VERWARMING  
Install Magazine 940 – mei 2017

Grote buffervaten voor nauwe ruimtes ontwikkeld

Succesvolle veldtests voor nieuw productieproces

Wie een grote zonneboiler of een WKK zo efficiënt mogelijk wil uitbaten, heeft een groot buffervat nodig. In bestaande gebouwen passen die vaten echter niet altijd door de deuropeningen die voor handen zijn. Daarom werd een compact buffervat ontwikkeld, dat uit meerdere modules bestaat, die pas in de stookplaats zelf aan elkaar gemonteerd worden. De warmteverliezen zijn kleiner dan bij gangbare cascade-opstellingen. Het dus niet meer nodig om aparte tanks aan elkaar te schakelen.

Een compact concept

Het nieuwe buffervat kan met fossiele of hernieuwbare energie gecombineerd worden. Het is drukbestendig (werkingsdruk 3 bar) en kan hydraulisch direct met de verwarmingsinstallatie verbonden worden. De aansluitleidingen tussen de verschillende modules bevinden zich in het buffervat zelf. Dat bespaart plaats en tijd bij de montage, en vermindert ook de warmteverliezen in vergelijking met gangbare cascade-opstellingen. Die bestaan uit aparte tanks die individueel geïsoleerd zijn en dan aan elkaar geschakeld. Het nieuwe UniSto-vat heeft een kleinere oppervlakte voor een gegeven volume, en zal dus minder warmte afgeven. Een voorbeeld: het warmteverlies van een cascade met een volume van 5.300 liter bedraagt 430 W, waarbij we dan nog geen rekening houden met de verliezen van het leidingwerk. Het nieuwe model buffervat heeft voor een gelijke inhoud een warmteverlies van slechts 200 W. Voor beide gevallen gaan we uit van een temperatuurverschil van 45 K tussen de inhoud van het vat en de omgeving.

Het vat bestaat uit aparte ovale modules in staal met een inhoud van telkens 1.350 liter. De ommanteling bestaat uit staalplaat, die de radiale druk opvangt. Daarop worden dunwandige eindplaten gelast, die de module afdichten. Deze vangen geen druk op, maar geven die door aan de naastliggende module. De aparte modules worden bij de montage door middel van een railsysteem tot een geheel samengeschoven. De oplaad- en ontlaadleidingen bevinden zich binnen in de tank. De drukbestendige eindmodules worden via telkens vier verbindingsstangen aan beide kanten met elkaar verbonden. Deze robuuste elementen aan de buitenkant zorgen ervoor dat de druk in de lengterichting wordt opgevangen. De isolatie van het vat bestaat uit harde schalen EPS (geëxpandeerd polystyreen), die via een tand-groefsysteem op elkaar aansluiten. In de schalen zijn uitsparingen voorzien, waarin vacuüm isolatiepanelen kunnen worden aangebracht. Desgewenst kan men het vat ook na de montage volledig isoleren.

Gelijkmatige stratificatie van warmtemedium

Ongewoon aan het nieuwe concept is dat de tank horizontaal staat opgesteld. “Zoals bij gangbare buffervaten wordt de warmte centraal afgetapt. Het UniSto-vat heeft met 213 cm ongeveer dezelfde hoogte als een traditioneel buffervat. Stratificatie vormt dus geen probleem. Tussen de modules onderling zijn de warmteverschillen gering” aldus de projectleider Dr. Stefan Fischer van het instituut voor thermodynamica en warmtetechniek (ITW) van de universiteit Stuttgart. De interne leidingen voor opladen en ontladen lopen over de hele lengte van de tank en maken zo een gelijktijdige thermische stratificatie mogelijk. Om te vermijden dat de aparte temperatuurniveaus zich zouden mengen tijdens het op- of ontladen, zijn de toevoer- en afvoeropeningen in de buizen aangebracht ter hoogte van de aansluitingen tussen de modules. Hier lopen de vijf oplaad- en ontlaadleidingen door RVS hulzen, die als een straalbreker voor de waterstroom fungeren. “De stroming wordt omgeleid en komt door de spleet in de lengterichting van de buis via de ruimte tussen de huls en de buis in de tank terecht. Zo kan men ook de afmetingen van de toevoerspleet klein houden, zonder dat het water dan aan een hoge snelheid en met veel turbulentie in de tank komt.” verklaart Fischer.

