Een probleem opgelost
Hydraulisch balanceren: de truc met retourtemperatuurbegrenzing
Herhaaldelijk gevraagd, maar zelden professioneel uitgevoerd: Hoewel hydraulisch balanceren waarschijnlijk de meest doeltreffende energie-efficiëntiemaatregel met een lage investering is, wordt hij meestal maar halfslachtig uitgevoerd, vooral bij de renovatie van oude gebouwen, vanwege de verschillende onbekenden. Een volledig nieuwe methode, die zowel door zijn eenvoud als door zijn doeltreffendheid indruk maakt, heeft nu zijn praktijktests voor vloerverwarming doorstaan. Onder andere in het huis van een kerkelijke energie-adviseur in Neder-Franken.
Of het christelijke gebod "de schepping te beschermen" de doorslag heeft gegeven voor zijn inzet voor energiezuinige bouwtechnologie kwam aan het licht tijdens het bezoek van de dominee aan SHT. Christof Bärhausen in de Frankische stad Maibach. Ongeveer 30 jaar geleden schreef de Wereldraad van Kerken het imperatief als het ware in de programma's van de politieke partijen en apostrofiseerde zo de ethiek als een krachtige hoeksteen van een duurzaam milieubeleid. Als ik met de Zuid-Duitse theoloog praat, lijkt het echter meer fysica dan metafysica te zijn geweest die hem ertoe dreef niet alleen efficiëntie te prediken, maar dit ook vakkundig aan zijn gemeente te demonstreren: Hij heeft gewoon een sterke voorkeur voor technologie. Een voorliefde die geen genoegen neemt met het niveau van een begaafde leek. Christof Bärhausen ging dieper op het onderwerp in. Uiteindelijk kreeg hij de hoge wijding van de Kamer van Ambachten voor Neder-Franken, waarna hij het "examen met alles erop en eraan" (Bärhausen) aflegde om energieadviseur (HWK) te worden. In dit licht bezien lopen fysica en metafysica in zijn werk door elkaar: vandaag de dag levert de kerkbode zijn praktische bijdrage aan het behoud van de schepping in zijn eigen huis en door "huis-technisch" opbouwwerk.
Figuur 1: In totaal negen verwarmingscircuits voeden het huis, vijf op de begane grond, vier voor de verdiepingen. Elk verwarmingscircuit heeft zijn eigen retourtemperatuurbegrenzer (op de onderste retourverdeler). In de stijgleidingen links van de radiatoren op de bovenste verdieping worden ook RTB-armaturen geïnstalleerd. Voorts is het de bedoeling de radiatoren, die nu overgedimensioneerd zijn als gevolg van de energetische renovatie van de zolder, als warmtewisselaars met lage temperatuur rechtstreeks aan te sluiten op de aanvoer en retour van het vloercircuit. De dynamisch regelende RTB's houden de installatie hydraulisch in evenwicht. De drie actuatoren rechts reageren op de impulsen van de elektrische kamerthermostaten.
Geleid door wantrouwen
Eerst een blik in het verleden: de onbevredigende integratie van de zonne-installatie via buffer in de oliestookinstallatie van zijn woonhuis confronteerde hem destijds voor het eerst met de wetten van de hydraulica en met het besef dat deze, de hydraulica, het allereerste uitgangspunt voor optimaliseringsmaatregelen moest zijn. Hoe moeten temperatuurstratificatie, laden en lossen worden gestructureerd om zo weinig mogelijk zonnewinst weg te geven?
De rooms-katholieke pastoor bestudeerde de stroombanen in de meerwegmenger "rendeMIX", die toen ongeveer 15 jaar geleden op de markt kwam en waarop hij was geattendeerd door een bevriende ingenieur. Hij heeft het geïnstalleerd. De Baunach ontwikkeling met zijn interne bypasses brengt verschillende watervolumes in evenwicht en maakt het zo mogelijk dat bijvoorbeeld de retour van een hogetemperatuurcircuit (radiator) overgaat in de stroom van een vloerverwarmingssysteem. Of het neemt eerst ongemengd water uit een ketel met twee of meer zones - waardoor waardevolle exergie bij hoge temperatuur behouden blijft - alvorens warm met koud te mengen. Terwijl het streeft naar stabilisatie van de spreiding in een gelaagde opslagtank, verhoogt het ook de zonneopbrengst, omdat de tank zelf door zijn koude zone nog enkele graden boven de koude collectorwarmte uitkomt.
