MODULERENDE STOOKOLIEKETELS: EEN STAND VAN ZAKEN
VERSCHILLENDE TECHNIEKEN
In het verleden waren alle stookolieketels van het aan-uitprincipe: de brander in de ketel draait op vol vermogen tot de gewenste temperatuur is bereikt en stopt daarna met branden. Later werd als alternatief de tweetrapsbrander geïntroduceerd met een extra stap tussen de aan- en uitstand. Dat betekent in de praktijk dat de tweetrapsbrander niet altijd op vol vermogen hoeft te stoken, maar ook op een lagere stand (ca. 60% van het nominale vermogen) kan verwarmen (tweetrapsbranders zijn doorgaans slechts beschikbaar in grotere vermogens en bijgevolg niet in residentiële installaties toepasbaar). De modulerende brander gaat echter nog een stap verder, en kan traploos zijn vermogen bijstellen en zo precies genoeg warmte leveren als nodig is om het gebouw op temperatuur te houden.
WAT IS MODULEREN?
Principe
Omdat cv-gebruikers het in alle weersomstandigheden warm willen hebben, is de keuze van het ketelvermogen gebaseerd op het worstcasescenario (bv. er is 21 kW nodig bij -10 °C buitentemperatuur). Natuurlijk kennen we in België niet het hele jaar door vriestemperaturen, en hoeft de ketel dus niet elke dag op volle toeren te draaien (bv. bij 0 °C buitentemperatuur is er maar 14 kW en bij 10 °C maar 7 kW nodig, en bij 20 °C hoeft de ketel zelfs niet te branden). In het verleden waren alle stookolieketels echter van het aan-uitprincipe: de brander in de ketel draait op vol vermogen tot de gewenste temperatuur is bereikt en stopt daarna met branden. Later werd als alternatief de tweetrapsbrander geïntroduceerd met een extra stap tussen de aan- en uitstand. Dat betekent in de praktijk dat de tweetrapsbrander niet altijd op vol vermogen hoeft te stoken, maar ook op een lagere stand (ca. 60% van het nominale vermogen) kan verwarmen (tweetrapsbranders zijn doorgaans slechts beschikbaar in grotere vermogens en bijgevolg niet in residentiële installaties toepasbaar). De modulerende brander gaat nu dus nog een stap verder, en kan traploos zijn vermogen bijstellen en zo precies genoeg warmte leveren als nodig is om het gebouw op temperatuur te houden. Concreet wil dit zeggen dat de brander 's ochtends, als het gebouw snel warm moet worden, eerst op vol vermogen zal draaien en naarmate de kamertemperatuur dichter bij de ingestelde temperatuur komt, zijn vlam zal minderen (bv. op 33% van het nominale vermogen). Een dergelijke modulerende ketel beschikt over een regeling die de ∆T tussen de vertrek- en retourtemperatuur van het cv-water in de gaten houdt (de ketelregeling stuurt de brander zo efficiënt mogelijk aan om de gewenste ketelwatertemperatuur te bekomen bij een ∆T die groot genoeg is, bv. 15 °C in plaats van 10 °C). Als reactie op een te kleine ∆T laat de ketelthermostaat de brander moduleren tot het verschil tussen aanvoer- en retourtemperatuur opnieuw voldoende groot is.
De ketelregeling wordt idealiter gecombineerd met een:
- weersafhankelijke regeling: die de ketel bestuurt door het warmteverlies van het gebouw (proactief) te berekenen op basis van de buitentemperatuur;
- binnenvoeler: die de ketel aanstuurt op basis van de opgemeten temperatuur in een referentielokaal;
- thermostatische kranen: die zich bevinden op de verwarmingslichamen en het mogelijk maken om in ieder lokaal afzonderlijk de temperatuur te regelen;
- intelligente cv-pomp: die rekening houdt met het debiet in de installatie door het systeem bijvoorbeeld op constante of proportionele druk aan te sturen (er is een verschil als er zes radiatoren in plaats van twaalf radiatoren staan opengedraaid).
WAAROM EEN MODULERENDE KETEL?
