevoerd naar het midden van de buffer. De buffer blijft bovenin langer warm en wordt onderin sneller koud, wat zowel de zonneopbrengst als het warmwatercomfort verhoogt. De voordelen op een rij:
- Eenvoudige installatie dankzij compacte montage
- Tot 100 procent meer zonneopbrengst dankzij de koude zone in de buffercilinder
- Tot 100 procent meer warmwatercomfort dankzij de warme zone in de buffervat
- Geen schakelaar en geen extra pompen nodig in het verwarmingscircuit en stroomopwaarts van de systeemscheiding
Het klassieke gebruik van retourleidingen is niet alleen voordelig bij het verbinden van een lage-temperatuurcircuit met een hoge-temperatuurcircuit. Koude retours en kleinere volumestromen optimaliseren het rendement van condensatieketels, zonnesystemen, warmtepompen, overdrachtsstations en distributienetwerken. Condensatie produceert ook spoelwater: dit vermindert vervuiling en corrosie aan de rookgaszijde van de condensatiewarmtewisselaar, waardoor de levensduur toeneemt. Dit is ook bewezen.
Wanneer begint de condensvorming?
Over condensatie gesproken. Vraag: "Hoeveel condensatie ontstaat er bij een retourtemperatuur van 50 °C, wat bedoelt u?" De zaal is terughoudend om een millilitercijfer te geven. Maar waarschijnlijk heel veel, aangezien het dauwpunt van aardgas net onder de 60 °C ligt. "Niets, nul, het druppelt maar net rond de 47 °C. De theoretische dauwpunttemperatuur van 58 °C houdt geen rekening met overtollige lucht, die we regelmatig gebruiken, en je moet ook rekening houden met de noodzakelijke delta T in de condenserende warmtewisselaar tussen het rookgas en de retourstroom."
Diagrammen van Ruhrgas AG lichten op op het scherm via Power Point. De eerste laat zien dat het nulpunt van condensatie bij een retourtemperatuur van 48 °C ligt. Het laat ook zien dat bij 45 °C slechts een dunne 30 gram water per kilowattuur uitzweten - van de mogelijke 110 gram met een retourstroom van 20 gram. Met "rendeMIX" moet de temperatuur van de verwarmingsretour stabiliseren op 30 °C of 90 gram condensaat per 1 kWh. "En dit verhoogt het rendement van de ketel met 8 procent ten opzichte van 50 °C. Dat heb ik niet berekend, dat zegt Ruhrgas," zegt spreker Hans-Georg Baunach.
Afbeelding 7: Langetermijntest. Buffer laden en ontladen volgens het twee-zone-principe
De diagrammen van het Ruhrgas
Afbeelding 8: Combinatie zonneboiler met gasketel
Het volgende diagram in de presentatie toont de afhankelijkheid van het dauwpunt van het luchtgetal. "Fluctuaties in de luchttoevoer kunnen om verschillende redenen niet worden uitgesloten. De oven mag geen roet produceren en daarom werkt de brander met overtollige lucht, als het ware als reserve. Dit verlaagt ook het dauwpunt, zoals op de foto te zien is, en dus de calorische waardewinst. Het verschil tussen de luchtgetallen van lambda 1 en lambda 2 is 10 K, om je de kernwaarden te geven, dus het dauwpunt daalt van 58 °C naar 48 °C. En dan moet je nog de nodige spreidingsgraden in de condensor aftrekken. Daarom kun je het beste branders met een lage luchtverhouding gebruiken, bijvoorbeeld premixbranders, om ook bij iets hogere retourtemperaturen de calorische waarde te benutten."
Afbeelding 9: De hardware
De helft van het seminar is een revisiecursus. Het graaft dingen op die verloren zijn gegaan en maakt verbindingen weer duidelijk. De uitleg over de stekkertechnologie in Baunachs vierwegmengkraan neemt maar weinig tijd in beslag; de focus ligt op de problemen van de huidige verwarmingssystemen. Hun economische levensvatbaarheid wordt steeds meer in twijfel getrokken, zegt hij, omdat de verhouding tussen kosten en efficiëntiewinst nauwelijks te rechtvaardigen is. "Dit is echter niet de schuld van de technologie of de prijs van de componenten. De oorzaak van de onbalans is het gebrek aan een algemene systemische visie. Er is geen andere manier om het te zeggen: door simpelweg onderdelen samen te voegen zonder na te denken over de onderlinge relaties, verdwijnen er vele procentpunten aan efficiëntiewinst."
Doel voor systeemeenheid
Het vierweg-mengprincipe levert een merkbare en winstgevende bijdrage aan de verbetering van het systeemrendement bij warmteopwekking (gebruik van condensatieketels), warmtedistributie (koppeling van hoge- en lagetemperatuurcircuits) en systeemrendement bij warmteopslag (laden en ontladen in twee zones met retourgebruik). Gas- en stookolieketels en thermische systemen profiteren net zo goed als biomassawarmtegeneratoren, warmtepompsystemen en zonnecollectoren of combinaties daarvan. Of het optimale efficiëntieniveau wordt bereikt, wordt fundamenteel bepaald door het systeem. De schakelschema's en warmtestroomdiagrammen die in het seminar worden gepresenteerd, laten zien waarom.
Hans-Georg Baunach vat samen: "Een van de fouten uit het verleden was om koude en warme retourleidingen aan elkaar te koppelen en samen als één leiding terug te voeren naar de ketel, in de veronderstelling dat de brander dan minder hoefde te voeren. Helaas blokkeert zo'n circuit de effectievere optie om een kouder medium te gebruiken om veel restwarmte terug te winnen van een warmer medium, mogelijk zelfs genoeg om een hele sectie te verwarmen. En omgekeerd: als een debiet van 50 graden 's middags voldoende is en de meerwegmengkraan trekt eigenlijk alleen deze 50 graden, dan is er 's avonds nog steeds 80 graden beschikbaar in het gebouw vanuit de bovenste zone. Als het regelsysteem daarentegen de 80 graden had afgetapt en met koud water had verlaagd naar 50 graden, zou de ketel 's avonds moeten bijverwarmen."
www.baunach.net
Bernd Genath
Download het technische artikel als PDF
