Deellastgedrag van een koelbatterij in een Nederlands klimaat

Transcriptie

1 Deellastgedrag van een oelbatterij in een Nederlands limaat In een eerder artiel [1] is een nieuwe wijze gepresenteerd waarmee de waterzijdige prestaties van een oelbatterij in niet-ontwerpcondities weergegeven unnen worden. Het blee dat het waterzijdig temperatuurverloop in deellast niet altijd stijgt zoals algemeen verondersteld wordt. Dit wordt nu verder toegelicht door een heel jaar te beijen in een Nederlands limaat. De euze van de water- en luchttemperaturen blijt van grote invloed op het waterzijdig temperatuurverschil in deellast en an zelfs leiden tot een uitsluitend ongewenst dalend arater. De resultaten worden verwert in een temperatuurverschil-duurromme. en slotte wordt het gemiddeld gewogen temperatuurverschil bereend, waarmee de benutting van een warmte- en oudeopslagsysteem (WKO) bereend an worden. Ir. A.H..M. (Alet) van den Brin, Kropman Installatietechnie, afdeling Ontwerp en echnie; ir. G. (Gert) Boxem en dr.ir. A.W.M. ( Jos) van Schijndel, echnische Universiteit Eindhoven -Figuur 1- Lijnen van constante waterzijdige temperatuurverschillen van oelbatterij no.1 voor ontwerpen niet-ontwerpcondities, smoorschaeling In het eerste artiel [1] is figuur 1 weergegeven met de (contour) lijnen van constante waterzijdige genormaliseerde temperatuurverschillen. Deze vormen het verband tussen het genormaliseerde vermogen P en het genormaliseerde waterdebiet. wee conclusies zijn dat (I) er geen eenvoudig verband is tussen het oelvermogen en het waterzijdig temperatuurverschil en (II) het waterzijdig temperatuurverschil in deellast niet uitsluitend stijgt (gebied 3) zoals in ISSO-publicatie Dit artiel maat deel uit van een serie van artielen waarbij bij de huidige ennis van waterzijdige systemen wordt aangevuld 24 VVL Magazine KOELECHNIEK

2 47 wordt weergegeven. Figuur 1 geeft een breed beeld van de mogelije combinaties van intredende luchttemperaturen en vochtgehalten van oelbatterij no.1 (zie tabel 1 en 2) in de luchtbehandelingsast. Echter, in het wisselende Nederlands limaat omt slechts een deel van de combinaties voor met verschillende frequenties. Alleen aan de hand van figuur 1 an geen uitspraa gedaan worden over enmeren van het waterzijdig temperatuurverschil over het gehele jaar. De doelen zijn: het inzicht in het deellastgedrag van een oelbatterij verder te vergroten, een handvat aan te reien om vast te stellen of een stijgend of dalend waterzijdig temperatuurverschil optreedt en een engetal aan te reien dat gebruit an worden bij het ontwerpen en analyseren van geoeldwaterinstallaties. De resultaten zijn genormaliseerd met behulp van het nominale vermogen P nom [W], het nominale waterzijdig temperatuurverschil (θ uit,nom ) [K] en het nominale waterzijdig debiet,nom [g/s], alle bij de ontwerpconditie. Deze genormaliseerde grootheden worden als volgt bereend: Koelbatterij no.1 Koelbatterij no.2 Debiet (lucht) V a 0,93m³/s 0,93m³/s Debiet (water),nom 1,15g/s 1,12g/s Luchtintredetemperatuur θ a,in 28 C 28 C Luchtuittredetemperatuur θ a,uit 15 C 11,47ºC Vermogen P nom W W Vochtgehalte, uittrede x a,uit 9,6g/g 8,4g/g Vochtgehalte, intrede x a,in 14,3g/g 14,3g/g Waterintredetemperatuur θ in,nom 6 C 9 C Wateruittredetemperatuur θ uit,nom 11,8 C 16,6 C -abel 1- Ontwerp oelbatterijen Koelbatterij no.1 Koelbatterij no.2 Breedte oelbatterij 0,61 m 0,61 m Hoogte oelbatterij 0,61 m 0,61 m Aantal rijen 4 12 Rijafstand 32,8 mm 32,8 mm Aantal circuits Buitendiameter buis 7 mm 7 mm Binnendiameter buis 6 mm 6 mm Aantal vinnen 433 m m -1 Dite vin 0,165 mm 0,165 mm Vervuilingsweerstand 0 m².k/w 0 m².k/w Materiaal buis oper oper Materiaal vinnen aluminium aluminium -abel 2- Fysiee afmetingen oelbatterijen P P / P nom P het genormaliseerde dimensieloos