INZICHT IN DE HYDRAULISCHE KOPPELING VAN EEN WARMTEPOMP EN EEN KETEL
ENERGIE-EFFICIËNTIE ZIT HEM IN DE HYDRAULICA
Voor kleine tot middelgrote gebouwen kan de volledige warmtevraag worden gedekt met een of meerdere warmtepompen. Voor grotere gebouwen is het vooral door investeringstechnische redenen een stuk moeilijker om 'all electric' te gaan, en worden de warmtepompen typisch ingezet om de basislast af te dekken, terwijl (goedkopere) ketels de piekvermogens opvangen. Tot zover het gemakkelijke gedeelte … Het correct hydraulisch ontwerpen van zo'n hybride stookplaats is namelijk een heel ander paar mouwen en wordt vaak onderschat.
Jammer, want het uiteindelijke energieverbruik zit hem nu net in de hydraulica. In onderstaand artikel analyseren we diverse hydraulische concepten voor een concrete case. D.m.v. simulatie bestuderen we het dynamische systeemgedrag en de impact op het systeemrendement. Met de verworven inzichten optimaliseren we stapsgewijs het energieverbruik.
SITUATIESCHETS EN ONTWERPOPDRACHT
De te ontwerpen stookplaats dient twee collectoren te voeden, waarvan één op hoge temperatuur (HT-collector, 40 kW, 70/50 °C) en één op lage temperatuur (LT-collector, 80 kW, 45/35 °C) zoals geïllustreerd in figuur 1. Het totale thermische vermogen van 120 kW wordt gespreid over een water-waterwarmtepomp met een maximaal thermisch vermogen van 40 kW met een 50/40 °C regime, en een condensatieketel van 80 kW. De niet-modulerende warmtepomp wordt vrijgegeven in functie van de laadtoestand in het buffervat met twee temperatuuropmeters.
ANALYSE VAN DE VERSCHILLENDE HYDRAULISCHE CONCEPTEN
Parallelconfiguratie
De meest voor de hand liggende manier, en dus ook het meest voorkomende concept 1, is de zogenaamde parallelconfiguratie. De lage centrale retourtemperatuur van 42 °C is het gewogen gemiddelde van de retourtemperaturen in de HT- en LT-collectoren, en wordt direct gevoed aan zowel de ketel als de warmtepomp, wat resulteert in een hoog ketelrendement (94%) en een hoge gemiddelde COP (5,4).
Wat op het eerste gezicht een behoorlijk resultaat lijkt, ziet er echter veel minder goed uit op systeemrendement (107%). Onafgezien de hoge COP wordt er in dit concept namelijk veel te weinig warmte uit de warmtepomp onttrokken. Wanneer de ketel 'bijspringt', wordt het totale systeemdebiet verdeeld over zowel de ketel als de warmtepompbuffer. Het debiet over de warmtepomp zakt dus, waardoor er plots veel minder warmte uit de preferentiële opwekker kan worden onttrokken. De warmtepomp wordt zogenaamd 'weggedrukt' wanneer de ketel bijspringt …
Serieschakeling
Als antwoord op dit fenomeen introduceren we concept 2 waarbij de warmtepomp en ketel in serie met elkaar worden geschakeld. De retourtemperatuur van de ketel wordt dan wel voorverwarmd door de warmtepomp waardoor het ketelrendement daalt, maar in dit concept gaat wel steeds het volledige systeemdebiet doorheen de warmtepompbuffer, waardoor we deze maximaal kunnen belasten.
Hoewel zowel de COP als het ketelrendement hier lager is dan in concept 1, is het totale systeemrendement aanzienlijk hoger omdat de warmtepomp beter wordt benut, met een totale energiekostenbesparing van 11%!
Inkoppeling voor lt-collector
In concept 3 wordt de warmtepomp ingekoppeld net voor de LT-collector. Het idee is dan ook om de warmtepompbuffer te voeden met de laagst mogelijke watertemperatuur van35 °C uit de LT-collector, om zodoende de warmtepomp meer te belasten en tegelijk de COP te verhogen. Omdat we het debiet naar de LT-collector niet mogen verstoren, werken we hier met een zogenaamde shunthybridein de retourleiding.
