Warmte meerdere malen gebruikt in plaats van gewoon verbrand
Modernisering van de verwarming vanuit de hydraulische kant: geleidelijke benutting van de terugloop in de warmteverdeling en laden en lossen in twee zones voor het buffervat
De belangrijkste aanpak voor de energieoptimalisatie van de verwarmingsinstallatie in het filiaal van de SHK-vakgroothandel Richter + Frenzel in Schweinfurt lag in de systeemhydrauliek. Er waren warmteoverschotten in het bestaande systeem die nog elders goed gebruikt konden worden. De vraag was echter hoe de massastromen van het verwarmingswater daar moeten komen. De optimalisering van de systeemhydrauliek werd bereikt door het samenspel van meerwegmengkleppen en een speciale verdeler met een extra retourkamer. Het beschikbare overschot aan warmte kan dus gefaseerd worden gebruikt. Tegelijkertijd werd een efficiëntere laadstrategie gevonden voor het bestaande bufferopslagreservoir en draaien de warmteopwekkers continu in de condensatiemodus.
Afb. 1: Voor de warmteverdeling van de verwarmingscircuits zijn de meerpoorts mengkleppen van HG Baunach Gmbh & Co. KG samen met een nieuw type driekamerverdeler van Magra wordt gebruikt. De volgorde van de uitlaten van de verdeler hangt af van de temperatuurgradiënt in de retourstroom in de richting van de stroom naar de ketel.
De combinatie van hoge- en lagetemperatuursystemen in een verwarmingssysteem is niet langer een uitzondering, evenmin als bivalente warmteopwekking met behulp van WKK-eenheden en condensatieketels. De taak om de vereiste systeemtemperaturen in de warmtedistributie te garanderen en de warmteopwekkers van de nodige lage retourtemperaturen te voorzien, is echter iets uitdagender. Energieoptimalisatie was het primaire doel voor de modernisering van het verwarmingssysteem in het filiaal van de HVAC-groothandel Richter + Frenzel in Schweinfurt. Hoewel de gasketel ook werd vervangen door een nieuwe condensatieketel, waren de moderniseringsmaatregelen voornamelijk gericht op de hydraulica van het systeem. Sinds de heringebruikname begin november 2006 draait de WKK-eenheid continu en stroomt er continu condensaat uit de condensatieketel. In de hele installatie heersen gedefinieerde systeemtemperaturen, en dit met minimale regeltechnische inspanning.
Focus op condensatieketels en warmtekrachtkoppeling
Fig. 2: De basiswarmtebelasting wordt gedekt door een Dachs WKK-eenheid van Senertec die werkt op de bufferopslagtank (middenachter). De bijverwarming wordt geleverd door een 130 kW condenserende centrale gasketel van Wolf verwarmingstechnologie.
Een terugblik: De vestiging van Richter + Frenzel werd in 1984 gebouwd met een badkamertentoonstelling, een goederen- en ophaalmagazijn en een kantoorvleugel. Het verwarmingssysteem moet drie hoge- en twee lagetemperatuurcircuits voeden: het goederen- en ophaalmagazijn met 900 m² verwarmd oppervlak wordt verwarmd met VL/RL 75/50 °C via luchtverwarmers, net als de vloerconvectoren in de badkamertentoonstelling en de warmwaterverwarming in de badkameroase, die wordt verzorgd door een platenwarmtewisselaar. De vloerverwarming in de 600 m² grote badkamertentoonstelling en de vloerverwarming voor 200 m² kantoorruimte zijn ontworpen als lagetemperatuursystemen (40/30 °C). Een Dachs WKK-eenheid van Senertec met een vermogen van 15 kWde werd later aangepast om de retourstroom van de bestaande gasketel te verhogen. Deze was met 210 kW echter te groot. In de loop van de onlangs voltooide modernisering werd deze vervangen door een 130 kW gascondensatieketel van het type MGK van Wolf Heiztechnik, die de bijverwarming overneemt dankzij zijn grote modulatiebereik en zo de gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit indien nodig een boost geeft. Met zijn compacte afmetingen (B x H x D = 1350 x 1300 x 600 mm) past de centrale wandketel, die alleen tijdens IFH 2006 als innovatie werd gepresenteerd, door elke standaarddeur en kan daarom eenvoudig in de bestaande stookruimte worden geïnstalleerd. De warmte die door de WKK-eenheid wordt geproduceerd, wordt opgeslagen in een buffervat van 1000 liter. De geproduceerde elektrische energie (ca. 5 kWel) voedt de buitenverlichting van het gebouw en alle verbruikers in stand-bymodus.
