Juni 2011
Circulatiesystemen voor warm tapwater kunnen efficiënter
Normaal oplaadbedrijf met lage retourtemperatuur in primaire circuit: geen probleem.
Ontwerp en uitvoering van circulatiesystemen voor warm tapwater kunnen efficiënter. Bovendien hebben circulatiesystemen vaak een nadelige invloed op het rendement van de warmteopwekking. Dit is vooral het geval bij hr-ketels en stadsverwarming. Dat blijkt uit de TVVL/UNETO-VNI-voorstudie ST-26 naar rendementsverbeteringen bij warmtebronnen van warmtapwatersystemen. De oplossing: beperking van warmteverliezen in het warmtapwatercirculatiesysteem.
Rapporteur ir. Michiel van Bruggen van de Energie-manager stelt in de voorstudie ST-26 vast dat voor ruimteverwarming steeds vaker warmteopwekkers worden toegepast die het best presteren bij relatief lage aanvoertemperaturen en een zo groot mogelijke uitkoeling. De karakteristieken van die efficiënte warmteopwekkers sluiten echter vaak niet goed aan op de eisen die worden gesteld aan het circulatiesysteem van warm tapwater. Dat komt omdat het circulatiesysteem regelmatig een hoge retourtemperatuur veroorzaakt in het primaire circuit. Dit circuit staat enerzijds aangesloten op de warmteopwekker en anderzijds op de warmtewisselaar waarmee warmte wordt afgegeven aan het tapwater. Een hoge retourtemperatuur in het primaire circuit gaat ten koste van het rendement van de warmteopwekker. Het indirect verwarmde warmtapwatersysteem veroorzaakt dus een slechter systeemrendement, vooral bij hr-ketels en stadsverwarming.
Afkoeling in primair circuit
Bij indirect verwarmde boilers met een externe warmtewisselaar, het zogenoemde oplaadsysteem, is er op het moment van warmtapwatervraag geen probleem. Aan de primaire zijde van de warmtewisselaar koelt het verwarmingswater bijvoorbeeld van 70 °C af naar circa 40 °C door afgifte van warmte aan het in tegengestelde richting stromend tapwater aan de secundaire zijde. Het tapwater warmt daardoor op van bijvoorbeeld 10 – 65 °C. Stopt het tappen van warmwater dan warmt de gehele boilerinhoud op tot een temperatuur van 65 °C. Vervolgens daalt de temperatuur in de boiler tot een minimum van 60 °C en warmt dan weer op tot 65 °C. Op dat moment koelt het verwarmingswater aan de primaire zijde van de wisselaar af van 70 naar 65 °C en warmt het warm tapwater aan de secundaire zijde op van 60 – 65 °C. Bij hogere temperaturen dan 45 °C van het retourwater in het primaire circuit verslechtert het rendement van de warmteopwekking.
Bij indirect verwarmde warmtapwaterdoorstroomsystemen, dus alleen met een warmtewisselaar, is er een vergelijkbaar probleem. Dit wordt dan direct veroorzaakt door de hoge retourwatertemperatuur van het warmtapwatercirculatiesysteem. Is er geen warmtapwatervraag, dan is er ook geen toevoer van koud drinkwater naar de secundaire zijde van de warmtewisselaar. Maar naar de warmtewisselaar stroomt wel het retourwater van het warmtapwatercirculatiesysteem met een temperatuur van 60 °C. Het probleem van te hoge retourtemperaturen in het primaire circuit heeft te maken met de warmteverliezen in het secundaire circuit, de wettelijke eisen die worden gesteld aan de temperatuur van het warm tapwater en de bedrijfsperioden waarin die temperatuur gehandhaafd moeten blijven. Circulatiesystemen van warm tapwater blijken in de praktijk, energetisch gezien, vaak slecht te zijn ontworpen. En ziet het systeem op de ontwerptafel er goed uit, dan blijkt er aan de uitvoering veel te mankeren. In de praktijk koelen circulatiesystemen enorm af en treden grote energieverliezen op. Van Bruggen schat dat dit wel eens in de orde van grootte van 50 procent van het totale energiegebruik voor warm tapwater kan zijn. Toch is dit probleem op te lossen met vrij eenvoudige en soms met wat complexere maatregelen. De in het ST-26 rapport beschreven oplossingen richten zich dan ook op de beperking van de warmteverliezen. Tot de eenvoudige oplossingen behoren de beperking van de warmteverliezen in het warmtapwatersysteem en onderbreking van de circulatie wanneer de installatie langdurig niet in gebruik is.
De oplaadboiler is afgekoeld tot circa 60 °C en wordt weer op temperatuur gebracht waardoor de retourtemperatuur in primaire circuit is te hoog (> 45 °C) en een nadelige invloed heeft op systeemrendement bij hr-ketels en stadsverwarming.