vermogen P het bereende totaal vermogen van de luchtintredeconditie [W] P nom het totaal vermogen onder ontwerpcondities [W]. (θ uit ) / (θ uit,nom ) het genormaliseerde waterzijdige temperatuurverschil θ uit de wateruittredetemperatuur [ºC] θ in de waterintredetemperatuur bij de luchtintredeconditie [ºC] θ in,nom de waterintredetemperatuur onder ontwerpcondities [ºC] θ uit,nom de wateruittredetemperatuur onder ontwerpcondities [ºC] /,nom het genormaliseerde waterzijdige debiet het bereende debiet [g/s],nom het debiet onder ontwerpcondities [g/s]. Oftewel, voor de intredeconditie geldt: P 1. Daarnaast wordt het gemiddelde genormaliseerde waterzijdig temperatuurverschil avg over een periode van n uren bereend: avg n 1 n het waterzijdig temperatuurverschil op tijdstip n het aantal uren gedurende het jaar waar oelenergie wordt afgenomen. Dit waterzijdig temperatuurverschil avg is toepasbaar bij oelmachines. Bij het gemiddeld gewogen waterzijdig temperatuurverschil m wordt voor thermische opslagsystemen (WKO) het gemiddeld temperatuurverschil gecorrigeerd voor het debiet en geeft het gemiddelde temperatuurverschil van de warme bron op jaarbasis. n q m 1 m n q m 1. het momentane debiet het momentane temperatuurverschil op tijdstip voor n waarden. Dit temperatuurverschil is gerelateerd aan de ontwerpwaarde waarbij de waarde van m 1 overeenomt met het waterzijdig temperatuurverschil in vollast. De algemene verwachting is dat deze waarde groter wordt, omdat de retourwatertemperatuur in deellast stijgt [4]. In [1] is reeds besproen dat de retourwatertemperatuur niet uitsluitend stijgt en de invloed op de gemiddelde temperaturen van het water op jaarbasis wordt hier besproen. De ontwerpintredeconditie bedraagt 28 C/60% (x in,nom 14,3g/g) bij een constante luchtdru van 101,325Pa. In dit artiel wordt gebrui gemaat van de uurlijse data van het limaatjaar 1964/1965 (1 april maart 1965), van het meetstation De Bilt [3]. OELICHING GRAFIEKEN In het eerste artiel zijn de algemene prestaties van een oelbatterij weergegeven in het Mollier-diagram. Hierin is weergegeven hoe de oelbatterij presteert in ontwerp en niet-ontwerpcondities voor een breed scala VVL Magazine KOELECHNIEK 25

3 van mogelije luchtintredecondities. Voor het specifiee Nederlandse limaat geeft dit geen goed beeld. Niet ele luchtintredeconditie omt voor. Zo is een luchtintredeconditie van 30 C/20% niet reëel maar een luchtintredeconditie van 18 C/80% wel. Daarnaast bezit het Mollier-diagram geen tijdselement. Zo wordt de ontwerpconditie gedurende <1% van de tijd overschreden maar omt een intredetemperatuur van 18 C veel vaer voor. Om deze redenen is het Mollier diagram voor het specifiee Nederlandse limaat niet geschit om de jaarlijse waterzijdige enmeren weer te geven. Daarom worden de genormaliseerde waterzijdige debieten en genormaliseerde temperatuurverschillen als functie van het totaal oelvermogen P uitgezet tegen de achtergrond van drie typische temperatuurverschillen in deellast, zoals te zien in figuur 2 [2]. De lijn Favorable geeft het gewenste temperatuurverloop en zorgt voor een dalend debiet, een stijgend temperatuurverschil en omt overeen met het stijgend vermogen bij een dalende lucht-intredetemperatuur van de condensor. Bij de lijn Constant blijft het temperatuurverschil constant bij een dalende vermogensvraag, waardoor het debiet stijgt ten opzichte van het Favorable verloop bij gelije vermogens. De lijn Unfavorable geeft een dalend temperatuurverschil bij een dalende vermogensvraag die niet wenselij is. Hierdoor stijgt het debiet en het energiegebrui van de circulatiepompen verder ten opzichte van de lijn Constant en functioneren de oelmachines gedwongen in deellast [2]. er verduidelijing, in alle gevallen daalt het debiet in deellast ten opzichte van de