Thermal Grid TEchnologie TRAnsfer IWT Project nr. 100189 1) Karel de Grote-Hogeschool Antwerpen vzw 2) Katholieke Hogeschool Kempen Opleidingen Master in de Industriële Wetenschappen GBS Bus Communicatie met GBS PI Lokale regeling Thermal Grid
Samenvatting Ondanks technologische innovaties op componentniveau vindt men weinig verwarmingssystemen die als geheel optimaal werken. Het complexe samenspel tussen de componenten in een vertakt hydraulisch distributienetwerk met variërende temperaturen en debieten leidt vaak tot comfortproblemen, energieverlies en dure ingrepen om deze problemen aan te pakken. Het innoverende Thermal Grid concept dat hier wordt voorgesteld, gaat uit van een verbeterde naregeling (PID-regeling met tijdsturing) zodat de voorregeling (doorgaans mengschakelingen) kan worden geëlimineerd. De traditionele vertakte boomstructuur wordt vervangen door een thermisch net (Thermal Grid) dat opgebouwd is uit twee matrix-structuren op quasi uniforme potentialen: één op hoge druk en temperatuur voor de aanvoer- en één op lage druk en temperatuur voor de retourzijde. Tussen aanvoer- en retourzijde komt een parallelschakeling van verwarmingselementen, waarbij elke groep (één groep per verwarmde ruimte) voorzien is van een PID-geregelde debietregeling. Het Thermal Grid concept is echter nog niet getest. De onderzoeksgroep wil aantonen dat het heel wat voordelen biedt: redundantie, een hoger thermisch comfort, minder energie- en onderhoudskosten en dit alles voor een lagere investering. Daarom zal het Thermal Grid concept in een Proof of Concept op technisch, energetisch en economisch vlak worden vergeleken met de best beschikbare technologieën (BBT) zoals ze uit het onderzoek VALID (TETRA nr. 070106) naar voor zijn gekomen. Hiervoor zal de expertise van KdG (thermo-hydraulische simulatie van verwarmingsinstallaties) en KHK (thermische simulatie van gebouwen en verwarmingselementen) worden samengebracht voor de ontwikkeling van simulatiemodellen voor het geheel van gebouw en installatie. Deze zullen ter validatie worden toegepast op drie testcases. Het doel is ervoor te zorgen dat de doelgroep bouwheren kan beschikken over bedrijfszekere verwarmingsinstallaties die comfort bieden voor minder energie en lagere kosten. Bedrijven uit de sector (ontwerpers, installateurs en leveranciers van componenten) zullen worden ondersteund bij hun voortrekkersrol in de snel evoluerende en complexe verwarmingstechnologie. Daarvoor zullen de onderzoeksresultaten worden beschreven in een disseminatierapport om te duiden op de haalbaarheid van het concept, en een ontwerphandleiding waarmee ontwerpers direct aan de slag kunnen. De gevalideerde simulatiemodellen zullen onder de vorm van cursussen worden onderwezen aan ontwerpers. De gevalideerde simulaties zullen vergeleken worden met de EPBrekenregels, in een streven om de invloed van distributienetten en regeling nauwkeuriger in rekening te kunnen brengen.
