Vijf tips voor een performant warmtenet
Collectieve verwarming vindt steeds meer plaats in ons land
Warmtenetten en andere vormen van collectieve verwarming zijn aan een opmars bezig in België. We treden daarbij, met een vertraging van enkele decennia, in de voetsporen van de Scandinavische landen. Daar zijn warmtenetten de norm in de meeste steden en zelfs een groot deel van de gemeenten. Ruben Vos, heat network specialist bij Hysopt NV, geeft 5 succesfactoren voor een performant warmtenet.
1 | Hydraulisch balanceren? enkel op de afleverset
In tegenstelling tot de warmtedistributie in tertiaire gebouwen, zoals ziekenhuizen en universiteiten, is bij het warmtenet hydraulisch balanceren tot aan de afgiftestations niet nodig. We durven zelfs verder gaan door te zeggen dat er geen nood is aan het installeren van inregelventielen in die distributieleidingen.
Het ontwerpdebiet in elke leiding is immers het resultaat van de optelling van verschillende vermogens met gebruik van gelijktijdigheden. De rekenkundige som van de individuele ontwerpdebieten klopt dus niet meer, waardoor hydraulisch balanceren van deze ontwerpdebieten onmogelijk is.
Drukgecompenseerde afleverset
De werkelijke debietregeling wordt gerealiseerd in de afleverset, en bij uitbreiding in het afleverstation bij niet-residentiële gebouwen. Deze debietregeling moet wel drukgecompenseerd zijn, ofwel met een drukverschilregelaar (DPCV – differential pressure control valve) ofwel met een drukgecompenseerde regelventiel (PICV – pressure independent control valve). Hydraulisch balanceren is dus wel degelijk nodig, maar enkel op de afleverset en op druk in plaats van op debiet.
2 | Directe afleverset als het kan, indirecte afleverset als het moet
We hebben het hierbij over het wel of niet toepassen van een hydraulische scheiding voor de opwekking van centrale verwarming (CV) in de aangesloten woningen. Die keuze wordt meestal al vroeg in het ontwerpproces gemaakt zonder stil te staan bij alle consequenties. Later in het ontwerpproces wordt hier zelden op teruggekomen. Het is belangrijk om bij de keuze hiervan goed op de hoogte te zijn van de voor- en nadelen, alsook het toepassingsgebied van beiden.
Prijsverschil
Laat ons beginnen met het prijsverschil. Er is een significant prijsverschil tussen een vergelijkbaar model met of zonder hydraulische scheiding voor CV. De reden hiervoor is heel eenvoudig: de indirecte afleverset bezit een groot aantal extra componenten zoals een warmtewisselaar, circulatiepomp, expansievat, etc. (zie figuur 1).
Omdat afleversets in groten getale aanwezig zijn in een warmtenet, kan het prijsverschil een grote impact hebben op de haalbaarheid van een warmtenet, op de businesscase van de investeerder en vooral op de betaalbaarheid van de door de klanten afgenomen warmte.
Kosten
Om warmtenetten echt te laten doorbreken in België, zullen ze kostenconcurrerend moeten worden met individuele gasketels.
Als de afleverset, uiteindelijk maar een klein maar veelvuldig gebruikt component in een warmtenet, al ongeveer even duur is als een gasketel, dan wordt de business case al snel een moeilijk verhaal.
Ook is de jaarlijkse onderhoudskost gevoelig hoger bij een indirect toestel. Meer nog: bij de directe afleverset is er geen strikte noodzaak meer voor een (twee)jaarlijks onderhoud, gezien die aanzienlijk minder onderhoudsgevoelige componenten bevat, zoals een expansievat.
Dat biedt een concurrentievoordeel voor het warmtenet ten opzichte van de individuele gasketel.
Lage temperatuur
Naast de significante impact op zowel het nodige kapitaal, de onderhoudskost en de herstellingskost, geeft een directe afleverset nog een extra voordeel.
Zowel de ontwerp- als werkingstemperaturen kunnen worden verlaagd met enkele graden Celsius. Vooral bij de implementatie van warmtepompen, restwarmte en andere lagetemperatuurwarmtebronnen kan dat een verschil maken.