Gebruik van het rendement in de richting van de lage temperatuurbereiken
De planningstaak bestond er nu in de bedrijfstijden van de bestaande kleine WKK-eenheid te maximaliseren en ervoor te zorgen dat de nieuwe gascondensatieketel de calorische waarde uit het rookgas daadwerkelijk benut. Hiertoe moet het principe van retourbenutting worden toegepast aan de kant van de warmtedistributie: Als de temperatuur van de retourstroom van een verwarmingscircuit voldoende is om een ander verwarmingscircuit met een lager temperatuurniveau te voeden, moet deze beschikbare warmte eerst hiervoor worden gebruikt voordat de stroom wordt aangesproken. Voor de moderniseringsplanning werden eerst de prestatiegegevens en massastromen van het bestaande systeem vastgelegd. Uit de resulterende systeemberekening bleek dat er nog steeds een groot overschot aan warmte uit de retourstroom van de hogetemperatuurcircuits was, dat niet effectief kon worden gebruikt in de lagetemperatuurcircuits. Dit betekende ook dat de retourtemperaturen te hoog waren voor zowel de WKK-eenheid als de geplande condensatieketel. "Onder deze omstandigheden was het niet mogelijk om een efficiënte spreiding in de buffervat te bereiken om het buffervolume maximaal te benutten. Het was ook niet mogelijk om lage retourtemperaturen te bereiken met de bestaande hydraulica en dus een effectief gebruik van de condensatieketel - het mengen van de retouren van de circuits met hoge en lage temperatuur zou hebben geresulteerd in lauw verwarmingswater," meldt Hans-Georg Baunach, die de hydraulische optimalisatie van het systeem ontwierp met de door hem ontwikkelde meerpoorts mengkleppen en een nieuw type driekamerverdeler gebouwd door Magra.
Afb. 3: Wolfgang Mika, verkoopmanager bij Richter + Frenzel in Schweinfurt, verwacht aanzienlijke besparingen op energiekosten door optimalisatie van de systeemhydrauliek.
Meerpoortsmenger en driekamerverdeler
Fig. 4: De rendeMIX tussen de WKK-eenheid en de buffercilinder zorgt ervoor dat de cilinder wordt geladen volgens het twee-zone principe.
Voor de hydraulica van het bestaande verwarmingssysteem bij Richter + Frenzel in Schweinfurt moesten twee functionele principes worden gerealiseerd:
- Gebruik van de retourstroom in twee fasen: De overtollige warmte van de verwarmingscircuits met hoge systeemtemperaturen (75/50 °C) moet worden benut voor de verwarmingscircuits met lage temperaturen (40/30 °C) door de retourstroom via een meerpoorts mengventiel en via de verdeler of collector rechtstreeks naar het betreffende NT-verwarmingscircuit te voeren. De retourtemperatuur van de luchtverwarmers in de hal en de vloerconvectoren in de badkamershowroom is bijvoorbeeld voldoende om de vloerverwarmingssystemen in de showroom en kantoren aan de stroomzijde te voeden. De retourstromen van deze lagetemperatuurcircuits moesten op hun beurt apart naar het onderste deel van het buffervat worden geleid. Het doel was om ervoor te zorgen dat deze zich niet konden vermengen met het ongebruikte overschot van de retourstromen van de hogetemperatuurcircuits.
- Gedefinieerde temperatuurspreiding en lage retourtemperaturen: De bestaande buffervat, dat volgens de berekeningen van Hans-Georg Baunach met 1000 liter vrij klein is, moet de hoogst mogelijke spreiding bereiken. Dit betekent dat het grootst mogelijke buffervolume met bruikbare temperatuur altijd beschikbaar moet zijn voor de hogetemperatuurverwarmingscircuits. De eerder genoemde retourbenutting zorgt voor lage retourtemperaturen om de langst mogelijke bedrijfstijden voor de WKK-eenheid te bereiken.