Een ketel die het vermogen dat ze produceert, kan aanpassen aan de vraag van het moment, kan zuiniger en stiller stoken. De modulerende ketel berekent welke watertemperatuur in het centraleverwarmingssysteem nodig is (stooklijn) om voldoende warmte in het gebouw te krijgen en te houden. Aan- en uitketels en ketels die maar beperkt kunnen moduleren (zoals de tweetrapsbrander):
- warmen het water veelal op tot onnodig hoge temperaturen, met hogere warmteverliezen (als het warmteaanbod groter is dan de warmtevraag, dan verdwijnt het warmteoverschot langs de schoorsteen) en een kleine ∆T tussen de vertrek- en retourtemperatuur (en dus een minder goede condensatie) tot gevolg;
- hebben een lager rendement (een modulerende ketel haalt meer rendement uit een laag stookvermogen);
- staan bekend om hun kortere brandertijden (de gewenste ketelwatertemperatuur die door de regeling bepaald wordt, wordt veel te vlug bereikt en hierdoor valt de brander stil. Wanneer het maximaal vermogen van de brander niet nodig is, zal dit zorgen voor veel start-stops van de brander) en daardoor hogere uitstoot (doordat de ketel vaak aan en uit gaat, worden er meer schadelijke stoffen uitgestoten);
- geven meer stilstandsverliezen (het opgewarmde water koelt af, waardoor de ketel weer op vol of hoog vermogen moet bijstoken);
resulteren in een kortere levensduur van de onderdelen (omdat het toestel frequent aan- en uitschakelt).
Een modulerende ketel doet die nadelen teniet en heeft ook nog andere voordelen. De modulerende ketel:
- kan elektronisch afgeregeld worden. De lucht en pompdruk instellen, gebeurt via een display;
- is compacter. Dat is zo omdat de brander geïntegreerd zit in de ketel, en omdat de vlam van de modulerende brander verticaal kan worden gepositioneerd;
- kan met een concentrische rookgasafvoer werken. De brander hoeft geen omgevingslucht aan te zuigen via roosters of openingen in de muur, maar kan buitenlucht aanzuigen via de schoorsteen. Zo is er een perfecte controle over de aanzuiglucht (roosters en openingen in de muur durft men wel al eens dicht te stoppen). Dat maakt ook dat de ketel binnen minder geluid produceert.
GAS VERSUS STOOKOLIE: WERKINGSPRINCIPE
Modulerende gasketel
In de brander van een gasketel vormt de vlam zich door de juiste verhouding zuurstof/gas te ontsteken. De zuurstof wordt via een aanzuigkanaal aangezogen door een ventilator. In dat aanzuigkanaal zit een vernauwing (venturi) waarop de gastoevoer uitmondt. De doorstromende lucht creëert in die vernauwing een onderdruk, waardoor gas wordt aangezogen uit de gastoevoer die op de vernauwing is aangesloten. Gas en zuurstof vermengen zich in het aanzuigkanaal en worden door de ventilator richting de brander met ontstekingsmechanisme geleid. Het moduleren kan eenvoudig worden verwezenlijkt door het toerental van de ventilator aan te passen. Dat is mogelijk omdat bij een gasketel de verhouding zuurstof/gas vast ligt. Hoe trager de ventilator draait, hoe minder lucht, en dus ook hoe minder gas wordt aangezogen. Op deze manier kan de gasketel zeer diep moduleren van 100% tot 10% van het vermogen.
Modulerende stookolieketel
Een klassieke stookoliebrander beschikt over een motor die de ventilator en de stookoliepomp met vaste snelheid aanstuurt. De ventilator trekt lucht aan, de stookoliepomp zuigt de stookolie uit de tank en brengt die op de juiste verstuiverdruk. Het luchtdebiet (dat wordt geregeld met een klep) en de verstuiverdruk worden als vaste parameter ingesteld bij afregeling van de brander. De verstuiver vernevelt de stookolie, waarna die fijne nevel wordt ontstoken via een ontstekingstransformator en elektrodes. De ontstekingstransfo zorgt voor de omzetting van 230 volt naar 3.000 à 5.000 volt en van 50 Hz naar 50 kHz. De meest voor de hand liggende oplossing om de stookolieketel te doen moduleren lijkt de motor wat trager te doen draaien (minder lucht en minder olie), maar in de praktijk resulteert dat niet in de juiste verhouding zuurstof/stookolie (de toevoer van de verbrandingslucht en het stookoliedebiet moeten individueel kunnen worden afgesteld) om tot een correcte verbranding te komen.
