HOE WARMTE-KRACHTKOPPELING TOEPASSEN IN RESIDENTIELE PROJECTEN?

Deel 2: van dimensionering tot onderhoud

Woningen en gebouwen kunnen vandaag op tal van manieren verwarmd worden. Een van de huidige oplossingen is warmte-krachtkoppeling of wkk (in residentiële projecten: micro-wkk), een technologie die niet alleen bijdraagt tot het verduurzamen van onze verwarming, maar tevens de efficiëntie van de elektriciteitsproductie opdrijft. En toch klinkt wkk bij slechts weinig installateurs bekend in de oren. In deze artikelreeks maken we daarom nader kennis met de technologie en de belangrijkste overwegingen bij het kiezen, ontwerpen en plaatsen van een wkk-installatie voor residentiële (of kleinschalige) toepassingen.

BASISWARMTEVRAAG BEPAALT DIMENSIONERING

Het startpunt van ieder wkk-project is de warmtevraag. Vooraleer aan het wkk-project zelf te denken, moet men deze zeer goed analyseren en omschrijven. Daarbij zal men eerst ook alle maatregelen in ogenschouw moeten nemen die de warmtevraag kunnen beïnvloeden. Voor ruimteverwarming gaat het onder andere om isolatiemaatregelen die de warmtevraag kunnen reduceren, of het gebruik van zonnecollectoren of warmterecuperatie, waarmee een deel van die vraag gedekt kan worden.

Meer dan enkel piekwarmtevraag

Zeer specifiek aan een wkk-project is echter dat niet alleen de maximale warmtevraag gekend moet zijn (zoals dat bijvoorbeeld bij de installatie van een ketel het geval is), maar dat men ook inzicht moet hebben in het tijdsverloop ervan over een dag, een week, een jaar. De rendabiliteit van een wkk hangt immers af van het aantal vollastdraaiuren. Hoe hoger dat ligt, hoe beter. Een wkk moet met andere woorden zodanig gedimensioneerd worden dat ze voldoende uren zal draaien, en dat bij voorkeur op vollast.

Hoe men al die informatie dan precies verzamelt? Voor een nieuw project kan onder andere worden gebruikgemaakt van warmtevraagsimulaties, die bijvoorbeeld door een studiebureau worden opgesteld. Voor bestaande projecten zijn vooral de gekende warmteverbruiken (facturen of meteropnames) van belang.

Vollastdraaiuren optimaliseren

De basiswarmtevraag – en niet het piekvermogen – vormt dus de referentie voor het bepalen van het vermogen. Deze basiswarmtevraag kan eventueel worden uitgebreid met behulp van een thermische buffer, die periodes van een lage warmtevraag helpt overbruggen en het aantal vollastdraaiuren verder optimaliseert. Verder wordt een wkk steeds geplaatst in combinatie met een ketel, die de piekvraag kan dekken.

Een andere manier om het aantal vollastdraaiuren te optimaliseren, is door het vermogen op te delen. Zo kan men twee wkk-motoren installeren met elk een vermogen van 39 kWth, in plaats van één van 81 kWth (zie ook kaderstuk Het vermogen van een wkk). In periodes van hoge warmtevraag (wintermaanden) zullen dan beide motoren in gebruik zijn, terwijl in periodes met een lage vraag (zomermaanden) slechts een van de twee actief moet zijn. Deze aanpak heeft ook een positieve impact op de onderhoudsintervallen.

Andere invloedsfactoren

Soms zijn er ook externe factoren doorslaggevend voor de keuze van een kleiner vermogen. Zo is het bijvoorbeeld niet uitgesloten dat de stookplaats (of de toegang daartoe) simpelweg te klein is voor een wkk met groot (of groter) vermogen.

Anderzijds is het ook van belang om het lokale elektriciteitsverbruik goed te kennen, daar de financiële rendabiliteit verbetert naarmate het aandeel lokaal verbruikte elektriciteit toeneemt.

Correct gedimensioneerd?

Wanneer men het vermogen van de wkk dimensioneert op de (basis)warmtevraag, zal deze ruim voldoende draaiuren halen en naast een korte terugverdientijd ook een belangrijke milieuwinst genereren.

Een niet-correcte dimensionering, daarentegen, heeft verstrekkende gevolgen. Bij een hydraulische overdimensionering zal de installatie niet voldoende uren draaien, wat bij wkk's > 10 kWe tevens een negatieve impact heeft op het aantal wkk-certificaten dat de eigenaar kan verkrijgen. Een elektrische overdimensionering leidt dan weer tot een lagere financiële rendabiliteit, omdat de elektriciteit niet lokaal gevaloriseerd kan worden.

WELKE OPSTELLING?

Wat de hydraulische inkoppeling van de wkk in de verwarmingsinstallatie betreft, zijn er verschillende mogelijkheden. Onder andere de vermogens van de wkk en andere warmte-opwekkers zijn daarvoor bepalend.

Hieronder worden verschillende voorbeelden besproken. Best volgt men het advies van de (ketel- en) wkk-fabrikant.

Parallel

In deze opstelling (Figuur 1) staat de wkk in parallel met de secundaire warmtebron, in dit geval twee ketels. Om geen interferentie te hebben van de debieten en temperaturen in de hoofdkring, is de wkk hydraulisch ontkoppeld via een buffervat.

Een typisch pijnpunt bij deze opstelling is de regeling tussen de wkk en de ketels. In principe zouden de ketels pas mogen bijspringen wanneer de buffer volledig leeg is. Met andere woorden, wanneer de temperatuur aan de uitgang van de buffer gelijk is aan deze van de retour van de centrale verwarming. In de praktijk, echter, bestaat de kans dat de ketels te snel zullen bijspringen.

