Prestaties van een combinatie thermische zonnecollectoren en een warmtepomp Impact van regelstrategie en hydraulische aansluiting van doorslaggevend belang Door J. Veeken, J. Verheyen en M. Sourbron Dit artikel gaat in op het rendement van de combinatie van thermische zonnecollectoren en een warmtepomp, verbonden via een buffervat. Uit de resultaten blijkt dat een juiste hydraulische configuratie en regelstrategie van het buffervat van doorslaggevend belang zijn. De juiste verbruikstemperaturen en een aangepaste oplaadmethode kunnen de opbrengst drastisch verhogen: uit een simulatie-onderzoek bleek dat de Seasonal Performance Factor van een systeem kon stijgen van 3,72 tot 5,56. Die stijging is te danken aan een grotere zonnefractie, een beter rendement van de warmtepomp en lagere stilstandverliezen. Uit deze studie blijkt dat het buffervat een cruciale rol speelt in de goede werking van dergelijke gecombineerde systemen. Inleiding Dit onderzoek past in het streven naar systemen voor verwarming en sanitair warm water met een lagere ecologische voetafdruk. Het werd uitgevoerd in het kader van IEA Solar Heating and Cooling Programme task 44, die liep van 2010 tot 2013 met als doel de interactie tussen zonnecollectoren en warmtepomp beter te begrijpen. Zowel thermische zonnecollectoren als warmtepompen kennen een groeiende belangstelling, zowel in België als in Europa in het algemeen. Er zijn echter weinig cijfers over de prestaties van installaties waarin dergelijke technieken gecombineerd werden. Gecombineerde installaties met zonnecollectoren en een warmtepomp kunnen een interessante bijdrage leveren tot de Europese klimaatdoelstellingen. De gecombineerde installatie moet warmte leveren aan de juiste voorwaarden (figuur 1): de juiste hoeveelheid de juiste temperatuur op het juiste moment De vraag naar sanitair warm water kent typisch een piekverloop, waarbij relatief hoge vermogens en temperaturen vereist zijn (45-60 C). De verwarmingsbehoefte verloopt gelijkmatiger, aan lagere temperaturen (25-45 C). Naarmate woningen beter geïsoleerd worden, wordt de energievraag voor SWW stilaan even belangrijk als die voor verwarming. 24
Vaktechniek Figuur 1: Twee warmte-opwekkers (thermische zonnecollectoren en een warmtepomp) leveren warmte aan twee temperaturen voor verwarming en SWW. Vergeleken met klassieke fossiele brandstoffen is de warmte van warmtepompen of zonnecollectoren beperkt in hoeveelheid en vermogen. Bovendien is zonne-energie niet altijd voorhanden. Deze factoren hebben belangrijke gevolgen voor het ontwerp en regeling van zonnethermische warmtepompsystemen. De SPF (geleverde warmte ten opzichte van elektrisch verbruik) van warmtepompen varieert tussen 2,5 en 5. Zonnecollectoren hebben daarentegen een SPF van ongeveer 40 tot 100 (hoewel er ook pieken tot 250 gemeten werden). Daarom moet het gecombineerde systeem zo ontworpen en geregeld worden dat de zonnecollectoren voorrang krijgen. Omdat SWW-vraag gekenmerkt is door pieken, terwijl het aanbod van zonne-energie varieert met het tijdstip van de dag, is er een vorm van buffering noodzakelijk. Van de verschillende configuraties die opgenomen zijn in het task 44 project, concentreren we ons op de opstelling in figuur 2. Een versie van deze configuratie was opgesteld in het laboratorium, terwijl er ook een digitale uitvoering gemaakt werd in de Polysun software (figuur 2). Figuur 2: Configuratie van het systeem met zonnepanelen en warmtepomp met een buffervat, zoals ingegeven in de Polysun Designer software. 25
