Zo goed als verwacht
De speciale verwarmingstechniek bij Richter + Frenzel in Kassel heeft een modelkarakter
Het credo van het bedrijf: "De toekomst ligt in innovatieve, moderne technologieën. Wij moeten er deskundig mee omgaan en onze kennis doorgeven aan onze klanten - ambachtslieden, planners, architecten. Natuurlijk kunnen we bijzonder overtuigend argumenteren als we onze eigen ervaring hebben, bijvoorbeeld met betrekking tot de energiebesparing van oud versus nieuw." Markus Ortlauf, die dit zegt, is technisch adviseur van de groothandel Richter + Frenzel. Anderhalf jaar geleden had hij gepleit voor een ongebruikelijke verwarmingsinstallatie in het pand van de groothandelaar in Kassel. De bedrijfsresultaten na een goed jaar hebben hem en zijn bedrijf beloond voor de niet geheel risicoloze beslissing.
Fig. 1: Het verdeelsysteem op locatie met de rendeMIX mengers (links van R + F medewerker Stefan Dornemann en een parallelle modelinstallatie voor trainingsdoeleinden met Magra verdeler op de achtergrond.
De "Ecocraft" modulaire ketel van Vaillant staat centraal in de vernieuwde technologie. In de R + F-vestiging in het noorden van Hessen waren de oudere atmosferische ketels moeilijk te gebruiken met een acceptabel rendement en aan vervanging toe. Het mocht echter geen standaardproduct zijn, want in Hessen, de thuisbasis van Viessmann en Buderus, moet je een paar troeven in handen hebben als je als leverancier van onder andere warmteopwekkers naast de twee machtige concurrenten wilt overleven.
Afb. 2: Ecocraft verwarmingssysteem in de technologie-/opleidingsruimte bij R + F in Kassel.
Markus Ortlauf zag en ziet een van de troeven in de "Ecocraft" gascondensatiecascadeketel. Cascade betekent dat de unit bestaat uit zelfvoorzienende modules die parallel aan elkaar zijn geflanst, waarbij elke module een vermogen heeft van maximaal 40 kW. De kleinste unit bestaat uit twee cellen, de grootste uit zeven. Dit levert een vermogen tot 280 kW, afhankelijk van het object. Elke afzonderlijke brander kan ook worden geregeld op een glijdende schaal tussen 12 en 40 kW, wat betekent dat het regelbereik van 12 tot 280 kW loopt.
Verstoring zonder merkbare gevolgen
Zelfvoorzienend betekent dat als een van de blokken in de cascade defect raakt, de buren het werk overnemen. De boiler valt niet uit. De storing is niet merkbaar voor de buitenwereld. De "Ecocraft" is daarom vergelijkbaar met een vaste diesel, die ook kan omgaan met het uitvallen van een cilinder. Ortlauf: "Deze speciale eigenschap van dit model geeft ons de mogelijkheid om een sterkere rol te spelen in de ketelbusiness met Vaillant. Natuurlijk moeten we dit ook communiceren. Daarom hebben we de technische ruimte met de 'Ecocraft' uitgebreid tot een trainingscentrum."
Fig. 3: Condensatiewarmtewinst en thermisch rendement in Kassel. Zie de tekst voor uitleg.
Als tweede troef, die vooral spreekt voor de plannings- en adviescompetentie van de buitendienst van Richter + Frenzel, verwijst de vestiging Kassel naar de speciale schakeling van de drie verwarmingscircuits van het gebouwencomplex in combinatie met het "rendeMIX"-systeem van HG Baunach uit Hückelhoven aan de Duits-Belgische grens. Dit schakelt hogetemperatuur- en lagetemperatuurnetten in serie, waardoor de retourstroom van het ene net wordt omgezet in de stroom van het andere warmtedistributiesysteem en zo de energieopbrengst wordt geoptimaliseerd, vooral in combinatie met condensatieketels. Deze architectuur, gebaseerd op een zeer speciale meerpoortsmenger, werd ongeveer zeven jaar geleden op de markt gebracht. Intussen heeft ze de lakmoesproef doorstaan in tal van referenties, d.w.z. ze heeft haar besparingseffecten bewezen: omdat ze de laagste retourtemperaturen en dus de hoogste condensatiewarmtewinsten garandeert.
