Transcript Klik hier voor het complete artikel in PDF formaat

THEMA: CHILLERS
RCC Koude & luchtbehandeling
Tekst: Dennis Verschoor
Hydraulische basissystemen
voor klimaatinstallaties
Het gebruik van koudwatermachines (koudwateraggregaat of chiller) en
warmtepompen is niet meer weg te denken in de huidige installatieontwerpen voor de gebouwde omgeving. De motivatie om energietransport in
gebouwen met water te realiseren in plaats van met een koudemiddel kan in
grote lijnen worden gebaseerd op wettelijke verplichtingen of om veiligheidsredenen.
De kosten van de wettelijke onderhoudsverplichting aan een koudwatermachine of warmtepomp zijn
lager dan die voor een installatie
met directe expansie voor comfortkoeling. Veiligheid speelt met name
een rol, daar waar door een lekkage
van koudemiddel in een verblijfsruimte de MAC-waarde overschreden kan worden.
Dit artikel behandelt de basisprincipes voor het inpassen van koudwatermachines en warmtepompen in
klimaatinstallaties. Daar waar bij
voorbeelden een koudwatermachine wordt genoemd kan ook
water/water-warmtepomp worden
gelezen.
Om energie over te dragen is een
energiedrager nodig die gemakkelijk getransporteerd kan worden.
Zowel koudemiddelen als water
bezitten beide warmtetechnische
eigenschappen die vergelijkbaar
zijn in hun functie. De wijze waarop
deze eigenschappen in de verschillende vakgebieden worden benaderd maakt ze moeilijker te vergelijken. In een koeltechnische
installatie wordt het koelvermogen
of koeleffect bepaald door het
massadebiet en het enthalpieverschil in de verdamper. (Į 0 = qm *
Ǽh 0)[ kJ/s = kg/s * kJ/kg]
In een indirecte luchtkoeler is de
vermogensafgifte anders te berekenen. Doordat geen faseverandering
optreedt wordt met een constante
waarde voor specifieke warmte
inhoud gerekend waarbij met het
30
JUNI 2014 107 e JAARGANG
temperatuur verschil en de massastroom het afgegeven vermogen kan
worden bepaald. ( Į 0 = qm * c *ǼT)
[kJ/s = kg/s * kJ/kg.K * K]
houden dat het volumedebiet in
dm3/s of l/s hetzelfde is als het
massadebiet in kg/s.
Voorbeeld
Eén koudwatermachine van 151,2
kW met een centrale pomp met vast
toerental (vast massadebiet) heeft
drie gelijke vermogenstappen.
Watertemperaturen bij vol vermogen zijn 6 en 12 °C. De kleinste
verbruiker is 25,2 kW bij dezelfde
watertemperaturen. En de pomp
van de koelmachine wordt gebruikt
voor het transport naar de verbruikers. (zie figuur 1)
Uitdaging 1: Doordat de kleinste
opwekkerstap 50,4 kW groter is dan
de kleinste verbruiker namelijk 25,2
kW zal de koudwatermachine gaan
pendelen. De opwekker zal grofweg
de helft van de verbruikstijd zijn
ingeschakeld om het gewenste
koelvermogen te leveren.
Uitdaging 2: Doordat de transportpomp een vaste hoeveelheid water
blijft rondpompen zal door een
overschot aan opwekkervermogen
de aanvoerwatertemperatuur steeds
dichter bij de retourwatertemperatuur komen. Een vermogen van
In essentie betekenen beide
formules hetzelfde. Met dat verschil
dat alleen het koudemiddel in een
directe expansie situatie van fase
verandert. Daar waar dat bij water
niet gebeurt. Bij water blijft de
soortelijke energie-inhoud (c) van 1
kg tussen 0 en 100°C nagenoeg
hetzelfde. Uit de verschillen in
benadering is af te leiden dat een
zuivere koeltechnische vermogensregeling zich handelt om een
massastroom regeling (kg/s), waar
dat bij water op twee manieren
mogelijk is namelijk massastroom
en temperatuurverschil.
Het afstemmen van een koeltechnische installatie of machine op
een waterzijdige distributie met
verbruikers dient dus
op een gelijke voet te
gebeuren. Zo kunnen
beiden disciplines
tijdens de energieoverdracht tussen
koeltechniek en een
water gevuld systeem
alleen hun vermogen
regelen door dit te
doen o.b.v. massastroom (kg/s). Omdat
water ook in soortelijk
gewicht nauwelijks
varieert bij temperatuurschommelingen
wordt vaak aangeFig 1. Systeem met centrale pomp (vast toerental).