Simulatiemodel Tabel 1: parameters van het simulatiemodel Systeemcomponent Waarde Woning Verwarmd oppervlak (m 2 ) 140 Specifieke warmtevraag (kwh/m 2 ) 15,6 Verbruik sanitair warm water (l/dag) 140 Taptemperatuur SWW ( C) 45-55 Geothermische Warmtepomp Verwarmingsvermogen (B0/W35) (kw) 5 Lengte U bodemsonde (m) 86 zonnecollector Oppervlakte vlakcollector (m 2 ) 8,6 buffervat Inhoud (l) 512 Als tappatroon werd een gemiddeld gezinsprofiel genomen van IEA SHC Task 44. Als klimaaten bodemtype werden representatieve gegevens voor België genomen. Het buffervat van 512 liter werd ingedeeld in 12 lagen in het simulatiemodel. Het bovenste gedeelte (lagen 8-12) is bestemd voor SWW productie, het onderste deel (lagen 1-7) voor verwarming. De warmtewisselaar van de zonnecollectoren is aan de zijkant opgesteld en is met het buffervat verbonden door middel van vier aansluitingen. Zo wordt de warmte steeds gestuurd naar de laag met de overeenkomstige temperatuur (figuur 3). In het referentiegeval werd er geen aparte koude zone voorzien voor de aansluiting van het zonnecircuit. De SWW productie gebeurt volgens het doorstroomprincipe met een interne RVS spiraal van 25 m lengte en een oppervlakte van 6,45 m 2. Figuur 3: Indeling van het buffervat in het simulatiemodel. 26
Parameters van het referentiegeval In het referentiegeval wordt de SWW-productie gecontroleerd door een temperatuursensor boven in het buffervat (laag 12), met een instelwaarde van 55 C en een dode zone van +1/+5 C. Concreet betekent dit dat de warmtepomp opstart als de temperatuur in laag 12 lager is dan 56 C en stopt bij een temperatuur van 60 C. De regeling van de verwarming is analoog met die van het SWW, maar dan met een sensor in laag 7, een insteltemperatuur van 35 C en een dode zone van +1/+5 C. De SWW productie heeft voorrang op de verwarming. In de simulatie is er geen klokschakeling die de SWW productie zou beperken tot specifieke uren. Zowel de regeling voor verwarming als voor SWW is constant in werking. Evaluatiecriteria De prestaties worden geëvalueerd aan de hand van de Seasonal Performance Factor (SPF). Dat is de geleverde thermische energie voor verwarming en sanitair warm water, gedeeld door de elektrische energie voor de aandrijving van de warmtepomp en circulatoren. Die factor houdt rekening met alle elektrische verbruikers in het systeem (compressor van de warmtepomp en de circulatoren voor de zonnecollectoren, de warmtepomp en de bodemsonde): Om de installaties correct met elkaar te kunnen vergelijken, wordt er nagegaan of ze het gevraagde comfort voor warm water en verwarming kunnen leveren. Bovendien werd er een parameter beschikbaarheid gedefinieerd. Die geeft aan hoe lang het systeem SWW aan de gewenste temperatuur kan leveren, als maat voor het gebruikerscomfort warm water. Bij alle simulaties wordt aan de warmtevraag voor verwarming voldaan. Thermisch comfort is dus geen probleem. Daarom wordt dit criterium verder buiten beschouwing gelaten. Parameters van de hydraulische aansluiting, regeling en simulatie De prestaties van het systeem werden in verschillende stappen verbeterd, door de hydraulische aansluiting en de regeling aan te passen. Het is belangrijk om op te merken dat er aan de dimenionering van de installatie niets werd veranderd. Tabel 2: Aanpassingen van de parameters van hydraulische aansluiting en regeling voor een beter rendement Aanpassing Configuratie van het buffervat Warmtepomp Warmtepomp Buffervat naar SWW laag naar verwarmingslaag naar verwarming Laag in - Volume Laag in - Volume Laag in - Volume laag uit (liter) laag uit (liter) laag uit (liter) Referentie 12-8 216 4-1 176 7-4 161 1 12-8 216 4-1 176 7-4 161 2 12-8 216 7-4 161 6-4 121 3 12-8 216 7-4 161 6-4 121 4 12-8 216 7-4 161 6-4 121 5 12-9 176 7-4 161 6-4 121 6 12-10 135 7-4 161 6-4 121 28
