Warmwatertoestellen In dit artikel worden de uitvoeringsvormen en de toepassingsgebieden van de meest voorkomende warmwatertoestellen behandeld. De doorstroom, voorraad en oplaadsystemen, met de gebruikelijke materialen, het regelprincipe en specifieke eigenschappen worden besproken. Het geeft informatie voor iedereen die in het keuze of onderhoudsproces is betrokken zonder al te gedetailleerd op de specifieke eigenschappen per fabrikant in te gaan. Elektrische warmwatertoestellen en de berekeningen worden buiten beschouwing gelaten.
Inhoud Warmwatertoestellen ................................................................................................................ 1 Soorten toestellen ................................................................................................................. 2 Warmwatertoestellen algemeen; .......................................................................................... 3 Dubbele scheiding.............................................................................................................. 3 Aansluiten .......................................................................................................................... 3 Doorstroomtoestellen ........................................................................................................... 3 Direct (gas)gestookt doorstroomtoestel. (Geiser)............................................................. 4 Combitoestel. (c.v ketel met warmwatervoorziening) ...................................................... 4 Industriële doorstroomtoestellen ..................................................................................... 5 Indirect gestookte warmtewisselaar voor warm water of stoom. .................................... 6 Voorraadtoestellen algemeen. .............................................................................................. 7 Materialen.......................................................................................................................... 7 Uitvoeringen voorraadtoestellen; ......................................................................................... 8 Voorraadvaten met een verwarmingsmantel .................................................................. 8 Voorraadvaten met verwarmingsspiraal. .......................................................................... 8 Zonneboilers ...................................................................................................................... 9 Tapboiler. ......................................................................................................................... 10 Direct gestookte voorraadvaten. ..................................................................................... 11 Oplaadsystemen; ................................................................................................................. 11
Soorten toestellen Warmwater toestellen kunnen in verschillende manieren worden onderverdeeld Onderververdeling naar werkingsprincipe: -
-
-
Doorstroomtoestellen o Geisers o Combiketels o Industriële doorstroomapparaten o Warmtewisselaars (tegenstroomapparaten) Voorraadtoestellen o Mantelverwarming o Verwarmingsspiraal Oplaadsystemen.
Een andere onderverdeling is naar warmtebron: -
-
Direct gestookt o Gas o Olie o Elektriciteit. (de opwekking is indirect) Indirect gestookt o Warm water CV water Stadsverwarming Koelwater WKK Koudemiddel (warmtepompboilers) Glycol (zonneboilers) o Stoom
Warmwatertoestellen algemeen; Dubbele scheiding .Bij verwarmingsvermogens > 45 kW is een dubbel scheiding vereist om te voorkomen dat drinkwater in contact komt met verwarmingswater bij lekkage van het verwarmend oppervlak. Bij toepassing van een aparte ketel, die alleen voor het verwarmen van het vat wordt gebruikt, is een enkele scheiding wel toegestaan. Als het noodzakelijk is kan een verwarmingsspiraal worden uitgevoerd met dubbele scheiding.
C.V aanv. C.V. ret. Voorraadvat
Lekopening
Bij lekkage van de buis die in contact komt met het drinkwater zal er water uit de controle opening lekken. Dit zelfde gebeurt bij lekkage aan de verwarmingszijde van de verwarmingsspiraal. Hierdoor is het uitgesloten dat drinkwater in contact komt met verwarmingswater. Ook platen warmtewisselaars kunnen zijn uitgevoerd met een dubbele scheiding. (Stads) verwarmingsinstallaties die een VEWIN beheersovereenkomst hebben afgesloten mogen een warmtewisselaar met enkele scheiding gebruiken.
Aansluiten Warmwatertoestellen moeten worden aangesloten op de drinkwaterleiding met behulp van een EA beveiliging. (keerklep) Omdat drukverhoging ontstaat tijdens het opwarmen is een ontlast beveiliging noodzakelijk. Gebruikelijk is om een ontlastklep met een afsteldruk van 800 kPa toe te passen. 600 kPa is echter ook standaard verkrijgbaar. De openingsdruk ligt maximaal 10 % boven de afsteldruk maar de sluitdruk maximaal 20% onder de afsteldruk liggen. Een 600 kPa type mag dus openen tussen 480 en 660 kPa en een 800 kPa type tussen de 640 en 880 kPa.
