HYDRAULISCH BALANCEREN IS PROBLEMEN COUPEREN
Zeven vragen over het hydraulisch balanceren van verwarmingsinstallaties
Opdat een ruimte op de gewenste temperatuur gebracht kan worden, is het van groot belang dat de thermische eindunits (radiatoren, convectoren ...) van de juiste debieten worden voorzien. Een te hoog debiet zou immers leiden tot een te hoge temperatuur, terwijl de ruimte bij een te laag debiet net koud blijft. Omdat water echter altijd de weg van de minste weerstand volgt, is het hydraulische evenwicht van een installatie niet zomaar gegarandeerd. Is mijn installatie wel gebalanceerd, en zes andere veelgestelde vragen over hydraulisch inregelen.
OVER DE AUTEUR
Dr. ing. Roel Vandenbulcke is oprichter en CTO van Hysopt NV. Het Antwerpse bedrijf biedt de gespecialiseerde Hysopt ontwerpsoftware voor HVAC-installaties aan en organiseert opleidingen en webinars over inregeling en hydraulica.
1. WAAROM IS EEN HYDRAULISCHE BALANS ZO BELANGRIJK?
Water volgt de weg van de minste weerstand. Radiatoren in de nabijheid van de centrale pomp krijgen daarom vaak een groter debiet dan radiatoren op de bovenste verdieping. Om die verafgelegen radiatoren te bereiken, ondervindt het water immers veel meer weerstand.
Die onbalans leidt tot comfortklachten, die op hun beurt dan weer aanleiding geven tot heel wat kunst- en vliegwerk. Om gebruikers tevreden te stellen worden pompen bijvoorbeeld onnodig verzwaard, wordt de keteltemperatuur verhoogd ... Nutteloze ingrepen die het energieverbruik verhogen en het probleem uiteindelijk zelfs erger maken.
De enige juiste oplossing is dan ook het hydraulisch balanceren van de installatie. Want hydraulisch balanceren is zowel comfortverhogend als energiebesparend.
2. WAT GEBEURT ER BIJ HET HYDRAULISCH BALANCEREN?
Om een installatie hydraulisch te balanceren wordt er met behulp van inregelkranen extra hydraulische weerstand gecreëerd opdat het water steeds dezelfde hydraulische weerstand ervaart, onafhankelijk van het gevolgde pad.
Afstand tot centrale pomp
Zo zullen de inregelkranen in circuits nabij de centrale pomp meer weerstand moeten creëren en zal die weerstand moeten afnemen naarmate de circuits verder verwijderd zijn. In het voorbeeld in Figuur 1 betekent het dat de inregelafsluiters van radiatoren 1, 3, 4 en 5 met een aflopende hydraulische weerstand ingesteld zullen moeten worden.
Afgiftevermogen
Het is echter niet alleen de afstand tot de centrale pomp die een rol speelt. De thermische eindunits hebben typisch ook een verschillend afgiftevermogen en veronderstellen bijgevolg een verschillend debiet.
In Figuur 1 zijn radiatoren 1 en 2 bijvoorbeeld wel even ver verwijderd van de centrale pomp, maar veronderstelt het grotere ontwerpvermogen van radiator 2 een groter debiet. Als we ervan uitgaan dat beide radiatoren dezelfde hydraulische weerstand hebben, zullen ze beide hetzelfde debiet doorlaten. Om de radiatoren te balanceren, dient er daarom extra hydraulische weerstand te worden voorzien in alle overige radiatoren (1, 3, 4, 5).
3. HOEVEEL ENERGIE KAN JE BESPAREN?
Een veelgestelde en terechte vraag die helaas niet zomaar met één kengetal kan worden beantwoord. We stellen namelijk vast dat het besparingspotentieel zeer sterk afhangt van het regeltechnisch concept van de installatie of, met andere woorden, hoe de warmtestromen in de installatie geregeld worden.
Zonder naregeling
Figuur 2a toont een veelvoorkomend regelconcept waarbij de warmtestromen uitsluitend geregeld worden door middel van een zogenaamde voorregeling. De watertemperatuur wordt via een stooklijn afhankelijk gemaakt van de buitentemperatuur als ruwe inschatting van de behoefte.
Dit is uiteraard slechts een zeer ruwe regeling en bij afwezigheid van een bijkomende naregeling is dit regelconcept uitermate gevoelig voor hydraulische onbalans in het systeem. Comfortproblemen door hydraulische onbalans blijven voor de regeling immers onopgemerkt en kunnen zodoende ook niet worden bijgestuurd.
Hydraulisch balanceren kan in dergelijke installaties energiebesparingen tot wel 25% opleveren.
