DYNAMISCHE SIMULATIES: VERWARMEN ÉN KOELEN
Installatieconcepten warmtepompen: theorie en praktijk Bij een conventioneel verwarmingssysteem is een ∆T tussen aanvoer en retour van 20 K onder nominale omstandigheden een gegeven. Bij laagtemperatuursystemen is deze hoge ∆T echter niet meer bruikbaar. De retourtemperatuur dient namelijk hoger te liggen dan de gewenste vloertemperatuur om nog warmte te kunnen overdragen van het water naar de vloer. Hierdoor zou bij een ∆T van 20 K de aanvoertemperatuur altijd boven de 35 °C liggen; bij het streven naar energiebesparing geen gelukkige keuze.
Bij toepassing van warmtepompen zijn zowel het hydraulische ontwerp als de regeling van groot belang. Een aantal ontwerpregels komen in dit artikel aan de orde. Dynamische simulaties tonen het effect aan van het al dan niet toepassen van deze regels. Het slot van het artikel gaat in op de mogelijkheid van koeling met een omkeerbare warmtepomp. Ook hier volgt een simulatie aangevuld met een praktijkvoorbeeld. Uitgangspunt bij de tekst is de toepassing van een elektrische warmtepomp gekoppeld aan vloerverwarming in een woning of (klein) utiliteitsgebouw. - door ir. Allard van Krevel∗ ONTWERPREGELS Het kan niet vaak genoeg gezegd worden: toepassing van warmtepompen vraagt een andere "systeembenadering" dan toepassing van de conventionele gasketel. Als hiermee reeds in het voortraject rekening wordt gehouden krijgen we daar veel voor terug: een energiezuinig verwarmingssysteem met een lange levensduur. Globaal komen de ontwerpregels neer op het volgende. • Een zo laag mogelijke aanvoertemperatuur, maximaal 50 °C. • Een gegarandeerde minimale volumestroom door de condensor bij warmtelevering. • Een zo laag mogelijke schakelfrequentie van de compressor. Deze regels gelden in principe voor alle typen warmtepompen onder alle mogelijke omstandigheden, specifieke uitzonderingen daargelaten. Tussen de ontwerpregels zijn duidelijke verbanden aanwezig: vermogen, debiet en temperatuur zijn fysisch nu eenmaal onlosmakelijk met elkaar verbonden. Deze verbanden en bijbehorende aspecten worden hieronder besproken.
Theoretisch mogelijke COP bij bron van 0 °C en 10 °C (∆T verdamper = 3 K, ∆T condensor = 10 K ) Carnot 0 °C
∗
Techneco BV, Delft
Thoog Thoog − Tlaag
Praktijk 0 °C
Praktijk 10 °C
9
8
7
COP
Het rendement van een warmtepomp hangt sterk af van het verschil tussen de brontemperatuur en de afgiftetemperatuur (voor verwarming). Met behulp van de bevindingen van Carnot kan de maximale Coefficient Of Performance (COP) bij een bepaald temperatuurverschil bepaald worden:
COPCarnot =
Carnot 10 °C
10
Temperaturen en debieten
(1)
De ∆T moet dus omlaag, en dat zal ook het rendement van de warmtepomp ten goede komen. Dit heeft te maken met het feit dat niet de aanvoertemperatuur maar de gemiddelde afgiftetemperatuur Taanvoer - Tretour bepalend is voor het geleverde verwarmingsvermogen Bij gelijkblijvend verwarmingsvermogen en een kleinere ∆T wordt de COP van de warmtepomp hoger door een lagere condensatietemperatuur en een betere warmteoverdracht in de condensor. Dit vraagt een groter debiet door de condensor en kost dus meer pompenergie. Deze extra energie is echter bij een ∆T-sprong van 10 K naar 5 à 6 K verwaarloosbaar ten opzichte van de winst door een hogere COP. Hetzelfde geldt overigens aan de bronzijde.
Enige kanttekeningen zijn hierbij op z'n plaats. Om een reële inschatting te maken van de theoretisch haalbare COP dient voor Tlaag de verdampingstemperatuur ingevuld te worden en voor Thoog de condensatietemperatuur. Dus niet de gemiddelde temperaturen van de media die door de verdamper en respectievelijk condensor stromen zijn bepalend. De condensatietemperatuur ligt ongeveer 5 K hoger dan de verwarmingsaanvoertemperatuur, de verdampingstemperatuur 5 K lager dan de temperatuur van het medium dat de verdamper uitstroomt. In Figuur 1 zijn de theoretisch haalbare COP-waarden bij verschillende temperaturen weergegeven en vergeleken met praktijkwaarden. Duidelijk is te zien dat de COP toeneemt bij een afnemend temperatuurverschil tussen verdamper en condensor.
6
5
4
3
[-]
30
35
40
45
50
55
Aanvoertemperatuur in °C
Figuur 1
Theoretische en praktische COP-waarden voor warmtepompen.
1
60
Op dit punt is het belangrijk onderscheid te maken tussen de COP van de warmtepomp op zich - als bijvoorbeeld bij een warmtepomptest - en de COP van de warmtepomp gekoppeld aan een verwarmingssysteem. Een test wordt uitgevoerd bij constante aanvoertemperatuur. In dat geval is een hoge ∆T gunstig voor een goede COP-waarde vanwege het effect van onderkoeling in de condensor bij gelijkblijvende condensatietemperatuur. Het verwarmingsvermogen is daardoor echter relatief laag door een lage gemiddelde afgiftetemperatuur. Koppelen we de warmtepomp aan een verwarmingssysteem dan gelden andere regels. Nu wordt de gemiddelde afgiftetemperatuur namelijk opgelegd door het gevraagde afgiftevermogen Pafgifte. Een lage ∆T is dan energetisch gunstiger vanwege bovengenoemde redenen. In Tabel 1 is een aantal verschillende omstandigheden met elkaar vergeleken.