Doorstroomtoestellen In dit deel worden enkel van de meest voorkomen doorstroomtoestellen behandeld. Voordelen zijn de directe opwarming waardoor er altijd vers warmwater is (minder legionella risico) en de in de tijd onbegrensde hoeveelheid. Een nadeel is de beperkte volumestroom. Veel water wordt gebruikt op een temperatuur van ca 37 tot 39 °C. Dat betekent een temperatuurverhoging van ca 29 K. Bij een doorstroming van 1 l/min is dan een vermogen nodig van: (1 kg/s / 60 s) * 4,18 kJ/kg.K * 29 K is ca 2,02 kJ/s.(kW) Hierop is de vuistregel gebaseerd dat voor ca 1 l/min water op gebruikstemperatuur ca 2 kW vermogen nodig is.
Direct (gas)gestookt doorstroomtoestel. (Geiser) De “geiser” is verkrijgbaar in een vermogens reeks van 13 tot c.a. 40 kW. In het verleden, toen centrale verwarming nog een uitzondering was, was de geiser een van de meest gebruikte warmwatertoestellen. Op dit moment is het toepassingsgebied beperkt. De kleine uitvoeringen bestaan uit een koperen binnenwerk, een brander- en beveiligingsdeel en een waterdeel. Het binnenwerk is gemaakt van verlood koper. Door buisjes stroomt het te verwarmen water en andere kant van de buisjes stromen de verbrandingsgassen. Het brander en beveiligingsdeel bestaat uit een brander, een gasklep die vanuit het waterdeel wordt bediend en een beveiliging die het uitstromen van onverbrand gas voorkomt.
Figuur 1 Hoofdcomponenten van een geiser
Soms is een thermosstatische regeling gemonteerd die de watertemperatuur constant houd. Het waterdeel beperkt de doorstroomde waterhoeveelheid en zorgt ervoor dat de gasklep pas opent bij voldoende doorstroming.
Combitoestel. (c.v ketel met warmwatervoorziening) Deze toestellen zijn verkrijgbaar met een vermogen van ca 20 tot ca 40 kW. Een combi ketel is een verwarmingsketel met een ingebouwde warmtewisselaar voor warm tapwater. Het toestel werk standaard als verwarmingsketel. Bij tappen schakelt het toestel om naar tapwaterbedrijf. Er zijn vele voordelen ten opzichte van een losse c.v. ketel en een los warmwatertoestel zoals lage kostprijs, lage aansluitkosten (1 x toestel aansluiten op gas en rookgasleiding), 1 toestel te onderhouden, beperkte plaatsruimte en hoog gebruiksrendement. Hierdoor is het een van de meest gebruikte toestellen voor het verwarmen van tapwater in kleine gebouwen.
Figuur 2 combiketel
Industriële doorstroomtoestellen Deze toestellen zijn verkrijgbaar in een vermogens reeks van 40 tot c.a. 500 kW. Ze zijn voorzien van een meertrapsbrander en een gesloten verbrandingskamer. De grotere industriële toestellen, in de volksmond wel ”warmwaterkanon” genoemd zijn vervaardigd van koper.
Figuur 3 Industrieel warmwater-doorstroomtoestel 510 kW (Baxi)
Indirect gestookte warmtewisselaar voor warm water of stoom. Als het vermogen van de combiketel te klein is of er is anderszins warmwater beschikbaar uit stadsverwarming of een andere restwarmtebron kan er een warmtewisselaar worden gebruikt. Deze zijn in alle gewenste enste vermogens beschikbaar en kunnen dus grote hoeveelheden warm water leveren. De warmtewisselaars worden ook wel tegenstroomapparaat (TSA) genoemd. Door de uitvoering als tegenstroomapparaat kan een lage retourtemperatuur worden bereikt. TI
Koud
o
Retour 60 C
TI
o
Warmtap 65 C TC
Regelafsluiter c.v. C.V. retour 30 - 55 oC
C.V. aanvoer > 70 o C
Figuur 4 principe tegenstroom warmtewisselaar.