THEMA: CHILLERS
Koude & luchtbehandeling RCC
Fig 2. Systeem met centrale pomp (vast toerental) en buffervat in
retourleiding.
151,2 kW bij ǼT = 6 K bij een specifieke warmte-inhoud van 4,2 kJ/
kg.K resulteert in een massastroom
van 6 kg/s. Een vermogen van 50,2
kW bij eenzelfde massastroom van
6 kg/s resulteert in een retourtemperatuur van 8°C in plaats van 12°C
Uitdaging 3: Wanneer de opwekking na de opstartfase wel direct vol
vermogen moet leveren of wanneer
de installatie ’s nachts uit bedrijf is
geweest, zal er langdurig een groter
temperatuurverschil tussen aanvoer- en retourwater optreden
welke groter is dan ontworpen.
Hierdoor zal de machine niet met
een ongunstige COP functioneren.
Ook een storing als gevolg van
hoge druk is niet ondenkbaar.
Alle gevolgen van de voorbeeldsituatie zijn ongewenst voor zowel de
koudwatermachine (pendelen, compressorschade) maar ook voor het
functioneren van de verbruiker die
met de verkeerde temperaturen zijn
ontwerpcondities niet kan halen.
Oplossingen 1e uitdaging:
Vermogens in onbalans
Voor de eerste uitdaging behandelen wij hier twee oplossingen. Bij de
eerste oplossing wordt de waterinhoud van het systeem zodanig
vergroot, dat de koudwatermachine
daarmee zijn minimale draaitijd kan
behalen. Vergroten van de installatie gebeurd door een schakel of
buffervat in lijn met de retour van
de koudwatermachine op te nemen
Fig. 3. Systeem met buffervat als open verdeler.
(zie figuur 2). Het berekenen van de
grootte van het schakelvat gebeurd
op basis van de kleinste vermogensstap van de opwekker (of
meerdere identieke opwekkers) en
de minimale draaitijd. Een minimale draaitijd van 15 minuten is
voor de meeste koudwatermachines afdoende.
Een tweede mogelijkheid is door
meerdere koudwatermachines met
eigen pompen te plaatsen. Waarbij
ze gezamenlijk het gevraagde
vermogen opwekken. Hierdoor kan
de kleinste vermogenstrap van één
koudwatermachine uit deze cascade-opstelling lager uitkomen dan
het laagste verbruiker vermogen.
Oplossing 2e uitdaging:
Te weinig temperatuurverschil
Een cascade-opstelling van koudwatermachines kan ook worden
toegepast als oplossing voor de
tweede uitdaging mits iedere
koudwatermachine een eigen
pomp heeft.
Wanneer een cascade-opstelling
niet mogelijk is, wordt steeds vaker
het waterdebiet van de opwekker
teruggebracht waardoor het
temperatuurverschil tussen aanvoer
en retour gelijk blijft.
Het terug regelen van het waterdebiet is uiteraard begrensd door de
laagste vermogenstrap van de
koudwatermachine. Maar met
behulp van een toerengeregelde
circulatiepomp kan het tempera-
tuurverschil tussen aanvoer en
retour constant gehouden worden
op een ǼT van 6K. Om de gevolgen
van een mogelijk verschil, tussen
opwekker en verbruiker vermogen,
weg te nemen is een buffervat als
open verdeler de beste oplossing
(zie figuur 3). Voor het voeden van
de verbruikers dient dan wel nog
een extra transportpomp opgenomen te worden.
Oplossing 3e uitdaging:
Ongunstige COP voorkomen.
Deze situatie ontstaat wanneer een
koudwatermachine langdurig
ingezet wordt in een installatie
waarbij het temperatuurverschil
groter is dan waar de koelmachine
op is ontworpen. Ondanks het feit
dat de koelmachine wel afdoende
capaciteit heeft om het gevraagde
koelvermogen te leveren.
Met behulp van een regelafsluiter
wordt de temperatuur naar de
warmtepomp of koudwatermachine teruggebracht naar ontwerpcondities. Er wordt in principe een
kleine hoeveelheid koud water
gemengd met het ‘te’ warme
retourwater (zie figuur 4).
Ook voor het energiegebruik van de
machine is het beter om de ontwerpcondities zo dicht mogelijk te
benaderen. Bijvoorbeeld bij warmtepompen in wko-installaties is het
efficiënt functioneren van de
warmtepomp van groot belang voor
een gepast energiegebruik. Door de
107 e JAARGANG JUNI 2014
31
THEMA: CHILLERS
RCC Koude & luchtbehandeling
om de onbalans in
vermogens vooraf af
te stemmen.