VERSCHILLENDE TECHNIEKEN
De fabrikanten die een modulerende brander op de markt hebben gelanceerd, hebben bijna elk een eigen techniek ontwikkeld.
Modulerende olieverdampingsbrander met membraanpomp
De modulerende olieverdampingsbrander met membraanpomp verschilt niet zo sterk van de klassieke stookoliebrander.
- Terwijl de klassieke stookoliebrander werkt met een motor die een ventilator en een stookoliepomp aanstuurt, drijft de motor van deze modulerende olieverdampingsbrander een ventilator en twee pompen aan, zijnde een stookoliepomp en een membraanpomp. De stookoliepomp zuigt de stookolie op vanuit de opslagtank en stuurt die olie met een constante druk (7 bar) richting de membraanpomp.
- De membraanpomp, die net voor de verstuiver zit, past de verstuiversdruk aan (er is een modulatie van 7 bar tot 23 bar mogelijk).
De motor van een klassieke brander is niet (of beperkt) in toerental regelbaar. Hier is dat wel het geval, deze modulerende olieverdampingsbrander beschikt over een frequentiegestuurde motor met variabele snelheid. - Het motortoerental heeft een groot regelbereik.
Het moduleren van de olieverdampingsbrander met membraanpomp wordt gerealiseerd door het motortoerental aan te passen. De motor stuurt immers de ventilator en de pompen aan. Een motorsturingsmodule in de branderautomaat houdt in de gaten of er voldoende lucht en stookolie worden toegevoerd om een correcte verbranding te bekomen en stuurt de motor bij indien nodig. Om de hoeveelheid verbrandingslucht te regelen, wordt de ventilatorsnelheid bijgesteld. Ook de oliedruk wordt continu gemeten (door een analoge druksensor) en bijgeregeld. De bijregeling gebeurt door de reële oliedruk te vergelijken met de gewenste oliedruk die de motorsturing aangeeft. Op basis van de vergelijking past de membraanpomp de verstuiverdruk (en dus het stookoliedebiet) aan. Met deze techniek kan met de klassieke stookoliebrandercomponenten worden gemoduleerd tot 59% van het vermogen.
Modulerende oliebrander met druktransmitter
Een andere methode om met de klassieke brandercomponenten te moduleren, is gebruikmaken van twee afzonderlijke motoren:
- de ene motor stuurt een ventilator aan en regelt dus de aanvoer van de verbrandingslucht;
- de andere motor stuur een stookoliepomp aan en regelt de brandstoftoevoer.
Het moduleren wordt verwezenlijkt door het motortoerental van de motoren aan te passen. De ventilatorsnelheid wordt bijgesteld door de eraan gekoppelde motor in toerental te doen verhogen of verlagen.
Hetzelfde geldt voor de toerentalgeregelde stookoliepomp. De reële oliedruk wordt opgemeten door een druksensor (of druktransmitter) en wordt vergeleken met de gewenste oliedruk. Op basis van het verschil tussen beide drukmetingen wordt het toerental van de motor die is gekoppeld aan de stookoliepomp aangepast. De modulerende oliebrander met druktransmitter kan moduleren tot ongeveer 23% van het vermogen. De vernieuwende onderdelen ten opzichte van de klassieke brander zijn de elektronische motorsturing (waardoor de motor sneller en trager kan gaan draaien), een membraanpomp met variabele snelheid (om het stookoliedebiet te regelen) en een druksensor (die de druk van de stookolieaanvoer meet).
