VERWARMING
Install Magazine 954 – oktober 2018

Adaptief verwarmingssysteem volgens het plug and play-principe

Beter comfort met minder verbruik

Het onderzoeksproject InnoHeat (FK-03ET1150A) werd ondersteund door het Duitse ministerie voor economie en energie (MMWi) en bevorderde de ontwikkeling van een innoverend verwarmingssysteem volgens het plug and play principe met ruime zelfregelende functies. Door digitale vernetting tussen de voornaamste componenten (ketel, pomp, thermostaatventielen) wordt de toestand van de installatie continu geanalyseerd, en automatisch geoptimaliseerd. Zo kan men garanderen dat alle verwarmingskringen een aangepaste warmtoevoer krijgen, in functie van het gewenste comfort van de gebruikers.

Correcte werking niet altijd gegarandeerd in de praktijk

In Duitsland is het verplicht dat er bij nieuwbouw en ingrijpende renovatie een energetische optimalisatie van de verwarmingsinstallatie moet worden doorgevoerd. Een (statische) hydraulische inregeling, een aanpassing van de circulatiepomp aan de werkelijke behoefte en een juiste instelling van de stooklijn moeten het latere energieverbruik zo laag mogelijk houden. In de praktijk blijkt echter dat die maatregelen niet of onvoldoende worden uitgevoerd. Dikwijls ontbreken de oorspronkelijke planningsdocumenten, zoals de berekening van het warmteverlies of de leidingdiameters. Latere aanpassingen aan de installaties worden evenmin altijd gedocumenteerd.

Vanuit een verkeerd begrepen idee van voorzorg worden overgedimensioneerde ketels geselecteerd. Meestal werken die gewoon nog op de fabrieksinstellingen, wat resulteert in veel te hoge stooklijnen. Daardoor halen de ketels lage rendementen. Wanneer het vermogen veel hoger is dan nodig, zal de ketel gaan pendelen. Een teveel aan ketelstarts veroorzaakt een hogere slijtage en een kortere levensduur van onderdelen zoals de ontstekingselektroden. Problemen worden dan onvermijdelijk. Verder leiden herhaalde start-stopcycli tot hogere schadelijke uitstoot, grotere stilstandsverliezen en hoge lokale temperaturen in de ketel. De warmtewisselaar en schoorsteen worden telkens opgewarmd, en koelen na de ketelstop weer af. De geproduceerde warmte gaat daarbij verloren, hoofdzakelijk via de schoorsteen (natuurlijke trek). Ook de extra warmte van het condenseffect kan zo niet benut worden.

Te hoge lokale temperaturen in de ketel leiden tot kalkafzetting en corrosie in de warmtewisselaar. Als een ketel gaat pendelen, is het debiet door de warmtewisselaar gering. Het verwarmingswater heeft dus meer tijd nodig om tot bij de verwarmingslichamen te komen. Dat verhoogt op zijn beurt de leidingsverliezen. Een te hoog ingestelde stooklijn leidt tot te hoge vertrektemperaturen, zodat de kamertemperatuur op zijn beurt te hoog kan oplopen. Daardoor sluiten de thermostaatventielen, die dan niet aan hun eigenlijke taak toekomen, namelijk het compenseren voor externe warmtewinsten. Als de ventielen meestal zo goed als dicht staan, kan de regeling instabiel worden. Dat effect wordt versterkt door slecht ingestelde circulatiepompen. Ook deze staan meestal nog in de fabrieksinstellingen en produceren een te hoge druk. Het resultaat is een te hoog pompverbruik en lawaai in de verschillende installatie-onderdelen. Uit dit alles blijkt dat als de verschillende componenten (ketel, pomp, ventielen) niet op elkaar zijn afgestemd, het totale rendement van de installatie eronder lijdt, zonder het dan nog over gebrekkig comfort te hebben.

Vooral in renovatie betekent (statische) hydraulische inregeling nog altijd een uitdaging. Volgens de regels van de techniek gaat men hierbij uit van de ontwerpomstandigheden. Concreet gaat men extra drukverliezen creëren door de voorinstelling van de thermostaatventielen. Om de instelwaarden te berekenen, moeten de warmtebehoefte van de kamers, het vermogen van de verwarmingslichamen, de karakteristiek van de thermostaatventielen en de drukverliezen van het leidingsysteem bekend zijn. Zelfs als dit alles vakkundig is uitgevoerd, dan is deze instelling nog alleen maar optimaal onder de ontwerpomstandigheden. Omdat de installatie hooguit 5% van de tijd onder ontwerpomstandigheden werkt, zal de instelling dus het grootste deel van de tijd suboptimaal zijn. Bovendien zijn die voorinstellingen niet veranderlijk, zodat de pomp doorgaans meer energie zal verbruiken dan nodig. Dat verhoogt ook het risico op lawaai of verstoppingen.

