VERWARMING
Install Magazine 981 – februari 2022

Aanzienlijke besparingen op pompenergie

Hydraulische optimalisering voor de installatie van de Plantentuin van Meise

De Plantentuin van Meise heeft een programma opgestart voor meer energie-efficiëntie en duurzaamheid. In dit kader werd de hydraulische installatie van de centrale stookplaats onder handen genomen. Die ingreep heeft een dubbel voordeel: eerst en vooral is er de directe besparing op pompenergie. Daarnaast vormt de ingreep de basis voor verdere modernisering: het heeft immers geen zin om zuinige ketels te plaatsen, als de verdeelinstallatie niet eerst geoptimaliseerd is.

Modernisering

De modernisering past in een actieplan voor meer energie-efficiënte van de Vlaamse overheid dat mee werd uitgewerkt door het Vlaamse Energiebedrijf. Dit omvat verschillende aspecten: zo werd er onder meer een WKK-installatie geplaatst. Verder staat de plaatsing van PV-panelen op het programma. Recent werd de optimalisering van de hydraulische verdeelinstallatie van de centrale stookplaats afgewerkt. Hier was heel wat winst te halen. De installatie heeft namelijk een aanzienlijke waterinhoud: niet minder dan 400 m³. Als men een dergelijke hoeveelheid constant rondpompt, vertaalt zich dat in een stevig energieverbruik. Besparen op het pompverbruik was een eerste prioriteit. Dit project werd toevertrouwd aan studiebureau Efika.

Een omvangrijke installatie

De centrale stookplaats van de Plantentuin voorziet het hele complex van warmte. De warmte wordt in de eerste plaats geleverd door vier gasketels, twee van Ygnis en twee van Viessmann, voor een totaal vermogen van 14 MW. Daarnaast is er een WKK van 140 kW thermisch en 107 kW elektrisch. Deze werd gedimensioneerd in functie van het elektriciteitsverbruik van de site. De geproduceerde elektriciteit kan volledig lokaal verbruikt worden. Dat garandeert lange looptijden, en vermijdt overtollige elektriciteitsproductie die anders op het net zou moeten geïnjecteerd worden. Gezien de aard van de site is er altijd wel voldoende warmtevraag om het thermisch vermogen op te nemen.

De stookplaats is voorzien van klassieke ketels, zonder condenserende werking. “In de bestaande configuratie zou een condensatieketel weinig zin hebben gehad,” legt David Martens van Efika uit. “De retourtemperaturen zijn daarvoor te hoog. Pas als het afgiftesysteem hydraulisch geoptimaliseerd is, kunnen we beginnen denken aan lagere stookregime en een nuttig gebruik van het condensatie-effect. Een efficiënte verdeelinstallatie is de basis van alles.”

Vanuit de stookplaats vertrekken er drie kringen: de meest belangrijke voedt een warmtenet dat de meeste serres en de overige gebouwen bedient. Een tweede kring bedient het Herbarium. De kleinste kring, tenslotte, gaat naar een aparte tropische serre met een meer dat altijd op 30°C moet worden gehouden.

Hoge eisen

Bij het ontwerp stond bedrijfszekerheid voorop. “Uitval van de verwarming moet absoluut vermeden worden,” benadrukt David Martens. “De Plantentuin omvat een unieke collectie, met sommige uiterst zeldzame exemplaren. Het gaat hier om levende wezens, dus een onderbreking van de verwarming leidt al snel tot onomkeerbare schade. Het systeem is dus redundant uitgevoerd, zowel qua opwekking als qua verdeling. Elke circulatiepomp heeft bijvoorbeeld een backup.”

Een tweede specifiek aspect van de Plantentuin is dat er zo goed als altijd wel ergens een warmtevraag is. Zo moeten de tropische serres altijd op temperatuur worden gehouden. Alleen bij een bijzonder hevige hittegolf zou men de verwarming helemaal uit kunnen schakelen, maar zodra de nachten wat beginnen af te koelen, is er al opnieuw warmte nodig. In zomerbedrijf volstaat de WKK doorgaans om de warmtevraag te dekken.

Hydraulische optimalisatie

“De begintoestand was verre van ideaal,” herinnert David Martens zich. “Er was geen hoofdcollector als zodanig, maar een soort shuntkring, aangedreven door vier enorme pompen in een apart pomphuis. Daarop waren de verschillende aftakkingen naar de verbruikers aangesloten. Een ‘as built’ plan ontbrak uiteraard. We besloten dus om de hele wirwar van leidingen te vervangen door een meer logisch ontwerp, waarbij de primaire collector drukloos zou worden uitgevoerd. De ketels zijn dus aangesloten op een primaire kring zonder aparte circulatiepompen. Hierop zijn de drie secundaire kringen aangesloten: het grote warmtenet, het herbarium en de tropische serre.” De kring voor het warmtenet is voorzien van vier circulatiepompen, en de kleinere kringen van telkens twee circulatiepompen. Zoals gezegd zijn de pompen steeds ontdubbeld omwille van de bedrijfszekerheid.

Door een installatie van 14 MW uit te voeren zonder primaire circulatiepomp, bespaart met heel wat energie. Op basis van de eerste gegevens schat men dat de energiekost met ongeveer 17.000 euro per jaar kan dalen. Om zoiets te realiseren moet men zeker zijn van zijn stuk, en daarom werd een beroep gedaan op de expertise van Frank Van Dam van het gelijknamige studiebureau, die al heel wat ervaring heeft met deze concepten.