Modulerende olieverdampingsbrander met rotatieverstuiver
Het werkingsprincipe van de modulerende olieverdampingsbrander met rotatieverstuiver verschilt grondig van de klassieke oliebrander.
Deze modulerende olieverdampingsbrander doet het mengsel van stookolie en verbrandingslucht eerst verdampen, voor het in stookwarmte om te zetten. Dat maakt dat de brander er ook qua opbouw helemaal anders uitziet dan een klassieke stookoliebrander. De stookolie wordt door een externe pomp vanuit de stookolietank naar een frequentiegestuurde brandstofdoseerpomp gebracht.
De brandstofdoseerpomp brengt de olie op een bepaalde druk en met een bepaald debiet naar de rotatieverstuiver. Een ventilator met toerentalregeling voegt daarbij de verbrandingslucht. De rotatieverstuiver verstuift ter hoogte van de voormengkamer het mengsel van stookolie en verbrandingslucht tot zeer fijne druppeltjes. Die nevel wordt in de voormengkamer door ingebouwde verwarmingselementen (en na het opstarten niet meer door de verwarmingselementen, maar door de recirculatie van hete rookgassen) op een hoge temperatuur gebracht. Dat resulteert in een totale vergassing van de stookolie.
Die gassen worden vervolgens naar een cilindervormig branderoppervlak gebracht, waar ze (bijna vlamloos) worden verbrand. Moduleren gebeurt door het debiet dat de frequentiegestuurde doseer-pomp injecteert in de verstuiver bij te stellen. Het toerental van de ventilator wordt aangepast in functie van het debiet dat de pomp injecteert en de temperatuur van de verbrandingslucht die wordt aangezogen. Met deze techniek kan er worden gemoduleerd tot ongeveer 27% van het vermogen.
De kwaliteit van de stookolie is zeer belangrijk: enkel brandstoffen met een laag zwavelgehalte zijn toegelaten voor dit type brander.
Modulerende olieverdampingsbrander met warmtewisselaar
De bedenkers van dit type modulerende brander hebben hun mosterd gehaald bij een techniek uit de automobielindustrie waar de stookolie geïnjecteerd wordt in de verbrandingslucht die door een warmtewisselaar is voorverwarmd.
De verbrandingslucht wordt in de modulerende olieverdampingsbrander met een warmtewisselaar door een lucht-warmtewisselaar opgewarmd en gaat richting de mengkamer. Binnen in de mengkamer spuit een injector stookolie in deze hete verbrandingslucht. Doordat de stookolie in deze hete lucht wordt gebracht, wordt de vloeibare brandstof direct in de gasfase gebracht. In de branderbuis wordt dit mengsel van verbrandingslucht en stookoliegas door ontstekingselektroden ontstoken en wordt er een vlammentapijt gevormd.
Via de ventilatorregeling wordt het toerental van de ventilator zo geregeld dat de temperatuur van de verbrandingslucht steeds hoog genoeg ligt om de stookolie te doen vergassen. De injector doseert het brandstofmengsel en beïnvloedt zo het vermogen door het openen en sluiten van de injector in zeer korte pulsen. Hierdoor wordt een modulatiebereik bekomen tot 30% van het totale vermogen.
AANDACHTSPUNTEN BIJ INSTALLATIE
- Dimensioneer de ketel correct. Een veel voorkomend probleem is dat te ketel overgedimensioneerd wordt (zodat er 'toch zeker voldoende vermogen' is). Nochtans is een modulerende stookolieketel (en zijn ook andere ketels) met te veel vermogen niet efficiënt. Een stookolieketel kan maar moduleren tot op een bepaald percentage van haar totale vermogen (bijvoorbeeld 30%). Als een ketel overgedimensioneerd wordt, dan zal die het grootste deel van het stookseizoen op haar minimale vermogen draaien.
- Omdat in modulerende stookolieketels met zeer lage debieten wordt gewerkt, moet een aanzuigleiding met een aangepaste diameter van 4 à 6 mm worden gebruikt, gecombineerd met een hoogwaardige filter van 20 μm en een ontluchter om luchtbelvorming te vermijden.
