Systeemhydrauliek voor hoge WKK-looptijd
Verwarming met restwarmte van de retourstroom
Bij de modernisering van het verwarmingssysteem in een hotelpand in Essen werd de systeemhydrauliek van het bivalente verwarmingssysteem ingesteld met een tweezone-buffermanagement en het principe van retourbenutting. Dit werd mogelijk gemaakt door het gebruik van meerweg mengverdelers voor het laden van de buffer en de toevoer van de verwarmingscircuits. Dankzij het systeemconcept met geoptimaliseerde hydraulica tussen warmteopwekking en -distributie is de pieklastketel een reserve-warmtegenerator geworden, en draait de kleine WKK-eenheid bijna de klok rond.
Figuur 1: De WKK-eenheid (midden) laadt de twee buffervaten (links) volgens het twee-zoneprincipe. De gascondensatieketel (rechts) die als pieklastketel wordt gebruikt, wordt alleen ingeschakeld als de temperatuur in de bovenste bufferzone onder de minimumtemperatuur voor sanitair waterverwarming zakt.
Het pension van het Kolping beroepsopleidingscentrum Essen beschikt over 14 tweepersoonskamers, zes eenpersoonskamers en twee appartementen op drie verdiepingen. Het hotel heeft een eigen cateringkeuken. Het verwarmingssysteem is in 2009 volledig gemoderniseerd. Het systeemconcept bestaat uit een kleine WKK-eenheid (12,5 kWth, 4,7 kWel), een gascondensatieketel voor de piekbelasting (120 kW), twee parallel geschakelde buffervaten van 500 liter en een opslagboiler voor drinkwater van 500 liter, die wordt opgeladen via een gestratificeerd oplaadsysteem (afb. 1).
Compacte informatie
De looptijd van de WKK is niet alleen afhankelijk van de potentiële grootte van het koellichaam, maar wordt ook aanzienlijk beïnvloed door de hydraulica van het systeem.
Belangrijke factoren zijn intelligent bufferbeheer en de laagst mogelijke retourtemperatuur van het warmtedistributiesysteem.
Beide functies - plus de retourtemperatuurverhoging voor de WKK - kunnen eenvoudig worden gerealiseerd met de rendeMIX multi-poort mengverdelers. Ze kunnen worden aangestuurd via standaard regelaars.
Verschillende systeemtemperaturen
De drie bestaande verbruikercircuits werken met verschillende systeemtemperaturen:
- Gemengd radiatorverwarmingscircuit: 70/50 °C
- Gemengde luchtverwarming verwarmingscircuit voor het airconditioningsysteem: 80/60 °C
- SWW-verwarming: 85/60 °C
Een van de belangrijkste planningstaken voor het ontwerp van het warmtedistributiesysteem was daarom het leveren van de juiste aanvoertemperatuur voor elk verwarmingscircuit. Bovendien moest het bruikbare buffervolume gemaximaliseerd worden om lange WKK-looptijden te bereiken. Bovendien was dit systeemconcept bedoeld om het principe van retourtemperatuurbenutting te realiseren: Als de temperatuur van de retourstroom van een verwarmingscircuit voldoende is om een ander verwarmingscircuit met een lager temperatuurniveau te voeden, moet deze warmte eerst worden benut voordat de stroom wordt aangesproken.
Figuur 2: Voor de warmteverdeling werden de meerpoorts mengverdelers van HG Baunach GmbH & Co. KG gebruikt, samen met een driekamerverdeler van Magra. De volgorde van de uitlaten van de verdeler is gebaseerd op de temperatuurgradiënt in de retourstroom in de richting van de stroom naar de ketel.
Dit werd gerealiseerd met rendeMIX multi-poort mengverdelers, die samen met een speciaal ontwikkelde driekamerverdeler (Fig. 2) zorgen voor de juiste systeemtemperaturen in de drie verwarmingscircuits. Een andere meerpoorts mengverdeler werd gebruikt als verbinding tussen de WKK-eenheid en de buffervat. Samen met een geïntegreerde regelaar met vaste waarden zorgt dit voor de noodzakelijke retourtemperatuurverhoging voor de WKK-eenheid en organiseert het tegelijkertijd de tweezonebelasting van de buffervat.
