Van constant naar variabel debiet Optimalisatie van energie, comfort en kosten in verwarmingsystemen

Transcriptie

1 Van constant naar variabel debiet Optimalisatie van energie, comfort en kosten in verwarmingsystemen Door Eddy Janssen, projectleider van het onderzoeksproject thermal grid Onderzoekers aan de Universiteit Antwerpen ( en KULeuven ( pleiten voor het gebruik van variabel debiet in centrale verwarming als alternatief voor de nu gangbare concepten die gebaseerd zijn op constant debiet. Uit onderzoek blijkt dat deze manier van werken energiebesparend en comfortverhogend is, tegen vergelijkbare installatiekosten. Situering van het onderzoek De onderzoeksgroep Energie&Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit Antwerpen heeft de afgelopen jaren de haalbaarheid van variabel debiet in gebouwenverwarming onderzocht, met mogelijke applicaties in industriële systemen. Het onderzoeksproject Thermal Grid waarvan hieronder een korte samenvatting, liep in samenwerking met het Kenniscentrum Energie van de KULeuven, met een consortium van 29 bedrijven en organisaties en met de financiële steun van het IWT. Door de verbeterde isolatiekwaliteit, luchtdichtheid en ventilatiesystemen van gebouwen hebben de sterk variërende zonnewinsten en interne warmtewinsten van bijvoorbeeld elektrische toestellen een belangrijke impact gekregen op de warmtehuishouding, waardoor de warmtelast grilliger geworden is. Tegelijk is de complexiteit van hydronische installaties voor warmtedistributie in de loop van de jaren toegenomen (fig 4), terwijl de manier van aanpak vaak te wensen overlaat. Denk bijvoorbeeld aan de gebrekkige manier waarop cv-installaties worden ingeregeld. Daarom werd onderzocht of het wenselijk is om de voorregeling weg te laten door de naregeling te verbeteren. Er was in het onderzoek aandacht voor de key performance indicatoren (comfort, energie en investeringskost) en voor de praktische implicaties. Met voorregeling wordt de vermogensregeling op basis van watertemperatuur bedoeld, gerealiseerd door middel van mengschakelingen. Ze wordt meestal toegepast voor een groep van lokalen die zich min of meer gelijkaardig gedragen. Naregeling is de individuele vermogensregeling op basis van waterdebiet. Deze bestaat meestal uit zoneventielen die decentraal kunnen inspelen op de zonnewinsten en interne warmtewinsten. Gangbare systemen - probleemstelling Om te kunnen spreken over besparing, moet men definiëren met welke situatie men vergelijkt. In België is constant debiet (watertemperatuurregeling) nog erg gebruikelijk. Om vanuit één warmtebron verschillende zones apart te kunnen voorzien van de gepaste watertemperatuur, 24

2 Vaktechniek Fig 1: Drie regelniveaus: ketelregeling, voorregeling (watertemperatuur) en naregeling (waterdebiet). Fig 2: Werkingsprincipe van een mengschakeling (in het voorbeeld een actieve mengschakeling, deze behoeft geen primaire pomp). wordt gebruik gemaakt van mengschakelingen. Deze bestaat typisch uit een pomp, een mengventiel en een regelaar. Omdat het onbetaalbaar zou zijn om op deze manier elk lokaal afzonderlijk te regelen, wordt een gebouw opgesplitst in zones met een min of meer gelijkaardig gedrag, ondermeer op het gebied van zonnewinsten en interne warmtewinsten. Zo worden bij voorkeur alle lokalen met vensters aan eenzelfde gevel gegroepeerd in een verwarmingskring. In woningen is er doorgaans maar een verwarmingskring en gebeurt de watertemperatuurregeling door een feedbackregeling die rechtstreeks de brander aanstuurt. Hiervoor maakt men gebruik van een temperatuursensor in een referentieruimte. In de leefkamer waar de kamerthermostaat doorgaans opgesteld wordt, levert dit een goed comfort. Men moet echter rekening houden met afwijkende temperaturen in de andere kamers. Een te hoge temperatuur in de andere kamers door zonnewinsten en interne warmtewinsten kan worden bijgestuurd door thermostatische radiatorkranen. Anders is het wanneer er in de referentieruimte weinig of geen warmte gevraagd wordt, bijvoorbeeld als gevolg van plaatselijke interne warmtewinsten. Omdat de watertemperatuur op dat ogenblik laag is, zal het 25