"Om warmtenetten te laten doorbreken in Belgie, zullen ze kostenconcurrerend moeten worden met gasketels. Als de afleverset al even duur is als een gasketel, dan wordt het snel een moeilijk verhaal"
Indirecte afleverset
Wat is dan het bestaansrecht van een indirecte afleverset? De indirecte afleverset voorziet in een hydraulische scheiding tussen het warmtenet en de thuisinstallatie.
In twee toepassingen is dat van belang: hoogbouw en grootschalige warmtenetten. In het eerste geval kan de statische druk te hoog worden, waardoor vooral de radiatoren op de laagste verdiepingen een te hoge werkingsdruk moeten doorstaan.
Er zijn verschillende paneelradiatoren verkrijgbaar met een maximale werkdruk van 10 bar, waardoor appartementsgebouwen tot ongeveer 16 verdiepingen met directe afleversets voorzien worden. Sierradiatoren hebben meestal een lagere werkingsdruk en dus zal er in bepaalde gevallen al eerder naar de indirecte afleverset moeten worden gegrepen.
Mogelijke lekkages
Een ander argument dat wordt aangehaald bij een keuze voor indirecte afleversets zijn mogelijke lekkages in een cv-circuit bij de warmtenetklant. Bij een indirecte afleverset heeft dat geen impact op het drukbehoud en werking van het warmtenet.
Bij een directe afleverset kan die er wel zijn. Een klein lek zal worden gecompenseerd door het bijvullen van water met behulp van het drukbehoudsysteem in de warmtecentrale of in het onderstation als er sprake is van een primair en secundair net.
Een groot lek kan echter een deel van het warmtenet – of zelfs het volledige warmtenet – uit dienst stellen. Dat risico is inherent aan een directe afleverset. Hierbij dient wel de kanttekening te worden gemaakt dat enkel een leidingbreuk een voldoende hoog waterverlies kan bewerkstelligen en dat dat in de praktijk zeer weinig voorkomt.
Waterkwaliteit
Een laatste argument om voor een hydraulische scheiding te opteren is de waterkwaliteit. De warmtenetbeheerder wil mogelijk niet verantwoordelijk worden gesteld voor de waterkwaliteit in de cv-circuits van zijn respectieve klanten.
Dat is een terechte zorg, maar daarbij dient de kanttekening gemaakt te worden dat de warmtenetbeheerder dat risico sowieso meedraagt, gezien het ook een impact heeft op de levensduur van de (indirecte) afleverset en de performantie daarvan bij blokkage. Wanneer de waterkwaliteit centraal kan worden gemonitord en bijgestuurd, resulteert dat over het algemeen in een betere waterkwaliteit dan die bij kleine huishoudelijke installaties.
Bij kleine installaties wordt de waterkwaliteit meestal niet opgevolgd en is het expansievat mogelijk incorrect gedimensioneerd of in dienst genomen.
We kennen ESCO’s die dus graag dat berekend risico nemen en de verantwoordelijkheid voor de waterkwaliteit maar al te graag op zich nemen, in ruil voor de resulterende voordelen. Bij het aansluiten van bestaande gebouwen kan er mogelijk onduidelijkheid bestaan over de compatibiliteit van verschillende materialen gebruikt in het cv-circuit en/of de maximale werkingsdruk. In dat geval is een indirecte afleverset sneller gerechtvaardigd.
3 | Kies voor een progressieve leidingdimensionering
We kunnen het natuurlijk niet over warmtenetten hebben zonder de leidingdimensionering te behandelen. Het leidingwerk is verantwoordelijk voor een kwart tot de helft van de investering in een warmtenet en de leidingmaat heeft er dus een grote invloed op. Ook de operationele kost wordt erdoor beïnvloed, aangezien grotere leidingen ook meer warmte verliezen.
Vooraleer we bij leidingselectie aanbelanden, willen we eerst nog overdimensionering aankaarten. Die komt voort uit een opeenstapeling van overschattingen en marges nog voor men toekomt aan de leidingselectie.