WKK dekt de warmtevraag bijna alleen
Het systeem kan op afstand worden bewaakt via de besturing van de twee warmtebronnen en de bedrijfsgegevens en looptijden worden ook gedocumenteerd. Ongeveer tien maanden na de modernisering bleek uit de bedrijfsgegevens dat de pieklastboiler slechts af en toe opstart en alleen wordt gebruikt om drinkwater te verwarmen in de zomer. Aan de andere kant overtreft de geïnstalleerde kleine WKK-eenheid duidelijk de geplande bedrijfsprestaties: de planning was gebaseerd op een jaarlijkse bedrijfstijd van 7000 uur per jaar. In werkelijkheid draait de motor echter meer dan 23 uur per dag, wat overeenkomt met een capaciteitsbenutting van meer dan 96 % en een geëxtrapoleerde jaarlijkse output van minstens 8400 h/a betekent.
Daarentegen is het gebruik van de 120 kW pieklastboiler slechts 1,4%. Deze waarde is gebaseerd op bedrijfsgegevens voor de zomermaanden (sanitair waterverwarming). Als we echter kijken naar de werking het hele jaar door, kan worden geconcludeerd dat de bedrijfstijden van de pieklastketel en de WKK-eenheid in de juiste verhouding tot elkaar staan: "Door de bufferopslagtanks te laden en te ontladen volgens het twee-zone-principe, wordt de warmtelast eerst volledig overgedragen aan de WKK-eenheid voordat de pieklastketel opstart," legt Hans-Georg Baunach uit, die verantwoordelijk was voor het ontwerp van de hydraulica van het systeem (Fig. 3).
Gebouw pension Marienstraße
Object:
- Pension Marienstraße, 45307 Essen
Exploitant:
- Kolping Beroepsopleidingscentrum Essen
- Naamloze vennootschap zonder winstoogmerk
- www.kbbw-gaestehaus.de
verwarmingssysteem:
- WKK: ecopower, 12,5 kWth / 4,7 kWel
- Condensatieketel op gas: Vaillant ecocraft 120 6/3, 120 kW
- 2 buffertanks á 500 l
- Warmwaterboiler: Vaillant actostore, 500 l, met gelaagd laadsysteem
Hydraulische planning en mengverdeler met meerdere poorten:
- HG Baunach GmbH & Co. KG
- 41836 Hückelhoven
- www.baunach.net
Laden en lossen in twee zones
-
Fig. 3: De rendeMIX die is aangesloten tussen de WKK-eenheid en de bufferopslagtank laadt de buffer op volgens het tweezone-principe en levert tegelijkertijd de retourstroomboost aan de WKK-eenheid.
Door het gebruik van drie bufferaansluitingen wordt de cilinder in twee zones verdeeld. De bovenste zone van de buffercilinder wordt eerst geladen via de multipoort mengverdeler tussen de WKK-eenheid en de buffercilinder (Fig. 4). Pas wanneer de bovenste zone volledig geladen is, wordt de onderste zone in het laadproces opgenomen. Dit betekent dat de bovenste zone een snellere bruikbare temperatuur heeft en dat de onderste zone langer koud blijft.
- Deze belasting met twee zones fungeert als terugloopboost voor de warmteopwekker, die gebruikt wordt om de basislast te dekken. Het retourdebiet naar de warmteopwekker wordt ofwel gevoed met het mengsel van warm warmtestroom van de warmteopwekker en warm water uit de middelste bufferzone (fase I) of met een mengsel van warm water uit de middelste bufferzone en koud verwarmingswater uit het onderste gedeelte van het buffervat (fase II).
- Bij een 2-zone-afvoer wordt het mengcircuit van de warmtedistributie gevoed met een mengsel van het warme water van de middelste bufferzone en het koude water van de retour van het mengcircuit (fase I) of met een mengsel van het warme water van de bovenste bufferaansluiting en het warme water van de middelste bufferaansluiting (fase II).
Principe van rendementsbenutting
- Als er overtollige warmte is in de retourstroom van het warmwater-gelaagde laadsysteem (85/60 °C), wordt het gemengde luchtverwarmingscircuit voorzien van het beschikbare temperatuurniveau. Op dezelfde manier wordt de retourstroom van het luchtverwarmingscircuit (80/60 °C) ook gebruikt voor het radiatorverwarmingscircuit (70/50 °C). Afhankelijk van de belasting wordt de warmte van de gemengde luchtverwarmingsretour rechtstreeks gebruikt voor het gemengde radiatorverwarmingscircuit via de meerpoorts mengverdeler of eraan toegevoegd. Pas als de warmte-energie van de retour niet meer voldoende is om de warmtebehoefte te dekken, gaan de mengverdelers naar de bufferopslagtanks.