Deze warmtewisselaar is tegenwoordig opgebouwd uit roestvast stalen platen en wordt “platenwisselaar” genoemd. De grotere vermogens zijn dubbelwandig uitgevoerd. Om aan de eisen van dubbele scheiding te voldoen. De kleine uitvoeringen zijn hardgesoldeerd en de grotere zijn opgebouwd uit losse platen met zachte afdichtingen tussen de platen. Omdat het water dat uit de warmtewisselaar stroomt direct gebruikt kan worden, worden, worden er zeer hoge eisen gesteld aan de snelheid en de nauwkeurigheid van de regeling. Er dient daarom altijd voldoende circulatie over het apparaat plaats te vinden voor de goede werking van de regeling. Voordelen zijn de beperkte plaatsruimte en de geringe waterinhoud waardoor er minder snel bacterie groei op zal treden. Nadeel is het relatief grote vermogen dat benodigd is. Vrijwel alle stadsverwarmingsunits zijn uitgevoerd met een platenwarmtewisselaar.
Figuur 5 platenwarmtewisselaar los, samen gebouwd voor c.v water en samengebouwd voor stoom
Veel fabrikanten leveren de units samengebouwd met de benodigde circulatiepomp(en) kleppen en regelingen. Als de warmtewisselaar wordt gecombineerd met een voorraadvat spreekt men van een oplaadsysteem. Dit wordt later behandeld.
Voorraadtoestellen algemeen. Voorraadtoestellen worden ook vaak boilers genoemd. Deze bestaan in het algemeen uit een voorraadtank en een interne warmtewisselaar. Voorraadtoestellen hebben als kenmerk dat er met een relatief klein verwarmingsvermogen vermogen en voorraad warmwater kan worden gemaakt. Deze voorraad kan dan in een korte tijd worden getapt. Voorraadvaten worden dus vooral toegepast als er piekverbruiken zijn. Na het leegtappen duurt het dan weer een tijd, de zogenaamde opwarmtijd, voordat het voorraadvat weer gebruiksklaar is. Het warme water wordt onderin de boiler gevoerd. Dit koude water drukt het warme water omhoog naar de uitgaande warmwaterleiding. De inlaat is zo gemaakt dat geen turbulentie, en dus geen vermenging van koud- met warmwater ontstaat. Als het vat bijna is leeggetapt ontstaat toch vermenging. Uit een voorraadvat kan niet de gehele inhoud worden getapt maar maximaal 80 % voor liggende en maximaal 85 % voor de meest gebruikelijke staande vaten. De minimale temperatuur moet 60 oC bedragen i.v.m. het voorkomen van legionellavorming. De maximale temperatuur ligt bij voorkeur tussen 65 en 67 oC in verband met de afzetting van ketelsteen. De voorraadvaten moeten van een aftap/afspuiafsluiter zijn voorzien om resten ketelsteen en slib af te kunnen spuien. Bij een temperatuur van 65 oC per l water uit het voorraadtoestel ca 1 x (65-10)/(39/10)= ca. 1, 6 l water op een gebruikstemperatuur van ca 39 oC kan worden gemaakt.
Materialen De voorraadvaten kunnen zijn gemaakt van de volgende materialen; - Koper; In het verleden werden vrijwel alle vaten < 80 l van koper gemaakt. Dit zijn probleemloze vaten die weinig onderhoud behoeven. Door de schaarste aan koper worden er vrijwel geen nieuwe indirect gestookte voorraad vaten meer van koper gemaakt. Alleen electrisch verwarmde vaten worden nog van koper gefabriceerd. - Staal met een koperen voering. Dit grote vaten gemaakt van staal in verband met de mechanische sterkte. Deze vaten worden voorzien van een dunne koperen binnenbekleding. Daarom is het, ongeacht de grootte, noodzakelijk om een beluchter op de het voorraadvat of de warmwaterleiding te monteren. Bij afkoelen van het vat kan bij gesloten afsluiters onderdruk ontstaan die de koperen voering beschadigd. Ook bij hoog opgestelde vaten kan dit probleem zich voordoen als de waterleidingdruk wegvalt. In het verleden werden alle grote vaten zo gemaakt. Thans zijn ze grotendeels verdrongen door andere materialen. - Staal geëmailleerd (glas lined)Deze voorraadvaten worden gemaakt van staalplaat. Na reinigen worden deze vaten voorzien van een emaillelaag, de zogenaamde glaslining.