Drie cirkels als één cirkel
In Kassel trof de "rendeMIX" een bijzonder spannend terrein aan, namelijk drie temperatuurzones: ten eerste het administratiecomplex als radiatorcircuit met een aanvoertemperatuur van rond de 60 °C, ten tweede de tentoonstelling met vloerverwarming voor maximaal 40 °C en ten slotte het magazijn met pijpspiralen in de vloer voor een aanvoertemperatuur van maximaal 30 °C. In principe mag dit derde gedeelte alleen vorstvrij worden gehouden. In principe moet deze derde sectie alleen vorstvrij worden gehouden. Het systeemschema is daarom gebaseerd op de volgende spreidingen: Kantoren 62/42 °C, tentoonstelling 40/30 °C, opslag 39/20 °C. Met "rendeMIX" wordt praktisch het hele complex verwarmd als een enkelcircuitontwerp. In het verleden, met de twee oude atmosferische ketels, mengden drie mengers drie temperaturen voor elke subruimte en de gemeenschappelijke retour kwam daardoor nooit onder de 42 °C.
Zo, dat was het voor het systeem. Het systeem werd in gebruik genomen aan het begin van de verwarmingsperiode 2005/2006 en een paar weken later, in het voorjaar, begonnen de trainingen voor vaklieden en planningsbureaus over "Ecocraft" en "rendeMIX". De eerste trainingen moesten naast de functie ook selectieve resultaten opleveren. Hoe temperatuurstabiel en met welke benuttingsniveaus de individuele volumestromen door de pijpspiralen, radiatoren en warmtewisselaars van de "Ecocraft" bewogen, kon alleen worden afgelezen uit de momentele thermometerwaarden en de balans van een paar weken, maar niet uit de balans van twee verwarmingsperioden als een voor-en-na vergelijking.
Een dergelijke evaluatie is nu beschikbaar. In de twee jaar vóór "Ecocraft" en "rendeMIX", van juli 2003 tot juni 2004 en in dezelfde periode van 2004 tot 2005, bedroeg het energieverbruik voor verwarming bij Richter + Frenzel in Kassel respectievelijk 506.000 en 499.000 kWh. Net op tijd voor de winter van 2005/2006 installeerde de plaatselijke verwarmingsaannemer, Günter Tromp Haustechnik, Kassel, de modulaire Vaillant warmteopwekker en sloot de drie verwarmingscircuits in serie aan met de Baunach fitting. Het resultaat: slechts 356.000 kWh. Deze waarde is niet aangepast aan het weer, maar wordt afgelezen van de gasmeter. Dit verandert echter weinig aan de evenredigheid, omdat de klimaatgegevens in de drie jaren in kwestie niet significant varieerden.
Structuur Ecocraft
De gascondensatieketel bestaat uit twee tot maximaal zeven modules van elk 40 kW. In Kassel zijn vijf blokken van in totaal 200 kW voldoende. Elke module is ongeveer 14 cm breed, uitgerust met een ventilatorgestuurde bovenliggende brander en kan worden geregeld tussen 12 en 40 kW. De afzonderlijke elementen van de cascade werken autonoom. In geval van een storing verdeelt de eenheid automatisch het vermogen over de andere cellen. In normaal bedrijf schakelt het regelsysteem zoveel mogelijk modules in met een verminderde warmteafgifte. Het schema illustreert de werkingsmodus: Bij 12 kW draait alleen module 1. Voor 48 kW zijn bijvoorbeeld twee modules van elk 24 kW voldoende. In werkelijkheid werken de cellen 1, 3, 5 en 7 in dit geval echter elk met 12 kW. Hierdoor wordt de verbrandingskamer minder belast en dalen de uitlaatgastemperaturen ten gunste van een hoog systeemrendement.
De afbeelding hieronder toont de gasleiding. Elk element bestaat uit een modulerende oppervlaktebrander voor het vermogensbereik van 12 tot 40 kW, een ventilator, een gasaansluiting en de compacte, krachtige warmtewisselaar in V-vormtechnologie van gegoten aluminium. Dit materiaal houdt het gewicht binnen de perken, waardoor het systeem bijzonder geschikt is voor moderniseringsprojecten, vooral in hotels, gemengde woon-/commerciële gebouwen, bejaardentehuizen, ziekenhuizen en soortgelijke gebouwen waar een hoge bedrijfszekerheid belangrijk is.