Bij de inschatting van de maximale warmtevraag raden we aan om bij bestaande gebouwen zoveel mogelijk gebruik te maken van beschikbare meetdata en gasfacturen, eerder dan zich te baseren op een reeds overgedimensioneerde bestaande stookplaats.
Bij nieuwbouw is het zaak om de warmtevraag correct in te schatten en daarbij interne warmtewinsten mee in acht te nemen. Voor sanitair warm water is het belangrijk om de juiste gelijktijdigheid correct toe te passen.
En ten slotte is het ook belangrijk om de juiste gewogen retourtemperatuur te gebruiken voor de berekening van het maximale debiet in elke leiding. Vaak wordt er een vaste delta-T van 20 of 30 °C aangenomen, maar die methode is incorrect. De ontwerp-delta-T is trouwens geen ‘vrije ontwerpkeuze’, maar afhankelijk van de grootte van de warmtewisselaar en de aanvoertemperatuur.
Leidingselectie
Na het bepalen van de correcte maximale debieten komen we toe aan de leidingselectie. Daarbij willen we de ontwerper van een warmtenet uitdagen om net iets verder te gaan dan de standaard NBN EN10255 norm voor de leidingselectie.
Er moet ook gekeken worden naar de totale levenscycluskost voor een optimale selectie. Figuur 2 geeft een dergelijke analyse weer voor een ondergrondse leiding. Zoals te zien in de figuur wordt er een optimum bereikt in de life cycle cost, wat een combinatie is van verschillende aspecten.
Voor leidingen in een gebouw, en vooral de finale aftakkingen, zal dat punt ergens anders liggen door een lagere belastingsfactor.
4 | Hou het warm, maar niet te warm
De warmhoudfunctie is een van die kleine sleutelfactoren waar tijdens het ontwerp en de indienstneming weinig bij wordt stilgestaan, maar die wel de performantie van een warmtenet kan maken of kraken.
Zonder doorgedreven simulatie tast men in het duister wanneer men de juiste beslissing wil nemen over het al dan niet toepassen van een warmhoudfunctie en hoe die gerealiseerd moet worden.
warmhoudfunctie
Het waarom van de warmhoudfunctie spreekt voor zich: ondanks doorgedreven isolatie koelt het water in vertakkingen van het warmtenet af wanneer er geen verbruik is.
Vooral bij het gebruik van sanitair warm water kan dat ongewenst lange wachttijden opleveren. Een aanvaardbare respons tijd van warm water is vastgelegd op maximaal 60 seconden.
Houd de leidingen zo klein en zo kort mogelijk
De boodschap is dus om de leidingen, vooral de laatste vertakkingen van het warmtenet, zo klein en zo kort mogelijk te houden (uiteraard met de respectievelijke drukvallen in acht genomen). Dat zal de noodzaak voor warmhoudfunctie verkleinen, waarna een doordachte warmhoudstrategie toegepast dient te worden.
Indien het voldoende is om in de eindpunten van de vertakkingen, bv. het einde van de stijgleiding in een appartementsgebouw of het einde van de straat, een thermostatische overstort te voorzien, dan draagt dit duidelijk de voorkeur uit. Hierbij wordt dus vermeden dat alle vertakkingen warm gehouden moeten worden.
Warmtenetten optimaliseren met software
Warmtenetten introduceren een aantal extra complexiteiten in het ontwerp. Elke kleine fout wordt uitvergroot en haalt mogelijk de performantie van het warmtenet onderuit. We kunnen daarom niet genoeg de nadruk leggen op het ‘first time right’-principe voor de ontwikkeling van warmtenetten.
Hysopt wil hierbij een oplossing aanreiken met de ontwerp- en simulatiecapaciteiten van hun software.
In 2019 werd de software verder uitgebreid met een reeks functionaliteiten, specifiek voor het ontwerpen en optimaliseren van warmtenetten, van haalbaarheidsfase tot in de operationele fase.
Thermostatische overstort
Daarbij is het uiterst belangrijk om de thermostatische overstort correct te dimensioneren en in dienst te nemen. Enkel dynamische simulatie kan een antwoord bieden.