-
Deze vaten zijn gevoelig voor mechanische beschadiging tijdens transport en montage. Daarom zijn deze altijd voorzien van een magnesium opofferingsanode. Bij kleine beschadigingen in de emaillelaag zal het onedele magnesium eerder corroderen dan het staal en zo de stalen wand beschermen. Roestvast staal. De meest, thans geproduceerde, voorraadvaten zijn uitgevoerd in roestvast staal. Alleen bij sterk chloride houden drinkwater is er gevaar voor aantasting. Verder is dit een probleemloos materiaal. Bij voorraadvaten > 120 l is het aan te raden om een beluchter te plaatsen om implosie bij onderdruk te voorkomen.
Uitvoeringen voorraadtoestellen; Voorraadvaten met een verwarmingsmantel. De kopergevoerde vaten zijn meestal uitgevoerd als voorraadvat met een dubbele wand. (Overigens kan dit type vat ook in roestvast staal of glas lined zijn uitgevoerd.) Hierdoor stroomt het te verwarmen water. Het drinkwatervoerende vat wordt in een 2e stalen vat geplaatst. Het drinkwatervoerende vat wordt dus volledig omspoelt door verwarmingswater. Zo ontstaat er een groot verwarmend oppervlak.
Figuur 6 Voorraadvat met mantelverwarming
Omdat er bij vermogens > 45 kw een dubbele scheiding is vereist worden deze vaten weinig meer toegepast in grotere installaties die ook voor verwarmen worden gebruikt
Voorraadvaten met verwarmingsspiraal. Vaten van alle materialen kunnen zijn uitgevoerd met een verwarmingsspiraal. Het gewenste overdrachtsvermogen kan worden aangepast door het aantal en de lengte van de spiraal te variëren. Ook een dubbele scheiding is eenvoudig te realiseren.
Warm 65 oC.
Ti
Retour 60 oC Ti
Beluchter
C.V aanv. C.V. ret.
Koud water
Aftap
Figuur 7 Voorraadvat met verwarmingsspiraal
Zonneboilers zijn in het algemeen ook boilers met een verwarmingsspiraal. In een warmtepomp boiler wordt de speciaal geconstrueerde spiraal gebruikt als condensor. Een warmtepompboiler heeft bij een watertemperatuur van 60 oC een slecht rendement. Daarom worden deze installaties periodiek thermisch gedesinfecteerd met behulp van een elektrische verwarmingsspiraal of heetgasinjectie. Het rendement loopt hierdoor wel terug.
Zonneboilers Geintegreerd opslagvat
Natuurlijke circulatie
Druksysteem
Leegloop systeem voorraadboiler opslagvat
Leegloop systeem tapboiler opslagvat
Bij natuurlijke circulatie met geintegreerd opslagvat is de collector en het opslagvat in één element samengebouwd. Voordeel is de probleemloze montage. Nadelen zijn de hoge gewichtsbelasting op het dak en het risico op oververhitting.
Druksystemen hebben een warmetwisselaar in het tapwatervoorraadvat. Het systeem is gevuld met een antivries dat op een overdruk wordt gebracht. Hierdoor wordt bij een groot warmteaanbod koken voorkomen. Om een te hoge druk als gevolg van het verwarmen en uitzetten van de thermische vloeistof te voorkomen is een expansievat en eeen overdrukventiel opgenomen. Bij een drukloos systeem is er een open verbinding met de buitenlucht . Om oververhitting te voorkomen moet de oevrtollige warmte worden weggekoeld met bijvoorbeeld leidingwater. Daarom wordt dit systeem niet zoveel meer toegepast. Het leegloopsysteem met gedwongen circulatie en leegloopvat is een van de meest toegepaste systemen. Normaal is de collector niet gevuld met water. Bij warmteaanbod gaat de pomp werken en wordt water uit het leegloopvat gezogen en door de collector en warmtewisselaar in het voorradvat gepompt. Bij vorst blijft de pomp uit en loopt de collector leeg in het leegloopvat. Ook bij oververhitting stopt de pomp en loopt het collector water in het leegloopvat. De collector wordt wel warm maar koken van het voorraadvat is uitgesloten. Het leegloopsysteem met gedwongen circulatie en tapboiler is hierop een variant. Een kunststofvat met een inhoud van 80 l of meer werkt als leegloopvat en als opslag van thermische energie.. Bij warmteaanbod gaat de pomp werken en wordt water uit het leegloopvat gezogen en door de collector en voorraadvat gepompt. Dit water in het vat loopt dus door de collector en warmt op. In het vat is een warmtewisselaar aangebracht voor het tapwater . Naverwarmer Als de beschikbare warmte gezien de vraag ontoereikend is, vooral tijdens perioden met weinig zon, zal een aanvullende naverwarmingsinstallatie de nodige extra warmte moeten leveren. Deze zorgt ook voor thermische desinfectie na langdurige perioden waarin het vat op een temperatuur is die gunstig is voor bacteriegroei is. De collectorvloeistof kan om bijvoorbeeld bevriezing te voorkomen schadelijke toevoegingen voor de gezondheid bevatten.. Bij systemen die onder druk staan wordt een speciale vloeistof gebruikt. Deze moet zijn voorzien van een KIWA ATA attest
Tapboiler. Tapboilers zijn voorraadvaten waarbij het vat is gevuld met verwarmingswater er door de spiraal drinkwater stroomt. Deze vaten worden wel toegepast bij zonneboilers met leegloopsysteem. C.V aanv. Ti
Warm 65 oC.