Vaktechniek Deze stappen waren als volgt: Correctie van een regelfout waarbij de warmtepomp opstartte wanneer ofwel verwarming ofwel SWW nodig was (OF functie), maar pas uitschakelde wanneer er geen van de twee vereist was (EN functie). Verder werd de regeling aangepast van een hysteresisregeling op één laag naar een regeling op twee lagen met een insteltemperatuur. Vermindering en verschuiving van het volume voor verwarming naar lagen 7-4 (161 liter in plaats van 296 liter) Sturing van het buffervolume voor verwarming met een stooklijn in plaats van een vaste insteltemperatuur. Verlaging van de insteltemperatuur van SWW van 55 C naar 50 C Verminderen van het volume voor SWW tot lagen 9-12 (176 l in plaats van 216 l) Vermindering van het volume voor SWW tot lagen 10-12 (135 l in plaats van 216 l) Tabel 2 toont de impact van de ingrepen op het buffervolume. Analyse van de resultaten Algemeen overzicht De verbetering van het seizoensrendement is opvallend (figuur 4). De SPF van het systeem stijgt van 3,72 naar 5,56, zonder dat er wijzigingen zijn aangebracht aan de voornaamste systeemcomponenten, zoals het collectoroppervlak of het buffervolume. De enige wijzigingen betroffen de hydraulische aansluiting en regelparameters. We overlopen even de verschillende stappen om het effect op het gedrag van het systeem te verklaren. GROHE SMART GROOTSTE LOYALITEITSPROGRAMMA VOOR INSTALLATEURS REGISTREER NU OP GROHESMART.COM 1. SCAN DE QR-CODE 2. VERZAMEL PUNTEN -4č) )'5%*'0-'0 SMART INFO 235 SCAN DEZE QR-CODE EN ONTVANG 25 WELKOM-SMARTS 29
Figuur 4: Algemeen overzicht van de simulatieresultaten, met SPF en elektrisch verbruik van de systemen. Fouten in de regeling corrigeren Het referentiesysteem bevatte een fout in het regelalgoritme waardoor het volledige buffervat werd opgewarmd totdat het setput voor SWW was bereikt (laag 12 op 60 C). Dat gebeurde ook indien er alleen de lagen voor verwarming (laag 4 tot 1 in dit geval) moest opgewarmd worden tot het verwarmingsetpunt (laag 4 op 40 C). Deze fout werd gecorrigeerd. Bovendien werd de regeling voor warm water en verwarming aangepast. In plaats van te werken met één temperatuurvoeler per zone, respectievelijk in laag 12 voor SWW en laag 4 voor verwarming, werden er twee voelers per toepassing aangebracht, telkens in de onderste en bovenste laag van elke zone (12 en 8 voor SWW, 4 en 1 voor verwarming). Zo wordt de hele laag beter opgewarmd. Dat vergt wel een extra investering in voelers en regeling. Deze aanpassingen tonen het belang van een correct uitgewerkte regeling aan: de SPF van het systeem stijgt van 3,7 naar 4,3, en het elektrisch verbruik van de installatie daalt met 15% van 1182 kwh tot 1008 kwh. Figuur 5: Temperatuurniveaus in het buffervat in het referentiegeval, met fout in de regeling. 30
Figuur 6: Het effect van een koude zone voor de afgifte van de zonnecollector op het temperatuurprofiel in het buffervat voor 5-6 februari. Voldoende koud volume voorzien voor de zonnecollectoren en de zone voor verwarming beperken In de referentie-opstelling wordt het bovenste deel van het buffervat verwarmd voor SWW, terwijl het onderste deel op temperatuur wordt gehouden voor verwarming via de aansluiting van de warmtepomp voor verwarming onderaan de tank. De warmtewisselaar van de zonnecollectoren onderaan in het buffervat staat dus altijd in contact met warm water, wat de opslag van zonnewarmte hindert. Dit probleem werd opgelost in de tweede aanpassing, met een koude zone in het onderste deel van het buffervat, zodat de warmtewisselaar van de zonnecollector er zijn warmte aan kon af- 32