Over het huidige probleem
Het succes van de mixer retrofit werd destijds aangetoond door de warmtemeter in de fabriek in Bärhausen. Het liep langzamer. De positieve ervaringen bevestigden voor de energie-adviseur het belang van een correcte en gevoelige hydraulica. Tegelijkertijd maakten ze hem echter wantrouwig over de besparingseffecten van verdere maatregelen die waren aangepakt, zoals een houten gevel van het type gordijn met 21 cm isolatie tussen het beschot en de steen, dakrenovatie, isolerende beglazing en de vermindering van koudebruggen, die de eengezinswoning van vóór de eerste warmte-isolatieverordening op de KfW 55-norm moesten brengen. Hoe regel je de waterstromen in een oud gebouw met een groot aantal circuits voor woonkamers, slaapkamers, kinderkamers en kantoren, voor keukens en badkamers, voor kamers onder het dak met nu te grote radiatoren, voor vloerverwarming in het woongedeelte aan de verminderde vraag?
Foto 2: Typisch Zuid-Duitse architectuur: vloerverwarming beneden, radiatorverwarming op de verdiepingen.
Fig. 3: Instelling van de retourtemperatuur op de RTB's tussen ca. 17 en 22 °C, afhankelijk van de grootte van de ruimte en de warmtewisselaar, het gebruik en de gewenste temperatuur. De fijnafstelling is aan de gebruiker.
Met oudere thermostatische kranen zonder de mogelijkheid om het debiet vooraf in te stellen? Maar zelfs die met voorinstelling zouden relatief statisch "open" en "gesloten" reageren en niet efficiënt dynamisch, in termen van watervolume, op veranderende invloeden en omstandigheden. De subsidievoorschriften van de KfW schrijven hydraulische compensatie voor - en zoals beschreven was dat voor Christof Bärhausen sowieso een must.
Dynamisch in plaats van statisch
Het toeval wilde dat Hans-Georg Baunach, de ontwerper en directeur van HG Baunach GmbH & Co. KG uit Hückelhoven bij Aken, dacht al enige tijd in dezelfde richting. Zijn proeven en successen met de "rendeMIX" hadden hem geleerd dat het hydraulisch balanceren met de hand een mix van vallen en opstaan blijft - als het al een trial is. De klassieke methode moet ook leven met het zwakke punt dat de kalibratie op een vast debiet een deel van het winstpotentieel weggeeft. Baunachs meerwegfitting "rendeMIX" dient dit doel echter niet. Het doel ervan is water van verschillende temperaturen te mengen, niet om de waterstroom te regelen. De ingenieur bedacht daarom een andere oplossing voor het reguleringsprobleem. Het moest zowel optimaal als eenvoudig zijn.
"Eenvoudig" in twee opzichten: de handel moet het accepteren en de prijs, laten we het zo zeggen, moet zijn acceptatie vergroten. De berekening moet niet worden gemaakt met de bespaarde arbeidstijd in vergelijking met de inspanning voor de gebruikelijke aanpassing. Bijna geen enkel bedrijf zou een dergelijke berekening maken. Het mocht alleen een één-paar-euro product zijn. Het idee van beperking van de retourtemperatuur als thermisch-hydraulisch evenwicht was succesvol. Sinds ongeveer een jaar lopen er verschillende proefprojecten, waaronder de fabriek in Bärhausen. Het is niets anders dan een retourtemperatuurbegrenzer, zoals de naam al aangeeft: een RTB-ventiel voor installatie in de retour van een verwarmingscircuit achter de warmtewisselaar.
Figuur 4: De potentiële koudebruggen bij ramen en balkondeuren worden met isolatievulling zodanig geminimaliseerd dat zij KfW 55 niet in gevaar brengen.
Figuur 5: De verwarmde woonruimte bedraagt in totaal 160 m2waarvan 120 m2 Vloerverwarming en radiatoren op de zolder. Naast de ramen, de ventilatiekleppen van de gedecentraliseerde ventilatie-eenheden. Christof Bärhausen in beeld.
De ontwerpvariabele is uitsluitend de nominale omvang van het rendement. Het beslag werkt thermisch-dynamisch. Met andere woorden, hij past het debiet voortdurend aan de instelwaarde van de instelbare retourtemperatuursensor aan: als de temperatuur stijgt, vermindert hij het debiet door de verwarmingsspiralen in de vloer; als de temperatuur daalt, zorgt hij voor een hoger circulatiedebiet. Het neemt dus de hydraulische balancering van de circuits of de debietregeling door de lagetemperatuurradiator of de bodemspiralen volledig onafhankelijk en gericht op de ruimtetemperatuur over. Op kamertemperatuur gericht: Deze kan nog steeds worden ingesteld met de thermostaatkraan op de radiator of met een alternatieve individuele ruimteregeling, alleen wordt nu de luchthoeveelheid via de retourtemperatuur afgestemd op de gewenste ruimtelucht. Zonder enige fysieke verbinding komen beide fittingen met elkaar overeen.
