Satellietunits maken stap naar hernieuwbare energie stuk kleiner

OVER DE HYDRAULISCHE ASPECTEN BIJ HET ONTWERPEN VAN INSTALLATIES MET SATELLIETUNITS

De satellietunit (ook wel ‘afleverset’, ‘Heat Interface Unit’ of ‘Flat Station’) heeft de laatste jaren een enorme opmars gekend en lijkt ook in de toekomst steeds meer de standaard te worden. En hoewel het werkingsprincipe relatief eenvoudig is, kunnen we dat van de dimensionering en engineering van dergelijke installaties allerminst zeggen. Vaak gaat het daar dan ook mis. In dit artikel zoomen we in op de hydraulische aspecten die de goede werking van de installatie en het uiteindelijke energieverbruik zullen bepalen. 

Principiële werking van een satellietunit (figuur 1)

Werkingsprincipe

Satellietunits worden ingebouwd in appartementen en hebben op het eerste gezicht het uiterlijk van een wandketel, maar dan zonder gasaansluiting of schoorsteen.

Zoals geïllustreerd in figuur 1, wordt de satellietunit daarentegen gevoed met warm water vanuit een centrale stookplaats of warmtenet. Met behulp van een platenwarmtewisselaar wordt de warmte van het primaire leidingnet overgedragen op het sanitaire water om zodoende te voorzien in de productie van sanitair warm water (SWW). Voor de ruimteverwarming wordt het primaire cv-water direct doorgekoppeld naar de radiatoren of andere eindunits in het appartement. Voor de regeling van de ruimtetemperatuur wordt soms een optioneel zoneventiel voorzien dat wordt gestuurd vanuit de kamerthermostaat. In België worden bijna uitsluitend units gebruikt met een zogenaamde ‘voorrangsschakeling’, wat wil zeggen dat de SWW-productie steeds voorrang heeft op de ruimteverwarming. Het omschakelventiel sluit de ruimteverwarming daartoe af tijdens een SWW-tapping. Door de thermische massa van het gebouw kan de gewenste ruimtetemperatuur probleemloosworden aangehouden tijdens de relatief korte tappingen.

Op dit algemene basisprincipe bestaan uiteraard verschillende varianten waarbij bv. een extra warmtewisselaar wordt voorzien voor de scheiding tussen het primaire leidingnet en het secundaire radiatornet. In het geval van vloerverwarming wordt er vaak ook een mengkring geïntegreerd in de unit.

Waarom satellietunits toepassen?

Het grote voordeel van satellietunits is dat ze worden gevoed met warmte vanuit een centrale stookplaats of warmtenet waarbij duurzamere en toekomstige energiebronnen kunnen worden ingezet zoals warmtepompen, wkk, tot zelfs restwarmte en geothermie. Een individuele gaswandketel per appartement biedt deze flexibiliteit niet en hypothekeert eigenlijk de toekomst van de installatie of het gebouw. In vergelijking met de ‘traditionele’ stookplaats waarbij het SWW vanuit een centrale boiler wordt verdeeld, bestaat het leidingnet van een satellietunitsysteem slechts uit 3 leidingen in plaats van 5 (zie figuur 2). Door het beperktere aantal warme leidingen zijn de thermische distributieverliezen dan ook ongeveer de helft lager. 

Het primaire debiet van de warmtewisselaar 

De berekening van het primaire leidingnet is onlosmakelijk verbonden met de prestaties van de warmtewisselaar. Een goede kennis en begrip van de werking van een warmtewisselaar zijn dan ook primordiaal als je systemen met satellietunits ontwerpt. Hier bestaat echter nogal wat verwarring over. Zo zegt het vermogen van een warmtewisselaar eigenlijk niks als je de bijbehorende temperatuur- en debietcondities niet vermeldt. En we spreken ook niet over het ‘rendement’ van een warmtewisselaar – dat is immers altijd 100% (wat erin gaat, komt er ook weer uit) – maar wel over de ‘effectiviteit’ van de warmtewisselaar om zijn thermische prestaties te beschrijven.

Voor de berekening van het benodigde debiet aan de primaire zijde van de warmtewisselaar kan een beroep worden gedaan op de rekenvoorbeelden en rekentabellen in de technische specificaties van de handleiding van het toestel, tenminste zolang de ontwerpcondities overeenstemmen met die van de fabrikant.

Een systeem met satellietunits heeft slechts 3 toevoerleidingen (figuur 2)

Voor alle andere temperatuur- of debietcondities dien je in principe een stelsel van 3 vergelijkingen op te lossen. De vergelijkingen zouden ons hier te ver leiden, maar hierbij enkele belangrijke principes die van toepassing zijn:

• Het benodigde debiet aan de primaire zijde van de warmtewisselaar is niet gelijk aan het secundaire tapdebiet! De omrekening van het secundaire tapdebiet naar het primaire debiet is o.a. afhankelijk van de grootte van de armtewisselaar.
• De primaire aanvoertemperatuur heeft een grote invloed op het benodigde primaire debiet en dus de kost van het hele leidingnet. Hoe lager de primaire aanvoertemperatuur, hoe groter het debiet moet zijn om eenzelfde vermogen over te brengen. Een te lage primaire aanvoertemperatuur resulteert dus in een kostelijk leidingnet.
• De Δ T aan de primaire zijde van de warmtewisselaar is geen vrije keuze. De aanvoertemperatuur kan wel vrij gekozen worden, maar de retourtemperatuur en het primaire debiet zijn afhankelijk van de grootte van de warmtewisselaar en worden ‘gespijkerd’ met het genoemde stelsel van vergelijkingen. Zonder de nodige gegevens van de warmtewisselaar kan het primaire regime niet berekend worden.