TNO beproeft warmtepompen bij een bepaalde aanvoertemperatuur en een ∆T van maximaal 10 K over de condensor conform norm EN-255-2. Voor de praktijk is het echter aan te bevelen de ∆T onder nominale omstandigheden nog lager te kiezen, bijvoorbeeld 5 K. Dit heeft meer dan alleen energetische redenen, zoals hieronder uiteen wordt gezet. Regeling
Een goede regeling, afgestemd op het warmtepompsysteem is van essentieel belang voor een langdurige en goede werking. Voor de warmtepomp op zich zijn de volgende aspecten van belang. De regeling dient ervoor te zorgen dat er altijd een minimaal debiet door de verdamper en condensor gaat op het moment dat de warmtepomp draait. Hierdoor wordt voorkomen dat de warmtepomp in een lagedruk- of hogedrukstoring gaat. Bij een regeling op basis van een stooklijn wordt overigens vaak met een continue volumestroom over de condensor gewerkt. De gemiddelde afgiftetemperatuur dient afgestemd te worden op een zo laag mogelijk niveau als voor verwarming noodzakelijk is. Terugmengen is volledig uit den boze. Door te regelen op de retour van de vloerverwarming kan een lagere schakelfrequentie gerealiseerd worden zonder dat dit het comfort of het energieverbruik nadelig beïnvloedt. De onvermijdelijke temperatuursprong over de condensor wordt in het afgifte systeem uitgedempt. Sterker nog: de retourtemperatuur blijkt zo goed als ongevoelig voor variaties van het debiet over de condensor. Deze
∆
Tabel 1
Vergelijking van verschillende bedrijfsomstandigheden.
variaties zullen bij ongeregelde circulatiepompen voorkomen in systemen waarbij groepen van het afgiftesysteem gesloten kunnen worden. Een kleiner debiet leidt dan mogelijk tot pendelen van de warmtepomp. In Bijlage A wordt dit nader toegelicht. Tenslotte zou een capaciteitsregeling van de warmtepomp gunstig zijn voor het schakelgedrag van de compressor en het laag houden van de condensatietemperatuur. De vraag die hier echter bij gesteld dient te worden is of de COP bij deellast in de buurt komt van de gemiddelde (hogere) COP bij vollast. Dit is zeker van belang wanneer de warmtepomp een groot gedeelte van het piekvermogen kan leveren en dus het grootste deel van de tijd op deellast zal draaien. Daarnaast is vanwege smeringsproblemen een capaciteitsregeling niet voor alle compressoren geoorloofd. Vooralsnog lijken de meeste fabrikanten daarom nog geen heil te zien in deze ontwikkeling. We zullen het schakelgedrag dus op een andere manier moeten beïnvloeden. Nachtverlaging
De laatste tijd wordt er veel gefilosofeerd over de GIW-eisen en het nut van nachtverlaging. Het is jammer dat achterhaalde normen de introductie van een juist gedimensioneerd warmtepompsysteem in de weg staan. Belangrijk punt is dat niet het gebruik van een warmtepomp hoofdzakelijk van invloed is op de opwarmtijd, andere factoren spelen een veel grotere rol: • De warmtecapaciteit van het gebouw en van het materiaal waarin de vloerverwarmingsleidingen zijn gelegd. • De wijze en mate van isolatie, vooral onder de vloer. De geëiste opwarmtijden kunnen relatief gemakkelijk gehaald worden indien er vlak onder de leidingen wordt geïsoleerd. Gevolg is een grotere kans op fluctuatie van de ruimtetemperatuur en een hogere schakelfrequentie van de warmtepomp; beide zijn ongewenst. Bij een grote massa (capaciteit) rond de leidingen worden deze effecten verminderd maar is de opwarmtijd groter. In beide gevallen echter zal bij nieuwbouw de ruimtetemperatuur tijdens de nacht niet eens de veelbesproken 3 K
2
dalen. Dan is de eis om dit binnen 2 uur weer goed te maken dus niet eens relevant. De energetische gevolgen van eventuele (geringe) nachtverlaging bij een warmtepompsysteem zijn nog niet duidelijk in kaart gebracht. Deze dienen dan ook eerst goed onderzocht te worden voor hierover gekwantificeerde uitspraken kunnen worden gedaan. Monovalent of bivalent?
Een van de mogelijkheden om het schakelgedrag positief te beïnvloeden is het in meerdere trappen leveren van het verwarmingsvermogen. Voor kleinere systemen is een verdeling van het vermogen over twee compressoren in de regel economisch niet interessant. Bijverwarming met een elektrisch element of met een gasketel is wel realistisch. We spreken dan van een (parallel) bivalent systeem. Door de tweede verwarmer alleen bij piekbelastingen te gebruiken en bijvoorbeeld ook slechts beneden een bepaalde buitentemperatuur, kan de schakelfrequentie van de warmtepomp drastisch verlaagd worden. Het comfort lijdt daar niet onder en het energieverbruik stijgt bij een juiste dimensionering maar minimaal. Indien de warmtepomp 50% van het piekvermogen afgeeft, levert deze op jaarbasis 92% van de verwarmingsenergie [2]. HYDRAULISCHE UITVOERING Ook voor de hydraulische uitvoering van een warmtepompsysteem dienen we rekening te houden met de specifieke eisen behorende bij de warmtepomp. In concrete bewoordingen: • Zorg voor voldoende bufferende werking van het afgifte systeem. • Zorg ervoor dat er altijd een volumestroom mogelijk is over de condensor. • Daarnaast dient het kostenaspect bij het systeemontwerp ook meegenomen te worden.
