Blandepotter/blanderør hvor godt fungerer de på gaskedelanlæg?

Transkript

1 Blandepotter/blanderør hvor godt fungerer de på gaskedelanlæg? Notat Februar 2015 NOTAT Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf

2 Blandepotter/blanderør hvor godt fungerer de på gaskedel anlæg? Jan de Wit og Bjørn K. Eliasen, Dansk Gasteknisk Center a/s Dansk Gasteknisk Center (DGC) har i efteråret og vinteren 2014/2015 gennemført et lille måleprogram på tre mellemstore gaskedelanlæg i kaskadeinstallation. Installationerne har alle været udstyret med såkaldte blandepotter eller blanderør. Undersøgelsens formål har været at følge funktionen af blandepotte-/blanderørsanlæg for at afklare, hvorvidt opblanding af varmt kedelfremløbsvand i kedelreturen finder sted. En sådan opblanding vil føre til ringere brændselsudnyttelse, idet kedlerne da ikke til fulde vil udnytte den ellers mulige kondensation. Ideen bag blandepotter/blanderør Blandepotter installeres mellem kedlerne og varmeanlægget, se Figur 1. Blandepotten er grundlæggende et vertikalt rør (deraf undertiden betegnelsen blanderør) med fire tilslutningsstutse, hvor der således er direkte forbindelse mellem de to kredse, blandepotten sidder imellem. Opvarmning af varmtvandsbeholder ( ladekreds ) kan være tilkoblet på enten kedel- eller varmeanlægssiden af blandepotten. Figur 1 Principskitse af gaskedelinstallation med blandepotte /3/ Blandepotter eller blanderør installeres for at sikre, at hvis der fra varmeanlægssiden optræder større temperaturforskel mellem frem- og returløbstemperatur (delta T), end kedlerne termisk kan klare, da laves opblanding af varmt fremløbsvand i returen til kedlerne så kedlerne ikke udsættes for større delta T, end de kan klare. Sådan opblanding sker, når flowet på kedelsiden (primærsiden) er større end på varmeanlægssiden (sekundærsiden), se Figur 2. Desto større flowet på kedelsiden er i forhold til flowet på anlægssiden, desto større opblanding og højere returtemperatur til kedler.

3 Figur 2 Når vandflowet på kedelsiden er større end flowet i den sekundære kreds, sker der opblanding af varmt kedelfremløbsvand i kedelreturen /3/. Denne situation bør mere være undtagelsen end reglen, idet det ved at hæve returtemperaturen til kedlerne mindsker kondensationsmuligheden og dermed energieffektiviteten for disse. Opblanding med fremløbsvand i returløbet til kedlerne er til ugunst for brændselsudnyttelsen, idet det mindsker den røggaskondensation, der ellers ville kunne finde sted. Er derimod flowet på sekundærsiden størst, vil der ske opblanding med returvand til anlægsfremløbet, der så vil få lavere temperatur end kedelfremløbet. De gaskedler, der indgår i kaskadeløsninger, er oftest gaskedler med et moderat vandindhold. Disse har typisk en maksimalt acceptabel delta T på ca grader. Det er derfor vigtigt at styre fremløbstemperaturen til varmeanlægget, så der ikke optræder større afkøling over dette. Det betyder, at korrekt og anlægsspecifik indstilling/tilpasning af varmekurven (fremløbstemperauren) er nødvendig. Styring af fremløbstemperaturen bør være udetemperatur baseret og generelt så lav fremløbstemperatur som komfortmæssigt muligt, eventuelt med kortere temperaturhævning efter nat- eller weekendsænkning. Styring og kontinuert tilpasning af flowet over blandepotten sker normalt ved omdrejningstalsregulering af pumpen i kedelkredsen. Ved eksempelvis at styre efter nogle få graders temperaturforskel mellem kedelfremløbet og temperaturen øverst i blandepotten tæt ved fremløbet mod varmeanlægget kan det sikres, at der ikke er for stort flow i kedelkredsen med deraf følgende opblanding af varmt kedelfremløb i returen, se Figur 3. Figur 3 Styring af flowet i kedelkredsen er her baseret på måling af en lille temperaturforskel øverst i blandepotten. Flowet i kedelkredsen er da lidt mindre end det aktuelle flow i varmeanlægskredsen /3/.

4 Der er i tidligere undersøgelser set eksempler på, at der i anlæg med blandepotte sker utilsigtet og betragtelig uopdaget iblanding af varmt fremløbsvand i returen; simple termometre kunne have vist dette og ført til udbedring /1/ og /2/. Projektudførelse DGC har i samarbejde med bl.a. HMN Naturgas, kedelleverandører samt installatører indledningsvis udvalgt i alt 4 forskellige anlæg med gaskedler i kaskadekobling og med blandepotte/blanderør. Disse anlæg er forskellige mht. antal kedler, alder og hvilken type bygninger, der opvarmes. Der er tale om traditionel boligopvarmning (boligblokke), plejehjem, hotel/kursuscenter. På de to af anlæggene har været temperaturfølere, der kunne tilgås via fjernovervågning. På et af anlæggene installerede DGC følere og dataopsamling og på det sidste anlæg kunne downloades data fra anlæggets CTS anlæg. For det sidste anlæg viste de senere analyser, at en vigtig temperaturmåler lige ved blandepotten ikke giver korrekt signal i forhold til hvad der skal bruges i undersøgelsen her; anlægget har derfor måtte udelades i det følgende. Måleperioden har været fra starten af november 2014 til medio januar Det betyder, at såvel perioder med relativt høj udetemperatur (ca. 10 C) som også ganske kolde perioder med nattetemperaturer ned mod 10 C er indeholdt. I Figur 4-6 er vist billeder fra de 3 anvendte installationer i tilfældig rækkefølge i forhold til præsentationerne i rapportens bilag.