Er moet steeds een voldoende temperatuurverschil zijn tussen de primaire en secundaire zijde van de warmtewisselaar voor zowel de vertrek- als de retourtemperatuur. Zonder dat temperatuurverschil zou de warmtewisselaar in theorie oneindig groot moeten zijn (zie figuur 3).

Gelijktijdigheid

Bij het berekenen van sanitaire installaties gaan we uit van een ‘gelijktijdigheid’, een statistisch principe waarbij we ervan uitgaan dat niet alle tappunten gelijktijdig in gebruik zijn. De ‘gelijktijdigheidsfactor’ kan worden berekend volgens verschillende normen en neemt af, naarmate er zich stroomafwaarts meer tappunten bevinden.

Aangezien het primaire leidingnet moet voorzien in zowel de ruimteverwarming als de SWW-productie, wordt dit gelijktijdigheidsprincipe ook doorgezet in het primaire leidingnet. Voor de berekening van het primaire ontwerpdebiet wordt ofwel het maximumdebiet van de cv- en SWW-productie genomen, ofwel hanteert men een gewogen gemiddelde van beide. Bij de laatste methode bekomt men iets grotere leidingdiameters.

Onmogelijke situaties worden door de Hysopt software onderschept (figuur 3)

Warmhoudfunctie

De warmhoudfunctie heeft als doel om quasi direct in warm tapwater te kunnen voorzien aan de tappunten, zonder lange wachttijden. Hiervoor wordt de primaire aanvoerleiding continu op temperatuur gehouden door op een thermostatisch geregelde wijze warm water uit de vertrekleiding over te storten naar de retourleiding. Deze thermostatische overstort kan worden geïnstalleerd op het einde van een strang (zie figuur 4), maar wordt vaak ook geïntegreerd in de satellietunit zelf.

in de winterperiode – wanneer veel units in cvmodus werken – moet de warmhoudfunctie typisch minder ingrijpen omdat het primaire leidingnet dan sowieso warm is. En hoewel het overstorten van warm water in de retourleiding vanuit energetisch standpunt niet echt wenselijk is, dient opgemerkt te worden dat het debiet dat ermee gepaard gaat, zeer laag is (enkel ter compensatie van thermische leidingverliezen). De impact op de algemene retourtemperatuur is dus eerder beperkt. Het is echter wel van belang dat de gewenste temperatuur van de warmhoudfunctie enkele graden (typisch 5...7 °C) lager wordt ingesteld dan de productietemperatuur in de stookplaats.

Zo niet blijft de warmhoudfunctie continu actief (de klep blijft ‘in vraag’en staat dus open), waardoor de algemene retourtemperatuur wel aanzienlijk stijgt. Het correct instellen van de warmhoudfunctie wordt in de praktijk vaak vergeten.

Warmhoudfunctie met thermostatische overstort op het einde van de strang (figuur 4)

Buffervat

Bij toepassing van satellietunits wordt er meestal een buffervat voorzien in de stookplaats. Dit buffervat heeft als doel om de vermogenspieken voor de SWW-productie op te vangen, zodat het geïnstalleerde opwekkingsvermogen beperkt kan blijven. 

Het correct instellen van de warmhoudfunctie wordt in de praktijk vaak vergeten.

Bij systemen met een klein aantal units is het vermogen voor de SWW-productie typisch veel groter dan het cv-vermogen, waardoor er relatief grote buffervaten nodig zijn. Bij een groter aantal units wordt het SWW-vermogen omwille van de dalende gelijktijdigheidsfactor weer kleiner dan het cv-vermogen en kunnen er relatief kleinere buffervaten worden gebruikt. Omdat het buffervat ontladen wordt bij zowel de cv- als de SWW-vraag, dient de regeling de buffer constant geladen te houden. Een laad- en ontlaadcyclus, zoals bij een traditionele SWW-boiler, kan hier dus niet worden toegepast.

Hydraulische balans

Over het hydraulisch balanceren van satellietunits bestaan veel misvattingen. Dat komt omdat het primaire leidingnet ook niet gebalanceerd kan worden op de traditionele manier. De gewenste ontwerpdebieten zijn immers ‘fictieve’ debieten op basis van een ‘veronderstelde’ gelijktijdigheid van de tappingen. Deze fictieve tapsituatie kan onmogelijk worden nagebootst tijdens het balanceren. Omwille van de gelijktijdigheid klopt het rekenkundige sommetje van de ontwerpdebieten in het primaire leidingnet ook niet meer. Dat maakt dat inregelafsluiters in het primaire leidingnet niet kunnen worden toegepast. Satellietunits kunnen zodoende enkel worden gebalanceerd in of net voor de satellietunit zelf. Dat kan, hetzij met behulp van een statische inregelafsluiter waarbij de voorinstellingen enkel berekend kunnen worden met software, hetzij door gebruik te maken van dynamische (drukgecompenseerde)  innregelapparatuur zoals een DPCV (Differential Pressure Control Valve) of PICV (Pressure Independant Control Valve). 

In de Hysopt software

Ontwerpen van satellietunitsystemen in de Hysopt software met fabrikantspecifieke componenten (figuur 5)

De Hysopt software is een modelgebaseerde ontwerpsoftware waarbij alle voornoemde aspecten correct worden meegenomen in de geautomatiseerde ontwerpberekeningen. Het dynamische systeemgedrag kan bovendien worden gesimuleerd om het uiteindelijke energieverbruik te voorspellen in functie van de ontwerpbeslissingen. Ook satellietunits worden ondersteund in de software, hetzij als generieke component waarbij de gebruiker de unit zelf kan specifiëren, hetzij als fabrikantspecifieke component waarbij alle parameters van de unit reeds klaarstaan voor gebruik.

Bron: Sanilec / Hysopt nv – Auteur: Roel Vandenbulcke