1. Probleemstelling opportuniteit Centrale verwarmingsinstallaties kenden de laatste decennia een aantal opmerkelijke evoluties op componentniveau. Toch vindt men in de praktijk weinig verwarmingssystemen die als geheel optimaal werken. Hydraulische problemen en onbalansen leiden zeer dikwijls tot comfort- en energieverlies. Voor het distributienet houdt men vast aan de traditionele boomstructuur (fig. 1), die men bij middelgrote tot zeer grote verwarmingsinstallaties opdeelt in zones, waarbij de voorregeling zorgt voor een aangepaste temperatuur (of debiet) voor de verschillende verwarmingszones. De naregeling ter hoogte van de verwarmingselementen (radiatoren, convectoren, ) corrigeert het thermisch vermogen door in te werken op het debiet (vb. autonoom werkende thermostaatkranen of 2-wegventielen met thermische motor). Een toenemende graad van variabel debiet gaat in dergelijke vertakte hydraulische netwerken echter gepaard met variërende drukverschillen over de regelkranen waardoor de regelbaarheid (snelheid, stabiliteit, nauwkeurigheid) van de totale verwarmingsinstallatie aanzienlijk kan afnemen. Dit verklaart het toenemend gebruik van drukgecompenseerde ventielen en automatische inregelkranen. Deze oplossing verhoogt echter naast de complexiteit en de kostprijs van het systeem ook de drukval die door de pompen moet worden overwonnen. De variërende drukverschillen en de daaruit voortvloeiende interactiviteit van de regelkranen wordt vaak opgevangen door het gebruik van hydraulische kortsluitingen (evenwichtsfles, evenwichtsleiding). Helaas doet deze maatregel de retourtemperatuur in veel gevallen oplopen, met als gevolg dat het rendement van condensatieketels of andere warmtegeneratoren daalt. Het Thermal Grid concept (fig. 2) is een innovatieve configuratie waarmee de onderzoeksgroep Energie & Duurzame Ontwikkeling (E&DO) al ervaring heeft opgedaan in een industriële koeltoepassing (simulatie, realisatie) maar waarvan we de toepasbaarheid voor gebouwenverwarming in dit project willen onderzoeken. In deze nieuwe configuratie wordt de prestatie van de naregeling verbeterd (PID-regeling, tijdsturing, ) zodat de voorregeling kan worden geëlimineerd. Om grote drukvariaties te vermijden, wordt de boomstructuur vervangen door een thermisch net (Thermal Grid) dat opgebouwd is uit twee -structuren op quasi uniforme potentialen: één op hoge druk en temperatuur voor de aanvoer- en één op lage druk en temperatuur voor de retourzijde. Boomstructuur Thermal GRID Figuur 1. Figuur 2. De vermaasde structuur van het Thermal Grid netwerk kan men het best vergelijken met die van openbare distributienetten zoals drinkwater, elektriciteit, stadsverwarming en computernetwerken. Zelfs het menselijk haarvatenstelsel is op deze manier opgebouwd (fig. 3). Figuur 3
2. Expertise In het kader van het VALID-project (TETRA nr. 070106) werd door de onderzoeksgroep Energie & Duurzame Ontwikkeling (E&DO) aan de KdG een gedetailleerd thermisch-hydraulisch installatiemodel ontwikkeld (HYSOP HYdronic Simulation and Optimization ). De inzichten uit de simulaties en veldmetingen in bestaande distributienetwerken hebben geleid tot de hierboven voorgestelde innoverende configuratie voor de warmtedistributie: het Thermal Grid concept. Naast het gedetailleerde installatiemodel is het gebouwmodel dat E&DO gebruikt vrij rudimentair. Het KennisCentrum Energie (KCE) van de KHKempen is vertrouwd met gebouwsimulatiemodellen. Door beide modellen aan elkaar te koppelen, wordt het mogelijk om de interacties tussen installatie, gebouw en gebruiker in al zijn facetten te bestuderen. Bovendien wordt door de samenwerking de expertise van beide onderzoeksgroepen gebundeld op het vlak van simulaties en metingen in situ om het Thermal GRID concept te onderzoeken, wat meer garanties biedt om een degelijke Proof of Concept af te leveren. 3. Doelgroep De directe doelgroep met wie in de eerste plaats gecommuniceerd zal worden, zijn studiebureaus en installatiebedrijven die grote systemen ontwerpen en realiseren. Verder zijn fabrikanten van installatiecomponenten een geïnteresseerde doelgroep aangezien het voor hen erg belangrijk is om de innovaties in hun sector te volgen en zodoende hun producten af te stemmen op de heersende noden. De indirecte doelgroep zijn de bouwheren die gebaat zijn bij betere installaties die meer comfort kunnen leveren voor een lagere kost.