De "rendeMIX" meerpoorts mengventielen van HG Baunach GmbH & Co. KG werden gebruikt om de verwarmingswaterstromen te mengen en om te leiden afhankelijk van de warmtevraag en -toevoer. KG werden gebruikt. De mengkranen zijn ontworpen als compacte installatieblokken met een isolerend omhulsel, waarin afsluitkogelkranen en thermometers al in de fabriek zijn geïntegreerd. Het belangrijkste verschil tussen de door HG Baunach ontwikkelde "rendeMIX 3×2 VL 5" meerwegmengkraan en conventionele drie- en vierwegmengkranen is dat er drie aansluitingen op de verdeler zijn:
- Twee toevoeren voor warm en heet water,
- een afvoer voor koud water.
De inlaat voor warm water is verbonden met de doorstroomkamer van de verdeler, de inlaat voor warm water met de centrale kamer van de verdeler. De nog warme retourstroom van de hogetemperatuurcircuits wordt stroomafwaarts naar de middelste kamer geleid, wat overeenkomt met het principe van retourstroombenutting. De retourstroom van de lagetemperatuurcircuits wordt echter naar een aparte, derde retourkamer geleid. Dit betekent dat de warme overtollige retourstroom apart en zonder menging de buffer bereikt, wat overeenkomt met het principe van afvoer in twee zones. De driekamerverdeler maakt deel uit van het HG Baunach programma en wordt geproduceerd door Magra.
De drie kamers van de verwarmingsverdeler staan in verbinding met twee zones van de buffercilinder:
- De aanvoerverdeler ontvangt verwarmingswater van het bovenste temperatuurniveau, dat indien nodig opnieuw wordt verwarmd via de tussenliggende condensatieketel.
- Hoewel de middelste verdeelkamer voornamelijk als retour dient, werkt hij ook in omgekeerde richting en is hij verbonden met de buffercilinder op halve hoogte. Als de buffer volledig gevuld is, kan de beschikbare verwarmingswatertemperatuur van het middelste niveau worden gebruikt. Het voordeel van aftappen uit de middelste opslagzone is dat er voldoende reserve kan worden aangehouden in de bovenste zone. De meerpoortsmengers van de hogetemperatuurcircuits zijn elk aangesloten op de centrale verdeelrail met een aanvoer- en een retouraansluiting. Afhankelijk van de buffertemperatuur en de verwarmingsbehoefte ontvangen deze circuits verwarmingswater uit het voorraadvat of voeren de verwarmingscircuits terug naar de vloerverwarmingscircuits of de buffer met "ongebruikte" retourtemperatuur.
- Alleen de retouren op lage temperatuur van de vloerverwarmingssystemen in het expositiecentrum en de kantoorvleugel stromen naar de derde distributiekamer. Deze tweede fase van retourbenutting gaat naar het lagere bufferopslagniveau, waardoor de beoogde verspreiding wordt ondersteund en ook het gebruik van de calorische waarde wordt gegarandeerd.
CHP draait de klok rond
De retourstroom van de derde distributiekamer stroomt ook door een uitlaatgaswarmtewisselaar, die als onderdeel van de modernisering van de installatie achteraf op de WKK-installatie is geïnstalleerd. Dit verhoogt de warmteopbrengst van het verbrande gas en dus de algehele efficiëntie van het systeem. De condensatieketel voedt alleen rechtstreeks in de stroom die na de buffervat naar de verdeler leidt, zodat alleen de gecombineerde warmte- en energieopwekking de inhoud van het vat verwarmt. Met een modulatiebereik van 19 tot 100 % of 24 tot 126 kW (in condensatiemodus) vervult de condensatieketel volledig zijn taak om te herverwarmen. Daarmee wordt ook voldaan aan de planningsspecificatie van een optimaal gebruik van de condensatiewaarde, zoals R + F verkoopleider Wolfgang Mika tijdens een bezoek ter plaatse aan IKZ-HAUSTECHNIK bevestigde: "Dat de condensatieketel daadwerkelijk in het condensatiebereik draait, is te zien aan het feit dat het condensaatopvoersysteem binnen een half uur meerdere keren heeft afgepompt." In het 40/30 °C-bereik behaalt de condensatieketel een gestandaardiseerd rendement van 108 %.