In Figuur 2 zijn verschillende warmtepompconfiguraties weergegeven. De typische kenmerken ervan worden hieronder kort samengevat. 1. Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, bypass met overstort
Dit is een goedkope manier om een volumestroom over de condensor te garanderen terwijl alle groepen via een thermostatische regeling volledig afsluitbaar zijn. De bypassleiding dient echter wel ruim gedimensioneerd te zijn, omdat anders door de hoge weerstand in het kortsluitcircuit de volumestroom gevaarlijk klein wordt (bij een ongeregelde pomp). Hierdoor wordt de ∆T over de condensor mogelijk te groot waardoor een hogedrukstoring optreedt. Tevens bestaat het gevaar dat de warmtepomp gaat pendelen door de kleine waterinhoud gecombineerd met uitkoeling van het kortsluitcircuit. In het algemeen is dit concept dus af te raden. 2.a Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, open verdeler, twee pompen
Hiervoor gelden dezelfde bezwaren als bij systeem 1. Het systeem is met een geregelde circulatiepomp echter beduidend duurder. Ook de effecten als beschreven in 2.b zijn bij dit concept van toepassing. 2.b Niet alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, open verdeler, twee pompen
Bij een juiste dimensionering van de open verdeler en een gegarandeerde
M
minimale volumestroom over beide ontkoppelde circuits is dit een goede oplossing. Een buffer is niet noodzakelijk. Bij grotere systemen wordt in dit geval meestal voor een toerengeregelde pomp in het secundaire circuit gekozen. Dit kan tot twee ongewenste effecten leiden: • Indien de primaire volumestroom kleiner is dan de secundaire is de aanvoertemperatuur vanuit de condensor hoger dan noodzakelijk. Gevolg: een lagere COP dan mogelijk. • Indien de primaire volumestroom groter is dan de secundaire bestaat er kans op pendelen van de warmtepomp door een toename van de retourtemperatuur naar de condensor. Conclusie: in het ideale geval zijn beide volumestromen aan elkaar gelijk. Dit kan gedeeltelijk bereikt worden door meerdere warmtepompen met elk een eigen circulatiepomp parallel te schakelen. Een andere mogelijkheid is meerdere warmtepompen met elk een motorische klep voor de condensor en ook in het primaire circuit een toerengeregelde pomp. Deze optie is duur en komt voor kleinere systemen niet in aanmerking. 3. Alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, parallelle buffer, twee pompen
Dit is een oplossing die door velen als "ideaal" wordt gezien. Maximale controle over de verwarmingsgroepen en voldoende buffering mits juist gedimensioneerd. Het is echter ook een dure en ruimte vereisende oplossing en komt daardoor minder in aanmerking voor bijvoorbeeld toepassing in woonhuizen. Van het 's nachts opladen en overdag
M
warmtepomp
M
warmtepomp
groep 1
wp 2 groep 1
M
warmtepomp groep 1
M
M
warmtepomp groep 1
groep 2
groep 2
groep 1 buffer
systeem 3
Figuur 2
groep 2
systeem 2.b
M
buffer
De open groep kan goed worden geregeld op een stooklijn. Deze groep dient dan wel in de ruimte te liggen die als referentie geldt voor de overige ruimtes van het gebouw. Deze ruimtes mogen in ieder geval geen hogere aanvoertemperaturen vragen, liefst zijn deze identiek aan die voor de referentieruimte. Daarnaast is het voor het schakelgedrag gunstig om een zo groot mogelijke open groep te hebben. In de meeste gevallen zal het in de ruimte met de open groep noodzakelijk zijn om een thermostatische naregeling toe te passen vanwege een variërende warmtelast. Op basis van de afwijking ten opzichte van de gewenste ruimtetemperatuur wordt de stooklijn tijdelijk aangepast. Het is overigens verstandig om vooraf de afweging te maken of individuele temperatuurregeling per ruimte noodzakelijk is of niet. Zeker bij een woning met goed geïsoleerde schil kan naregeling in afzonderlijke ruimtes wellicht achterwege gelaten worden.
groep 2
systeem 2.a
M
Dit is de meest eenvoudige en goedkoopste oplossing en kan daarnaast goed functioneren. Twee aspecten verdienen te worden toegelicht.
wp 1
groep 2
systeem 1
4. Niet alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, één pomp
M
warmtepomp groep 1
ontladen van de buffer dient niet te veel te worden voorgesteld; de buffer zou onoverkomelijk groot en duur worden. Daarnaast spelen dezelfde effecten als bij 2.b een rol.
systeem 4
systeem 5
Verschillende mogelijke hydraulische uitvoeringen van een warmtepompsysteem.