C.V. ret. Koud water Figuur 8 Tapboiler
Direct gestookte voorraadvaten. Direct gestookte voorraadvaten worden vaak gasboilers genoemd. Deze zijn verkrijgbaar in een roestvast stalen uitvoering of een uitvoering van geemailleerd plaatstaal. In het vat wordt een gasbrander gemonteerd die via een pijp warmtewisselaar de rookgassen afvoert. De regel en beveiligingsapparatuur wordt op het vat gemonteerd. Daar de inhoud van de vaten varieert tussen de 80 en 350 liter en er kan worden gevarieerd in brandervermogen van ca 10 tot ca 100 kW kan voor alle situaties een passende uitvoering worden samengesteld. De geëmailleerde uivoering moet zorgvuldig worden onderhouden. Dat geld met name voor het afspuien van het ketelsteen en slib en het vervangen van de magnesium anodes
Anode Warm 65 oC.
Retour 60 oC
Ti
Ti TC JvdB2011
Aftap
Koud water
. Figuur 9 Direct gestookte gasboiler
Oplaadsystemen; Doorstroomsystemen zijn vooral geschikt als er continue een warmwaterstroom benodigd is. Voorraadsystemen zijn vooral geschikt als er schommelingen zijn in het verbruik met grote pieken. Een oplaadsysteem is een combinatie van beide technieken. Een oplaadsysteem kent 3 bedrijfstoestanden; - Opladen. Er is geen verbruik maar het voorraadvat wordt opgewarmd. - Klein verbruik. Er wordt water aan het vat onttrokken - Piekverbruik. Er wordt water aan het vat onttrokken en tegelijkertijd wordt er water geleverd door de warmtewisselaar. Hierdoor is met een relatief geringe voorraad toch een groot piekverbruik te leveren. Daarom is in de utiliteitsbouw het oplaadsysteem de meest gebruikte techniek. Omdat er een combinatie kan worden gemaakt uit voorraadvaten met een verschillende inhoud en warmtewisselaars met elke gewenste capaciteit kan er altijd een optimale oplossing worden samengesteld. Soms worden er uit oogpunt van transport of plaatsruimte enkele kleine voorraadvaten in serie opgesteld.
Figuur 10 Oplaadsysteem
Als tijdens het leegtappen het koude water TS2 bereikt is dit het signaal dat het verwarmen moet beginnen. De verwarmingsklep gaat open of de verwarmingsketel gaat branden. Ook gaat de toerengeregeld circulatiepomp in het drinkwaterdeel langzaam draaien. Deze ontrekt water uit het vat of vanuit de koudwaterleiding of van beide. TS 1 is in de warmwaterleiding na de warmtewisselaar gemonteerd. Als het warme tapwater te koud is zal de pomp iets langzamer gaan draaien. Is het warme water te warm dan zal het toerental van de pomp worden verhoogd. De temperatuur regeling vindt plaats door het variëren van de waterhoeveelheid. Als TS3 warm water waarneemt is dit een teken dat het gehele voorraadvat met warm water is gevuld en wordt het verwarmingsproces beëindigd. De warmtewisselaar en warmtebron kan divers zijn. Voor c.v. water en afvalwarmte worden vaak losse platenwisselaars gebruikt. Ook een gasgestookt industrieel doorstroomtoestel of een gasboiler met een voldoende grote brander kan worden gebruikt. Er ontstaat dan een direct gestookt oplaadsysteem.
