Hydraulica zichtbaar gemaakt
Zonder afstemming is als een orkest zonder dirigent - Een seminar in Arnsberg
De behoefte aan informatie in de SHK-De opleidingssector is enorm. Toch hoeft bijscholing niet te worden verpakt in een uitbundig opgezette sociale avond. Als het onderwerp het standaard probleemgebied is - hydraulica - en een niet-verkoopgerichte instelling uitnodigt, zoals een kamer van ambachten of de nieuwe energiegemeenschappen, loopt de opleidingszaal vol. Als vervolgens een experiment in het verwarmingslaboratorium de theorie bevestigt, vragen de luisteraars aan het eind bijna verwachtingsvol aan de presentator: "Wat is je volgende onderwerp?".
Het probleemgebied van de hydraulica. Dit wordt steeds groter door de digitalisering van netwerken en het internet der dingen. Wie in de toekomst individuele componenten voor een sanitair, verwarmings- of airconditioningsysteem bij een groothandel koopt, koopt puzzelstukjes. Zoals we allemaal weten, passen ze alleen in elkaar om het perfecte plaatje te vormen als ze op de juiste plaats zitten. In termen van hydraulica betekent de juiste plaats de juiste afstelling. De afzonderlijke onderdelen werken alleen optimaal als ze perfect op elkaar zijn afgestemd. Niemand kan een efficiënt systeem bouwen met inefficiënte componenten. Het combineren van efficiënte componenten tot een inefficiënt systeem is daarentegen niet de regel, maar ook niet de uitzondering. "Hoewel elke muzikant een virtuoos is, zou een orkestconcert zonder dirigent geen lust voor het oor zijn," zei de spreker begin februari op het seminar over hydraulica in het beroepsopleidingscentrum van de Kamer van Ambachten van Zuidwestfalen in Arnsberg, om de noodzaak van professioneel balanceren uit te leggen.
Bufferopslagtanks laden en ontladen
Figuur 1: Testopstelling voor laden en lossen in twee zones met meerwegmenger Kamer van Ambachten Arnsberg
Bufferopslagtanks en het zo efficiënt mogelijk opladen en ontladen daarvan bijvoorbeeld, zullen niet alleen in de toekomst verantwoordelijk moeten zijn voor de bevoorrading van gebouwen, maar ook voor de energietransitie. Dit is niet overdreven. Op dit moment fungeert warmteopslag ook als overdrukventiel: omdat windparken en zonneparken sneller groeien dan de infrastructuur. Dan de uitbreiding van wegen. De experts berekenen een overgangsperiode van ruim tien jaar voor de uitbreiding. Dit betekent dat hernieuwbare energie de komende tien jaar van het net zou moeten worden gehaald om te voorkomen dat het net gaat gloeien. Dat is niet in het belang van de energietransitie. "Daarom," zei Stefan Kapferer, voorzitter van de Raad van Bestuur van de Duitse Vereniging van Energie- en Waterbedrijven, onlangs, "moeten we elke kleine maatregel benutten die de huidige situatie verlicht. Deze mogelijkheden omvatten het benutten van het overschot in huishoudens, namelijk het omzetten in warmte." De energietransitie is één ding, de infrastructuur geschikt maken voor transitie is een tweede. En daar hoort onder andere power-to-heat bij. De Duitse energie- en verwarmingswereld wordt elektrischer met wind- en PV-vermogen. De natuurlijke ontkoppeling van vraag en aanbod die dit met zich meebrengt moet systematisch worden gecompenseerd. Comfortabel en efficiënt verwarmen met fluctuerende energie wordt mogelijk gemaakt door power-to-heat, d.w.z. sectorkoppeling met warmtepompen, thermische zonne-energiesystemen en bufferopslag om warmte tijdelijk op te slaan tot de avonduren of een ander tijdsvenster. Hoe efficiënter het regelsysteem de capaciteit van zo'n opslagtank gebruikt, hoe hoger de algehele efficiëntie van het systeem.