Figuur 6: Het huis wordt verwarmd door een (oudere) WKK-eenheid op plantaardige olie, die zou worden aangesloten op een lokaal verwarmingsnet, maar die niet is gerealiseerd. Een houtkachel met een waterzak is ook aangesloten op het drukloze combibuffervat (1.000 l), dat ook alle kamers zou kunnen verwarmen. De overdruk in de opslagtank mag niet meer dan 0,1 bar bedragen. Daarom is het hydraulisch losgekoppeld van het verwarmingssysteem via een warmtewisselaar (uiterst links). De onderste "rendeMIX" is verantwoordelijk voor de twee-zone belading van de combibuffer cilinder met geïntegreerde warmtewisselaars. De stratificatie garandeert voldoende warm water voor keuken en badkamer. De bovenste meerwegmengkraan diende om het zonnesysteem efficiënt te integreren in samenwerking met de pieklastketel van dat moment.
Ideaal, want zonder berekening
Hoe werkt het? Voor de basisinstelling moeten op de RTB ook ruimtegerelateerde empirische waarden worden gebruikt, zoals gebruikelijk is bij thermostatische afsluiters. Een voorbeeld: De slaapkamer moet 18 °C zijn. De thermostaatkraan staat op niveau 3. De thermostaatkraan wordt verondersteld te zijn ingesteld op niveau 3. Aan de stroomzijde kan niveau 5 of 23 °C op de schaalverdeling van de thermostaatkraan voldoende zijn voor deze 18 °C. Zoals ik al zei, hangt de instelling af van de thermische eigenschappen van het gebouw. Tegen de avond dalen de buiten- en kamertemperaturen. De radiatorkraan gaat open. Zonder RTB zou het volledige nominale debiet bijna spontaan door het verwarmingsoppervlak stromen en andere circuits beïnvloeden. De RTB daarentegen wacht.
Technische gegevens kleppen
Momenteel zijn op de markt de retourtemperatuurbegrenzers voor vloerverwarmingscircuits (RTB-Fbh) en een versie voor de thermohydraulische balancering van warmtewisselaars op warmwateropslagtanks, luchtverwarmers, zwembadwarmtewisselaars en airconditioninginstallaties (RTB-balanceringsset). Momenteel worden uitsluitend armaturen voor verwarmingssystemen met radiatoren getest. De vloerverwarmingsvariant, zoals in het pand in Bärhausen, bestaat uit een messing onderstuk en de thermostaatkop met geïntegreerde temperatuursensor. Zoals gebruikelijk bij thermostatische afsluiters wordt de instelwaarde van de retour, die is afgestemd op de ruimteluchttemperatuur, ingesteld met de draaibare kap op het bovendeel. De RTB ondersteunt en versnelt het zelfregulerende effect van de vloerverwarming. De retourtemperatuur stijgt wanneer de kamertemperatuur stijgt, d.w.z. de overtollige temperatuur van het verwarmingsoppervlak ten opzichte van de kamertemperatuur daalt. De gebruikelijke tweepuntsregeling voor één ruimte, die alleen het circuit kan in- en uitschakelen, blokkeert in dit geval de stroom. Wanneer de regelaar opent, leidt hij de volledige waterstroom door het circuit, d.w.z. dat hij niet ingrijpt in de volumestroom. Daarom moeten alle vloerverwarmingscircuits op een niet ongecompliceerde manier worden berekend en vervolgens moeten de berekende waterhoeveelheden via een regelelement worden aangepast. Dit is een zeer tijdrovende methode. En natuurlijk beïnvloeden alle instellingen elkaar: zodra de laatste drie lussen zijn aangebracht, is de stroom die door het eerste circuit moet lopen gegarandeerd veranderd. De methode lijkt op een vergelijking met veel onbekenden. Het optimale punt is een kwestie van toeval.
Met de retourtemperatuurbegrenzing in de vorm van een proportioneel RTB-ventiel daarentegen circuleert altijd precies het vermogen dat het deelgebied moet leveren door de deelgebieden. De retourtemperatuur als gecontroleerde variabele regelt dynamisch het debiet. Voor de praktische toepassing adviseert Baunach de RTB's rechtstreeks op de retourcollector van de verdeler te installeren. Nominale grootte van de klep DN 15, drukverlies 100 mbar bij een debiet van 0,40 m3/h, Kvs-waarde 1,3 m3/h, instelbereik retoursetpoint 0 tot 40 °C, toelaatbare bedrijfsoverdruk 10 bar. Het tweede model, de RTB balanceerset voor automatische thermohydraulische balancering van de debieten van warmtewisselaars van drinkwateropslagtanks, luchtverwarmers, warmtewisselaars van zwembaden en airconditioningsystemen, is verkrijgbaar in drie maten: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 en 6,7, vermogen bij 20 K Delta T 18, 42 en 49 kW. Retourtemperatuurbereik 20 tot 70 °C.
