Zeven vragen over het hydraulisch balanceren van installaties

Om een ruimte op de gewenste temperatuur te brengen en te houden, is het cruciaal dat de thermische eindeenheden (radiatoren, convectoren, enz.) zijn voorzien van de juiste stroomsnelheden. Een te hoog debiet zou leiden tot een te hoge temperatuur, terwijl een onvoldoende debiet zou resulteren in een koude ruimte. Helaas voor onze sector volgt water altijd de weg van de minste weerstand en daarom is de hydraulische balans als zodanig niet gegarandeerd. Hieronder beantwoorden we zeven vragen over het hydraulisch balanceren van installaties.

‍

Waarom is hydraulisch balanceren zo belangrijk?

Water volgt altijd de weg van de minste weerstand. Radiatoren dicht bij de centrale pomp hebben vaak een hoger debiet, terwijl radiatoren op afstand op de bovenste verdieping een onvoldoende debiet hebben, simpelweg omdat het water aanzienlijk meer weerstand ondervindt om die radiatoren op afstand te bereiken.

De daaruit voortvloeiende comfortklachten leiden tot vallen en opstaan, waarbij de pomptoerentallen onnodig worden verlaagd of de keteltemperatuur wordt verhoogd. Nutteloze interventies die het probleem nog erger maken en het energieverbruik verhogen.

De enige juiste oplossing is het hydraulisch balanceren van de installatie. Omdat hydraulisch balanceren het comfort verhoogt en energie bespaart.

‍

Wat gebeurt er tijdens het hydraulische balanceringsproces?

Om een installatie hydraulisch in balans te brengen, wordt via balanceerkranen extra hydraulische weerstand gecreëerd, zodat het water altijd dezelfde hydraulische weerstand ondervindt, ongeacht het gevolgde pad.

‍

Afstand tot centrale pomp

De regelklep in de circuits in de buurt van de centrale pomp zal bijvoorbeeld meer weerstand moeten creëren. Naarmate de circuits verder weg zijn, zullen de balanceerkranen minder weerstand moeten creëren. De balanceerkranen van radiatoren 1, 3, 4 en 5 in figuur 1 moeten bijvoorbeeld worden ingesteld met een afnemende hydraulische weerstand.

‍

‍

‍Leveringscapaciteit

Niet alleen de afstand tot de centrale pomp speelt een rol. De thermische eindeenheden hebben doorgaans ook een andere leveringscapaciteit en gaan daarom uit van een ander debiet.

In figuur 1 zijn radiatoren 1 en 2 misschien even ver verwijderd van de centrale pomp, maar het grotere ontwerpvermogen van radiator 2 in vergelijking met radiator 1 veronderstelt ook een hoger debiet. Als we aannemen dat beide radiatoren dezelfde hydraulische weerstand hebben, zullen ze beide dezelfde stroming mogelijk maken. Om de radiatoren in balans te brengen, moet in de andere radiatoren voor extra hydraulische weerstand worden gezorgd (1, 3, 4, 5 in figuur 1).

‍

Wat is het energiebesparingspotentieel?

Een vaak gestelde en terechte vraag die helaas niet met een enkel voorvoegsel kan worden beantwoord. We merken op dat het besparingspotentieel sterk afhangt van het besturingsconcept van de installatie, oftewel hoe de warmtelast in de installatie wordt geregeld.

‍

Zonder extra 'individuele regelkleppen'

Figuur 2a aan de linkerkant toont een algemeen regelconcept waarbij de warmtelasten alleen worden geregeld door middel van een zogenaamde 'weercompensatie'. De aanvoertemperatuur wordt via een verwarmingscurve gecompenseerd met de buitentemperatuur als ruwe schatting van de verwarmingsbehoefte.

‍

‍

Het is duidelijk dat dit slechts een zeer ruwe opstelling is en bij afwezigheid van extra 'individuele regelkleppen' is dit controle-concept uiterst gevoelig voor een hydraulische onbalans in het systeem. Comfortproblemen als gevolg van hydraulische onbalans blijven immers onopgemerkt voor het gebouwbeheersysteem en kunnen daarom niet worden verholpen.