Dit geldt trouwens voor elke integratie van een buffer in een verwarmingscircuit, ongeacht wie de warmte levert: een condensatieketel, hout of pellets, de collector, WKK of de warmtepomp. Maar hoe kom je in de buurt van het optimum? Dat was precies het onderwerp in Arnsberg.
Figuur 2: Drijfkracht: hoe heter het water, hoe lichter het is
Hoe benader je het optimum?
Laten we beginnen met een vraag: Hoe groot zijn de opwaartse krachten die het warme en hete water stratificeren? De excursie in de hydraulica door Hans-Georg Baunach van HG Baunach GmbH & Co. KG, presenteerde dergelijke weinig bekende cijfers. Drijfvermogen is gebaseerd op verschillen in dichtheid. Water van 0 °C weegt 1.000 g per 1 liter, water van 100 °C, direct bij het kookpunt, weegt slechts 950 g. Het verschil van 50 gram betekent dat in een tank met een diameter van 50 cm - en dus met een oppervlakte van ongeveer 2000 cm² - een 1 cm dikke laag water met een volume van twee liter ruwweg zal stijgen met een drukkracht van 100 gram - het drijfvermogen van kokend water in ijskoud water. Dat is niet veel. Zelfs de kleinste verstoring van dit lage momentum kan de inhoud de wil ontnemen om te stratificeren. Een bescheiden compensatie: de lichtheid van het water neemt onevenredig toe in het hogere temperatuurbereik, vanaf ongeveer 50 °C. In het koude gebied daarentegen, tussen 0 °C en 20 °C, is er relatief weinig verschil in dichtheid. Met andere woorden: hoe warmer het water, hoe stabieler de gelaagdheid: en dus de bruikbare warmte-inhoud van een buffer of de bruikbare opslagcapaciteit: Laten we eens kijken naar de belading. Bij volledige menging bij 50°C stroomt de warmte als het ware terug, tegen het systeemconcept in. Namelijk van de buffer naar de 45°C pekel van het aangesloten zonnesysteem, als deze niet meer dan 45°C biedt. Als de inhoud daarentegen stijgt van 30 tot 70 °C, wat dezelfde hoeveelheid warmte betekent als in het vorige geval, kan de collector zijn zonnewinst overbrengen naar de koude zone van de boiler.
Destructieve turbulentie
Toegegeven, dit is allemaal niet onbekend. Maar, zoals de meerderheid van de luisteraars toegaf, worden de gevolgen van het verkeerd laden en lossen van opslagtanks niet zo drastisch beseft. Of beter gezegd, ze trekken niet de conclusie dat vooral de retourtemperatuur van een verwarmingssysteem zo koud mogelijk moet zijn. Deze is bepalend voor de bruikbare warmte-inhoud. Daarom moet deze ten eerste zeer laag zijn, ten tweede moet de retourstroom zeer laag in de buffer komen en ten derde met een lage snelheid. Zodat er geen turbulentie ontstaat. Idealiter niet meer dan tien centimeter per seconde. Deze waarde is echter geen controlevariabele. Want turbulentie vernietigt natuurlijk de gelaagdheid. We hebben het al gehad over de opwaartse krachten. Die, de turbulentie, slingert letterlijk het verkeerde gedrag van de tank omhoog omdat de warmteafgifte van de stroming afhankelijk is van het debiet en de temperatuur. Als het debiet 60 °C moet zijn en er slechts 70 °C opslagwater beschikbaar is, moet er meer gemengd water circuleren in vergelijking met een vloeistof van 80 °C. Een hoger volume betekent een noodzakelijke verhoging van de circulatiesnelheid. Een hogere circulatiesnelheid betekent een toename van het momentum van het water dat in de tank stroomt - en dus een toename van turbulentie. De hydraulica-expert Baunach heeft het effect berekend: De kinetische energie neemt kwadratisch toe met de stroomsnelheid, waardoor de turbulentie met 77 procent toeneemt bij een doorvoer van 33 procent. Dit werkt als een grote garde. Het mengt alle warmtezones zodat er slechts een kleine delta T ontstaat tussen de boven- en onderkant. Het praktische gevolg: "Als de gemengde temperatuur in de boiler, laten we zeggen, niet hoger is dan 50 °C, start de boiler na een paar minuten als er gedoucht wordt, ondanks het zonnesysteem. Met een 90/30 verdeling daarentegen blijft de ketel uit tijdens het douchen en kan de collector zelfs nog worden belast," legt Hans-Georg Baunach uit.