De verhoopte resultaten blijven echter uit, zo blijkt uit de simulatieresultaten, met zelfs een licht hogere energiekost t.o.v. concept 1. Na analyse blijkt het probleem zich te situeren in het te lage 'sleepdebiet' van de shuntschakeling. Het debiet naar de LT-collector is veel te laag, waardoor er te weinig warmte vanuit de warmtepompbuffer kan worden 'meegesleept' in de installatie.
Verhogen van sleepdebiet
Geïnspireerd door dit probleem wordt in concept 4 het sleepdebiet (debiet naar de LT- collector) moedwillig verhoogd door toepassing van een voorregeling op de watertemperatuur. Door het verlagen van de aanvoertemperatuur naar de LT-collector van 70 °C naar 45 °C dient immers het debiet te stijgen om hetzelfde thermische vermogen te leveren. Hierdoor kan meer warmte uit de warmtepompbuffer worden onttrokken, wat zich ook aftekent in de procentuele warmtebijdrage van de warmtepomp: 61% en een energiekostenbesparing van 21% t.o.v. concept 1.
De meer gedetailleerde simulatieresultaten tonen echter wel aan dat de warmtepompbuffer een vrij hoge retourtemperatuur ervaart, en dit hoofdzakelijk in nachtregime. In deellast daalt namelijk het debiet van de LT-collector, en wordt er warm water uit de warmtepompbuffer overgestort in de shuntschakeling naar de retour van de warmtepompbuffer, wat een nadelig effect heeft op de belasting van de warmtepomp en de COP.
Shuntschakeling in vertrekleiding
Om dit laatste probleem te verhelpen introduceren we concept 5 waarin de shuntschakeling ditmaal geplaatst wordt in de vertrekleiding. De ketelwarmte die in de LT-collector moet worden geïnjecteerd, wordt met een temperatuurmeting nauwkeurig gecontroleerd. Bovendien kan nergens in de installatie nog warm vertrekwater worden overgestort naar de retour van de warmtepompbuffer.
Met dit laatste concept hebben we het totale systeemrendement dan ook verhoogd tot 152%, wat resulteert in een verlaging van de energiekost met maar liefst 26% t.o.v. concept 1.
CONCLUSIE
De onderzochte concepten tonen grote verschillen in hun dynamisch gedrag en hun uitwerking op het uiteindelijk energieverbruik. Door in te spelen op de hydraulische configuratie, hebben we de energiekost in concept5 met 26% doen dalen t.o.v. het initiële concept 1. Het totale systeemrendement is daarbij gestegen van 107% naar 152%! Zoals de titel van dit artikel luidt: energie-efficiëntie zit hem werkelijk in de hydraulica …
Hebben we het optimum nu bereikt? Nee, wellicht nog niet. In een doorgedreven optimalisatie doen we ook sensitiviteitsstudies op verschillende ontwerpparameters (bv. vermogensspreiding tussen ketel en warmtepomp, temperatuurregimes van de warmtepomp …) om zo het systeemrendement nog meer te verhogen. Vaak heeft dit zelfs nog impact op de keuze van het uiteindelijke concept.
COMPLEXE MATERIE? ABSOLUUT!
Met name de dynamische interacties tussen kringen en opwekkers zijn niet meer te overzien met statische berekeningen, en nog minder in te schatten op 'goed gevoel'. Het optimale concept kan bovendien wijzigen in functie van de vermogens, de temperatuurregimes, de belastingprofielen maar ook de hydraulische configuratie van het leidingsnetwerk stroomafwaarts. De Hysopt software brengt transparantie in de uiteindelijke systeemprestaties en begeleidt de ontwerper bij alle nodige berekeningen tot en met de componentselecties en inregelingsparameters. Zo wordt elke installatie ook een optimale installatie.