-
Figuur 4: De rendeMIX multi-port mengverdelers worden aangestuurd via de standaard bediening van de warmteopwekkers.
De laagste retourtemperatuur van de warmteverdeling wordt geleverd door het radiatorverwarmingscircuit (50° C in de ontwerptoestand). Deze wordt naar een aparte, derde retourkamer van de verwarmingsverdeler gevoerd en stroomt zo apart en zonder menging terug naar de onderste zone van de buffervat.
- De meerpoorts mengverdelers hebben interne wisselaars. De verschillende watervolumes van de in serie geschakelde verwarmingscircuits worden automatisch gelijk gemaakt via de wisselaars.
- De speciaal ontwikkelde driekamerverdeler maakt deel uit van het HG Baunach programma en wordt geproduceerd door Magra.
- Alle mixeraandrijvingen worden aangestuurd door standaardregelaars met een 230 V driepuntsignaal afhankelijk van de temperatuur (Fig. 5).
Fig. 5: De rendeMIX multi-port mengverdelers verdelen de warmte en voorzien de gemengde verwarmingscircuits van hun respectievelijke systeemtemperaturen. Hoge retourtemperaturen worden gebruikt voor de verwarmingscircuits met de lagere systeemtemperatuur. Samen met de driekamerverdeler worden lage retourtemperaturen voorzien voor de WKK-eenheid en condensatieketel.
Samenvatting
Een groot buffervolume met een hoge bruikbare temperatuur is constant beschikbaar voor de verwarmingscircuits dankzij het laden en ontladen in twee zones. Het retourgebruik zorgt voor lage retourtemperaturen en dus lange looptijden voor de WKK-module. Het moet ook vermeld worden dat de regeling van de WKK-eenheid en de condensatieketel niet onderling vergrendeld zijn. Deze besturingsgerelateerde "vrijheid" is een gevolg van de stratificatie, die trapsgewijs in de buffer wordt ingesteld: hierdoor kan de prioriteit van de warmteopwekkers eenvoudig maar nauwkeurig worden ingesteld via de positie van de bijbehorende sensoren.
De regeling van de gascondensatieketel bewaakt de ingestelde minimumtemperatuur voor de sanitair waterverwarming in de bovenste zone van de buffer. Zolang de WKK echter voldoende warmte levert, daalt de temperatuur nooit onder deze minimumtemperatuur. Bijgevolg is de werking van de ketel marginaal in vergelijking met de draaitijden van de WKK: Uit de bedrijfsgegevens blijkt bijvoorbeeld dat de condensatieketel over een periode van 210 uur in juni slechts 3 uur zijn functie als pieklastketel voor sanitair waterverwarming hoefde te vervullen. Zelfs in de winter blijven de bedrijfstijden van de WKK-eenheid constant ondanks dat de ketel op tien keer zijn capaciteit werkt. Ondanks de geoptimaliseerde systeemhydrauliek, het bufferbeheer en het gebruik van de retourstroom werd de regeltechnische inspanning tot een minimum beperkt. De actuators voor de rendeMIX mengverdelers worden aangestuurd via de regelaars, die standaard componenten zijn van de gebruikte warmteopwekkers.
FUNCTIONELE PRINCIPE rendeMIX
De actuator van de rendeMIX mengverdeler met meerdere poorten verbindt slechts twee van zijn drie ingangen met de enkele uitgang (A), zodat ofwel warm (E1) met warm (E2) of warm met koud (E3) water wordt gemengd. Op deze manier wordt zoveel mogelijk beschikbaar warm water gebruikt en wordt slechts een kleine hoeveelheid warm of koud water toegevoegd. Dit maximaliseert de beschikbare temperatuur in het verwarmingswaternetwerk en verlaagt tegelijkertijd de retourtemperatuur naar de warmteopwekker. De servomotor 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.
Wolfgang Heinl schrijft als gespecialiseerd journalist voor de HVAC-industrie,
88239 Wangen im Allgäu,
wolfgang.heinl@t-online.de