Hydraulisch balanceren kan in dergelijke installaties energiebesparingen tot 25% opleveren.

‍

Met extra 'individuele regelkleppen'

Steeds vaker worden installaties ook voorzien van extra 'individuele regelkleppen' waarbij de warmtebelastingen in de kamers worden afgestemd op de individuele behoefte door in te grijpen op het debiet door de eindeenheden (figuur 2, rechts). Eventuele comfortproblemen veroorzaakt door een hydraulische onbalans worden daarom opgemerkt door het gebouwbeheersysteem en kunnen dus gedeeltelijk worden aangepast. Maar vaak niet helemaal.

De energiebesparingen door hydraulische balancering in dergelijke installaties blijven vrij beperkt tot 5%.

‍

Minder pompenergie

Merk op dat een hydraulisch gebalanceerde installatie ook minder pompenergie verbruikt. In een ongebalanceerde installatie wordt te veel water rondgepompt. Aan de andere kant zal in een gebalanceerde installatie het pompdebiet aanzienlijk lager zijn, wat een besparing op pompenergie tot 55% oplevert.

‍

Verhoogd verbruik

In enkele vrij zeldzame gevallen hebben we een verhoogd verbruik opgemerkt nadat de installatie is uitgebalanceerd. Als bijvoorbeeld een ziekenhuisvleugel voorheen te koud was omdat er nauwelijks stroming was, kan deze vleugel na de hydraulische balancering op de gewenste temperatuur worden gebracht. Dit vereist dus extra warmtetoevoer en dus een hoger energieverbruik. Allereerst gaat het bij hydraulisch balanceren nog steeds om het realiseren van het gewenste comfort.

‍

Ik heb regelkleppen, waarom moet ik het systeem nog steeds in balans brengen?

Of met andere woorden: "Heb ik nog steeds een balanceerkraan nodig als ik al een regelklep heb voor elke kamer?” Het antwoord is: ja! Er is een belangrijk verschil tussen een regelklep en een balanceerkraan:

• Een regelklep past het debiet continu aan volgens de vereisten.
• Een balanceerkraan moet ervoor zorgen dat het ontwerpvermogen (bij maximale belasting, extreme weersomstandigheden) kan worden bereikt. In principe wordt een balanceerkraan  slechts eenmaal ingesteld op het gewenste ontwerpdebiet.

Een regelklep wordt geselecteerd op basis van de minimaal vereiste klepautoriteit, geselecteerd uit een discrete set Kvs-waarden (hydraulische geleidbaarheid van de klep). De klepkeuze heeft dus niets te maken met het garanderen van het ontwerpvermogen.

Om een nauwkeurige en stabiele debietregeling te verkrijgen en om de regelklep binnen het werkingsbereik te brengen, moet een regelklep altijd vergezeld zijn van een balanceerkraan.

‍

Is mijn installatie hydraulisch gebalanceerd?

‍

Een dynamische inregelklep (DPCV) wordt doorgaans gebruikt om de drukval over een deel van de installatie of een aftakking constant te houden.

In principe zou dat zo moeten zijn. De realiteit laat echter meestal het tegenovergestelde zien.

Radiatoren die koud blijven, kamers die te warm worden, schommelende kamertemperaturen of luidruchtige stromingsgeluiden zijn typische symptomen van een hydraulische onbalans. Ook de Delta-T boven de circuits geeft een snelle en eenvoudige indicatie van de kwaliteit van de hydraulische balans. Bij een bezoek aan een stookruimte kijken we altijd direct naar het temperatuurverschil tussen de vertrek- en retourleidingen.

Als de radiatoren bijvoorbeeld gedimensioneerd zijn op een 70/50/20°C regime, verwacht u een verschil tussen de aanvoer- en retourtemperatuur van ongeveer 20°C (kan iets lager zijn bij deellast). Als we een temperatuurverschil van bijvoorbeeld 1°C of 2°C bepalen, betekent dit dat de installatie niet naar behoren in bedrijf is gesteld. Er wordt te veel water rondgepompt zodat het water 'minder tijd' heeft om zijn warmte af te voeren, vandaar de kleine delta-T. Merk echter op dat de Delta-T en het deelbelastingsgedrag ook sterk afhankelijk zijn van de gebruikte hydraulische circuits (mengcircuit, verdeelcircuit, gasklep, opvoerhoogte) en de toegepaste controlelogica.

