Cascadesysteem beter voor snel wisselende warmtevraag

Traploze modulatie maakt maatwerk mogelijk

Een cascadesysteem is een systeem waarin meerdere verwarmingstoestellen parallel zijn geschakeld waardoor beter kan worden ingespeeld op de steeds wisselende warmtevraag. Een dergelijk systeem vindt mede daardoor steeds vaker toepassing in onder meer grote (utiliteits)gebouwen en renovatieprojecten. De voordelen zijn legio en de investering is doorgaans via de energierekening snel terug te verdienen. Door de toenemende vraag naar grote(re) vermogens wordt door fabrikanten voortdurend gewerkt aan verbeteringen van de verwarmingsapparatuur zelf en de bijhorende accessoires als gasleidingen en hydraulische aansluitingen.

werkingsprincipe

Het op temperatuur brengen van een gebouw vraagt van de verwarmingsinstallatie veel vermogen, en daardoor kan het beantwoorden van de warmtevraag de nodige tijd vergen. Een oplossing hiervoor is een cascadesysteem (hierna: cascade), waarbij meerdere ketels dan wel warmtepompen (zie kader) parallel worden geschakeld. Dat maakt vermogens mogelijk variërend van 100 tot 800 kW. Concreet betekent dit dat wanneer in een (woon)gebouw 500 kW moet worden geleverd, er keuze is tussen een ketel van 500 kW of een cascade van bijvoorbeeld vijf toestellen van 100 kW. Bij een stijgende warmtevraag gaan er meer cv-ketels branden: op het moment dat toestel 1 maximaal levert, springt toestel 2 bij enzovoort. Dit is overigens pas het geval wanneer de vermogensvraag van het eerste cv-toestel 100% is. Een cascadesysteem is op die manier snel in staat te voldoen aan steeds wisselende warmtebehoeften.

de regeling

De belangrijkste onderdelen van de cascade zijn: de aanvoer/retour, de verdelers, de pompen en de gasleidingen. Aansturing vindt plaats door de cascaderegelaar die zorgt voor een bij de omstandigheden passende temperatuur. De regelaar registreert de binnentemperatuur via een thermostaat en de buitentemperatuur aan de hand van sensorwaarden. Op basis van deze gegevens berekent het apparaat de warmtevraag en dus de gewenste aanvoertemperatuur. Een dergelijke zogeheten ‘volgorde-omkering’ zorgt voor een gelijke verdeling van het aantal branduren van elk cv-toestel. Dit geldt zowel voor het aantal branduren voor verwarmingsdoeleinden als voor warm water. Daarnaast wordt ook een toestel ‘verantwoordelijk’ gemaakt voor tapwaterbereiding op hogere temperaturen, dit door koppeling aan een boiler. Dit voorkomt dat de volledige installatie een hoge stooklijn levert voor een wellicht wel veel lagere warmtevraag. De installateur kan een installatie inregelen op basis van de klantvraag.

 

Voordelen

De cascade wordt gezien als een alternatief voor toestellen met groot vermogen, omdat de parallelopstelling doorgaans nauwkeuriger het benodigde vermogen kan leveren. De voordelen van zijn dan ook evident:

• er kan efficiënt worden ingespeeld op een steeds wisselende warmtevraag (traploze modulatie maakt maatwerk mogelijk);
• een grote bedrijfszekerheid: bij storing of noodzakelijk onderhoud is er altijd back-up;
• een compact systeem (ruimtebesparing) waardoor er bovendien meer ruimte is bij installatie- en/of onderhoudswerkzaamheden;
• zoneregeling is mogelijk, waarbij de temperatuur in aparte zones individueel kan worden geregeld;
• gelijkmatige belasting, dus een lange(re) levensduur.

In de (proces)industrie verdient een toestel met een groot vermogen doorgaans nog wel de voorkeur vanwege de daar noodzakelijke combinatie van hoge aanvoertemperaturen en een hoog aantal draaiuren.

Toepassing

Een cascadesysteem is geschikt voor onder meer bedrijfspanden, scholen en appartementencomplexen, maar ook voor kleine utiliteitsbouw en gestapelde woningbouw waar de technische ruimte klein of moeilijk toegankelijk is. Randvoorwaarden daarbij zijn het benodigde aantal ketels – lees: het vereiste systeemvermogen − en een juiste afstemming van de afmetingen van de cascade op die van de installatieruimte.

Bij de renovatie van een bestaand systeem biedt een cascade eveneens uitkomst. Grote ketels slaan bij een kleine vraag even aan en gaan dan snel weer uit, en dat geeft start- en stopverliezen die bij een cascade ontbreken. Ook het inregelen van de radiatoren levert een behoorlijke besparing op. De investering is dus al snel terugverdiend omdat fors kan worden bespaard op het energieverbruik. Bovendien is er in figuurlijke zin winst te behalen doordat zowel het klimaat als het comfort binnen het gebouw verbetert.