Met naregeling
Installaties worden echter steeds meer voorzien van een bijkomende naregeling, waarbij de warmtestromen in de vertrekken op de individuele behoefte afgestemd worden door in te grijpen op het debiet doorheen de eindunits (Figuur 2b). Eventuele comfortproblemen door hydraulische onbalans worden zodoende door de regeling zelf opgemerkt en kunnen dan ook worden bijgestuurd, zij het vaak niet helemaal.
De energiebesparing door hydraulisch balanceren blijft in dergelijke installaties eerder beperkt tot 5%.
Minder pompenergie
Merk ook op dat een hydraulisch gebalanceerde installatie minder pompenergie verbruikt. In een ongebalanceerde installatie wordt er immers te veel water rondgepompt. In een gebalanceerde installatie ligt het pompdebiet een stuk lager, wat besparingen op pompenergie oplevert tot wel 55%.
Meerverbruik
Toch opvallend: in sommige, eerder zeldzame situaties stellen we na het balanceren geen besparing, maar een meerverbruik vast. Stel bijvoorbeeld dat een volledige ziekenhuisvleugel voorheen volledig koud bleef omdat er amper debiet werd voorzien, dan zal deze vleugel na het hydraulisch balanceren - wanneer ze wel op de gewenste temperatuur gebracht kan worden - uiteraard een extra warmtevraag (en dus hoger energieverbruik) genereren. Het realiseren van het gewenste comfort is hoe dan ook de primaire doelstelling van het hydraulisch balanceren.
4. IK HEB EEN NAREGELING, WAAROM DAN NOG BALANCEREN?
Of, met andere woorden: “Heb ik nog een inregelkraan nodig als ik per ruimte al een regelkraan heb?" Het antwoord is: jazeker! Er is namelijk een groot verschil tussen een regel- en een inregelkraan:
- Een regelkraan regelt het debiet continu bij in functie van de behoefte;
- Een inregelkraan moet ervoor zorgen dat het ontwerpdebiet (bij maximale belasting, extreme weersomstandigheden) kan worden gerealiseerd. Een inregelkraan wordt dus in principe maar eenmalig ingesteld op het gewenste ontwerpdebiet.
Een regelkraan wordt geselecteerd op basis van de minimaal benodigde klepautoriteit en wordt bovendien geselecteerd uit een discrete set van Kvs-waarden (hydraulische geleidbaarheid van de klep). De klepselectie heeft dus niets te maken met het garanderen van het ontwerpdebiet.
Om een nauwkeurige en stabiele debietregeling te bekomen en de regelkraan in haar werkingsbereik te brengen dient een regelkraan dus altijd te worden vergezeld van een inregelkraan.
5. IS MIJN INSTALLATIE HYDRAULISCH GEBALANCEERD?
Hoewel elke verwarmingsinstallatie gebalanceerd zou moeten zijn, blijkt in de realiteit nog al te vaak het tegendeel waar.
Typische symptomen van zo'n hydraulische onbalans zijn radiatoren die koud blijven, ruimtes die te warm worden, instabiele kamertemperaturen of ruisende stromingsgeluiden. Daarnaast geeft ook de ∆T over de kringen een snelle en gemakkelijke indicatie van de kwaliteit van de hydraulische balans. Bij een stookplaatsbezoek kijken we daarom altijd meteen naar het temperatuurverschil tussen de vertrek- en retourleidingen.
Als de radiatoren bijvoorbeeld op een regime 70/50/20 °C zijn gedimensioneerd, dan verwacht je een verschil tussen de aanvoer- en retourtemperatuur van ca. 20 °C (in deellast kan dit een beetje lager zijn). Stellen we echter een temperatuurverschil van amper 1 of 2 °C vast, dan betekent dat dat de installatie niet of zeer slecht is ingeregeld: er wordt te veel water rondgepompt, waardoor het ook minder tijd heeft om zijn warmte af te geven. Merk echter wel op dat de ∆T en het deellastgedrag ook sterk afhankelijk zijn van de toegepaste regelstrategie en de gebruikte hydraulische schakelingen (mengschakeling, verdeelschakeling, smoorschakeling, evenwichtsfles).
6. WAT IS HET VERSCHIL TUSSEN STATISCH EN DYNAMISCH BALANCEREN?
Het hydraulisch balanceren van een verwarmingsinstallatie kan op twee verschillende manieren: statisch of dynamisch.
Statisch Balanceren
In geval van statisch balanceren worden er zogenaamde inregelkranen gebruikt (ook wel inregelafsluiters of balanceerkranen genoemd) die eenmalig worden ingesteld om een vaste hydraulische weerstand te creëren en zodoende de vollastdebieten te balanceren. Wanneer regelkranen tijdens de effectieve werking van de installatie sluiten, is de oorspronkelijke hydraulische balans echter niet meer gegarandeerd. Zoals geïllustreerd in Figuur 3a, stijgt het debiet in de onderste en bovenste radiator bij het afsluiten van de twee middelste radiatoren namelijk met respectievelijk 18 en 37%. Door het sluiten van de middelste radiatoren krijgen de overige radiatoren namelijk een groter aandeel van de pompdruk te verwerken, waardoor uiteindelijk het debiet stijgt.
