Hoe haalt u het maximale rendement uit een HR-ketel?
Het maximale rendement uit uw HR-ketel halen is heel eenvoudig: zet de aanvoertemperatuur lager.
Dat betekent niet dat de ketel minder energie afgeeft om de woning te verwarmen. Het betekent dat hij minder gas nodig heeft om diezelfde hoeveelheid energie af te geven. U kunt dat elke dag handmatig doen, afhankelijk van hoe koud het buiten is, maar veel eenvoudiger is een compenserende regeling die de aanvoertemperatuur automatisch voor u aanpast.
Maar hoe levert dat nu precies rendement op?
De belangrijkste reden is de extra energie die vrijkomt uit 'latente warmte', via faseovergang. Wilt u weten hoe dat precies werkt en hoe u het benut? Hier is de techniek erachter.
Dit artikel is geschreven voor gasketels, maar dezelfde principes gelden voor olieketels.
Om te beginnen is het goed om de basisfysica van verbranding te begrijpen.
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + warmte
Er is uiteraard een ontstekingsbron nodig.
Oftewel: aardgas plus twee zuurstofmoleculen geeft één koolstofdioxide, twee watermoleculen (meestal als waterdamp) en warmte.
In zijn zuiverste vorm zijn de enige bijproducten dus CO₂, H₂O en warmte. Krijgt het verbrandingsmengsel te weinig zuurstof, dan ontstaat het risico op een hoog gehalte CO (koolmonoxide), een gevaarlijk en ongewenst bijproduct. Om dat te voorkomen voegen ketels doorgaans een overmaat lucht toe aan het verbrandingsmengsel, zodat de verbranding aan de veilige kant blijft.
Dat verdunt wel de rookgassen, dus de H₂O en de CO₂, maar het maakt het verbrandingsproces veiliger.
Lucht bestaat voor 20,9% uit zuurstof, voor 78% uit stikstof en voor ongeveer 1% uit andere gassen. Omdat er maar een vijfde deel zuurstof in zit, moet de ketel vier keer zoveel niet-benodigde gassen meeverbranden, voornamelijk stikstof, om een relatief kleine overmaat zuurstof te bereiken. Daardoor daalt het aandeel CO₂ in de rookgassen fors.
Faseovergang: de sleutel
Telkens wanneer H₂O van fase verandert, van vast naar vloeibaar of naar gas, neemt het latente warmte op of staat het die af. De exacte waarden verschillen per bron en per omstandigheid, zoals de luchtdruk, maar bij atmosferische druk geldt globaal het volgende:
- Smelten: neemt 330.000 J/kg latente warmte op
- Verdampen: neemt 2.500.000 J/kg latente warmte op
- Sublimeren: neemt 2.830.000 J/kg latente warmte op
- Bevriezen: staat 330.000 J/kg latente warmte af
- Depositie: staat 2.830.000 J/kg latente warmte af
- Condenseren: staat 2.500.000 J/kg latente warmte af
Dat komt neer op een theoretisch maximum van ongeveer 0,69 kWh (694 Wh) aan energie per liter condenswater die ontstaat.
Als we condensatie in de warmtewisselaar van een ketel voor elkaar krijgen, valt daar dus veel energie terug te winnen.
Het is goed om te benoemen dat dit geen 'gratis' energie is. Deze energie zat al in het gas, maar werd tijdens de verbranding niet in warmte omgezet. Ze verdween als waterdamp door de rookgasafvoer naar buiten. Door die damp te laten condenseren vóórdat hij de ketel verlaat, winnen we die latente energie alsnog terug als warmte.
Hoe zorgen we voor zoveel mogelijk condensatie?
Condensatie treedt op wanneer vochtige lucht in aanraking komt met een koeler oppervlak. De hoogste oppervlaktetemperatuur waarbij dat nog gebeurt, heet het dauwpunt. Dat hangt af van twee dingen: druk en luchtvochtigheid. Omdat de drukverschillen in onze warmtewisselaars verwaarloosbaar zijn, blijft alleen de vochtigheid over.
We weten dat de belangrijkste rookgassen CO₂ en H₂O zijn, en dat hun concentratie alleen varieert met de overmaat lucht in het verbrandingsmengsel. Door de één te meten, weten we dus iets over de ander: hoe hoger het CO₂-gehalte, hoe hoger het H₂O-gehalte en dus de vochtigheid.
En hoe hoger die vochtigheid en dat CO₂-gehalte, hoe hoger de temperatuur waarbij condensatie nog kan optreden.
Ideaal is een retourtemperatuur die zo laag mogelijk is en in elk geval onder dat dauwpunt ligt. Krijgen we ook de aanvoertemperatuur onder dat punt, dan is het oppervlak in de warmtewisselaar waarop condensatie kan plaatsvinden zo groot mogelijk.
Er is echter een addertje onder het gras. Zodra er condensatie optreedt, daalt de vochtigheid. Daardoor daalt ook het dauwpunt en vertraagt of stopt het condenseren. Dat is precies verkeerd om, want we willen het dauwpunt juist zo hoog mogelijk houden om meer latente warmte te winnen. Stel dat we een heel lange warmtewisselaar hadden, een dauwpunt van 55 °C en overal een temperatuur van 54 °C, dan zou u denken dat we bij voldoende lengte uiteindelijk alle damp kunnen laten condenseren. In werkelijkheid daalt het dauwpunt zodra de vochtigheid iets zakt, en stopt het condenseren in theorie voor de rest van de warmtewisselaar: de lucht is dan niet langer verzadigd met H₂O.