Warmtapwatercirculatieleidingen
Door de beperking van warmteverliezen in het secundaire circuit kan de circulatievolumestroom kleiner zijn en koelt het water in de boiler minder snel af. Het grootste deel van de warmteverliezen wordt veroorzaakt door het circulatiesysteem. In de huidige praktijk worden de leidingen die deel uitmaken van een conventioneel warmtapwatercirculatiesysteem voorzien van isolatiedikten van 20 of 25 mm. Door toepassing van 35 of 45 mm in combinatie met een betere uitvoering van de isolatie ter plaatse van beugels en appendages, kunnen de warmteverliezen globaal worden verminderd met 27 en 35 procent. Een slechter rendement van de warmteopwekking wordt met deze maatregel niet voorkomen. Wel vermindert de hoeveelheid warmte die met een slechter rendement wordt opgewekt. Dat geldt ook voor toepassing van het buis-in-buiscirculatiesysteem (inliner) waarvan de warmteverliezen 15 – 20 procent lager zijn.
Voor grootschalige projecten kan het een optie zijn de aanvoer- en retourleidingen van een warmtapwatercirculatiesysteem in een enkele isolatieschil te plaatsen, zoals ook bij warmtedistributie gebeurt. Het warmteverlies kan dan globaal 30 procent lager zijn. Maar ook hiervoor geldt dat een slechter rendement van de warmteopwekking niet wordt voorkomen. Eenzelfde percentage is te bereiken door een aangepast ontwerp van het warmtapwatersysteem met een kleiner aandeel van leidingen waarin een circulatiestroom plaatsvindt dan bij wat momenteel gangbaar is.
De eisen die worden gesteld aan de temperatuur van het warme tapwater hebben te maken met comfort (40 – 45 °C voor lichaamshygiëne/douchen), functionaliteit (50 – 55 °C voor schoonmaak/keuken) en microbiologische veiligheid (60 – 65 °C voor legionellapreventie). Een temperatuur hoger dan 70 °C is om meerdere redenen ongewenst (groter verbrandingsrisico, leidingmaterialen die er niet altijd tegen bestand zijn, meer kalkafzetting, en grotere warmteverliezen). Wat betreft de groei van legionella is een temperatuur van boven 50 °C al op het niveau dat geen uitgroei van die bacterie plaatsvindt.
Er zit dus in theorie wat ruimte tussen die temperatuur en de wettelijke eis van minstens 60 °C. De ontwerptemperatuur van 60 °C geldt voor alle ‘uithoeken’ van het leidingsysteem. Met de huidige kwaliteit van de praktijk is dit lang niet altijd te realiseren. Wordt de theoretisch veilige ontwerptemperatuur te laag gekozen, dan zal de praktische temperatuur, in delen van het systeem, al gauw in de gevarenzone komen. Bovendien zorgt een temperatuur van 60 °C en hoger voor een preventief zelfreinigend effect.
Bij afname van warm tapwater in een indirect verwarmd doorstroomwarmtapwatersysteem is de retourtemperatuur in het primaire circuit laag: er is geen probleem.
Lagere temperatuur en onderbreking
Door het accepteren van tijdelijk een lagere temperatuur in het circulatiesysteem zijn niet alleen de warmteverliezen van het leidingnet kleiner, ook kan de warmteopwekker met een beter rendement werken. Dat kan bijvoorbeeld door acceptatie van 50 °C en dagelijks twee uur een temperatuur van 65 °C gedurende de periode dat ook de boiler volledig wordt opgeladen. De warmteverliezen kunnen globaal verminderen met 35 procent. Het primair energiegebruik kan dan globaal 14 procent kleiner zijn, ten opzichte van het referentie-energiegebruik in het ST-26-rapport. Is er gedurende langere tijd geen warmwaterafname, zoals in de weekeinden of tijdens vakanties bij scholen of sport-accommodaties, dan kan het warmtapwatersysteem worden uitgezet. De energiebesparing wordt gerealiseerd door minder warmteverliezen door leidingen en boiler. Er is geen sprake van een beter opwekkingsrendement door een lagere warmtapwatertemperatuur. In het rapport zijn twee voorbeelden opgenomen: 30 en 70 procent buiten bedrijf. Gemiddeld één keer per week wordt het systeem vanuit stilstand opgewarmd. De vermindering van het primaire energiegebruik ten opzichte van de referentie bedraagt 13 procent bij een installatie die 30 procent buiten bedrijf is en 19 pro- cent bij 70 procent buiten bedrijf.
Bij geen afname warm tapwater is bij een indirect verwarmd doorstroomwarmtapwatersysteem geen lage temperatuur in de retour van het primaire mogelijk: nadelige invloed op systeemrendement bij hr-ketels en stadsverwarming.
Legionellapreventie
In het rapport van de TVVL/UNETO-VNI-voorstudie ST-26 zijn concepten opgenomen waarmee de efficiëntie van de warmtapwaterbereiding kan worden verbeterd. Het effectiefst blijken de maatregelen die er voor zorgen dat de warmteverliezen in het warmtapwatercirculatiesysteem verminderen. Sommige oplossingen staan op gespannen voet met de temperatuureisen die betrekking hebben op het thermisch beheersconcept voor legionellapreventie. Het nieuwe Drinkwaterbesluit, dat op 1 juli 2011 inwerking treedt, versoepelt mogelijk de toepassing van die oplossingen.
Concepten van collectieve warmtapwaterleidingsystemen met circulatie.
Bron:
- ‘Rendementsverbeteringen bij warmtebronnen van warmtapwatersystemen
– installatieconcepten’, TVVL/ UNETO-VNI-voorstudie ST-26, ir. M. van Bruggen (De energiemanager), concept februari 2011.
Tekst: Will Scheffer / Cam-Mediaservice