Productie-uitdaging: ovaal in plaats van rond

Omdat het buffervat zo weinig mogelijk plaats mocht innemen, was de gangbare cilindervorm uitgesloten. Toch moest er voldoende drukbestendigheid gegarandeerd zijn. “De uitdaging bestond erin om de weinig toegepaste ovale vorm van de ommanteling en de gewelfde eindplaten te produceren,” aldus projectcoördinator Dr. Ulrich Leibfried van Consolar, de fabrikant van zonnethermische systemen. Daarvoor wordt de ommanteling eerst op een programmeerbare wals gebogen. In de volgende stap moet de eindplaat met zo weinig mogelijk vervorming op de mantel gelast worden. Daartoe maximaliseerde de fabrikant de lassnelheid en koeling, en werd de naaddikte zo klein mogelijk gehouden. Het optimale resultaat werd bereikt door tegelijk twee verstevigingsprofielen aan de binnenkant van de tank aan te brengen. De procedure wordt uitgevoerd op een nieuw ontwikkelde roterende lastafel. “Het is vooral belangrijk dat de opstelling een gelijkmatige en reproduceerbare lassnelheid garandeert, en de warmte snel kan afvoeren.” aldus Leibfried. Na de montage vindt een drukproef van de tank plaats. Tests op de proefstand tijdens het project en berekeningen volgens de eindige-elementenmethode (FEM) toonden aan dat de vervorming binnen toelaatbare grenzen bleef bij een testdruk van tweemaal de werkingsdruk.

Twee veldtesten

Een Duits-Zwitsers energiebedrijf installeerde het buffervat voor het eerst in een rusthuis in Rheinfelden. De installatie bestond uit een gasgestookte WKK met warmtegestuurde werking van 40 kW elektrisch en 100 kW thermisch vermogen en een gasgestookte condensatieketel voor pieklast van 400 kW. Ze stond in voor de verwarming van 74 wooneenheden, en dekte tevens een deel van de stroomvoorziening. De nieuwe installatie verving twee lage-temperatuur gasketels van 280 kW elk. “Het UniSto-model was voor ons interessant omdat we gewoonlijk het buffervat van onze WKK wat overdimensioneren. Bij renovaties hebben we dan soms te weinig plaats in de stookplaats of is de deuropening te smal.” verklaart Klaus Nertz, hoofd van de afdeling Warmte en Energie van het energiebedrijf. Het buffervat in Rheinfelden bestaat uit drie modules en heeft een inhoud van 4050 liter. Het is hydraulisch met de installatie verbonden zodat het de restwarmte van de WKK opslaat en zowel de verwarming als de SWW-productie kan bevoorraden. De installatie heeft een werkingsdruk van 2 bar. De kosten voor het prototype buffervat bedroegen 5.000 euro. Eenmaal de serieproductie wordt opgestart, zal de prijs uiteraard dalen.

Aan de universiteit Stuttgart werd onderzocht hoe het buffervat zich in de praktijk gedroeg. Daartoe werden onder meer de temperaturen gemeten in de middelste module, aan de bovenste en onderste aansluitingen, en ook het debiet.

Daaruit bleek dat het buffervat tijdens de werking van de installatie zo goed als nooit tot stilstand kwam. Dat wijst op het centrale belang van het buffervat voor de warmtebevoorrading van het rusthuis. De WKK laadde de tank op met een relatief klein debiet van ongeveer 2.000 l/h, de ontlading gebeurde aan een debiet van minstens 3.000 l/h. Ook met korte en wisselende oplaad- en ontlaadcycli verkrijgt men een goede thermische stratificatie. Alle onderzoek wijst erop dat er ook bij grotere debieten nog een goede thermische stratificatie te verwachten is.

Met behulp van uitzettingsstrips werd vervorming van het tankmateriaal tijdens de werking gemeten. De strips werden op tien posities aan de wand bevestigd. Tijdens de hele meetperiode bleef de materiaaluitzetting duidelijk onder de grenswaarde van 0,2%. De buffervat is probleemloos in bedrijf sinds de zomer van 2015. De conclusie van Klaus Nerz: “We zullen dit jaar nog verdere installaties met dit type buffervat bouwen. Op basis van die ervaringen zullen we dan beslissen of we dit model dan standaard in nieuwe installaties zullen integreren.”

Een tweede demonstratieproject was in een schrijnwerkersatelier met twee aangebouwde wooneenheden. Ook hier zijn de resultaten gunstig: er is een duidelijke thermische stratificatie en een goed functionerende hydraulische equilibrage tussen de vier modules. Het buffervat wordt opgeladen door een biomassaketel van 100 kW. Bovendien wordt er warmte geleverd door 10 m² zonnecollectoren, die aangesloten zijn op een combibuffervat. Net zoals in Rheinfelden was er ook hier niet genoeg plaats om het vereiste buffervolume van 5,4 m³ met traditionele technieken te realiseren. In april 2016 werden de modules echter probleemloos ter plaatse gebracht met behulp van twee rails die op de vloer gemonteerd werden.