vollastconditie. De lijnen zijn bepaald uit metingen aan limaatinstallaties in de Verenigde Staten [2]. In dit artiel wordt inzicht gegeven in de waterzijdige enmeren voor ontwerp en niet-ontwerpcondities van de oelbatterij voor het Nederlands limaat. Hiervoor wordt een variantenstudie uitgevoerd op basis van water- en luchtzijdige temperaturen onder ontwerpcondities bij een constante luchthoeveelheid, waterintredetemperatuur en luchtuittredetemperatuur van twee oelbatterijen. KOELBAERIJ NO.1 Nederlands limaat met constante luchtuittredetemperatuur De waterzijdige temperatuurverschillen (blauw) en debieten (groen) worden op de verticale as weer gegeven als functie van het oelvermogen P op de horizontale as. Voor oelbatterij no.1 wordt voor het Nederlandse limaat dit weergegeven in figuur 3 voor een 24/7 bedrijf bij een constante luchtuittredetemperatuur θ a,uit,set van 15ºC en bij toepassing van de smoorschaeling, module 6 [4]. De volgende aandachtspunten worden benoemd. Gedurende circa 65% van de tijd is het afgenomen vermogen P<0,2 (20% van het ontwerpvermogen), gedurende circa 85% van de tijd is P<0,4 en gedurende 0,5% van de tijd is P>1. Dit onderstreept het belang om het waterzijdig gedrag in deellast goed te ennen. Het verloop van het temperatuurverschil met een typische V-vorm, wordt veroorzaat door de variabele warmteoverdrachtscoëfficiënt van het water op de binnenzijde van de buis. Het minimum temperatuurverschil min 0,69 is ter plaatse waar de overgangsstroming (2.300<Re<4.000) overgaat naar laminaire stroming (Re 2.300). Hierna stijgt het waterzijdig temperatuurverschil tot een maximum om ten slotte te dalen. Het temperatuurverschil voor P0 nadert de toestand waarbij de wateruittredetemperatuur gelij is aan de luchtintredetemperatuur en gelij is aan de luchtuittredetemperatuur: θ uit θ a,in θ a,uit. Het temperatuurverschil P0 in de nullastsituatie wordt nu geschreven als: P0 θ uit / θ uit,nom 15 6 / 11,79 6 1,55 -Figuur 2- Favorable, Constant en Unfavorable waterzijdig temperatuurverschil [2] -Figuur 3- Waterzijdige temperatuurverschillen (blauw) en debieten (groen) voor oelbatterij no.1 voor de ontwerp en niet-ontwerpcondities, limaatjaar 64/54 De Bilt, smoorschaeling Het maximum temperatuurverschil max 1,63 is groter dan P0 van 1,55. Bij een stijging van het vermogen stijgt het waterzijdig temperatuurverschil doordat de oelbatterij in tegenstroom is aangesloten. De wateruittredetemperatuur θ uit volgt een ort stuje de luchtintredetemperatuur θ a,in en stijgt van 1,55 tot 1,63. Bij een verdere stijging van de luchtintredetemperatuur daalt de wateruittredetemperatuur om het benodigde vermogen te leveren. Het temperatuurverschil heeft behoudens de daling in de typische V-vorm, een stijgende tendens bij een afnemend vermogen. Deze weergave geeft duidelij aan dat een dalend vermogen leidt tot een variabel temperatuurverschil in deellast. Voor de vermogensgebieden 0,45<P<1 en 0<P<0,15 wordt een overwegend stijgend temperatuurverschil gerealiseerd:>1. In gebieden 0,15<P<0,45 en P>1 wordt een dalend temperatuurverschil waargenomen. De gemiddelde temperatuurverschillen zijn nu afhanelij van de frequentie en de bijbehorende debieten. Het verschil tussen beide temperatuurverschillen avg en m is aanzienlij. Waar het gemiddelde temperatuurverschil avg met 1,17 groter is dan 1, is het 26 VVL Magazine KOELECHNIEK