Twee-zone-principe optimaliseert warmtetoevoer en energiegebruik
Afb. 5: Het verwarmingssysteem in het filiaal van de HVAC-groothandel Richter + Frenzel in Schweinfurt werd geoptimaliseerd in termen van energie-efficiëntie. De nadruk lag vooral op de hydraulica van het systeem.
Hans-Georg Baunach beschrijft het systeem als "gekalibreerd voor calorische waarde" na de modernisering. Qua regeltechniek lijkt het energie-geoptimaliseerde systeem ongecompliceerd. De actuators voor de mengers worden op een eenvoudige manier aangestuurd met conventionele weersafhankelijke regelingen van de Wolf ketelaccessoires (230 V driepunts signaal). De aansluitingen op de luchtverwarmers in de hallen werden uitgerust met thermostatische kranen en afstandssensoren, die het debiet regelen op basis van de luchttemperatuur en de werking van de ventilator. Aan de retourzijde voor de vloerverwarmingsconvectoren in de badkamertentoonstelling werden RTL-kleppen geïnstalleerd om de retourtemperatuur te beperken tot een gevoelige waarde voor de vloerverwarming. Het regelsysteem voor de WKK werd ook uitgebreid met een relaisschakeling om de cycli bij lage verwarmingsbelastingen aanzienlijk te verlengen en het buffervolume volledig te benutten. Er zijn twee thermostaatschakelaars op verschillende hoogtes op de buffervat, die zorgen voor een sterke stratificatiestructuur. Een andere rendeMIX meerpoortsmenger wordt gebruikt als verbinding tussen de WKK-eenheid en de buffervat. Met een geïntegreerde regelaar voor vaste waarden fungeert deze als retourstroomversterker voor de WKK-eenheid. Dit verbindt de drie buffertoevoerpunten met het Dachs WKK-systeem en zorgt zo voor gelaagde belasting. Het "twee-zone-principe" werd zowel in het ketelcircuit als tussen de buffer en de verdeler toegepast met behulp van de mengkleppen van HG Baunach. "Dit zorgt ervoor dat de spreiding in de buffer altijd zo hoog mogelijk wordt gehouden. Pas als de bovenste zone volledig geladen is, wordt het onderste deel in het laadproces opgenomen. Dit betekent dat de bovenste zone een snellere bruikbare temperatuur heeft en dat de onderste zone langer koud blijft. Dit principe is bijzonder voordelig voor het gebruik van zonnewarmte," legt Baunach uit. In een testopstelling in de Ambachtskamer Arnsberg hebben metingen aangetoond dat een buffervat tot 35 % meer thermische energie kan afgeven als het volgens het "twee-zone-principe" wordt ontladen. "Na de modernisering heeft ons verwarmingssysteem een gedefinieerde temperatuurspreiding, terwijl er tegelijkertijd voldoende stand-by warmte beschikbaar is. De warmtekrachtkoppeling heeft sinds de ingebruikname nog geen minuut stilgestaan en beide warmtebronnen werken constant in het condensatiebereik. Door de hydraulica van het systeem te optimaliseren, kon een optimaal gebruik van de calorische waarde en een efficiënte warmtelevering worden bereikt," vat R+F Sales Manager Wolfgang Mika samen.
Werkingsprincipe van de meerwegmenger
Het rendeMIX ventiellichaam verbindt slechts twee van de drie inlaten met de enkele uitlaat, zodat ofwel warm water gemengd wordt met warm water, ofwel warm water gemengd wordt met koud water. Op deze manier wordt zoveel mogelijk van het beschikbare warme water gebruikt en wordt er slechts een kleine hoeveelheid warm of koud water bijgemengd. Dit maximaliseert de beschikbare temperatuur in het verwarmingswaternetwerk en verlaagt de retourtemperatuur naar de warmteopwekker. De actuator kan worden aangestuurd door elke weersafhankelijke regelaar (230 V, driepuntsignaal) van de toebehoren van de ketel. Als alternatief is een actuator met een geïntegreerde regelaar met vaste waarde verkrijgbaar.
In de Hydraulische verwarming stromen enorm Besparingspotentieel
Ervaring één jaar na hydraulische optimalisatie: verbruikswaarden bewijzen hoge verlaging energiekosten
Afb. 6: "De WKK-eenheid draait sinds de hydraulische optimalisatie van het systeem zonder onderbrekingen," meldt Norbert Rösner van de technische verkoopafdeling bij Richter + Frenzel in Schweinfurt. Een extra besparingseffect werd bereikt door het stroomverbruik van de pomp te verlagen.