Efficiënter naarmate er meer condensaat is
Voor bijna elke uitspraak heeft hij een bijbehorende dia klaarliggen. Hij verwacht niet dat alles meteen live wordt begrepen. "Bij veel van dit soort trainingen zien we aan het begin brede ogen, gefronste wenkbrauwen en verbazing. Vandaar ons praktijkgedeelte. Wat voor één of twee mensen heel ingewikkeld klinkt, wordt duidelijker door het laboratoriumexperiment. Het maakt de theorie begrijpelijk," vatte Hans-Stefan Albers later de feedback van het publiek samen. Albers is hoofd van de afdeling loodgieters- en verwarmingstechniek bij de Kamer van Ambachten van Zuidwestfalen. Seminars over hydraulica maken deel uit van zijn vaste programma. Hoewel de installaties van tijd tot tijd worden gedemonteerd om plaats te maken voor andere demonstraties, zijn ze na verfijning weer beschikbaar voor de volgende cursus. Verfijnd betekent bijvoorbeeld dat de thermografische camera, die nu nog de gelaagdheid inzichtelijk maakt, binnenkort wordt aangevuld met een datalogger met tien meetpunten boven de tankhoogte. "Dan kunnen we precieze temperaturen aan de deelnemers presenteren," zegt Albers.
Winst van laden en lossen in twee zones
Afbeelding 1: principe van laden en lossen in twee zones met meerwegmenger
Als de temperatuur van de violette laag boven de ingestelde streefwaarde van deze sensor komt, geeft hij een signaal 'Genoeg' aan de ketel. De brander schakelt dus uit. In de praktijk met het éénzoneprincipe is dus alleen de slag beschikbaar voor het verwarmingssysteem. De twee diagrammen voor het éénzoneprincipe links en het tweezoneprincipe rechts tonen de temperatuuromstandigheden tijdens het vullen en verbruik. De twee gestippelde vierkanten overal - met de watertemperaturen op de abscis en uitgezet boven de hoogte van de waterkolom in de tank op de ordinaat - geven de theoretische opslagcapaciteit weer. De weergegeven deelgebieden geven het werkelijke bruikbare warmtevolume weer.
Figuur 2: Resultaten Hogeschool Biberach
De uitleg over hun geometrie en de individuele meetpunten T van de langetermijntest in Biberach is hier weggelaten; de doorslaggevende factor is het verschillende oppervlak: de laad- en ontlaadstrategieën met de twee meerpoortsmengers in het rechter diagram zijn ontworpen voor een hoge spreiding in de cilinder. In een ontwerp met radiator- en vloerverwarming stroomt bijvoorbeeld alleen de retourstroom van 30 °C van het lagetemperatuurverwarmingssysteem naar de bodem van de tank, terwijl de retourstroom van 50 °C van de radiator naar de mengzone wordt geleid. De temperaturen in het bovenste derde deel blijven op dezelfde manier gelaagd. Het is zelfs mogelijk dat de menger de hoogste temperatuur niet gebruikt, omdat de temperatuur van de middelste zone voldoende is. De warmtegestuurde WKK-eenheid blijft dus uitgeschakeld. Als de "Rendemix" verwarmingswater uit de middelste zone betrekt, slankt hij af en maakt hij plaats voor warm water uit de "Dachs". In het standaardgeval van de driewegmengkraan daarentegen heeft de gemengde retour van de radiatoren en de paneelverwarming al een temperatuur van meer dan 40 °C, afhankelijk van de output van de twee verwarmingscircuits. Ten eerste gaat dit ten koste van de verspreiding. Er kan niets direct uit de violetwarme zone worden gehaald. Ten tweede beperkt dit de opslagruimte voor het warme water. En ten derde moet de mixer voor elke aanvoertemperatuur de waardevolle voorraad warm water aanspreken, die de machine dan tijdens de test moet leveren.