3
groep 2
Door openen en afsluiten van verschillende groepen zal het werkpunt van de cv-circulatiepomp voortdurend veranderen. Hoe meer groepen sluiten, des te lager de volumestroom vanwege een hogere weerstand in het verwarmingscircuit. De volumestroom zal bij twee gelijke groepen en een ongeregelde pomp met ongeveer 20% afnemen indien de afsluitbare groep wordt gesloten [3]. Bij meer afsluitbare groepen is dit effect nog groter. Hierdoor stijgt de ∆T over de condensor met als gevolg de inherente nadelen. De circulatiepomp dient dus geselecteerd te worden voor de situatie dat alle afsluitbare groepen gesloten zijn, waardoor de ∆T onder nominale omstandigheden (alles open) dus lager is.
aanvoer (optioneel) Taanvoer bijverwarming TT ruimte 1
overstort
warmtepomp
Om meer inzicht te krijgen in het dynamisch gedrag van de verschillende systemen is een model opgezet waarmee dit gedrag gesimuleerd kan worden. Er is gebruik gemaakt van de daarvoor geschikte bondgraaftechniek. Met behulp van deze techniek kunnen vermogensstromen en hun effecten op elkaar in kaart gebracht worden, zie [4] en [5]. Het model
Een goede simulatie hangt af van de opzet van het model. Na enig experimenteerwerk is voor het - multifunctionele - model als weergegeven in Figuur 3 gekozen. In bijlage B wordt het systeem uitgebreid beschreven en de bondgraaf ervan gepresenteerd. Op dit moment voldoet het te melden dat nagenoeg alle mogelijke concepten met dit model eenvoudig kunnen worden beschreven, uitgezonderd een systeem met open verdeler. In alle onderstaande gevallen wordt uitgegaan van de in de figuur en bijlage geschetste situatie, tenzij anders vermeld. De warmtepomp wordt via een stooklijn
M
klep 2
buffer groep 1
verdamper
groep 2
condensor Tretour TT
buitenvoeler
Truimte 1
verdeler retour
TT
Truimte 2
TT
TT
regeling
Figuur 3 Schematische voorstelling van het warmtepompsysteem dat de basis vormt voor de dynamische simulatie. T ruimte 1 T ruimte 2
BYPASS MET OVERSTORTLEIDING (simulatie 1) 35 wp aan wp uit
30
retourtemperatuur stooklijn 25
Temperatuur in °C
DYNAMISCHE SIMULATIE VAN VERSCHILLENDE CONCEPTEN
M
klep 1
5. Niet alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, seriële buffer, één pomp
Dit is een oplossing om het schakelgedrag van de warmtepomp gunstig te beïnvloeden zonder specifieke nadelen, afgezien van de kosten. Voordeel is dat met één pomp kan worden volstaan. Aangeraden wordt om de seriële buffer in de retour te plaatsen vanwege een kortere opwarmtijd. Het verschil met een buffer in de aanvoer is echter niet significant, tenzij de buffer ook wordt toegepast voor warmteopslag (en dus een zeer grote inhoud heeft).
ruimte 2
20
gewenste kamertemperatuur
15
10 buitentemperatuur 5
klep 1 open
klep 1 dicht
klep 2 dicht
klep 2 open
0 4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
Tijd in uren
Figuur 4
Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 1.
geregeld op de temperatuur in de retourverdeler. Hoewel gestreefd is naar een zo getrouw mogelijke beschrijving van een reëel systeem, dienen de resultaten als indicatie van het dynamisch gedrag te worden geïnterpreteerd. Aan gepresenteerde kwantitatieve waarden mogen niet zonder meer conclusies worden verbonden. Simulatie 1: Monovalent, alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, bypass met overstort, Figuur 4
Warmtepompvermogen: 4,5 kW Gemiddelde buitentemperatuur: 10 °C Simulatieperiode: 2 dagen Op het moment dat de klep van de tweede groep dichtgaat zien we een kleine temperatuurstijging in de retourverdeler;
4
de eerste groep alleen neemt minder warmte af dan beide tegelijk. Als ook de eerste groep wordt afgesloten gaat de overstort open en stroomt het relatief koude water uit de by-pass leiding door de verdeler. Daarna komt het warme water van de warmtepomp, de gewenste retourtemperatuur wordt snel overschreden en de warmtepomp gaat uit. Vervolgens koelt het kortsluitcircuit uit tot onder de gewenste retourtemperatuur en gaat de warmtepomp weer aan. Door de geringe warmtecapaciteit van het circuit stijgt de watertemperatuur weer zeer snel; de warmtepomp pendelt. Later in de tijd vindt nogmaals hetzelfde plaats.
T ruimte 1 T ruimte 2
BYPASS MET OVERSTORT EN BUFFER (simulatie 2) 35 wp aan wp uit
30
len. Dit effect is nog groter bij meer afsluitbare groepen. Het blijkt dat de regeling via een stooklijn de eerste ruimte op de gewenste temperatuur houdt. Een zoneklep is hier dus geheel overbodig.
retourtemperatuur stooklijn
Simulatie 4: Bivalent, één verwarmingsgroep afsluitbaar, Figuur 7
Temperatuur in °C
25
20
Warmtepompvermogen: 3 kW Bijverwarmingsvermogen: 1,5 kW, alleen leverbaar onder 10 °C Gemiddelde buitentemperatuur: Stijgend van 0 °C tot 20 °C Simulatieperiode: 10 dagen
gewenste kamertemperatuur
15
10 buitentemperatuur 5
klep 1 open
klep 1 dicht
klep 2 dicht
klep 2 open
0 0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
Tijd in uren
Figuur 5
Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 2. T ruimte 1 T ruimte 2
ÉÉN OPEN GROEP (simulatie 3) 35 wp aan
wp uit
30
aanvoertemperatuur
Temperatuur in °C
25
20 gewenste kamertemperatuur
retourtemperatuur 15
Twee positieve gevolgen van deze aanpassing ten opzichte van simulatie 3 vallen duidelijk op. • De schakelfrequentie van de warmtepomp neemt sterk af. • De retourtemperatuur vertoont nog minder schommelingen. Verder blijkt door het niet meer laten aangaan van de bijverwarming boven de 10 °C, de warmtepomp gedurende een paar etmalen net voldoende vermogen levert om de ruimtes op temperatuur te houden. Dit omslagpunt op grond van de buitentemperatuur dient dus ingesteld te kunnen worden. Tot slot: door opdeling van het verwarmingsvermogen gaat de klep van de tweede groep niet meer dicht.