Grote ketels slaan bij een kleine vraag even aan en gaan dan snel weer uit, en dat geeft start- en stopverliezen die bij een cascade niet voorkomen

Plaatsing

Een cascade wordt altijd plug-and-play geleverd, inclusief de aansluitingen op het frame, de cv-zijdige aansluitingen, de open verdeler en de isolatiedelen. Er zijn daarbij diverse plaatsingsmogelijkheden: back-to-back, in een lijn- of in een hoekopstelling; vooral laatstgenoemde variant levert ruimtewinst op in de stookruimte. Belangrijke aandachtspunten zijn de opstellingsruimte − deze moet bij meer dan 130 kW voldoen aan de eisen gesteld in NEN 3028 – de correcte diameter van de accessoires en het juiste verloop van de rookgasafvoer.

Bij opstellingen van ketels, radiatoren en zoncollectoren waarbij de flow gelijkmatig dient te worden verdeeld, wordt veelvuldig gebruik gemaakt van het zogeheten Tichelmann-systeem, ook wel aangeduid als systeem met omgekeerde retour. Het drukverschil tussen de aanvoer- en de retourleiding is in dat geval bij elke willekeurige aftakking gelijk, doordat alle geschakelde elementen in het circuit een gelijke weerstand ondervinden.

WARMTEPOMP-CASCADE

Ook warmtepompen lenen zich voor een cascadeopstelling, met of zonder regelaar.

Een cascade zonder regelaar kent twee regelopties. Ofwel worden alle warmtepompen ingesteld op dezelfde setpoint, en komen ze bij een warmtevraag tegelijk in actie. De eigen interne inverterregelingen berekenen dan de aanvoertemperatuur op basis van de buitentemperatuur. Zodra het buffervat voldoende is opgewarmd, schakelen de warmtepompen gelijktijdig uit. Bij een tweede regeloptie verschilt het setpoint van de stooklijn iets per warmtepomp. Daalt de buitentemperatuur, dan schakelt een warmtepomp bij. De startende warmtepomp maakt daarbij de meeste draaiuren, de warmtepomp die het laatst aanspringt de minste.

Bij een cascade met regelaar start de eerste warmtepomp, waarna zo snel mogelijk een tweede warmtepomp bijschakelt. De regelaar bewaakt het aantal draaiuren per warmtepomp (gelijkmatige veroudering).

Ingebruikname

Voorafgaand aan de inbedrijfstelling dienen er verschillende parameters te worden ingesteld om het systeem als ‘eenheid’ te laten functioneren. Een voorbeeld daarvan is de rolverdeling tussen ‘master’ en ‘slave’. De mechanische installatie van een cascade verloopt normaal gesproken volgens een vast stappenplan:

• montage van het frame;
• montage van de centrale gasleiding;
• bevestiging van de ketels aan het frame;
• montage van de hydraulische groepen en verbindingsets;
• het aanbrengen van de open verdeler;
• vaststellen van de rolverdeling master/slave;
• aansluiten van de rookgas en luchttoevoer pijpen;
• het programmeren van de parameters in de software van elke ketel;
• inbedrijfstellen van de cascade.

Diameters

Aangezien (ook) bij cascadeopstellingen de vraag naar grotere vermogens toeneemt werken fabrikanten aan aanpassingen en verbeteringen van het assortiment. Daarbij gaat het niet alleen om de ketels en/of de warmtepompen zelf, dat geldt evenzeer voor accessoires als gasleidingen, hydraulische aansluitingen en de bekleding van de rookgaskanalen. Hoe meer ketels geschakeld staan opgesteld, hoe meer gas, warmte en rook dient te worden afgevoerd, en dat vraagt om aanpassingen van zowel de gasleidingen, de hydraulica als de schoorsteenpijpen. Dat betekent overigens niet dat het volledige assortiment op de schop moet. Hoofdzakelijk betreft het de diameters van diverse onderdelen. Voor gasleidingen betekent dit een overgang van DN 50 naar DN 80 en voor de hydraulica van DN 65 naar DN 100.

Onderhoud

Het uitvoeren van onderhoud aan een cascadesysteem is, net als bij elke andere installatie, van groot belang, niet alleen met het oog op functiebehoud, de levensduur en het gasverbruik, maar ook in het kader van het gewenste comfort. Door een juiste afstelling van de diverse onderdelen stoot het systeem bovendien minder CO₂, NO_x en andere schadelijke verbindingen uit.

Ketels met een gezamenlijk nominaal vermogen van meer dan 70 kW die staan opgesteld in een en dezelfde stookruimte zijn keuringsplichtig. Hiervoor geldt een inspectietermijn van minimaal 1 keer in de 2 jaar. De inspecteur die de periodieke inspectie (PI) uitvoert kan op basis hiervan een onderhoudsadvies geven, maar dit is vrijblijvend: de installatie-eigenaar bepaalt zelf of hij/zij hier gehoor aan geeft.

Met dank aan: Atag, Mitsubishi Electric, Remeha, Vaillant