In de loop van 2017 zullen de leden van het industrieconsortium achter UniSto het buffervat verder testen. Daarna zal het als serieproduct op de markt gebracht worden.

Energielabel voor warmwateropslag

Fabrikanten van opslagvaten voor warm water met een maximaal volume van 500 l moeten een energielabel op hun producten aanbrengen. Hierop wordt de efficiëntieklasse, het opslagvolume en stilstandsverliezen van het toestel aangegeven. Dat laatste geeft het warmteverlies aan van een buffervat bij een bepaalde watertemperatuur en omgevingstemperatuur. Voor opslagvaten tot 500 l is het verplicht om de efficiëntieklasse aan te duiden. Voor een opslagvat tot 2.000 l moet efficiëntieklasse bepaald worden, om daarmee het rendement van de totale installatie te kunnen berekenen. Een energielabel aanbrengen is in dit geval echter verboden. De gangbare buffervaten hebben meestal efficiëntieklasse C en D. De beste waarde voor opslagvaten is klasse A.

Daarnaast bepaalt ecodesign ook eisen voor het energiezuinig ontwerp van de toestellen. Daarbij gaat het bijvoorbeeld om grenswaarden qua rendement of qua schadelijke uitstoot. Producten die aan deze eisen voldoen, krijgen de CE-markering. Eisen voor het energielabel en voor ecodesign hangen nauw samen, maar zijn gebaseerd op een andere rechtsgrond.

Warmte buiten het gebouw opslaan

Welk type buffervat het meest zinvol wordt ingezet, hangt van de toepassing en van de bouwkundige context af. Het UniSto-buffervat kan tot een maximaal volume van 10.800 liter gaan. Voor eventuele grotere volumes hoeven echter alleen de verbindingsleidingen en -stangen aangepast worden. Bij zeer grote opslagvolumes kan het echter zinvol zijn om voor een buffervat te kiezen dat buiten het gebouw wordt opgesteld. Dat veronderstelt natuurlijk dat er op het perceel voldoende plaats voorhanden is, en dat de beperking van het uitzicht door het buffervolume geen probleem vormt. Buffervaten die buiten het gebouw worden opgesteld, moeten zeer goed geïsoleerd worden. In tegenstelling tot buffervaten binnen het beschermd volume, zullen de warmteverliezen immers niet bijdragen tot de verwarming van het gebouw.

 

De gewenste duur van de opslag bepaalt mee welk buffervat het best past. In het project StoEx werd aan de universiteit Stuttgart een reeks grote tanks ontwikkeld die energie weken tot maanden konden opslaan. Dit type tanks wordt buiten het gebouw opgesteld. Een innovatieve isolatiemethode moet de thermische prestaties verhogen in vergelijking met gangbare uitvoeringen. Tegelijk moeten de kosten naar omlaag. Dergelijke tanks kunnen bijvoorbeeld in een warmtenet worden geïntegreerd, of kunnen de verwarming van grotere gebouwen zoals kinderdagverblijven, zorginstellingen of ziekenhuizen ondersteunen.

 

Als isolatie werd vacuümmateriaal in een dubbelwandig buffervat toegepast. De tussenruimte werd gevuld met een uitstortbaar mengsel van 70% grofkorrelig geëxpandeerd perliet en 30% pyrogeen kiezelzuur. Daarna werd het volume vacuüm getrokken op een druk tussen 0,4 en 1 mbar. Het isolerend mengsel bereikt onder een dergelijke relatief hoge vacuümdruk een geringe warmtegeleidbaarheid. Onderzoek bevestigde dat de dichtheid voldoende is om het vacuüm gedurende 50 jaar te bewaren.

 

Of een vacuümisolatie ook economisch zinvol is, hangt af van de specifieke toepassing. Uit simulaties blijkt dat deze technologie economisch voordeliger is dan gangbare methoden naarmate men een grotere dekkingsgraad van zonne-energie nastreeft. Het voordeel is dan dat men het opslagvolume duidelijk kleiner kan dimensioneren.

Projectdeelnemers:

Universiteit Stuttgart, afdeling ITW: Stephan Fischer, Harald Drück, Jens Ullmann

Consolar: Ulrich Leibfried, Michael Sütterlin.

Bron: BINE Projektinfo 03/2017, overgenomen met toestemming.

Foto’s: Bine

www.bine.info

www.forschung-energiespeicher.info

1) Ommanteling.

2) Dunne staalplaat.

3) Rails.

4) Drukbestendige eindmodule.

5) Oplaad- en ontlaadleidingen.

6) Verbindingsstangen.

7) Afdichting.