Een jaar geleden, in uitgave 5/2007, berichtten we over de energieoptimalisatie van het verwarmingssysteem in het filiaal van de HVAC-groothandel Richter + Frenzel in Schweinfurt. De resulterende energiebesparingen na één jaar gebruik kunnen worden gekwantificeerd in viercijferige eurobedragen, zoals een analyse van de verbruiksgegevens heeft aangetoond. Volgens informatie van de systeembeheerder en de fabrikant HG Baunach, die een sleutelrol heeft gespeeld bij de hydraulische optimalisatie, heeft de systeembeheerder na één jaar ongeveer een kwart van de investering terugverdiend.
Afb. 7: Het verwarmingssysteem in het filiaal van de HVAC-groothandel Richter + Frenzel in Schweinfurt werd eind 2006 geoptimaliseerd. Er worden bijvoorbeeld hoge retourtemperaturen gebruikt voor de circuits met lage temperaturen, zoals de vloerverwarming in de badkamertentoonstelling.
De verbruikswaarden voor gas en elektriciteit in de Schweinfurt-vestiging van de HVAC-groothandel Richter + Frenzel werden gedurende twaalf maanden vanaf het moment van ingebruikname na de energiemodernisering met grote belangstelling gevolgd. De reden hiervoor was de optimalisatie van de verwarmingshydrauliek, die eind 2006 werd voltooid. Een van de doelen was om de overtollige warmte van de hogetemperatuurcircuits (luchtverwarmers, vloerconvectoren) te gebruiken voor de vloerverwarming in de showrooms en kantoren. Door de hoge retourtemperaturen leverden de hogetemperatuurcircuits (70/50 °C) nog steeds voldoende thermische energie om de lagetemperatuurverwarmingscircuits (40/30 °C) te voeden. Voor de moderniseringsplanning werden eerst de prestatiegegevens en massastromen van het bestaande systeem vastgelegd. Een systeemberekening toonde aan dat er grote warmteoverschotten waren van de hogetemperatuurcircuits. Als gevolg daarvan waren de retourtemperaturen voor de warmteopwekkers ook te hoog.
Reactie verdeeld in twee fasen
Afb. 8: De meerpoorts mengventielen rendeMIX van HG Baunach verdelen de warmte over de hoge en lage temperatuur verwarmingscircuits. De retourstroom wordt gebruikt in de richting van de lagere temperatuurbereiken. Samen met de driekamerverdeler van Magra worden lage retourtemperaturen voorzien voor de WKK-eenheid en condensatieketel.
Het bivalente warmteopwekkingssysteem bestaat uit een kleine WKK-eenheid van Senertec en een condenserende centrale ketel type MGK van Wolf Heiztechnik. Lage retourtemperaturen zijn een vereiste voor dit duo voor een energie-efficiënte werking om lange looptijden voor de WKK-eenheid en continu condenserend gebruik in de centrale ketel van 130 kW te bereiken. "Met het bestaande hydraulische systeem was het niet mogelijk om lage retourtemperaturen te bereiken en dus een effectief gebruik van de calorische waarde. Het mengen van de retourstromen van de hoge- en lagetemperatuurcircuits zou hebben geresulteerd in lauw verwarmingswater", legt Hans-Georg Baunach uit, die adviseerde bij de moderniseringsplanning. De heersende bedrijfsomstandigheden maakten ook een efficiënte verspreiding in het bestaande buffervat niet mogelijk. De vraag was echter hoe het principe van retourbenutting kon worden geïmplementeerd. Deze taak werd opgelost door het verwarmingswaterverdeelsysteem volledig te reorganiseren met de door HG Baunach ontwikkelde "rendeMIX" meerpoorts mengkleppen en een speciale Magra verdeler met een extra retourkamer (gedetailleerd projectverslag in IKZ-HAUSTECHNIK 5/2007, pagina 186 e.v., "Warmte wordt meerdere keren gebruikt in plaats van alleen maar verbrand").