Basis van een innoverend verwarmingsysteem

Om de nadelen van de gangbare systemen te vermijden, moet men absoluut de installatie als een geheel bekijken. Zo kan men tot een adaptieve verwarming volgens het plug and play principe komen. Door de relevante componenten te laten communiceren met een centrale regelunit kan men tegelijk het hydraulisch evenwicht dynamisch garanderen, en het pompvermogen en stooklijn automatisch aanpassen. Een statische hydraulische inregeling is dan niet meer nodig, en men hoeft ook de thermostaatventielen niet meer vooraf in te stellen.

De communicatie tussen de componenten verloopt draadloos, zoals getoond in figuur 1. Dat is de kern van het plug and play principe. Daarom is het zowel voor bestaande als voor nieuwe installaties geschikt. Omdat elektronica steeds goedkoper wordt, gaan we ervan uit dat de prijs geen probleem zal vormen. De montage houdt alleen het plaatsen van elektronische componenten in, zoals klepmotoren, een centrale regelunit en een communicatie-interface voor de ketel.

Procedure

De ontwikkeling van de aanpassings- en de regelmethode gebeurt door middel van een software-in-the-loop (sil) simulatie. In vergelijking met een onderzoek op basis van een bemeterde installatie kan men zo de ontwikkelingstijd sterk reduceren. Bovendien zijn de resultaten van een gesimuleerde omgeving ook reproduceerbaar, zodat men niet allen een software kan ontwikkelen en valideren, maar ook een evaluatie kan maken van de energiebehoefte, het thermische comfort en de wisselwerkingen in de regelstrategie van de componenten. Men kan het gedrag over langere periodes simuleren, bijvoorbeeld over een heel stookseizoen, onder gecontroleerde parameters om zo verschillende regelstrategieën te vergelijken.

De basisvoorwaarde is een gevalideerde simulatie-omgeving die op een realistische wijze rekening houdt met alle wisselwerkingen tussen verwarmingsinstallatie, gebouw, gebruiker en omgeving (figuur 2). De simulatie moet de dynamiek van het systeem weergeven.

Omwille van hun specifieke troeven werden twee platformen gecombineerd: TRNSYS (gebouwensimulatie) en MATLAB/Simulink (installatiesimulatie). Deze combinatie resulteert in een efficiënt instrument. Daarbij vormt het TRNSYS-programma een bouwsteen in MATLAB/Simulink, waarbij MATLAB/Simulink als master en TRNSYS als slave functioneert. Figuur 3 geeft een voorbeeld van de koppeling.

Optimalisatiefuncties

Een energie-efficiënte warmtetoevoer in functie van de behoefte veronderstelt een intelligent regelalgoritme, dat de installatietoestand continu analyseert en ingrijpt indien nodig. Het thermisch comfort moet altijd gegarandeerd blijven. Het systeem heeft de volgende optimalisatiefuncties:

- dynamische hydraulische inregeling, al dan niet met optimalisatie voor opwarming

- aanpassing van de stooklijn

- aanpassing van het pompvermogen

Dynamische hydraulische inregeling, al dan niet met optimalisatie voor opwarming

Een evenwichtige verwarming veronderstelt een hydraulische inregeling van alle verwarmingslichamen. Daardoor worden over- en onderdebieten in individuele circuits vermeden en bereikt men een gelijkmatige opwarming in de verschillende kamers. De methode die wordt toegepast, is gebaseerd op een dynamische beperking van de lichthoogte, als alternatief voor de traditionele (statische) verhoging van de weerstand. Figuur 4 toont het verschil tussen een conventionele en moderne inregeling.

Terwijl een traditionele voorinstelling gebaseerd is op een enkele statische instelwaarde, past een moderne procedure een dynamische regeling toe, gebaseerd op de lichthoogte van het ventiel. Tijdens de opwarmfase kunnen de klepmotoren de klep niet verder openen dan de grenswaarde die door de regeling bepaald worden. In functie van het hydraulische gedrag van het complete systeem wordt de grenswaarde voor de lichthoogte telkens opnieuw berekend bij elke opwarmfase van de ruimte. Zo bereikt men een gelijkmatige opwarming, waardoor het comfort in alle kamers gegarandeerd is. Figuur 5 toont een voorbeeld voor het optimaliseringsproces van de dynamische inregeling op opeenvolgende dagen van een woning met vier kamers. Het is een leerproces waarbij de installatie inspeelt op het thermisch gedrag van het gebouw.

Een optimalisatie van de opwarmfase kan extra comfort leveren. Daardoor is de comforttemperatuur al bereikt bij het begin van de gebruiksperiode. In het voorbeeld van figuur 6 is dat 07u00.

Aanpassing van de stooklijn

De stooklijn is de relatie tussen de ingestelde vertrektemperatuur en de buitentemperatuur. Ze maakt het mogelijk dat de kamers de juiste hoeveelheid warmte krijgen, wanneer er geen extra warmtewinsten zijn, zoals zonne-instraling, personen, elektrische toestellen... Daarvoor moeten parameters zoals de helling en het niveau van de stooklijn juist worden ingesteld. In de realiteit blijken de warmtewinsten in vele gevallen zo groot, dat de ingestelde vertrektemperatuur volgens de stooklijn duidelijk te hoog is.