Figuur 3: Verminderde start-stopcycli van de WKK-eenheid met dezelfde bedrijfstijd
Het resultaat: het bruikbare opslagvolume van een laad- en lossysteem met twee zones en een meerwegmenger in een systeemconfiguratie zoals in het proefschrift is precies 2,4 keer zo groot als dat van de versie met één zone. In plaats van het "dak", dat in Biberach beschikbaar was, had ook een boiler gebruikt kunnen worden. De verhoudingen zien er precies hetzelfde uit voor een ketel/opslagtankcombinatie. Overigens zijn de start-stop cycli van het "dak" ook verminderd met een factor 2,4.
Het is erg indrukwekkend "om de hoeveelheid condensaat te zien en aan de hand daarvan te kunnen berekenen hoe lage retourtemperaturen het rendement van een condensatieboilersysteem verhogen en, in combinatie met een laad- en losstrategie met twee zones in plaats van systemen met één zone, de opslagcapaciteit van een warmwaterbuffer," geeft het afdelingshoofd toe. Zijn studenten aan het beroepsopleidingscentrum zijn voornamelijk vakmensen. Voor een praktisch bewijs van de efficiëntie van de speciale hydraulica volgens de Baunach-methode - "Het is bijna genoeg om je handen op de leidingen te leggen. Dan kun je voelen wat er gebeurt" - had hij ook de Zuidwestfaalse Energiegemeenschap uitgenodigd, die bevriend is met de Kamer van Ambachten. De fabrieksmanagers en eigenaren, hoewel midden in hun carrière en daarom grotendeels bekend met hydraulica, waren net zo onder de indruk van de resultaten als de masterstudenten.
Afbeelding 3: Thermografisch beeld van de opslagtank: begin van stratificatie
Te omslachtig met de hand
Zoals reeds vermeld, gebruikt de ontwikkeling van Baunach één enkele fitting om de drie taken van hydraulische optimalisatie uit te voeren, ten eerste systeemefficiëntie in warmtegebruik, ten tweede systeemefficiëntie in warmtedistributie en ten derde systeemefficiëntie in warmteopslag. Het handmatig samenstellen van deze architectuur uit afzonderlijke componenten vereist veel inspanning en expertise. Met de "rendeMIX" hoeft u alleen maar de aanvoer- en retourleidingen vast te schroeven. De oorsprong van het mengblok was het idee om de huidige complexe en energieverspillende systemen met twee circuits, die de hoge temperatuur retourstroom van de radiatoren naar de ketel sturen in plaats van naar de vloerbatterijen, om te zetten in een brandstofbesparend systeem met één circuit. Hiervoor moeten de verschillende watervolumes in de armatuur worden gelijkgemaakt. Het bedrijf breidde de toepassing vervolgens uit om het laden en ontladen van bufferboilers met twee zones te optimaliseren en om zonnesystemen aan te sluiten. De Hogeschool Biberach stelde de voordelen vast van een geoptimaliseerde aansluiting als onderdeel van een proefschrift met een buffer en een warmtekrachtkoppeling: Laden en ontladen in twee zones, elk met een mixer, verhoogt de bruikbare warmte-inhoud van een opslagtank met 240% in vergelijking met het principe met één zone (zie kader). Natuurlijk kon de korte laboratoriumtest in Arnsberg niet tot deze verbazingwekkende waarde leiden. Noch de apparatuur, noch de tijd was hiervoor toereikend. De gemeten temperaturen en thermische prestaties bevestigden echter de resultaten van Biberach.
Afbeelding 4: Condensaatmeting (middenonder) na het verlagen van de retourtemperatuur van de condensatieketel. Testmanager Hans-Stefan Albers.
Download het technische artikel als PDF