Bepaling van besparingen op energiekosten op basis van een vergelijking van de bedrijfsjaren 2007 / 2005
Uitleg:
1 De energieoptimalisatie van het systeem werd eind 2006 voltooid; 2007 was dus het eerste jaar dat het systeem in bedrijf was na de modernisering. Het kalenderjaar 2005 werd gebruikt voor de kostenvergelijking, omdat de weersomstandigheden tijdens de verwarmingsperiode in 2005 en 2007 meer op elkaar leken dan in 2006 en 2007.
2 De vermindering in gasverbruik werd bereikt door
a) hydraulische uitbalancering van het gehele verwarmingssysteem (een deel van de verwarmingsenergie werd voorheen niet gebruikt)
b) Vervanging van de enkeltraps piekbelastingsketel door een modulerende gascondensatieketel
3 – 6De langere bedrijfstijden van de WKK en de daaruit voortvloeiende toename van de WKK-elektriciteitsproductie werden bereikt door de volgende maatregelen:
I. Geoptimaliseerd beheer van bufferopslag door
a) hydraulisch balanceren
b) Gebruik van het rendement door het gebruik van mengverdelers met meerdere poorten en driekamerverdelers
c) Laden en ontladen van het buffervat in twee zones met behulp van een mengverdeler met meerdere poorten
II. integratie van de piekbelastingsketel op zodanige wijze dat deze rechtstreeks in het distributienet aan de stroomzijde en niet in de bufferopslagtank wordt gevoed
7 Gasverbruik voor verwarming = totaal gasverbruik - WKK-gasverbruik voor elektriciteitsproductie
8 Ketelgasverbruik = verwarmingsgasverbruik - WKK-gasverbruik voor warmteproductie
9 De langere bedrijfstijden van de WKK om de basisverwarmingsbelasting te dekken, verminderde de bedrijfstijden van de gascondensatieketel die werd gebruikt als ketel voor de piekbelasting.
10 – 12 De verhoogde WKK-elektriciteitsproductie verlaagde de kosten voor de aankoop van elektriciteit.
13 – 16 De berekening is gebaseerd op de energieprijzen voor 2007.
17 De hydraulische optimalisatie van het hele systeem heeft de bedrijfskosten voor gas en elektriciteit met EUR 5.613,67 per jaar verlaagd.
Minder gasverbruik, maar meer elektriciteitsproductie
Het feit dat de focus zowel op de elektriciteitsmeter als op het gasverbruik lag, is te wijten aan de kleine geïnstalleerde WKK-eenheid, die zowel de basiswarmtelast dekt als elektriciteit produceert: als er voldoende lage retourtemperaturen beschikbaar zijn, worden langere bedrijfstijden van de WKK-eenheid en dus een hogere elektriciteitsproductie bereikt. De verbruikswaarden voor gas en elektriciteit, de bedrijfstijden van de WKK-eenheid en de verwarmingsketel (piekbelasting) en de opgewekte elektriciteit van de WKK-eenheid laten zien welk effect de energieoptimalisatie heeft gehad. Wolfgang Mika, verkoopmanager bij de Richter + Frenzel vestiging, schat de besparingen voor het verbruiksjaar 2007 op ongeveer 5.600 euro in totaal. "Sinds de heringebruikname na de modernisering in november 2006 draait de WKK-eenheid continu en loost de condensatieketel continu condensaat. In het hele systeem heersen gedefinieerde systeemtemperaturen, en dit met minimale regeltechnische inspanning," zegt Wolfgang Mika over het resultaat van de hydraulische optimalisatie. De vergelijkende gegevens voor energieverbruik en bedrijfstijd (tabel) laten zien hoe het energieverbruik in het systeem is toegenomen en de kosten daardoor zijn gedaald. "De maatregelen die zijn geïmplementeerd om de energiekosten te verlagen waren puur gericht op de hydraulica van het systeem, met uitzondering van de vervangen pieklastboiler. Deze omvatten het hydraulisch balanceren van het systeem, het realiseren van de benutting van de retourstroom en het laden en ontladen van de bufferopslagtank in twee zones. De warmtekrachtcentrale levert nu meer dan de helft van de warmteproductie door continue werking; daarnaast wordt er ook meer elektriciteit opgewekt. De retourbenutting en het efficiënte buffermanagement bieden optimale bedrijfsomstandigheden voor de werking van de WKK-eenheid en de condensatieketel," vat Hans-Georg Baunach samen.
Download het technische artikel als PDF