3 Fig 3: Voorbeeld van een ruimtetemperatuurregeling met variabele watertemperatuur. opengaan van de thermostatische radiatorkranen in de andere kamers niet het gewenste effect hebben. Het comfortverlies dat hiermee gepaard gaat, zou (foutief) beschouwd kunnen worden als energiebesparing. Dit verklaart waarom het vergelijken van verschillende concepten op het vlak van energieverbruik alleen maar betekenis heeft wanneer ook het thermisch comfort in de vergelijking wordt opgenomen. Bij woningen wordt dit comfortverlies soms aanvaard, maar in vele toepassingen (grotere gebouwen zoals scholen of kantoren) is deze werkwijze niet bevredigend omdat gebeurtenissen in een specifiek lokaal te dominant zijn voor de ganse zone. In dergelijke gevallen wordt er gewerkt met een weersafhankelijke regeling. Dit is een feedforwardregeling waarbij de watertemperatuur en dus het vermogen geregeld wordt in functie van de belangrijkste storende invloedsfactor, met name de buitentemperatuur. Het verband tussen de gewenste watertemperatuur en de gemeten buitentemperatuur wordt de stooklijn genoemd. Dit systeem is op het vlak van comfort en energieverbruik erg gevoelig voor de juiste instelling van de stooklijn. Toch is niet altijd de nodige tijd en kennis aanwezig om de juiste stooklijn te vinden. Bovendien is de buitentemperatuur niet de enige storende invloedsfactor, waardoor deze regeling minder nauwkeurig is. Fig 4: Hybride regeling met weersafhankelijk geregelde kringen (vermogensregeling op basis van watertemperatuur) en thermostatische radiatorkranen (vermogensregeling op basis van debiet): toenemende complexiteit. 26

4 Een weersafhankelijke regeling kan worden verbeterd door ook rekening te houden met de binnentemperatuur. Zulke weersafhankelijke regeling met stooklijncompensatie is een compromis tussen weersafhankelijke en thermostatische regeling, waarbij de stooklijn verschoven wordt in functie van de afwijking tussen de gemeten en de gewenste kamertemperatuur. Het blijft een gebrekkige regeling die geen rekening houdt met de verschillen in warmtebehoeften voor de diverse lokalen. De thermostatische radiatorkranen die deze verschillen moeten opvangen, werken bovendien niet heel nauwkeurig en hebben meestal geen tijdsfunctie. Zoneventielen met servomotor en een elektronische regeling hebben veel meer mogelijkheden. Ze kosten echter ook meer, daarom werd onderzocht of de meerkost van een betere naregeling kan worden gecompenseerd door de voorregeling weg te laten. Het concept variabel debiet Fig 5: Variabel debiet (vermogensregeling uitsluitend op basis van debietregeling). Bij variabel debiet gebeurt de vermogensregeling louter op basis van debietregeling. Voor een nauwkeurige regeling gebeurt dit best voor elk lokaal of voor elke verbruiker afzonderlijk door een elektronisch gestuurd zoneventiel. Variabel debiet (figuur 5) mag niet verward worden met hybride regeling (figuur 4) waar debiet- en watertemperatuurregeling worden gecombineerd. Bij variabel debiet wordt de watertemperatuur in de aanvoerleiding eerder hoog gehouden voor een permanente beschikbaarheid van vermogen, onder andere voor een snelle opwarming of voor de productie van sanitair warm water. Variabel debiet vraagt extra aandacht voor de regelstabiliteit. Het debiet wordt immers niet alleen beïnvloed door de positie van het zoneventiel. Ongewild wordt het debiet ook beïnvloed door een veranderend drukverschil over het zoneventiel. Deze verandering is het gevolg van de positie van het zoneventiel zelf (deze invloed zit vervat in de klepautoriteit) en van de positie van de andere zoneventielen (deze invloed noemt men interactiviteit). Daarom werd onderzocht of het toepassen van een vermaasd netwerk of grid als alternatief voor de traditionele boomstructuur de drukverliezen in leidingen zou verminderen teneinde interactiviteit binnen perken te houden. Een vermaasde structuur wordt trouwens veelvuldig toegepast bij allerlei nutsvoorzieningen zoals de distributie van drinkwater, aardgas of perslucht. Waarom zou men het dan niet toepassen voor warmtedistributie? Bij een thermal grid zijn twee grids nodig: een voor de aanvoer en een voor de terugvoer. Of men nu te maken heeft met een boom- of gridstructuur, ken- 28