Wanneer de vertakkingen naar de afleverset te lang en/of een te grote leidingdiameter hebben, waardoor de waterinhoud van die vertakking een te lange wachttijd zou veroorzaken, moet er worden gegrepen naar een warmhoudfunctie in de afleverset.
Meestal is die rechtstreeks gelinkt aan het setpunt van de productie van sanitair warm water, maar in sommige elektronische geregelde afleversets kan die verder worden geoptimaliseerd, bijvoorbeeld door programmatie of self-learning. Hier zijn enorme verschillen tussen de verschillende toestellen, waarbij de betere toestellen een gemiddelde retourtemperatuur tonen van minder dan 40 °C aan een gemiddeld debiet van 5 liter/uur. De Britse BESA Standard for HIU’s beschrijft een teststandaard waarmee afleversets objectief getest worden en hun performantie wordt gekwantificeerd.
Simulatieresultaten
Figuur 3 toont de simulatieresultaten van 3 verschillende warmhoudstrategieën, waarbij de eerste een zeer hoog comfort geeft door onmiddellijke beschikbaarheid van sanitair warm water maar wel ten koste van het rendement (34% distributieverlies).
De optimalisaties doen de wachttijd voor sanitair warm water minimaal toenemen, maar resulteren in veel lagere distributieverliezen (22% en 15% respectievelijk). Bij beide optimalisaties wordt de responstijd van 60 seconden ruimschoots behaald. De impact van de warmhoudfunctie op het rendement van het warmtenet kan niet onderschat worden.
5 | Meten is weten
Bovenstaande tips wegen door op de investerings- en onderhoudskost (directe vs. indirecte afleverset) en de energiekost (warmhoudfunctie en hydraulisch balanceren).
Daarnaast zijn er ook nog een aantal andere operationele kosten die zwaar (kunnen) doorwegen op de businesscase van een warmtenet. Metering en datacollectie horen daar bijvoorbeeld bij.
Automatische uitlezing
Zoals bepaald volgens de EU's 2012 Energy Efficiency Directive is een warmteleverancier verplicht om het verbruik van elke afnemer te meten met een caloriemeter en jaarlijks een correcte en inzichtelijke factuur te versturen op basis van dat verbruik.
Strikt genomen moet er dus maar één meteropname per jaar zijn en zou dat dus kunnen d.m.v. een plaatsbezoek. Dat is echter zeer arbeidsintensief en biedt onvoldoende garantie tegen het correct en vroegtijdig ontdekken van een mogelijk defect van de caloriemeter (al dan niet frauduleus). De oplossing zit hem dus in automatische uitlezing van de meters met een datacollectie-systeem.
Openprotocolsysteem
De boodschap die we hier willen geven is om te opteren voor een openprotocolsysteem, zodat de keuze van de hardware de beheerder van het warmtenet niet vasthangt aan een specifieke leverancier voor toekomstige vervangingen en een specifieke provider voor de uitlezing en dataverwerking. De oplossing is te vinden in M-bus, een Europese standaard die specifiek ontworpen is voor het uitlezen van utiliteitsmeters.
Er is vast en zeker plaats voor serviceproviders om deze dienst – uitlezing en verwerking van meter data – te leveren aan warmtenetbeheerders.
Echter moet de warmtenetbeheerder erover waken dat hier steeds ruimte is voor competitie. De keuze van de hardware voor de automatische uitlezing in een vroeg stadium van het ontwerp kan toekomstige competitie deels of volledig uitsluiten.
Over de auteur
Ruben Vos heeft als student in 2011 het warmtenetproject in Eeklo mee geïnitieerd en daarmee ook de passie voor warmtenetten te pakken gekregen.
In de Londense district heating sector heeft hij de kans gekregen om relevante ervaring op te bouwen in dit gebied.
In België wil hij deze passie verder zetten bij Hysopt. Hier wil Vos de Hysopt-software inzetten om mee te bouwen aan kwalitatieve warmtenetten in België en Nederland.