10 buitentemperatuur 5
Simulatie 5: Koelen met een reversibele warmtepomp, Figuur 8
klep 2 open klep 2 dicht
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-5
Tijd in dagen
Figuur 6
Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 3.
Simulatie 2: Monovalent, alle verwarmingsgroepen afsluitbaar, by-pass met parallelle buffer, Figuur 5
Warmtepompvermogen: 4,5 kW Gemiddelde buitentemperatuur: 10 °C Simulatieperiode: 2 dagen Globaal zien we hetzelfde systeemgedrag als bij simulatie 1. Alleen draait de warmtepomp bij gesloten groepen nu langer op de buffer met grotere capaciteit. De daarin opgeslagen warmte zorgt echter niet voor het later aan gaan van de warmtepomp, integendeel. Dit heeft weer te maken met de gekozen isolatiegraad van de buffer ten opzichte van de bypassleiding. Hier wordt niet nader op ingegaan.
Simulatie 3: Monovalent, één open groep, Figuur 6
Warmtepompvermogen: 4,5 kW Gemiddelde buitentemperatuur: Stijgend van 0 °C tot 20 °C Simulatieperiode: 10 dagen Om aan te tonen dat deze eenvoudige en goedkope opzet tot goede resultaten kan leiden, zowel wat betreft comfort als schakelgedrag is voor een langere simulatieperiode met oplopende buitentemperatuur gekozen. Wat pieken in het schakelgedrag lijken, zijn dus nog behoorlijk lange draaitijden van de warmtepomp. Verder is in deze grafiek zowel de aanvoertemperatuur van de warmtepomp als de retourtemperatuur weergegeven. De laatste vertoont duidelijk minder weerbarstig gedrag dan de eerste; een goede reden om de retourtemperatuur te rege-
5
Een warmtepomp bezit de prettige eigenschap dat deze door een interne verwisseling van verdamper- en condensorfunctie ook kan koelen. Daarbij zijn geen noemenswaardige aanpassingen aan het vloerverwarmingssysteem noodzakelijk. Voor geringe meerkosten krijgen we er desgewenst dus een koelsysteem bij. Een tweede voordeel is de regeneratie van de bodem bij toepassing van een gesloten grondcollectorsysteem. Dat gebeurt ook - in mindere mate - wanneer gekoeld wordt via een warmtewisselaar in het gesloten broncircuit. Regeneratie is overigens sterk afhankelijk van de aanwezigheid van grondwaterstroming. Een aantal zaken dient bij koeling wel in ogenschouw te worden genomen. Via de vloer kan ongeveer de helft aan vermogen gekoeld worden (20 tot 40 W /m2) als bij verwarming maximaal kan worden afgestaan. Indien de warmtepomp evenveel koelvermogen als verwarmingsvermogen levert kan bij een monovalent systeem een buffer dus gewenst zijn in verband met de schakelfrequentie. Een andere mogelijkheid is een bivalent systeem of een meertrapswarmtepomp waarvan niet alle koudecircuits omkeerbaar zijn. Tenslotte kan ook
koelvermogen aan een luchtcircuit worden afgestaan. Een goede inschatting of liever nog berekening van de koellast is in alle gevallen belangrijk.
T ruimte 1 T ruimte 2
BIVALENT, ÉÉN OPEN GROEP (simulatie 4) bijverwarming aan
35
bijverwarming uit wp aan
In Figuur 8 is het koelgedrag van een bivalent systeem voor een enkele ruimte met één groep weergegeven. Dimensies en vermogens zijn anders dan bij de eerste vier simulaties en worden niet nader beschreven. Er wordt geregeld op vloertemperatuur met als gewenste waarde 20 °C. De paarse lijn is de kamertemperatuur zonder koeling, de blauwe lijn geldt voor koeling met 50% van het totale verwarmingsvermogen.
30
wp uit
aanvoertemperatuur 25
Temperatuur in °C
Er dient een additionele koelregeling geïnstalleerd te worden. Verschillende regelconcepten zijn daarbij mogelijk en dienen vooraf overwogen te worden. Er kan bijvoorbeeld geregeld worden op kamertemperatuur maar ook op vloertemperatuur. Tevens dient condensvorming voorkomen te worden. Voor nadere informatie in deze wordt doorverwezen naar de bekende vloerverwarmingsleveranciers.
retourtemperatuur 20 gewenste kamertemperatuur 15
10
buitentemperatuur
5 klep 2 open 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-5
Tijd in dagen
Figuur 7
Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 4. T ruimte met koeling T ruimte zonder koeling
BIVALENT, VERWARMEN EN KOELEN (simulatie 5) 35
30
buitentemperatuur
Overige resultaten
Verder blijkt een seriële buffer het schakelgedrag van de compressor positief te beïnvloeden zonder opvallende nadelen. Het verschil in opwarmgedrag tussen een buffer in de aanvoer en in de retour is niet significant, tenzij voor een zeer grote bufferinhoud wordt gekozen. Nader onderzoek met betrekking tot het dynamisch gedrag van een warmtepompsysteem verdienen de volgende aspecten: • Een variërende interne warmtelast. • De invloed van zontoetreding. • Het zelfregelend effect van de vloerverwarming.