4 gewogen gemiddelde temperatuurverschil m met 0,97 leiner dan 1. Verder is het waterzijdig debiet gedurende circa 65% van de tijd minder dan 25% van het ontwerpdebiet. In orde van grootte, dit is het minimum debiet van een toerengeregelde pomp. Een eerdere studie heeft omschreven dat zonder speciale aandacht gedurende deze tijd de warme bron te oud wordt geladen en dat de toepassing van een buffervat een positief effect heeft [5]. KOELBAERIJ NO.2 Een uitsluitend dalend arater In het voorgaande voorbeeld is gesproen over een situatie waarbij het waterzijdig temperatuurverschil in deellast varieert. In het volgende voorbeeld wordt oelbatterij no.2 (tabel 1 en 2) weergegeven, waarbij in deellast de waterzijdige temperatuur uitsluitend daalt. Dit voorbeeld geeft de typische weergave van een oelbatterij waarbij diep wordt geoeld ten opzichte van de watertemperatuur, bijvoorbeeld bij ontvochtigingsprocessen en de combinatie van hoge watertemperaturen en relatief lage luchtuittredetemperaturen. Dit zijn typisch oelbatterijen met veel rijen of een grote A-waarde [W/K]. Het resultaat is weergegeven in figuur 4 voor een 24/7 bedrijf bij een constante luchtuittredetemperatuur van 11,47ºC en een constante waterintredetemperatuur van 9ºC bij toepassing van de smoorschaeling [4]. Oo hier is de typische V-vorm terug te vinden in een weliswaar afgevlate vorm. Een dalend vermogen leidt hier uitsluitend tot een dalend waterzijdig temperatuurverschil. De conclusie is dat weergave in ISSO-publicatie 47, waarin wordt gesproen over een stijgende retourwatertemperatuur in deellast, onvolledig is. Het is dus mogelij om een oelbatterij te selecteren die in het dagelijs gebrui een uitsluitend dalende retourwatertemperatuur heeft ten opzichte van de ontwerpsituatie. Oo hier nadert temperatuurverschil voor P0 de toestand waarbij de wateruittredetemperatuur gelij is aan de luchtintredetemperatuur en de luchtuittredetemperatuur: θ uit θ a,in θ a,uit. Het temperatuurverschil P0 in de nullastsituatie wordt bereend met de gegevens uit tabel 1: P0 (θ uit ) / (θ uit,nom ) 11,47 9 / 16,6 9 0,33 De waarde voor P0 duidt het temperatuurverloop, stijgend of dalend, van de oelbatterij in deellast aan. Deze waarde wordt direct en alleen bepaald door de luchtuittredetemperatuur θ a,uit,nom en de wateruittredetemperatuur θ uit,nom in de vollastsituatie. Het dalende of stijgende arater in deellast wordt bepaald door het verschil van beide temperaturen: -Figuur 4- Waterzijdige temperatuurverschillen (blauw) en debieten (groen) van een oelbatterij no.2 voor ontwerp en niet-ontwerpcondities, limaatjaar 64/65 De Bilt, smoorschaeling positief stijgend θ a, uit, nom θuti, nom 0 negatief dalend De conclusie is dat het gewenste stijgend waterzijdig temperatuurverschil in deellast uitsluitend wordt verregen indien de wateruittredetemperatuur lager is dan de luchtuittredetemperatuur in ontwerpcondities. Het belang van het voornoemde wordt toegelicht met een voorbeeld. Bij het gebrui van oelbatterij no.2 bedraagt het gemiddeld gewogen temperatuurverschil m 0,66 en is de gemiddelde temperatuurverschil avg 0,58. Dit beteent dat een WKO-installatie die is ontworpen op het vollasttemperatuurverschil, met de hoge ontwerpwatertemperaturen en een lage luchtuittredetemperatuur, het temperatuurverschil van de ontwerpsituatie niet zal realiseren. Bij een gelije energiehoeveelheid resulteert dit in een stijgend waterdebiet ten opzichte van de verleende vergunning. Omdat de ondergrondse WKOinstallatie is ontworpen op dit debiet, is het onzeer of de gebufferde energie nog teruggewonnen an worden. Hierdoor omt naast het debiet oo de energiebalans (vergunning) onder dru te staan. Voor de eigenaar van het gebouw beteent dit dat met een energiebalans en een verpompt debiet binnen de gestelde grenzen, er minder energie gebufferd is dan waar de installatie op ontworpen is. Het verschil wordt dan vaa alleen aangevuld op een niet duurzame wijze, bijvoorbeeld met de oelmachine. Op basis van de voorgaande beschouwing, is het duidelij dat het vermogen verdeeld moet P 0 > 1 P 0 1 P 0 < 1 worden in een temperatuur- (figuur 5) en debietdeel (figuur 6). Zeer voor accumulerende systemen waarbij de temperatuurschil de basis is