Het bepalen van een passende vertrektemperatuur in functie van de actuele toestand van het gebouw is het hoofddoel van de aanpassing van de stooklijn. Zo worden de warmtewinsten benut en te hoog ingestelde stooklijnen automatisch verlaagd in functie van de behoefte. Daardoor worden op hun beurt de warmteverliezen in de verdeelleidingen en in de stookplaats kleiner. Zo stijgt het rendement en hoeft de ketel minder vaak op te starten.

Ook kan men een betere regelefficiëntie in de kamers verwachten. Bij te hoge vertrektemperaturen zullen thermostaatventielen nauwelijks opengaan en snel weer sluiten. Verlaagt men de stooklijn, dan zullen de ventielen over een breder werkingsbereik kunnen beschikken. Figuur 7 geeft een voorbeeld van het effect van een aanpassing van de vertrektemperatuur op het verloop van de kamertemperatuur in een woning met vier kamers. In het voorbeeld zijn er externe winsten in de vorm van zonne-instraling. Met een conventionele stooklijn gaan de ventielen pendelen (figuur 7 boven). Pas als het beschikbare vermogen vermindert (door een lagere vertrektemperatuur) wordt de regeling stabiel (figuur 7 onder).

Figuur 8 toont een deel van de resultaten van een simulatie over langere termijn van een adaptieve stooklijn in vergelijking met een conventionele stooklijn. We merken op dat de conventionele stooklijn in dit geval een compensatiefactor heeft voor de thermische inertie van het gebouw. Dat resulteert in een spreiding van de insteltemperaturen voor een gegeven buitentemperatuur. Uit de simulatie blijkt dat de aangepaste insteltemperaturen in de meeste gevallen lager zijn dan die van een conventionele stooklijn. Dat betekent meteen ook een besparingspotentieel.

Aanpassing van het pompvermogen

Zonder de circulatiepomp kan het verwarmingsmedium niet in de verdeelleiding getransporteerd worden. Een correcte dimensionering en instelling van de pomp is noodzakelijk om te hoge verschildrukken te vermijden, die op hun beurt tot te hoog energieverbruik leiden. Bovendien veroorzaakt een slechte pompregeling dikwijls storende geluiden in de ventielen.

Door het pompvermogen aan te passen, komt het toerental steeds overeen met de behoefte. In functie van de hydraulische toestand van de installatie kan het toerental verhoogd of verlaagd worden, zoals getoond in figuur 9. Nu er meer en meer hoogrendementspompen worden toegepast, die sowieso weinig energie verbruiken, blijft het besparingspotentieel hier eerder gering. Van meer belang is echter dat de kamertemperatuur stabieler zal blijven.

Conclusie

Het onderzoek heeft aangetoond dat de digitale vernetting van verschillende componenten volgens de huidige stand van de techniek met behulp van een centraal regelalgoritme, tot een aanzienlijke besparing kan leiden ten opzichte van een conventionele installatie. Het grootste besparingspotentieel zit in het energieverbruik voor warmteproductie en het stroomverbruik van de circulatiepomp. Bovendien stijgt het thermisch comfort.

De componenten vernetten vereist slechts weinig kosten of moeite. De hoofdvoorwaarde is dat men conventionele thermostatische regelventielen vervangt door gemotoriseerde versies. Verder moet de ketel over de passende communicatie-interfaces beschikken.

Bibliografie:

[1] H.-T. Le: Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage, Deutsches Patent DE- 102012018778, 05.02.2015

[2] H.-T. Le; J. Polowczyk: Automatisierter hydraulischer Abgleich. In: EnEV aktuell, Jg.9, Nr.1, p..8-10, 2015

[3] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Adaptives Heizungssystem. In: Tagungsband Research Day 2015 - Stadt der Zukunft, p. 188-190, Mensch und Buch Verlag, Berlin, 2015

[4] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Nutzerkomfort durch Aufheizoptimierung. In: Tagungsband Research Day 2016 - Stadt der Zukunft, p. 169, Berliner Wissenschafts-Verlag, Berlin, 2016

[5] H.-T. Le; J. Polowczyk; R. Kuntsche: Intelligenzschub für die Heizung, In: Beuth Presse – Campuszeitschrift, Ausgabe 1 (2016), p. 31

[6] H.-T. Le; J. Anisits ; T. Scheunemann: INNOHEAT: Entwicklung eines innovativen Heizungssystems nach Plug & Play Prinzip mit umfangreichen Adaptionsfunktionen, Abschlussbericht (FK-03ET1150A), 2017

Door Prof. Dr.-Ing. Huu-Thoi Le, (Beuth Hochschule für Technik, Berlijn)

M.Eng. Jack Anisits, (Beuth Hochschule für Technik, Berlijn)

M.Eng. Thomas Scheunemann, (Beuth Hochschule für Technik, Berlijn)

Figuren: Beuth Hochschule für Technik