Modulatie is de ruggengraat van een efficiënt verwarmingssysteem.
Maar wat is een modulerende ketel precies? En hoeveel rendement levert dat werkelijk op?
Die eerste vraag is gelukkig eenvoudig te beantwoorden. Wat ingewikkelder ligt, is begrijpen wat de voordelen zijn en hoe ze ontstaan.
Wat is ketelmodulatie en het modulatiebereik?
Modulatie is het vermogen van een ketel om zijn vermogen terug te regelen. Heeft u een ketel van 20 kW terwijl u het komende uur maar 10 kW warmte nodig heeft, dan zet de ketel de vlam simpelweg 50% lager. Oudere, niet-modulerende ketels deden dat anders: die gaven vijf minuten lang 20 kW en stonden daarna vijf minuten stil, keer op keer.
Daardoor draait het systeem veel koeler en zijn er veel minder start- en stopmomenten, naast een reeks andere voordelen.
Zakt de warmtevraag in de loop van de dag of het jaar onder het minimumvermogen van de ketel, dan gaat de ketel pendelen om een kleiner vermogen na te bootsen. Daarbij schiet hij afwisselend te hoog en te laag in temperatuur.
Fabrikanten drukken het modulatievermogen van een ketel meestal uit als modulatiebereik.
Dat bereik is de verhouding tussen het minimum- en het maximumvermogen. Een ketel met 30 kW maximum en 5 kW minimum krijgt dus 1 op 6. Dat is tegenwoordig gemiddeld. In het algemeen geldt: hoe ruimer het bereik, hoe beter.
U ziet datzelfde getal echter vaak terug voor een hele reeks vermogens. Kleinere ketels kunnen verhoudingsgewijs vaak minder ver terugregelen dan grote. Soms is het minimumvermogen van een kleine ketel zelfs gelijk aan het maximum.
Dat is een vrij betrouwbaar teken dat het exact dezelfde ketel is als de grotere versie, alleen in de fabriek begrensd in de software.
Neem het modulatiebereik dus met een korrel zout.
Wat levert een ketel met een ruim modulatiebereik op?
De voordelen kunnen zo eenvoudig of zo diepgaand zijn als u wilt. Dit is Heat Geek, dus het zijn er nogal wat.
Langere draaitijden en minder pendelen
Langere draaitijden helpen om twee redenen: slijtage en rendement.
Een langere draaitijd betekent dat de ketel langer aan kan blijven zonder te oververhitten. Is de warmtevraag laag, dan regelt de ketel eenvoudig terug naar wat er nodig is.
Ligt uw warmtevraag onder het minimumvermogen van de ketel, dan moet hij wel gaan pendelen. Pendelen is het steeds aan- en uitschakelen om een lager vermogen na te bootsen. Hoe groter het gat tussen de vraag en het minimumvermogen, hoe meer de ketel pendelt en hoe korter de draaitijden worden.
Bij extreme overdimensionering gaat de ketel snel pendelen. Dat kan overigens ook komen door te weinig doorstroming in het systeem of door kalkaanslag in de ketel.
Slijtage aan de ketel
Elke keer dat de ketel uitschakelt, stopt de ventilator, sluit het gasblok en stopt de pomp soms ook. Elk onderdeel in een toestel is gebouwd voor een bepaald aantal schakelingen voordat het faalt. Meer schakelen dan nodig leidt dus onvermijdelijk tot eerdere reparaties. In de techniek heet dat de gemiddelde tijd tot falen.
Dat schakelen zorgt er ook voor dat de ketel steeds opwarmt en afkoelt. Materialen zetten uit en krimpen weer, wat thermische spanning geeft op de mechanische delen, zeker op plekken waar twee verschillende materialen aan elkaar zitten.
Rendement bij deellast
Onderdelen als de warmtewisselaar en de verbrandingskamer worden zo ontworpen dat ze bij vol vermogen zoveel mogelijk warmte overdragen. Bij beide geldt dat groter beter is.
Een grotere verbrandingskamer geeft gas en zuurstof meer ruimte om gelijkmatig te mengen, wat een vollediger verbranding oplevert. Een grotere warmtewisselaar geeft de warmte meer kans om in het systeemwater terecht te komen.
Regelt de ketel terug, dan blijven die onderdelen even groot. Ze zijn op dat moment dus in feite overgedimensioneerd. Daardoor stijgt het relatieve oppervlak van de warmtewisselaar en daarmee de warmteoverdracht. De ruimere verbrandingskamer geeft bovendien lagere NOx-waarden en minder onverbrande gassen.
De grafiek hierboven van Viessmann laat goed zien hoeveel rendement modulatie oplevert, zelfs bij niet-condenserende ketels. U ziet wel dat het rendement daalt zodra het vermogen onder de 5% van het bereik komt. Waarom dat zo is, komt aan het eind van dit artikel aan bod.
De grafiek hieronder toont de winst wanneer u lage temperaturen en deellast combineert. Let op het hogere rendement bij een 40/30-systeem. Die getallen staan voor de aanvoer- en retourtemperatuur.
Op lagere temperaturen kunnen draaien
Een systeem op lage temperatuur heeft zoveel voordelen dat het een eigen artikel verdient: de voordelen van verwarmen op lage temperatuur.
Hier alvast de korte versie.