van een goede wering, is meer en beter inzicht noodzaelij. Hiertoe wordt de beschibare data uit figuur 4 omgevormd naar zogenaamde duurrommen. Hierin zijn horizontaal de tijd t weergegeven en vertiaal het waterzijdig temperatuurverschil respectievelij het waterdebiet weergegeven. De beide waarden zijn afzonderlij geordend op basis van grootte en de duurrommen dienen dus afzonderlij beschouwd te worden. Voor de samenhang tussen beide figuren dient figuur 4 gebruit te worden. Aan de hand van de figuren an de ontwerper zich bijvoorbeeld de vraag stellen hoe om te gaan met deze lage retourwatertemperatuur, waar de pomp het beste rendement moet hebben, wat het effect is van het minimum debiet van deze pomp en hoe het geheel past in het totale installatieontwerp. CONCLUSIE In dit artiel is het waterzijdig deellastgedrag van een oelbatterij in het Nederlands limaat besproen. Door bij het ontwerpen van geoeldwaterinstallaties uitsluitend uit te gaan van de ennis in de ISSO-publicatie 47, wordt een installatie ontworpen waarbij na realisatie een addertje onder het gras an zitten. Het dalend (θ a,uit,nom < θ uit,nom ) of stijgend (θ a,uit,nom > θ uit,nom ) arater van het waterzijdig VVL Magazine KOELECHNIEK 27

5 vollast. In het vervolg artiel worden diverse oorzaen benoemd en inzichtelij gemaat en wordt een handvat aangereit hoe dergelije afwijingen gesignaleerd unnen worden. -Figuur 5- Watertemperatuurverschil-duurromme van oelbatterij no.2, limaatjaar 64/65 De Bilt, smoorschaeling LIERAUUR 1. Brin, A.H..M. van den, Boxem, G., Schijndel, J., Een oelbatterij in nietontwerpcondities, algemene waterzijdige prestaties, VVL Magazine Bahnfleth, W.P., Peyer, E., Variable primary flow chilled water systems: potential benefits and application issues, ISSO-publiatie 47, Ontwerp van hydraulische schaelingen voor oelen, ISBN , Hazenberg, K., Koeling met lange termijn energieopslagsystemen, inzicht in dynamisch gedrag bij nelpunten met oeling, afstudeerverslag U/e, 2005 NOMENCLAUUR A Oppervlate m² Warmtedoorgangscoëfficiënt van de oelbatterij W/m².K P Vermogen W Debiet g/s Re Reynoldsgetal - t ijd h emperatuurverschil K v Luchtdebiet m³/s V Luchtsnelheid m/s x Vochtgehalte g/g θ emperatuur C -Figuur 6- Waterdebiet-duurromme van oelbatterij no.2, limaatjaar 64/65 De Bilt, smoorschaeling temperatuurverschil in deellast wordt bepaald door de wateruittredetemperatuur θ uit,nom en luchtuittredetemperatuur θ a,uit,nom van de ontwerpconditie. Omdat duurzame bronnen gebaseerd zijn op accumulatie, is een verbeterd inzicht in een temperatuurverschil van belang om de grootte van een bron te bepalen. Dit artiel geeft aan dat naast de ontwerpsituatie, vooral de deellast situatie goed beoordeeld moet worden. Om dit te ondersteunen wordt het vermogen verdeeld in een temperatuurverschil- en een debietduurromme. Met dit extra inzicht an de ontwerper een onderbouwde euze maen. VERVOLGARIKEL Dit artiel geeft inzicht in oorzaen van een dalend temperatuurverschil in deellast. Er zijn meer oorzaen die resulteren in een verlaagd temperatuurverschil in deellast maar oo in SUB-/SUPERSCRIPS a air (lucht) avg gemiddelde (average) in intrede m gemiddelde, gewogen op massa max maximum min minimum nom ontwerpconditie P0 waterzijdig genormaliseerd temperatuurverschil in de nullastsituatie prim primaire zijde sec secundaire zijde set setpoint (luchtzijdig) uit uittrede genormaliseerde waarde van Genormaliseerde waarden Koelbatterij no.1 Koelbatterij no.2 Minimum waterzijdig temperatuurverschil min 0,69 0,34 Maximum waterzijdig temperatuurverschil max 1,63 1,04 Gemiddeld waterzijdig temperatuurverschil avg 1,17 0,58 Gemiddeld gewogen waterzijdig temperatuurverschil m 0,97 0,66 -abel 3- Waterzijdige temperatuurverschillen van oelbatterijen in deellast 28 VVL Magazine KOELECHNIEK