25
Temperatuur in °C
Naast de bovenstaande varianten die direkt betrekking hebben op de gepresenteerde ontwerpregels is het door de modellering mogelijk om ook de invloed van andere factoren te bekijken. Hierbij vallen de volgende vaak onderbelichte zaken op. • Bouwkundige factoren blijken een belangrijke rol bij de warmtehuishouding en het gedrag van het warmtepompsysteem te spelen, onder andere: ⇒ Plaats en mate van isolatie. ⇒ Bufferende capaciteit van het gebouw en het materiaal rond de vloerverwarmingsleidingen. • Een goede isolatie van het primaire circuit bij een bypassleiding met overstort verkleint de kans op pendelen van de warmtepomp aanzienlijk.
20 vloertemperatuur 15 aanvoertemperatuur 10
5 verwarmen
warmtepomp uit
koelen
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tijd in dagen
Figuur 8
Temperaturen en schakelgedrag behorende bij simulatie 5.
EEN PRAKTIJKVOORBEELD Het in 1999 opgeleverde pand van transportbedrijf Hatral wordt volledig verwarmd en gekoeld met warmtepompen en via de vloeren. Sinds de inbedrijfstelling is het gedrag van het warmtepompsysteem globaal gemonitord. De belangrijkste kentallen zijn de volgende.
Koeling • De tweede warmtepomp is reversibel en levert circa 30 kW koelvermogen. Gebouw • 225 m2 kantoor • 875 m2 loods Resultaten
Bron • Verticale bodemwarmtewisselaar: twaalf dubbele U-lus collectoren van elk 50 meter diep. Verwarming • Twee warmtepompen van elk 25 kW en een elektrische naverwarmer van 9 kW.
6
Na één volledige zomer en winter blijkt dat het systeem aan het vooraf gewenste comfortniveau voldoet. Tijdens de zomer van 1999 is circa 20 MWh koelenergie geleverd. Bij zeer warme dagen van rond de 30 °C lag de binnentemperatuur 5 °C onder de buitentemperatuur. Dit werd gerealiseerd met een minimale aanvoertemperatuur van 15 °C, waarbij de brijn met maxi-
maal 30 °C de collectoren inging. Dit kleine temperatuurverschil tussen verdamper en condensor levert een zeer hoge COP.
worden voor een vergelijkbaar warmtepompsysteem als hierboven beschreven, zie Figuur 9. Ook voor andere bestaande of nieuw te realiseren projecten kan Techneco de complete monitoring volgens SOM aanbieden, van ontwerp tot rapportage.
In de daaropvolgende winter is 150 MWh warmte geleverd. Daarvan nam de eerste warmtepomp 75% voor zijn rekening met een gemiddelde bedrijfstijd van 15 uur en de tweede 25% met een gemiddelde bedrijfstijd van 7 uur. Het elektrisch element van 9 kW heeft geen bedrijfsuren gemaakt. De maximale aanvoertemperatuur is niet boven de 45 °C gekomen. De minimale brontemperatuur lag net onder de 0 °C.
moeten worden. Toepassing van de ontwerpregels leiden in de praktijk tot goede resultaten met betrekking tot het comfort en het schakelgedrag van de warmtepompen. Om de energetische prestaties van een warmtepompsysteem te beoordelen is nauwkeurige monitoring een vereiste.
CONCLUSIES LITERATUUR
Een goed gedimensioneerd warmtepompsysteem voor woningen of de kleine utiliteitsbouw hoeft niet complex te zijn. Door middel van één of meer niet afsluitbare verwarmingsgroepen kan worden afgezien van een buffer en extra appendages; dit is kostenbesparend. Het rendement van het totale systeem is gebaat bij een lage ∆T over de condensor, in tegenstelling tot het rendement van de warmtepomp afzonderlijk. Regeling op een stooklijn, eventueel bijgesteld met een kamerthermostaat, zorgt daarbij voor het gewenste comfort. De retourtemperatuur dient bij voorkeur als referentie voor de regeling te worden genomen, anders kan de warmtepomp bij debietvariaties over de condensor gaan pendelen. Verder is het mogelijk om met een reversibele warmtepomp voor weinig meerkosten ook in - soms gedeeltelijke koeling van een gebouw te voorzien. De resultaten van de uitgevoerde simulaties blijken de gepresenteerde ontwerpregels voor warmtepompsystemen te bevestigen. Naast deze regels zijn echter nog meer factoren van belang, voornamelijk van bouwkundige aard. Deze zouden dus ook bij het ontwerp van de verwarmingsinstallatie meegenomen
Aandachtspunten
Twee belangrijke aandachtspunten zijn het afgelopen jaar naar voren gekomen. • Goede dampdichte isolatie van de leidingen en appendages is bij koeling noodzakelijk. De toegepaste materialen dienen corrosiebestendig te zijn. • Bij het omschakelen van verwarmen naar koelen dienen de regelkleppen op de verdelers een omgekeerde regelfunctie te krijgen. Monitoring
Om nauwkeurigere resultaten te verkrijgen, zeker voor de energetische prestaties, is een gedegen meetprogramma noodzakelijk, bijvoorbeeld volgens de TNO Standaard Opzet Monitoring (SOM) methode. In het nieuwe pand van Techneco zal deze monitoring uitgevoerd
1. Roberto Traversari c.s., Reader Workshop Warmtepompsysteemontwerpen, TNO Milieu, Energie en Procesinnovatie, 1 maart 1999. 2. NEN 5128, Energieprestatie van woningen en woongebouwen, Bepalingsmethode, 1998, pagina 125. 3. Allard van Krevel, Analysis of engine driven centrifugal pumps, WOCWET 93.012 Technische Universiteit Eindhoven, 1993. 4. J.E.M. Mooij, Simulatie van het dynamisch gedrag van systemen met behulp van bondgrafen, Dictaat O.01-95-1-347, Hogeschool van Utrecht, Faculteit Natuur en Techniek, januari 1995. 5. W. Zeiler, De simulatie van de cvinstallatie van een testruimte, Verwarming en Ventilatie, mei 1993, nr. 5. Dit artikel is verschenen in het TVVLmagazine van september 1999, jaargang 28, nr. 9 en in Verwarming en Ventilatie van juli/augustus 2000, nr. 7/8.