4. Innovativiteit Verwarmingsinstallaties kenden de laatste decennia een aantal opmerkelijke evoluties op componentniveau: Regeltechniek is lang geen beperkende factor meer. Regelaars communiceren via bus-protocol met sensoren en actuatoren. Draadloze communicatie is in opgang (Honeywell, z-wave protocol Danfoss). Het Gebouw Beheer Systeem (GBS) vereenvoudigt de bediening. Regelaars en GBS systemen behoren tot het gamma van Siemens, Honeywell, Johnson Controls 2-weg regelafsluiters met elektrische aandrijving (servo- en thermische motoren) voor modulerende regeling maken PI-regeling op eindunits mogelijk (Belparts, Siemens, Danfoss, Nathan ). Eventueel kunnen drukgecompenseerde ventielen gebruikt worden voor een betere klepautoriteit (Belparts: Dynamx, TA: KTM, Danfoss: AB-QM, Nathan: Cocon Q ). Condensatieketels hebben de efficiëntielimieten benaderd (Remeha, Viessmann, Buderus, ). Ketels met grote waterinhoud zijn inzetbaar bij sterk uiteenlopende debieten. Het toerental van pompen kan worden aangestuurd door een extern stuursignaal afkomstig van bvb. de centrale regeling. Maar ook interne pomplogica biedt tal van mogelijkheden om de opvoerdruk van de pomp te beheersen (Wilo, Gundfoss: p constant, leidingscompensatie, auto-adapt, ). Complexe interacties van componenten maakt dat meer dan de helft van de gebouwen kampt met hydronische problemen en onbalansen die leiden tot comfort- en energieverlies. Omdat installaties worden ontworpen voor vollast-condities, is vooral het deellast-gedrag de vervelende onbekende. Die onzekerheid maakt dat studiebureaus vasthouden aan traditionele configuraties. De mogelijkheden van bovengenoemde installatiecomponenten en ontwikkelingen worden daardoor onvoldoende benut. Daarentegen is het Thermal Grid netwerk zoals in A1 beschreven, een innoverende hydronische configuratie die het potentieel van de verschillende installatiecomponenten maximaal benut. Tot op heden werd het enkel toegepast in een zeer beperkt aantal koelinstallaties (Alpro, Procap) met zeer goede ervaringen op het vlak van regelbaarheid en energie-efficiënte. De toepassing in centrale verwarming is nieuw en zal ongetwijfeld gepaard gaan met bijkomende innovaties om tegemoet te komen aan specifieke noden. Verlaagde investering en onderhoudskosten: Zonder voorregeling vervalt een erg duur onderdeel (minder pompen, inregelkranen ). De stookplaats wordt aanzienlijk kleiner en het onderhoud ervan goedkoper. Verlaagd energieverbruik: Mengschakelingen en verdeelschakelingen, waarbij waterstromen met verschillende temperatuur worden gemengd, worden zo veel mogelijk vermeden. Tussen aan- en afvoergrid worden enkel debietgeregelde verwarmingselementen geschakeld, zodat de retourtemperatuur daalt en het rendement van de warmteproductie toeneemt. De gewenste temperatuur is voor elke afzonderlijke ruimte vrij programmeerbaar. Op deze manier kan men veel beter inspelen op onregelmatige bezetting of toevallige warmtewinsten (zon, personen ) en stijgt het regelrendement. De eenvoud van het concept en de afwezigheid van een voorregeling verlaagt de kans op conceptuele en energieverspillende ontwerp- en inregelfouten. Door de matrix-structuur van het distributienet vermindert het drukverlies in de leidingen en dus ook het benodigde pompvermogen. Bovendien zijn er veel minder maar iets grotere pompen nodig, met hierdoor een beter pomprendement en meer regelmogelijkheden. Het elektriciteitsverbruik daalt. Verhoogd comfort: Door de betere naregeling neemt het comfort toe (geen te lage ruimtetemperatuur), met minder energie (geen te hoge ruimtetemperatuur). De gewenste temperatuur kan voor elke ruimte afzonderlijk ingesteld worden, zonder daarbij afhankelijk te zijn van de voorregeling. Het Thermal Grid netwerk voorziet meerdere stroompaden voor het warme water om de eind-units te voeden. Mits voldoende afsluiters is het mogelijk om verbruikers af te zonderen voor werkzaamheden zonder dat andere ruimtes daarvan hinder ondervinden. Bovendien is het eenvoudiger om het netwerk uit te breiden. Het netwerk is redundant en flexibel.