Als het vermogen van de ketels vele malen groter is dan het vermogen van de wkk, loopt men het risico dat van zodra de ketels bijspringen er ook meteen voldoende energie opgewekt wordt voor het volledige cv-systeem. Indien er daarbij geen controle is op het debiet in de primaire kring van de evenwichtsfles, kan hierdoor de retour naar de warmte-opwekkers opgewarmd worden, waardoor de wkk minder zal opstarten.

Hoewel een parallelopstelling in theorie de meest efficiënte combinatie kan zijn, wordt ze omwille van deze moeilijke regeling dus slechts weinig toegepast. Een mogelijke variant is evenwel om de retour naar het buffervat van de wkk rechtstreeks op de retour van het cv-systeem - de secundaire kring van de evenwichtsfles - aan te sluiten. Dat moet er in principe voor zorgen dat het buffervat altijd door de retour afgekoeld wordt.

Serie

In een serie-opstelling (Figuur 2) staat de wkk in serie met de secundaire warmtebronnen, opnieuw via een buffervat, en warmt de wkk de retour van de ketels op.

Het nadeel van deze opstelling is dat condenserende ketels minder in condensatiemodus zullen kunnen werken. Daarnaast moet de warmte van de wkk altijd eerst door de ketels – ook wanneer zij niet werken – wat bijkomende verliezen oplevert.

Is het thermisch vermogen van de wkk veel kleiner dan dat van de ketels, dan is dit vanwege de eenvoud van de configuratie in ieder geval wel een prima oplossing.

Serie met bypass

Deze opstelling (Figuur 3) is bijna hetzelfde als de gewone serie-opstelling, maar er werd een bypass toegevoegd.

De bypass zal inschakelen van zodra de wkk de volledige energievraag kan dekken. Op die manier moet het debiet niet meer langsheen de ketels passeren, en zijn er lagere druk- en warmteverliezen.

CONCRETE AANDACHTSPUNTEN

Zonder warmtevraag stopt de wkk

Een wkk die geen warmte meer kan afgeven zal stilvallen. Een interne verbrandingsmotor zal zichzelf bijvoorbeeld niet meer kunnen koelen en dus genoodzaakt zijn om uit te schakelen. Het kan zijn dat dit gebeurt op dagen met minieme warmtevraag wanneer de buffer al vol is. Het is daarom belangrijk een wkk nooit te groot te dimensioneren en om een voldoende groot buffervat te installeren.

Bij een te hoge retourtemperatuur stopt de wkk

Om dezelfde reden als een gebrek aan warmtevraag zal ook een te hoge retourtemperatuur ertoe leiden dat de wkk stilvalt. Het is daarom van belang dat het afgiftesysteem correct ontworpen wordt. Ook voldoende afname van warmte, een correcte regeling en een goed gedimensioneerde buffer zijn belangrijk.

Efficiëntie stijgt bij lagere retourtemperatuur

Een lage retourtemperatuur van het afgiftesysteem kan een positief effect hebben op de efficiëntie van de wkk (met condensor). Kies daarom de wkk niet te groot: dan is er voldoende afname en dus een voldoende daling in retourtemperatuur.

Een lage retourtemperatuur laat overigens ook toe om condenserende wkk-installaties te gebruiken. Zo wordt maximaal warmte onttrokken uit de rookgassen en stijgt de efficiëntie.

Zorg voor een correcte samenwerking tussen wkk en piekketel

De wkk moet, zoals reeds aangehaald, zo veel mogelijk in vollast kunnen draaien. Zo bespaart de klant het meeste energie en produceert hij het meeste elektriciteit.

Het gevaar bij wkk-installaties is echter dat de piekketel, wanneer deze opspringt, de wkk wegdrukt zodat deze niet meer in vollast kan werken of zelfs uitvalt. Dat kan verschillende oorzaken hebben: de ketel neemt debiet af van de wkk of de ketel zorgt voor een retourtemperatuur hoger dan de maximale retourtemperatuur van de wkk. Het is daarom essentieel dat de installatie zodanig ontworpen en gestuurd wordt dat dit niet gebeurt.

Een wkk-installatie omvat zowel hydraulische als elektrische aspecten

De meeste HVAC-installateurs hebben ook een basiskennis in verband met elektriciteit en aangezien de elektrische handelingen bij een micro-wkk beperkt en vrij eenvoudig zijn, kan en mag de HVAC-installateur de elektrische inkoppeling ook zelf doen.

De installatie dient uiteraard wel nog elektrisch gekeurd worden.

ONDERHOUD

Voor het behoud van een goed thermisch en elektrisch rendement en om een lange levensduur te garanderen is regelmatig onderhoud aan de toestellen vereist.

Hoe frequent er een onderhoud moet plaatsvinden hangt af van de technologie. In geval van brandstofcellen en stirlingmotoren is het mogelijk dat deze hetzelfde onderhoudsinterval hebben als de standaard ketel en kan het onderhoud tezamen uitgevoerd worden.

Wkk's op basis van motortechnologie hebben een onderhoudsinterval dat sterk kan variëren naargelang van het type motor. Meestal ligt dit onderhoudsinterval tussen de 1.500 en 5.000 uren. Het onderhoud kan best gebeuren door de constructeur of door gespecialiseerde firma's. 

Met dank aan COGEN Vlaanderen, De Rouck Energie, Elugie, E. Van Wingen, Remeha en Viessmann

Lees hier deel 1 van de reeks