PC
MASTER
I/O
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh TT
TT
BUITENVOELER
RUIMTEVOELER
PT
PI PT
DN 65
TT
DN 40
TI
TT
FS
TT
TI
TT
DN 40 HWS 3048 PN/PN-X propeen 13,3 kW
∆Tbron = 3 - 5 K TT
4,5 kW
TI
DN 65 DN 40
TI
TT
TI
TT
DN 25
∆Tcv = 5-7 K
TT
DN 40 GAMMA
TT
DN 40
TI
TT
DN 65
TT
FS
TT
HWS 3048 PN/PN-X propeen 13,3 kW
∆Tbron = 3 - 5 K
4,5 kW
TI
TT
DN 25
∆ cv = 5-7 K
TI
TT
TI
TT
TT
DN 40
GEVEL
TT
TI
DN 65
GAMMA
PI
GRONDCOLLECTOR: 10 COLLECTOREN, DUBBELE U-LUS, 50 METER DIEP DN 50
LEGENDA
TT
afsluiter vul/aftap pomp
TT
PT
aut. ontluchter
RS 10 BUITENVOELER
DN 25
Figuur 9
el. naverwarmer flexibele slang
Het warmtepompsysteem in het nieuwe pand van Techneco BV.
7
expansievat
veiligheidsklep
monitoring (laagspanning) regeling 230 V 400 V
debietmeter terugslagklep warmteverbruiker
verjonging TT
temperatuuropnemer
TI
temperatuurmeter
PI
drukmeter
BIJLAGE A
INVLOED VAN LOKATIE TEMPERATUUROPNEMER OP SCHAKELGEDRAG WARMTEPOMP
REGELING VAN AANVOERTEMPERATUUR, ∆T -condensor = 5 K
REGELING VAN AANVOERTEMPERATUUR, ∆T -condensor = 10 K
35
35
30
stooklijn
stooklijn
Temperatuur in °C
25
retourtemperatuur 20
wp aan
15
aanvoertemperatuur
30
aanvoertemperatuur
25
Temperatuur in °C
De verandering van de ∆T over de condensor wordt in het vloerverwarmingssysteem volledig uitgedempt en leidt niet tot pendelen. Het schakelgedrag van de warmtepomp is in beide gevallen nagenoeg hetzelfde.
paalde vertragingstijd vrijgegeven worden. In onderstaande vier figuren wordt aangegeven wat het verschil kan zijn tussen regeling op aanvoertemperatuur of retourtemperatuur. Er is uitgegaan van een monovalent verwarmingssysteem met één open en één afsluitbare groep. Figuur 10 en Figuur 11 geven aan wat er gebeurt wanneer de aanvoertemperatuur geregeld wordt en door een verlaging van het debiet over de condensor de ∆T twee maal zo groot wordt. De temperatuursprong wordt groter dan de hysterese van ±5 K die de regeling aanhoudt en de warmtepomp gaat pendelen. Figuur 12 en Figuur 13 gelden voor eenzelfde systeem maar dan bij regeling van de retourtemperatuur op een verlaagde stooklijn met een hysterese van ±1 K.
Bij de regeling van een cv-systeem op basis van een stooklijn wordt vaak de aanvoertemperatuur beschouwd als de te regelen grootheid. Indien de schakelfrequentie niet van belang is of wanneer het warmteleverend apparaat modulerend is, kan dat een goede keuze zijn. Een warmtepomp heeft echter alleen een aan/uit mogelijkheid en de levensduur van de compressor is gebaat bij een lage schakelfrequentie. In dat geval heeft het de voorkeur om de retourtemperatuur te regelen. Dit heeft als voordeel dat variaties van het debiet over de condensor niet tot pendelen van de warmtepomp zullen leiden. Daarnaast wordt het systeemgedrag trager. Hiermee dient vooral bij grote systemen rekening te worden gehouden wanneer eventueel één of meer trappen bijgeschakeld kunnen worden. Deze bijschakeling mag pas na een be-
wp uit 10
retourtemperatuur
20
wp aan
15 wp uit 10
buitentemperatuur
5
buitentemperatuur
5
0
0 0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
0
4
8
12
16
20
Tijd in uren
24
28
32
36
40
44
Tijd in uren
Figuur 10 Regeling van aanvoertemperatuur bij een klein temperatuurverschil over de condensor.
Figuur 11 Regeling van aanvoertemperatuur bij een groot temperatuurverschil over de condensor.