Figuur 7: Verminderde beschikbaarheid van SWW door verkleining van de SWW-zone in het buffervat. geven. Het buffervolume voor verwarming werd verminderd van de zone van laag 7-1 tot de zone van laag 7-4 (van 296 liter tot 161 liter) Figuur 6 toont het effect van aanpassing 1 op het temperatuurprofiel in het buffervat op twee typische winterdagen, allebei met een significante periode zonneschijn. Het bovenste deel van figuur 6 toont systeem 1, terwijl het onderste deel de aangepaste installatie toont. De gemiddelde temperatuur in het vat daalt, terwijl er meer zonnewarmte werd opgeslagen: 17 kwh tegenover 15,4 kw, een toename met 10%. Op jaarbasis neemt de zonnefractie (het aandeel van zonnewarmte in de totale verwarmingsbehoefte) toe van 45,2% tot 45,7 %. Hoewel de impact op jaarbasis eerder beperkt is, toont dit voorbeeld het effect van de ingreep op koude dagen met weinig zonneschijn. De installatie kan meer zonnewarmte opvangen, wat resulteert in een stijging van de SPF van 4,3 naar 4,8. Het elektriciteitsverbruik vermindert met 11%. Deze verhoging is niet alleen een gevolg van een hogere zonnefractie, maar ook van 2% lagere stilstandsverliezen en vooral door een stijging van de SPF van de warmtepomp, door gemiddeld lagere buffertemperaturen. De SPF van de warmtepomp alleen stijgt van 3,5 naar 3,9. Deze maatregel heeft geen invloed op de prestaties in verwarming of SWW-comfort van het systeem. Regeling met stooklijn In de derde aanpassing werd niet langer gewerkt met een vaste insteltemperatuur van 35 C voor het verwarmingswater, maar met een stooklijn. Dat deed de gemiddelde temperatuur van het buffervat opnieuw dalen, en verhoogde de SPF van de hele installatie tot 4,9. De stilstandsverliezen van het buffervat verminderen met nog eens 4% en de SPF van de warmtepomp zelf haalt dan 4,3 in plaats van 3,9. Volume en temperatuur van SWW De laatste drie aanpassingen betroffen de SWW parameters. Eerst werd de insteltemperatuur verminderd van 55 C tot 50 C. Dat verhoogde de SPF tot 5,4. Door in de laatste twee aanpassingen het opslagvolume voor SWW te verminderen, kwam de SPF van het systeem uiteindelijk op 5,56. Daarbij bereikt de SPF van de warmtepomp zelf 4,7, met een zonnefractie van 48,7%. De stilstandsverliezen zijn nog eens 6% lager dan bij de tweede aanpassing, waarbij een koud volume voor de zonnecollectoren werd geïntroduceerd. Bij deze laatste ingreep moeten er twee opmerkingen gemaakt worden. De oorspronkelijke insteltemperatuur van 55 C was gekozen om legionella te vermijden, hoewel er geen wettelijke verplichting daartoe is voor residentiële toepassingen. Een temperatuur van 50 C verhoogt dus wel het risico op bacteriegroei. 34
Verder betekent het kleinere volume voor SWW productie dat er een beetje minder SWW beschikbaar is. Dat is vooral zo in de winter bij lage bezonning (figuur 7). Men moet dus voorzichtig zijn om deze ingreep door te voeren, omdat het SWW comfort eronder kan lijden. Het hogere rendement moet dus afgewogen worden tegenover een eventueel gebrek aan comfort. Conclusie De simulatie toonde duidelijk hoe groot de invloed is van het buffervat op het algemene systeemrendement. Zonder te raken aan de basisparameters van het systeem, zoals het vermogen van de warmtepomp, oppervlakte van de zonnecollectoren of het volume van het buffervat, kon men toch de SPF laten stijgen van 3,72 in het referentiegeval naar 5,56 in het geoptimaliseerde systeem. Dat werd bereikt door de hydraulische aansluitingen van het buffervat aan te passen, de zones binnen het buffervat voor verwarming en SWW aan te passen, en de regeling en temperatuurinstelling te wijzigen. Voor het ontwerp en installatie is het van belang dat er altijd een koud volume in het buffervat is om de opbrengst van de zonnecollectoren te maximaliseren. Die hebben immers een veel hoger rendement dan de warmtepomp. Verder moet de menging van de lagen aan verschillende temperaturen vermeden worden, en moet men zo weinig mogelijk volume aan hoge temperatuur opslaan. Bij dat laatste moet men er wel op letten dat het comfort niet in het gedrang komt. E r P ready 2015 E r P ready 2015 State-of-the-art technologie! Een breed scala van hoog rendement circulatiepompen beschikbaar, voor meer informatie contacteer uw groothandel of AUBIA nv tel 068 55 13 28, mail : info@aubia.be INFO 85 36