Belang van hydraulica

Frank Van Dam is al jaren een voorvechter van hydraulische optimalisering. “Het belang van pompverbruik en hydraulische equilibrage wordt nog veel te veel onderschat, terwijl net daar veel winst te halen is. Een stookplaats verbruikt niet alleen brandstof, maar ook elektriciteit. Er staan nog veel te veel circulatiepompen te draaien in gebouwen. Die jagen de energierekening in de hoogte en maken de regeling moeilijker. Met een aangepast ontwerp kunnen we echter vele daarvan weglaten en zo de algemene efficiëntie verhogen.”

Prefab constructie

Efika maakte het ontwerp van de verdeelinstallatie volledig in Revit. “Dat heeft een aantal voordelen,” legt David Martens uit. “Om te beginnen ben je er zeker van dat alle elementen effectief in de ruimte zullen passen, en dat je niet voor onvoorziene complicaties ter plaatse zal komen te staan.. Verder kan je zo de optimale configuratie bepalen. Bij een installatie van dergelijke afmetingen zijn alle componenten zwaar en omvangrijk. Deze circulatiepompen bijvoorbeeld, neem je niet zomaar onder je arm mee. Daarom kozen we voor een opstelling in L voor de vertrek en retourcollector. Er moest immers ruimte genoeg zijn om alles met een heftruck op de gewenste plaats te krijgen, en de onderdelen moesten bereikbaar blijven voor later onderhoud of herstelling. Tenslotte konden we ook de leidinglengtes optimaliseren. Dergelijke diameters treft men doorgaans alleen in de industrie aan: de hoofdcollector is uitgevoerd in DN 600, de aftakking naar het warmtenet is in DN 300, die naar het herbarium in DN 150 en het kleine broertje is de kring naar de tropische serre, in DN 65. Als men bij deze diameters wat leidinglengte kan uitsparen, scheelt dat ook in de kosten.”

Dat ontwerp werd dan doorgespeeld aan de installatiefirma, in dit geval Spie Geel, die dan de generieke componenten in het plan verving door de specifieke om zo tot een uitvoeringsplan te komen. Nauwkeurigheid was erg belangrijk, want het was de bedoeling om met voorgemonteerde gehelen te werken. Alles moest dus precies op elkaar afgestemd zijn, en in de voorziene plaats passen. Een van de redenen waarom de opdracht aan Spie Geel werd toevertrouwd, was overigens hun ervaring in voormontage. Het bedrijf bouwde eerst de volledige installatie op in de werkplaats in Geel, om ze dan op te delen in prefab modules, die een voor een in de stookplaats konden worden binnengebracht. Daardoor kon de montage ter plaatse vrij snel worden afgewerkt.

Regeling

Voor de circulatiepompen in de stookplaats werd geopteerd voor Grundfos, die tevens instond voor de aparte pompregeling. Grundfos beschikt immers over een geavanceerd regelsysteem dat optimaal gebruik kan maken van de ingebouwde intelligentie in de pompen, wat nodig was gezien de complexiteit van de installatie. De pompregeling communiceert met het overkoepelende beheersysteem van Priva. De regeling van de serres is eveneens van deze leverancier, zodat een foutloze communicatie gegarandeerd is.

Toekomstplannen

Ondertussen draait de vernieuwde installatie tot ieders tevredenheid. Het studiebureau denkt echter verder vooruit. De volgende stap wordt de optimalisatie van de onderstations van het warmtenet. Op dit ogenblik maken die gebruik van een mengregeling op temperatuur met bypass via een evenwichtsfles. Door op temperatuur te regelen kan men de warmte-afgifte erg nauwkeurig sturen. Dat heeft zijn voordelen voor het beheer van de serres, maar dat betekent wel dat men met hoge retourtemperaturen werkt, en dat men constant grote hoeveelheden warm water moet rondpompen. Uit energetisch oogpunt is dat niet ideaal, zeker als men weet dat er in totaal een veertigtal onderstations zijn, waarvan sommige tot op 800 meter van de stookplaats liggen. Het is de bedoeling om over te stappen op een smoorregeling met variabel debiet. Dat zal heel wat pompkosten besparen en lagere retourtemperaturen mogelijk maken. Om de vereiste regelnauwkeurigheid te bereiken, moet men dan wel het hydraulische evenwicht van de onderstations goed in de greep krijgen.

Tevens denkt het studiebureau aan een predictieve zelflerende regeling. Nu zit er heel wat inertie in het systeem. Tussen een onderstation en de stookplaats kunnen er honderden meters leiding in DN 300 liggen. Daardoor zit er een aanzienlijke vertraging tussen het ogenblik dat er een regelsignaal gegeven wordt, en het effect daarvan merkbaar wordt in de serre. Dat leidt onder meer tot problemen van oververwarming. David Martens licht toe: “standaard wordt de installatie ’s morgens op temperatuur gebracht. Als in de loop van de dag echter de zon begint te schijnen, vermindert de warmtevraag. Door de grote waterinhoud bevat de installatie op dat nog heel wat warmte, die nog in het afgiftesysteem zal terechtkomen. Dat betekent niet alleen een gebrekkig comfort door te hoge binnentemperaturen, maar het verspilt ook nog energie. Een predictieve regeling kan rekening houden met de verwachte ontwikkeling van de warmtevraag, op basis van een analyse van het gebouwgedrag en externe gegevens zoals de weersverwachting. Zo kan de regeling vooraf ingrijpen, zonder te wachten tot de insteltemperatuur overschreden is, want op dat ogenblik is het al te laat.” Kortom, er is nog heel wat ruimte voor optimalisering.

Door Alex Baumans