In tegenstelling tot de RTB-Fbh wordt een afstandsvoeler met capillaire buis aan de thermostaatkop bevestigd voor een willekeurige plaatsing van de voeler in de retour van een warmtewisselaar. Beide varianten, zowel die voor vloerverwarming als die voor diverse warmtewisselaars en luchtverwarmers, werken uitsluitend thermisch-hydraulisch zonder externe energie. Ze sluiten niet volledig. Een minimumdebiet van 1 % van de nominale waarde is gegarandeerd, zodat de sensor altijd ondergedompeld is in retourwater.
Hij opent enigszins wanneer de retourtemperatuur door de dalende buitentemperatuur neigt te dalen, en hij vermindert de doorvoer wanneer de ruimtethermostaat volledig geopend is, d.w.z. dat de gemeten waarde aan de RTB-sensor nu boven het setpoint wil klimmen. Hierdoor worden de andere verwarmingscircuits niet van verwarmingswater beroofd. Natuurlijk reageren hun RTB's ook door de dwarsdoorsneden te openen. Het hele systeem past zich automatisch aan. Aan het principe van de vermogensregeling van de zeer efficiënte, zelfregulerende circulatiepompen verandert niets. Ze passen hun wattage automatisch aan de verschildruk aan. Christof Bärhausen is enthousiast: "Voorheen konden we er geen grip op krijgen. In de bovenste kamers stonden de kamerthermostaten afwisselend helemaal open of helemaal dicht, en de grote verwarmingsoppervlakken zogen het water van de anderen weg of overbelastten ze. We konden nooit alle kamers gelijkmatig warm krijgen, ondanks pogingen tot hydraulisch balanceren.
Bij RTB blijft de hoeveelheid water beperkt. We hebben de fijnafstelling zelf gedaan. Het bovenste deel van de klep hoeft slechts een keer licht te worden bijgesteld tot een stand die de gewenste kamertemperatuur oplevert. Je moet het zeker aanraken. Maar dat moet je bij elke thermostaatkraan doen."
Hoorbaar succes
Voor de overige geplande renovatiemaatregelen aan en in het huis gebruikt de energieadviseur daarom geen voorinstelbare radiatorkranen, "omdat die slechts een constante hoeveelheid doorlaten. Ze werken niet dynamisch. Voor de voorinstelling zou ik voor elke kamer een verwarmingsbelasting moeten berekenen. Dat bespaar ik mezelf met de RTB. Nu volstaan heel klassieke radiatorthermostaten." De eigenaar is er zeker van dat de thermohydraulische balancering alleen al zal leiden tot een merkbare verlaging van de plantaardige-olierekening voor zijn WKK-eenheid. Oorspronkelijk was het de bedoeling dat het een deel van de buren in het plaatselijke verwarmingsnet zou bevoorraden. Later zijn ze echter teruggekomen. In de eerste fase van de energetische bebossing, in dat halve jaar waarin aanvankelijk alleen de RTB's werden geïnstalleerd, werd al merkbaar minder geklokt. "Er was tenminste iets hoorbaar veranderd.
Figuur 7: Test met retourtemperatuurbegrenzer in een chemische fabriek in Limburg, België, met een RTB achter elk van de 30 ventilatoren die van warm water worden voorzien. Het thermokoppel voorkomt dat de retourtemperatuur door de geringe warmteafvoer van de warmtewisselaar boven de 45 °C stijgt door de afgifte van de circulatiepomp aan te passen aan het verhoogde drukverschil. Het retourwater wordt zo geschikt voor condensatie.
Ik kan niet met een graaddagcorrectie komen, maar de situatie ziet er als volgt uit: volgens algemene ervaring bespaart een betere warmteverdeling statistisch gemiddeld 10 tot 15 % aan verwarmingsenergie. Dit zal ook voor ons gelden, aangezien de WKK veel minder vaak opstartte direct nadat de RTB's waren aangepast. Overigens hebben we dit effect een tweede keer gemerkt. We merkten dit ook ten tijde van de olieketel, na het installeren van de "rendeMIX" fitting in het zonnecircuit. Het volume van de combibufferboiler werd beter benut, hij gaf veel langer warmte af en de boiler werd minder vaak bijgevuld."