- Minder snelle corrosie in het systeem
- Minder thermische schokken voor systeem en componenten
- Beter voor het expansievat
- Minder cavitatie bij de pomp en de fittingen
- Minder geluid en geknap in het systeem
- Meer comfort door een kleiner temperatuurverschil in de kamer
- Meer comfort door een gelijkmatige warmteafgifte
- Veiliger
- Schonere lucht in huis
- Minder verlies via leidingen in onverwarmde ruimtes
- Meer comfort bij een lagere kamertemperatuur
Bij gas- en olieketels
- Het condensaat kan de warmtewisselaar schoonhouden, wat de warmteoverdracht ten goede komt
- Meer teruggewonnen latente warmte doordat de ketel meer condenseert
Bij warmtepompen
- Een betere COP
Modulatie en lage temperatuur samen
De grafieken hieronder laten het gecombineerde effect zien van ver terugregelen én lage temperaturen.
Combiketels en woningen met een lage warmtevraag
Ketels worden structureel te groot gekozen, en Nederland vormt daarop geen uitzondering. Zelfs online rekenhulpen overdrijven de benodigde warmtevraag flink. Wat het probleem verergert, is dat mensen bij vervanging kijken naar het vermogen van hun oude ketel.
Sinds die oude ketel werd geplaatst, is er in de meeste woningen kierdichting aangebracht, is er dubbel glas gekomen en is het dak geïsoleerd. Daarmee is de warmtevraag flink gedaald.
Daar komt bij dat zelfs de kleinste cv-ketels doorgaans rond de 12 kW beginnen en oplopen tot 40 kW. De meeste eengezinswoningen hebben niet meer dan zo'n 10 kW nodig bij een buitentemperatuur van -7 °C, de ontwerptemperatuur die in Nederland vaak wordt aangehouden. Is het buiten 10 °C, dan is de vraag eerder 5 kW. En het is veel vaker 10 °C dan -7 °C.
Heeft u een ketel van 30 kW en wilt u niet dat hij het grootste deel van het jaar pendelt, dan is een fatsoenlijk modulatiebereik geen luxe. Bij een appartement mag u deze getallen ongeveer halveren.
Dat aanbod van 12 tot 40 kW stamt vrijwel zeker uit de tijd vóór het huidige isolatieniveau.
Er is wel één goede reden voor een hoog vermogen: warm tapwater. Zeker in appartementen, waar vaak geen ruimte is voor een boilervat en een combiketel nodig is, wordt de ketel puur gekozen op het leveren van warm water. En dat kost veel vermogen.
Doorgaans worden daar ketels van 26 tot 30 kW gebruikt om een goed debiet te halen. Terwijl datzelfde appartement op een dag van -7 °C misschien 4 kW nodig heeft, en op een dag van 10 °C maar 2 kW. Die ketel van 30 kW, met een minimum van 6 kW, staat dus voortdurend te pendelen.
Lager elektriciteitsverbruik
In de techniek bestaat de vuistregel dat halvering van het debiet de weerstand in het systeem tot een kwart terugbrengt, en het opgenomen vermogen tot een achtste. Dat geldt zowel voor de pompen, waarvan er meerdere kunnen zijn, als voor de ventilator. Het elektriciteitsverbruik van een ketel is niet enorm, maar het illustreert het voordeel nog eens.
Minder stilstandsverliezen
Elke keer dat de ketel tijdens het pendelen uitschakelt, blijft de pomp nog even doordraaien om de warmtewisselaar af te koelen. Soms draait ook de ventilator nog na. In die tijd blaast u letterlijk warmte naar buiten zonder dat er energie aan het systeem wordt toegevoegd.
Bij het opnieuw ontsteken doet de ketel eerst een korte voorspoeling om de verbrandingsresten uit de brander te verwijderen, waarbij de pomp opnieuw energie kost.
En ook wanneer de ventilator stilstaat en alleen de pomp nadraait, meestal twee tot vijf minuten, is de warmtewisselaar nog warm. Omdat de rookgasafvoer vrijwel altijd bovenop de warmtewisselaar zit, lekt die warmte gewoon naar buiten.
Eén cyclus is kort. Maar hoe vaker ze zich voordoen, hoe groter het verlies.
De keerzijde van heel ver terugregelen
Bij een heel laag vermogen spelen twee problemen: de vlam stabiel houden en de brander koel houden.
Dat lost een fabrikant vooral op in het ontwerp van de brander. Verder terugregelen dan de brander aankan, kan door extra lucht toe te voegen. Dat verlaagt de vochtigheid van de verbranding en daarmee flink het dauwpunt. Zie daarvoor ons artikel over condenseren.
Een tweede probleem bij extreem terugregelen is laminaire stroming. Daarbij stroomt de lucht of het water zo langzaam dat er een isolerende grenslaag ontstaat die de warmteoverdracht juist remt.
Hoeveel last een ketel hiervan heeft, hangt af van het ontwerp. Viessmann ontwikkelde jaren geleden een warmtewisselaar, die nog steeds in vrijwel al hun ketels zit, met kanalen van 0,8 mm voor de verbrandingslucht. Die zijn te smal om een isolerende grenslaag te laten ontstaan.
Andere fabrikanten, zoals ATAG, gebruiken interne schotten om de turbulentie en daarmee de warmteoverdracht te vergroten.