REGELING VAN RETOURTEMPERATUUR, ∆T -condensor = 5 K
REGELING VAN RETOURTEMPERATUUR, ∆T -condensor = 10 K
30
35 aanvoertemperatuur aanvoertemperatuur 30
25
retourtemperatuur 25
Temperatuur in °C
Temperatuur in °C
stooklijn 20
wp aan
15
wp uit 10
retourtemperatuur stooklijn
20
wp aan
15
wp uit
10 buitentemperatuur
5
buitentemperatuur
5
0
0 0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
0
Tijd in uren
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
Tijd in uren
Figuur 12 Regeling van retourtemperatuur bij een klein temperatuurverschil over de condensor.
Figuur 13 Regeling van retourtemperatuur bij een groot temperatuurverschil over de condensor.
8
BIJLAGE B
BESCHRIJVING VAN HET GESIMULEERDE VERWARMINGSSYSTEEM
Een bivalent systeem bestaande uit een warmtepomp en een naverwarmer in serie levert warmte aan twee identieke ruimtes via vloerverwarming. De transmissie van deze ruimtes bij −10 °C en een ruimtetemperatuur van 20 °C bedraagt in totaal circa 4,5 kW. Tussen de ruimtes vindt geen warmte-uitwisseling plaats. Verder hebben de ruimtes de bekende eigenschappen van nieuwbouwwoning: goed geïsoleerde muren met een bufferende werking en een raam waardoor een groot deel van de warmte verloren gaat. Ruimte 1 heeft een iets groter raam dan ruimte 2 en dus ook een grotere transmissie. In Figuur 14 wordt de beschouwde ruimte schematisch weergegeven. Figuur 3 van de hoofdtekst geeft het hydraulische schema van het verwarmingssysteem weer. In beide ruimtes bevindt zich een vloerverwarmingsgroep die desgewenst afsluitbaar is. Tussen aanvoer en retour is een buffer geplaatst
die in het model is opgedeeld in drie compartimenten. De leiding naar de buffer is afsluitbaar en functioneert desgewenst als een overstort. Door aanpassing van de inhoud van de compartimenten kunnen we spreken van een werkelijke buffer of een bypass leiding. De buffer is geïsoleerd maar staat wel warmte af aan de omgeving. De drieweg verdelers in aanvoer en retour hebben ook een inhoud en staan daarmee model voor de aanvoer- en retourleiding. Bij een grote toegekende inhoud dienen ze respectievelijk als buffer in de aanvoer of retour. Voor het geval dat zowel de kortsluitleiding als een van beide groepen gesloten is wordt de volumestroom gereduceerd tot 80% van die tijdens nominaal bedrijf. In alle andere situaties is de volumestroom 100%, eventueel verdeeld over twee groepen (ieder 50%). De kleppen staan of geheel open of geheel dicht, maar nooit alle drie in dezelfde stand.
In alle beschreven gevallen wordt uitgegaan van de hierboven geschetste situatie, tenzij anders vermeld. De warmtepomp wordt via een stooklijn geregeld op de temperatuur in de retourverdeler, eventueel tijdelijk aangepast bij grote afwijkingen van de temperatuur in ruimte 1; dit is de referentieruimte. Indien een vloerverwarmingsgroep afgesloten kan worden, wordt dit gedaan op basis van een ruimtethermostaat met een hysterese van ±1 K. De variatie van de buitentemperatuur wordt gesimuleerd door een sinusoïde met een amplitude van 10 K. De gemiddelde waarde is niet altijd dezelfde, omdat die gevallen worden getoond waarbij de typische aspecten van het gesimuleerde systeem naar voren komen. De bondgraaf van het gesimuleerde systeem is weergegeven in Figuur 15.
Transmissie Omgeving Transmissie
Raam
Transmissie Ruimte 3m
Wand
Isolatie Vloerverwarming
Bodem
Isolatie
8m
10 m
Figuur 14 Schematische weergave van de ruimte die als model gebruikt is. Bij de simulaties zijn twee onafhankelijk te verwarmen ruimtes beschouwd.
9
G
G
T
1
G
RUIMTE 1
om
is,om
C
G
is
1
0
C
wa,is
G
wa
T
C
om
1
0
ka,wa
1
T
0
C
1
G
om
ka,wa
1
1
0
vi,bo
G
ka
0
C
vl,ka
vi
vl,vi
C
1
0
G
vl
vv
X
vv,vl
X G
1
T
b3,ir
X
C C
1
T
b2,ir
X
0
0
G
ir
C
b3
1
C C
X
0
b1
C
P
va
f (t)
0
bv
X
0
P wp
ir
X
0
b2
C wp
X
T
b1,ir
X
0
vr
G
ir
bv
X G
is,om
1
T
C
is
G
1
0
om
wa,is
C
wa
0
G
ka,wa
1
C
G
ka
1
0
RUIMTE 2
1
G
vl,ka
T
om
ka,wa
C
vl
G
1
0
1
G
0
C
1
T
G
vv,vl
C vl,vi
X
0
vv
vi
om
vi,bo
Figuur 15 Bondgraaf van het gesimuleerde systeem.
LEGENDA C capaciteit
b
G geleiding
buffer (compartiment
is isolatie (wand)
va aanvoerverdeler
1, 2 en 3)
ka kamer
vr retourverdeler
P vermogen
bo bodem
om omgeving
vv vloerverwarming
T temperatuur
bv bijverwarming
vi vloerisolatie
wa wand
X tweepoort
ir
vl vloer
wp warmtepomp
installatieruimte
10