Fine-tuning door de bewoners
De kieskeurige Frankiër heeft zijn mouwen opgestroopt. Hij heeft werk te doen. De leidingen in de stookruimte moeten worden geïsoleerd. "Wat u hier ziet is eigenlijk geen modern verwarmingssysteem in die zin. Alles is in elkaar gezet en er is mee gerommeld, en toch werkt alles geweldig." Bij de verdeler op de 1e verdieping legt hij de instellingen uit: "We zien hier nu de vier kamers: de grote kamer, de zuidelijke kamer en de badkamer, de noordelijke kamer. De laatste heeft nooit de gewenste kamertemperatuur bereikt.
De elektrische actuators hier in de verdeelkast zijn gekoppeld aan de kamerthermostaten in de drie kamers. De badkamer moet altijd een beetje warmer zijn, dus die is helemaal open van de stroming. Dankzij de instelmogelijkheden op de RTB's kunnen we de kamertemperatuur eindelijk tot op de graad nauwkeurig instellen. Omdat we de grote kamer vroeger als slaapkamer gebruikten, liggen de verwarmingsbuizen in de vloer relatief ver uit elkaar. Daarom heb ik de retour ingesteld op 20 graden. Voor de andere twee kamers is 15 of 16 graden voldoende en ik heb de retourtemperatuur in de badkamer ingesteld op 22 tot 23 graden. De aanvoertemperatuur voor alle kamers is 30 °C. Door de gemiddelde temperatuur tussen de aanvoer en retour in de badkamer te verhogen naar 26 °C, houd ik het rond de 24 °C. Een soortgelijke overweging met betrekking tot de gemiddelde temperatuur geldt ook voor de "grote kamer".
Gewoon een beetje geduld
Mijnheer Bärhausen, wat moet u volgens uw ervaring tegen een planner of installatiebouwer zeggen met betrekking tot de beperking van de retourtemperatuur? "Niets eigenlijk. Zoals ik al zei, het systeem past zich aan. Er is geen voorinstelling in dit formulier. Je moet het met enige gevoeligheid benaderen en kijken naar de ruimte, het gebruik ervan, de noord/zuid ligging, de warmtewisselaars/radiatoren en vooraf een waarde instellen.
Figuur 8: Per ruimte zijn twee decentrale individuele ruimteventilatiesystemen met keramische warmteterugwinning geïnstalleerd. Ze werken afwisselend als luchttoevoer- en luchtafvoereenheden en schakelen om de 70 seconden over van luchtafvoer- naar luchttoevoerwerking. Voor het type Vento-Expert specificeert fabrikant Blauberg een debiet tot 50 m3/u en een warmteterugwinningsrendement van 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Elke gebruiker of huiseigenaar kan het dan zelf aanpassen. Wees wat voorzichtiger met vloerverwarming. Het is een traag systeem, dus het duurt wat langer. Als u de RTB met misschien twee graden aanpast, moet u een dag of twee geduld hebben en dan pas naar het effect kijken. Maar je hebt geen berekening nodig. Voor zover ik weet is het het enige systeem dat zo werkt. Bij alle andere methoden voor hydraulisch balanceren moet ik rekening houden met de grootte van de radiator en andere factoren en deze in wisselwerking brengen om de voorinstelbare kleppen of zonekleppen dienovereenkomstig aan te passen. En dan zijn ze bijna klaar. Of het werkt is niet gegarandeerd. Hier stelt de operator de afstelling in, maar op een temperatuurinstelpunt, niet op een doorsnede en dus op een debietinstelpunt. De RTB zoekt dat zelf."
Voorbeeldbevestiging voor KfW
KfW is met de VDZ, de toonaangevende vereniging voor bouwtechniek, een procedure voor hydraulische compensatie overeengekomen die in een overeenkomstig formulier moet worden gedocumenteerd. KfW verzet zich echter niet tegen innovaties. Zij stelt dat van de vastgestelde procedure kan worden afgeweken indien het alternatief kan worden toegewezen aan punt 5.25 "Openingsclausule voor innovatieve technologieën" van de folder die verantwoordelijk is voor maatregelen op het gebied van verwarmingsrendement (KfW-publicatie 600 000 3140). Voor verwarmingsbedrijven waarvan de klanten aanspraak willen maken op KfW/Bafa-financiering en die een bevestiging van de hydraulische compensatie vragen, heeft Baunach een overeenkomstig monster opgesteld.
Bernd Genath
Download het technische artikel als PDF
