Energie-efficiëntie zit hem in de hydraulica

Energie-efficiëntie zit hem in de hydraulica

In juni verscheen een artikel in het tijdschrift Sanilec over de koppeling tussen warmtepompen en warmteketels. Hieronder kunt u het artikel lezen. Bovendien gaven we eind juni ook een webinar omtrent dit thema. Wilt u de webinar herbekijken? Klik dan even op deze link

een hybride stookplaats

Het gebruik van warmtepompen voor de verwarming van gebouwen wordt steeds belangrijker. Voor grotere gebouwen worden ze vooral omwille van investeringstechnische redenen gecombineerd met (goedkopere) ketels. Het correct hydraulisch ontwerpen van zo’n ‘hybride’ stookplaats is echter een heel ander paar mouwen… In onze webinar gingen we hier op 29 juni dieper op in. We vatten het even samen.

Volstaat een parrallelconfiguratie?

Wanneer we een hybride stookplaats ontwerpen, dan is de meest voor de hand liggende manier een parallelconfiguratie (zie ontwerp 1). Daarbij moeten we twee collectoren voorzien, waarvan de centrale retourtemperatuur van 42°C het gemiddelde vormt van de retourtemperaturen in de Hoge temperatuurcollectoren en Lage temperatuurcollectoren. Deze worden meteen gevoed aan zowel de ketel als de warmtepomp. Dit resulteert in een hoog ketelrendement (94%) en een hoge gemiddelde COP (5.4.). Dat lijkt op het eerste zicht een behoorlijk resultaat, maar er wordt op dit moment veel te weinig warmte uit de warmtepomp onttrokken. Brengen we daar de ketel bij, dan verdelen we het systeemdebiet over zowel de ketel als de warmtepompbuffer. het debiet van de warmtepomp zakt dus, wat betekent dat de warmtepomp weggedrukt wordt wanneer de ketel bijspringt.


afbeelding 1

Warmtepomp en ketel in serie

Om te vermijden dat de warmtepomp weggedrukt wordt, kunnen warmtepomp en ketel in serie geschakeld worden. 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 elf procent.


afbeelding 2

Warmtepomp net voor lage temperatuurcollector koppelen

Kijk je naar afbeelding 3, dan zie je dat de warmtepomp net voor de lage temperatuurcollector wordt gekoppeld. Het idee is dan ook om de warmtepompbuffer te voeden met de laagst mogelijke watertemperatuur van 35°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 ‘shunt hybride’ in 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 verdere analyse blijkt het probleem zich te situeren in het te lage ‘sleepdebiet’ van de shunt schakeling. Het debiet naar de LT collector is veel te laag waardoor er te weinig warmte vanuit de warmtepompbuffer kan worden ‘meegesleept’ in de installatie.


afbeelding 3

sleedebiet verhogen

Geïnspireerd door dit probleem, wordt in figuur 4 het sleedebiet (debiet naar de lage temperatuurcollector) moedwillig verhoogd door toepassing van een voorregeling op de watertemperatuur. Door het verlagen van de aanvoertemperatuur naar de lage temperatuurcollector 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 onttrokken worden 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 Lage temperatuurcollector, 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.


afbeelding 4

Shuntschakeling in vertrekleiding plaatsen

Om dit laatste probleem te verhelpen, introduceren we afbeelding 5 waarin de shuntschakeling ditmaal geplaatst wordt in de vertrekleiding. De ketelwarmte die in de Lage temperatuurcollector 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 van maar liefst 26% t.o.v. afbeelding 1.


afbeelding 5

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 figuur 5 met 26% doen dalen t.o.v. het initiële concept 1. Het totale systeemrendement is daarbij gestegen van 107% naar 152%! Hebben we het optimum nu bereikt? Nee, wellicht nog niet. In een doorgedreven optimalisatie doen we ook sensitiviteitsstudies op verschillende ontwerpparameters (bv. de vermogenspreiding tussen ketel en warmtepomp, temperatuursregimes van de warmtepomp,…) om zo het systeemrendement nog verder te verhogen. Vaak heeft dit zelfs nog impact op de keuze van het uiteindelijke concept.

Hoe een optimale koppeling van warmtepompen en -ketels u heel wat energie kunnen besparen