‍

Wat is het verschil tussen statische en dynamische balancering?

Statische balancering

In het geval van statische balancering worden zogenaamde balanceerkranen gebruikt die in opdracht worden gesteld om een vaste hydraulische weerstand te creëren en zo de vollastdebieten in evenwicht te brengen. Als tijdens de eigenlijke werking van de installatie de regelkleppen beginnen te sluiten, is de hydraulische balans niet langer gegarandeerd. Zoals geïllustreerd in figuur 3a neemt het debiet in de onderste en bovenste radiatoren met respectievelijk 18% en 37% toe wanneer de twee middelste radiatoren gesloten zijn. Door de middelste radiatoren te sluiten, krijgen de andere radiatoren een groter deel van de pompdruk te verduren, waardoor het debiet toeneemt.

‍

Dynamisch balanceren

In het geval van dynamische balancering wordt deze stroomverhoging gecompenseerd door de dynamische balanceerkraan zelf. Via een membraanveersysteem wordt de drukverhoging die gepaard gaat met de stroomverhoging gecompenseerd door de dynamische balanceerkraan, zodat het debiet als nettoresultaat constant blijft. Een dynamische balanceerkraan past zich daarom voortdurend aan om de hydraulische balans te garanderen. In dit voorbeeld zijn de debietsveranderingen in de onderste en bovenste radiatoren daarom beperkt tot -3 en -4%.

We onderscheiden dynamische balanceerkranen in de DPCV (Differential Pressure Control Valve), de PICV (Pressure Independent Control Valve) en de flowbegrenzer.

• De DPCV wordt doorgaans gebruikt om de drukval over een deel van de installatie of een aftakking constant te houden om de stroomafwaartse (statische) controlekleppen en regelkleppen te beschermen tegen drukvariaties die elders in de installatie worden veroorzaakt.
• Een PICV is een combinatie van een regelklep, een balanceerkraan en een DPCV gecombineerd in één component. De ingebouwde DPCV zorgt voor een constante druk op de interne controle- en balanceerkraan om 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 het geval van een statische balanceerkraan alleen kan worden ingesteld door te meten.
• Merk op dat het PICV-principe nu ook op miniatuurschaal beschikbaar is en kan worden geïntegreerd in thermostatische radiatorkranen. Merk op dat een PICV een minimale werkdruk vereist van ongeveer 10 kPa tot 40 kPa en daarom moet worden meegenomen in de berekening van de opvoerhoogte.
• De stroombegrenzer wordt gebruikt om het debiet tot een bepaalde waarde te beperken. Onder deze maximale limiet werkt het onderdeel niet. Boven deze waarde zal de autoflow een verhoogde drukval veroorzaken om de stroom te beperken. Debietbegrenzers kunnen niet worden ingesteld en worden geselecteerd uit een afzonderlijke set limieten.

‍

‍

‍

Hoe worden installaties in gebruik genomen?

Na het voltooien van de installatie moet het systeem hydraulisch worden gebalanceerd, wat onderdeel is van de zogenaamde 'commissioning'.

‍

Dynamisch

Voor dynamische balancering is het belangrijk om de gewenste stroomsnelheden rechtstreeks op de dynamische inregelventielen in te stellen en niets anders. De opvoerhoogte moet zodanig worden berekend dat de minimale werkdruk van de PICV's, DPCV's en begrenzers wordt gerespecteerd.

Statisch

In het geval van statische balancering is de commissioningprocedure echter veel omslachtiger omdat het gewenste debiet alleen kan worden ingesteld door middel van een meting via een drukvalmeting over de balanceerkraan. Bovendien is statische balancering een iteratief proces waarbij de aanpassingsacties op een balanceerkraan de hydraulische balans van reeds afgestelde kleppen verstoren. Deze iteratieve aanpassingsprocedures zijn daarom zeer arbeidsintensief en uit de praktijk blijkt dat het eindresultaat van de hydraulische balans evenredig is. Tenzij dit kan worden berekend met speciale hydronische software.