Fig. 4: Gasleiding met autonome brander/blazer.
Fig. 5: Voorbeeld van belastingsverdeling.
Een voordeel van het brede modulatiebereik is niet alleen de nauwkeurige vermogensaanpassing in combinatie met lage retourtemperaturen ten gunste van een efficiënt gebruik van de condensatieketel. Het maakt het ook mogelijk om relatief kleine opslagtanks te laden voor drinkwatervoorziening, wat normaal gesproken niet zou passen bij een groot ketelvermogen. Het "Ecocraft" regelsysteem zorgt ervoor dat de verwarmingspomp en de boileroplaadpomp parallel werken. Het programma houdt ook rekening met regelmatige thermische desinfectie.
De ketel is niet alleen beperkt in ruimte en gewicht. Hij is ook akoestisch nauwelijks hoorbaar. Zelfs bij maximale belasting stoot de 200 kW unit niet meer dan een fluistering uit. En natuurlijk kan de cascade ook comfortabel op afstand worden bewaakt, afgesteld of geparametreerd, bijvoorbeeld met een telefonische afstandsbediening of met de vrnetDialog technologie van Vaillant.
Bewezen besparingen van 30
Fig. 6: BrennCon condensaatmeetapparaat www.consoft.de.
De moderne ketel en de opstelling van het verwarmingscircuit verlaagden de aardgaskosten met ongeveer 30 procent. Ruwweg kan tweederde van dit succes worden toegeschreven aan de warmteopwekker en eenderde aan de lay-out van het systeem. Om dit te realiseren, moest HG Baunach de planner en Vaillant overtuigen. Als je naar de drie afzonderlijke spreidingen kijkt en rekening houdt met een paar toleranties, dan komt de totale spreiding uit op 40 K. Aanvankelijk wilde Vaillant dit verschil tussen aanvoer en retour niet opleggen aan de warmteopwekker uit bezorgdheid dat een individuele module onder ongunstige omstandigheden te lijden zou kunnen hebben onder een tekort aan water. Het bedrijf uit Remscheid stond oorspronkelijk op een overloop, een hydraulische kortsluiting. De reden hiervoor is dat de Ecocraft tot de familie van circulatieboilers behoort, en deze hebben minimale volumestromen nodig.
De technici hebben dit probleem vanuit het systeem opgelost. Ze stelden een besturingshiërarchie op die zodanig is geharmoniseerd dat individuele circuits altijd het minimale circulerende watervolume garanderen wanneer de modules in bedrijf zijn, d.w.z. dat ze niet volledig terugregelen.
De drie temperatuurniveaus bij Richter + Frenzel doen het met een totaal van 200 kW. Daarom is er een Ecocraft met vijf modules (5 x 40 kW) geïnstalleerd in de trainings-/technologieruimte. De operators telden het aantal starts en stelden een gemiddelde boilerlooptijd vast van 2,5 dagen per start. Dit is geen bijzonder verrassend getal voor een modulerend verwarmingssysteem dat tot een paar kilowatt kan draaien. In strenge winters moeten warmtevraag en warmteafgifte elkaar in evenwicht houden en moet het systeem vrijwel non-stop draaien, maar over een hele verwarmingsperiode gezien spreekt 2,5 dagen in het voordeel van een zeer solide systeemconfiguratie.
Nu Magra distributeur voor rendeMIX
Fig. 7: rendeMIX met Magra verdeler.
Als je de installatie bij Richter + Frenzel bekijkt, zie je het complexe leidingwerk voor de afzonderlijke mengkraangroepen. Ze waren duur. In het geval van Richter + Frenzel speelde dit geen belangrijke rol in de beslissing, omdat ze ten eerste een demonstratie-installatie wilden opzetten en er ten tweede al onderhandelingen gaande waren met de armaturenfabrikant Magra om een speciale verdeler voor de "rendeMIX" te vormen. Dit zou later de kosten in het commerciële bedrijf verlagen en zo de speciale architectuur van de serieschakeling in zijn geheel aantrekkelijker maken in termen van kosten en installatie.