De hiervoor beschreven oplossingen die kunnen
beschouwd worden
als de meest gebruikelijke oplossingen
die beproefd werken
voor koudwatermachines en eventueel
absorptiekoelmachiFig. 4. Systeem met buffervat en mengregeling.
nes. Deze genoemde uitdagingen
treden zelden los van elkaar op. De
diverse schema’s met schakelingen
van een water gevuld systeem, zijn
opgesteld conform de geldende
normeringen van ISSO.
Meer inzicht en kennis over het
gedrag van deze schakelingen
maakt het eenvoudiger om eerder
genoemde uitdagingen het hoofd
te bieden. Zowel bij verwarming als
koeling worden de schema’s
onderverdeeld in opwekker-,
verbruiker- en distributieschakelingen (of -modules)
Fig. 5. Systeem voor optimale COP bij wko.
warmtepomp op optimale condities
te laten functioneren, ontstaan de
ideale variabelen voor een hoge
COP. (zie figuur 5)
De praktijk vandaag de dag is dat
ook fabrikanten van koudwatermachines er voor willen zorgen dat
eerder genoemde uitdagingen al
door de koudwatermachine kunnen
worden opgevangen. Een voorbeeld
hiervan is een koudwatermachine
met ingebouwde transportpomp
die het massadebiet aanpast aan de
vermogenstap waarin de machine
draait. Dus bij een lagere vermogensafgifte zal ook een bij behorend
massadebiet aan water verplaatst
worden.
Wel blijft de kleinste vermogensafgifte van de machine van belang
32
JUNI 2014 107 e JAARGANG
Bij het samenstellen van principeschema’s zijn minimaal de onderstaande zaken van belang:
Ŕ Tussen verbruiker(s) en
opwekker(s) is altijd een distributiemoduul aanwezig.
Ŕ Een module is actief (A) of
passief (P), distributiemodules
kunnen ook nog neutraal zijn.
Ŕ Het retourtemperatuur gedrag
(stijgend of dalend bij deellast)
van de verbruiker modules is van
invloed op de keuze van verbruiker of opwekker module.
Aanvullend kan nog rekening
gehouden worden met bijvoorbeeld
het in serie schakelen van modules
of het gebruik van na-regelingen
binnen een voor-regeling. Voor nu
laten we dit buiten beschouwing
Tussen de verbruikers en opwekkers zit altijd een koppeling die de
distributiemoduul genoemd wordt.
Dit moduul kan zo eenvoudig zijn
als één aanvoer en één retourlei-
ding zonder pomp. Dan toch heet
deze samenstelling een distributiemoduul en wordt qua gedrag als
passief aangemerkt.
Passief en Actief zijn termen
waarmee wordt aangeduid of een
schakeling water kan transporteren
tussen zijn eigen aanvoer en retour
en daarbuiten. Passieve modules
kunnen dat niet en hebben van
buiten, de schakeling opvoerhoogte
van een pomp nodig om een goede
werking te garanderen.
Het samenstellen van actieve en
passieve modules is eenvoudig te
realiseren door onderstaande
voorbeelden te hanteren. Een
passieve Opwekker met een actieve
Distributie heeft ook weer Passieve
verbruikers (P + A + P,P,P)
Een actieve Opwekker met een
Passieve Distributie heeft ook
Passieve verbruikers (A + P + P,P,P)
Een Passieve Opwekker met een
Passieve Distributie kan ook werken
met Actieve verbruikers (P + P +
A,A,A)
Een bijzondere situatie ontstaat bij
het gebruiken van een actieve
opwekker met eveneens actieve
verbruikers. In die situaties dient
voor een neutrale distributie
gekozen te worden. (A + N + A,A,A)
Over de auteur
Dennis Verschoor is mede-eigenaar
van Klimaatontwerp.nl . Zij bieden
online diensten, apps en een
kennisbank voor ondersteuning bij
het ontwerpen van klimaatinstallaties.
De auteur is tevens werkzaam als
vakdocent in het volwassenenonderwijs en op projectbasis bij
opdrachtgevers. RCC K&L
Meer informatie:
Klimaatontwerp.nl
Johan de Wittstraat 33
2953 BG Alblasserdam
T: 085 – 4879944
E: [email protected]
I: www.klimaatontwerp.nl