Dynamisch Balanceren
In geval van dynamisch inregelen wordt deze debietstijging door de dynamische inregelkraan zelf weggewerkt. Dat gebeurt via een membraan-veersysteem dat de drukstijging die de debietstijging met zich meebrengt, wegwerkt, met als netto resultaat een constant debiet. Om de hydraulische balans te allen tijde te garanderen, stuurt een dynamische inregelkraan met andere woorden continu bij. In Figuur 3b beperken de debietwijzigingen in de onderste en bovenste radiator zich dan ook tot -3 en -4%.
Wat de dynamische inregelkranen zelf betreft, maken we onderscheid tussen DPCV (Differential Pressure Control Valve), PICV (Pressure Independant Control Valve) en Autoflow (debietbegrenzer):
- Een DPCV wordt typisch gebruikt om de drukval over een deel van de installatie of een strang constant te houden, om zo de stroomafwaarts gelegen (statische) inregelkranen en naregelkranen te vrijwaren voor drukvariaties die elders in de installatie worden veroorzaakt;
- Een PICV is in feite een combinatie van een regelkraan, een inregelkraan en een DPCV, gecombineerd in één enkele component. De ingebouwde DPCV houdt de druk over de interne regel- en inregelkraan constant om zo de hydraulische balans te allen tijde te garanderen. Een nog belangrijker voordeel is dat het gewenste debiet rechtstreeks op de PICV kan worden ingesteld, terwijl dit in geval van een statische inregelkraan enkel kan worden ingesteld via meting.
- Het PICV-principe is tegenwoordig ook in miniatuurschaal beschikbaar en wordt zelfs geïntegreerd in thermostaatkranen. Hou er wel rekening mee dat een PICV een minimale werkdruk nodig heeft van ca. 10 tot 40 kPa en dus meegenomen moet worden in de berekening van de opvoerhoogte van de pomp;
- Een Autoflow of debietbegrenzer wordt gebruikt om het debiet tot een bepaalde waarde te begrenzen. Onder deze maximale debietgrens doet de component niets; erboven zal hij meer drukval creëren om het debiet te begrenzen. Debietbegrenzers kunnen evenwel niet ingesteld worden. Ze worden geselecteerd uit een discrete set van grenzen.
7. HOE WORDEN INSTALLATIES INGEREGELD?
De hydraulische inregeling maakt deel uit van de commissioning en gebeurt na de opbouw van de installatie.
Dynamisch
In geval van dynamisch balanceren komt het erop aan om de gewenste debieten rechtstreeks op de dynamische inregelapparatuur in te stellen. Daar blijft het in principe bij, al dient de pompopvoerhoogte ook zodanig berekend te worden dat de minimale werkdruk van de PICV's, DPCV's en Autoflows gerespecteerd wordt.
Statisch: Een iteratief proces
In geval van statisch balanceren is de inregelprocedure heel wat omslachtiger. Het gewenste debiet kan namelijk enkel door middel van een drukvalmeting over de inregelkraan worden ingesteld.
Daarenboven is het statisch balanceren een iteratief proces, waarbij inregelacties op de ene inregelkraan de hydraulische balans van andere, reeds ingeregelde, kranen weer verstoren. Deze iteratieve inregelprocedures zijn bijgevolg erg arbeidsintensief en de praktijk toont aan dat de uiteindelijke kwaliteit van de hydraulische balans navenant is. Al is er ook daarvoor een oplossing. Met behulp van bepaalde softwareprogramma's kunnen de inregelstanden van statische inregelafsluiters namelijk automatisch berekend worden (zie ook kaderstuk Statisch inregelen met Hysopt).
STATISCH INREGELEN MET HYSOPT
In de Hysopt software worden alle hydraulische weerstanden van de gehele installatie in detail meegenomen, zodat de inregelstanden van de statische inregelafsluiters automatisch worden berekend. Zodoende kan de installateur reeds tijdens de installatie de juiste positie op de balanceerkraan inregelen. Dit bespaart enorm veel tijd in de commissioningfase en vele praktijkcases tonen een betere kwaliteit van de hydraulische balans aan t.o.v. de iteratieve inregelprocedures.
ZELF EXPERT WORDEN?
Wil je expert worden in de verwarmingshydraulica? Dan kan je je inschrijven voor de driedaagse opleiding Verwarmingshydraulica van A tot Z.