Magra en Baunach presenteerden de fitting op de SHK-beurs in Essen in 2006. Het combineert het "rendeMIX" schema met het principe van de bekende verdelerbalk. Het bijzondere is echter dat er drie aansluitingen per menggroep zijn en niet twee, zoals in de standaardversie, namelijk warmtestroom, warmteretour en koudteretour. De verdeler maakt flensmontage van maximaal vijf groepen mogelijk. Om verwarring te voorkomen, zijn de individuele koppelingen duidelijk gelabeld. Het enige waar op gelet moet worden is de volgorde van de verwarmingscircuits, door ze aan te sluiten op de warmteopwekker met dalende retourtemperatuur. Verder is er geen verschil met het beproefde Magra-systeem.
Gebruik van hoge calorische waarde
Dit wordt ook weerspiegeld in de benutting van de calorische waarde. Fabrikanten beloven over het algemeen een benuttingsgraad van 105 procent. Er is echter vaak een aanzienlijke kloof tussen theorie en praktijk of tussen de testbank en het veld. Dit heeft te maken met te hoge retourtemperaturen. Bij een waarde van ongeveer 40 °C is de hoeveelheid condensatie tweederde van de "winst" bij 20 °C. Het resultaat is een rendementsverlies van vijf procent ten opzichte van wat haalbaar is. In de Richter + Frenzel-tak zou de drievoudige benutting van het debiet tot 20 °C eigenlijk geen verschillen mogen opleveren tussen de geplande en de gemeten condensatiewarmteopbrengst.
De consultants en opleidingsmanagers wilden echter ook hier op controleerbaar bewijs vertrouwen en stelden voor om een BrennCon-meetapparaat te installeren. Dit voert het condenswater af. In principe is het een condensaatverzamelaar met een geïntegreerde opvoerpomp die het volle reservoir leegt in het afvalwaternetwerk en het condensaatvolume bepaalt aan de hand van het aantal slagen. De herberekening door Richter + Frenzel was zeer bevredigend: het gasverbruik van 4182 m3 of 43.284 kilowattuur in de periode van 20 december 2005 tot 12 januari 2006 worden gecompenseerd door een specifieke 94 g/kWh condensaat. Figuur 3 toont een gemiddelde retourtemperatuur van ongeveer 25 oC en een thermisch rendement van de ketel van 104 procent in de beschouwde periode. Bij 42 oIn ruil daarvoor zou de "Ecocraft" - net als in het verleden - genoegen moeten nemen met ongeveer 4 % minder efficiëntie - en dus 16.000 kWh moeten weggeven.
Enkele verbeteringen
Minstens 16.000 kilowattuur verspild. In de eerste weken van ingebruikname was het systeem nog gebaseerd op oudere besturingssoftware die niet was aangepast aan de driecircuitsarchitectuur. Vaillant bracht verbeteringen aan. Figuur 3 bevestigt ook het succes: vanaf januari vlakte de hoeveelheid condensatie af op ongeveer 98 g/kWh, wat neerkomt op minstens een half procentpunt meer of 2.000 kWh.
Nog een aanvankelijke tekortkoming: er was een installatiefout ingeslopen. Dit ging waarschijnlijk ten koste van het rendementscijfer van het systeem zoals gedefinieerd door de energiebesparingsverordening. Helaas, zo bleek later, gaf een van de buitensensoren constant vorsttemperaturen door. Als gevolg daarvan stroomde het debiet zelfs bij zacht weer met een maximale keteltemperatuur van 67 °C de radiatoren in. Hoewel het retourdebiet op 22-25 °C bleef, neemt volgens DIN 4701 Deel 10 "Energiebeoordeling van verwarmings- en ventilatiesystemen" het warmteverlies van het warmtedistributiesysteem toe naarmate de systeemtemperatuur stijgt. Aangezien het grootste deel van het distributieniveau in Kassel zich echter binnen de thermische schil van het gebouw bevindt, hebben de verlagingen waarschijnlijk slechts een minimale impact in euro's en centen gehad.
Bernd Genath
Download het technische artikel als PDF