5 Fig 6: Boomstructuur versus gridstructuur (vermaasd netwerk). merkend aan een variabel debietsysteem is dat de warmteverbruikers geschakeld zijn tussen de aanvoer- en de terugvoerleiding. Dit laat ook toe om te werken met slechts een enkele toerentalgeregelde pomp, die bij voorkeur wordt ingesteld op constante opvoerdruk. Een laag debiet bij deellastbedrijf en de afwezigheid van kortsluitingen zoals evenwichtsleidingen levert een bijzonder lage retourtemperatuur, niet veel hoger dan de omgevingstemperatuur. Dit is gunstig voor het rendement bij condensatieketels. Een voorwaarde is wel dat de ketels kunnen werken bij lage debieten. Onderzoeksresultaten Voor dit onderzoek werden labotesten, casestudies en simulaties uitgewerkt. Het resultaat van het onderzoek is ronduit positief. In de eerste plaats is aangetoond dat variabel debiet zeer goed werkt. In vergelijking met de beste beschikbare technologie levert het de beste combinatie voor energie en comfort. Dit komt vooral omdat er lokaal per lokaal wordt geregeld. Hierdoor worden de zonnewinsten en interne warmtewinsten beter benut, en kan er sneller opgewarmd en nauwkeuriger geregeld worden. Door het kleinere debiet bij deellast is de retourtemperatuur zeer laag, wat gunstig is voor het rendement van een condensatieketel. Een lagere retourtemperatuur compenseert grotendeels de distributieverliezen die gepaard gaan met de hoge aanvoertemperatuur nodig om bijvoorbeeld. sanitair water op te warmen. Er is niet alleen de energiebesparing op het vlak van warmte. Ook de pompen verbruiken minder elektriciteit door het feit dat bij deellast het debiet lager is. Kortom een duidelijke win-win situatie Een gridstructuur biedt soms voordelen, maar is doorgaans geen vereiste voor een systeem met variabel debiet. Bovendien wordt de meerkost voor de betere naregeling gecompenseerd door het elimineren van de voorregeling. Hierdoor is de investering nagenoeg dezelfde als bij systemen met constant debiet. Door het lagere energieverbruik zijn de kosten over de ganse levensduur significant lager, waarbij systemen op basis van constant debiet veel gevoeliger zijn voor een slechte inregeling van de stooklijnen en van de debieten. De combinatie met een mengschakeling blijft mogelijk voor het geval er toch watertemperatuurregeling nodig zou zijn, zoals bij luchtgroepen en vloerverwarming het geval is. Het systeem is bovendien perfect compatibel met stadsverwarming. Dit is in België nauwelijks aanwezig, maar heeft grote perspectieven, onder andere omwille van het potentieel om restwarmte (industrie, wkk ) en hernieuwbare energie te valoriseren. Projectontwikkelaars zouden zich best voorbereiden op deze toekomstige ontwikkeling door nu al variabel debietinstallaties te bouwen omdat ze compatibel zijn met stadsverwarming. 30