Daarom moeten we mikken op een zo laag mogelijke retourtemperatuur, en niet op de aanvoertemperatuur, om het condenseren te maximaliseren. Dat bereiken we met modulerende ErP-pompen die een ruime delta T van 20 K tussen aanvoer en retour aanhouden. Met andere woorden: een mooi laag debiet, zodat de retour zo koel mogelijk terugkomt.
En natuurlijk zorgt een compenserende regeling ervoor dat het systeem in zijn geheel op een zo laag mogelijke temperatuur draait. Zo houden we de retourtemperatuur ruim onder het dauwpunt in plaats van er net onder, en winnen we zoveel mogelijk latente warmte terug. Hoe verder onder het dauwpunt, hoe meer condensatie, hoe meer latente warmte wordt opgenomen en hoe meer energie u bespaart.
Twee systemen kunnen dezelfde gemiddelde temperatuur hebben, bijvoorbeeld 45 °C, en dus dezelfde warmte aan de kamer afgeven. Toch condenseert het systeem met de lagere retourtemperatuur veel beter.
Onderzoek in opdracht van Viessmann, onafhankelijk uitgevoerd door de University of Salford, liet zien dat een ketel met een weersafhankelijke regeling 15% minder energie verbruikt bij een buitentemperatuur van 3 °C, 31% minder bij 8 °C en 45% minder bij 12 °C. Dat komt doordat de systeemtemperatuur lager ligt naarmate het buiten warmer is. De details van dat onderzoek zijn lastig te vinden, maar een redelijke conclusie is dat grotere radiatoren een vergelijkbaar effect hebben. De totale besparing kwam in dat onderzoek overigens uit op 15%, doordat er ook warm tapwater werd gemaakt.
Er zijn nog veel meer redenen waarom lage temperaturen rendement opleveren. Hoe groter het verschil tussen de vlamtemperatuur en de warmtewisselaar, hoe efficiënter de warmteoverdracht. Daarnaast corrodeert het systeem langzamer en gaan de componenten langer mee. Een goede weersafhankelijke regeling levert de laagst mogelijke aanvoertemperatuur en dus het meeste van deze winst.
Hoe krijgen we die aanvoertemperatuur echt laag?
Grote radiatoren.
Radiatoren worden normaal gesproken gedimensioneerd op het warmteverlies van de kamer, dus op hoe goed die geïsoleerd is, en op de grootte van de ruimte. Daar rolt een benodigd vermogen in kW uit.
Traditioneel koos men dan een radiator die dat vermogen levert bij 80 °C aanvoer en 60 °C retour, dus een gemiddelde van 70 °C. Die verouderde methode wordt nog altijd toegepast, terwijl de ketel bij die temperaturen niet eens condenseert.
Verdubbelt u in plaats daarvan de grootte van de radiator, dan levert die hetzelfde vermogen bij een veel lagere gemiddelde temperatuur. Of, nog beter: leg de grootste radiator die er bestaat, namelijk vloerverwarming.
Een andere route is beter isoleren. Daarmee maakt u uw radiator in feite te groot én verlaagt u het benodigde vermogen, wat op zichzelf al besparing oplevert.
Hoeveel rendement levert dit op?
Elke gasmonteur die zijn vak verstaat, weet dat gasverbruik op twee manieren wordt uitgedrukt: op bovenwaarde en op onderwaarde. De bovenwaarde is de volledige energie-inhoud van het gas, de onderwaarde de energie die het toestel er daadwerkelijk uit haalt. Dat onderscheid bestaat omdat oudere, niet-condenserende toestellen die condensatiewarmte niet konden benutten, omdat dat corrosie zou veroorzaken. Om van boven- naar onderwaarde te rekenen deelt men doorgaans door 1,11, wat neerkomt op zo'n 11% verlies. Bij olie is de maximale winst 6%.
We beweren niet dat u die volledige 11% kunt terugwinnen. Maar in de handleidingen van moderne condenserende ketels ziet u dat draaien op 50 °C aanvoer en 30 °C retour zo'n 8,5% meer vermogen oplevert dan draaien op 80/60. Dat staat niet alleen bij één fabrikant, maar in vrijwel elke moderne HR-ketelhandleiding.
Met een weersafhankelijke regeling zit een systeem regelmatig onder de 50 °C aanvoertemperatuur. In de mildere maanden is een winst van rond de 10% dus goed voorstelbaar.
Het komt er dus op neer dat lage temperaturen bepalend zijn voor condensatie en rendement. Een retourtemperatuur van 4 °C is uiteraard niet realistisch, maar 15 °C retour is bij een weersafhankelijke nachtverlaging zeker haalbaar.
En dat is nog niet alles
Tellen we daar het rendement van minder pendelen bij op, plus alle andere voordelen van verwarmen op lage temperatuur, dan komt het totale rendement nog hoger uit.