5 Figur 4: Anlæg med i alt 5 kondenserende 60 kw gaskedler i kaskade opbygning og med blandepotte.

6 Figur 5: Anlæg med 2 gulvstående kondenserende gaskedler med kaskadestyring og med blandepotte.

7 Figur 6: Anlæg med 2 gulvstående kondenserende gaskedler med kaskadestyring og med blandepotte. Centralen forsyner et kursuscenter/hotel med varme.

8 Anlæggene er ret forskellige, både hvad angår antal kedler og med hensyn til forbrugsmønstrene i de tilkoblede varmeanlæg. Nogle af anlæggene har ganske stor dynamik mange gange om dagen ift. varmeefterspørgsel. Med sådan dynamik stilles der store krav til styring af indkobling af kedler, fremløbstemperaturen og de to vandflow omkring blandepotten. DGC har undersøgt de fire driftstemperaturer omkring blandepotterne over længere perioder; siden er temperaturforløb i udvalgte perioder (morgen/aften, lune og koldere perioder) analyseret nærmere. Generelt ses i lange perioder kun meget kortvarig opblanding af varmt fremløbsvand i kedelreturen på de fleste af anlæggene. Returtemperaturen til kedlerne hæves kun kortvarigt, oftest i forbindelse med stor dynamik i varmeefterspørgslen. Disse konstaterede kortvarige hævninger af returtemperaturen påvirker næppe årsvirkningsgraden for disse anlæg nævneværdigt eller målbart. For et af de tre anlæg kunne man for situationer, hvor to kedler var i drift, konstatere, at returtemperaturen til kedlerne lå ca. 4-5 C over anlægsreturen i kortere tid. For et af anlæggene var i perioder med moderat udetemperatur en utrolig god overensstemmelse mellem anlægsretur og retur temperatur til kedlerne. Men da en periode med koldt vejr satte ind, kunne der konstateres opblanding af varmt vand i kedel retur. Der kunne ligeledes i samme periode også undertiden ses væsentlig opblanding af returvand i anlægs-frem forsyningen. Begge omtalte situationer viser for stor ubalance mellem de to flow over blandepotten. Opblanding af varmt kedel fremløbsvand i kedel retur kan være initieret af, at temperatur forskel mellem kedel frem og anlægsretur på disse tidspunkter var større end 25 o C. Opblandingen var dog her så markant, at returtemperatur til kedlerne blev hævet for højt op. Eksempler på temperaturforløb omkring blandepotter og i anlæggene er gengivet i de notatets bilag. Konklusion De målinger, der er udført i denne undersøgelse, viser, at der på de undersøgte anlæg i de fleste perioder ikke i blandepotten sker væsentlig opblanding af varmt fremløbsvand i returen til kedlerne. Projektet viser, at blandepotter, korrekt installeret og styret, kan fungere på kaskadekoblede kedelinstallationer uden, i væsentlig grad, ved opblanding at hæve kedlernes returtemperatur til ugunst for energiudnyttelsen. Den opblanding der er set i disse perioder er oftest ganske kortvarig og hæver ikke returtemperaturen mere end nogle få grader. Sådan opblanding og flowmæssig ubalance ses eksempelvis i perioder, hvor der efterspørges opvarmning af varmtvandsbeholdere og til dette udbedes højere kedelfremløbstemperatur. Langt den altovervejende del af tiden er returtemperaturen til kedlerne den samme som den, der kommer fra varmeanlægget. For et enkelt anlæg kunne ses et off-set i temperatur på 4-5 C i visse situationer, hvor alle kedler var i drift. Der var tale om kortere perioder, hvor drift af begge kedler formentlig var initieret af opladning af varmtvandsbeholdere.

9 For et af anlæggene kunne i en kold periode med høj varmeanlægs fremløbstemperatur ses, at der skete opblanding til kedelretur; en opblanding der var større end nødvendigt ifald den skete for at overholde en delta T til kedlerne på grader. Ligeledes kunne ses, at der på andre tider skete markant opblanding af koldt anlægsreturvand i fremløb til anlæg. Dette er uheldigt og må skyldes en fejl i pumpestyringen for kedelskredsen. Man kan og bør (af energisparehensyn) på enkel vis holde øje med, om der sker opblanding i større omfang. Dette kan gøres ved at installere et termometer på henholdsvis den kolde anlægsreturledning umiddelbart før blandepotte og på den kolde kedelretur fra blandepotten, se nærmere i /2/. Pilot-projektets måleresultater har vist, at kaskade styring kan fungere både som sikring af kedlerne og uden unødig opblanding af varmt vand i kedel retur med korrekt pumpestyring. Projektet har dog også vist perioder hvor der for ellers velfungerende anlæg sker uhensigtsmæssig pumpestyring og opblanding. Finansiering Arbejdet med dette pilot projekt har været finansieret af gasselskabernes Fagudvalg for Gasanvendelse og Installationer (FAU GI) og Svenskt Gastekniskt Center (SGC). En række kedelleverandører og installatører har deltaget med i forbindelse med dataopsamling mv. Tak til Weishaupt, Milton Megatherm, Gasmanden samt anlægsejere og driftspersonale. Referencer /1/ Energiudnyttelse på blokvarmecentraler, Jan de Wit, DGC-rapport, november 2010 ( /2/ DGC-vejledning nr. 65: Udnyt energien optimalt på naturgasfyrede blokvarmecentraler, 2012 ( /3/ Gasanvänding i Bostader og Lokaler; SGC Gasakademin, (

10 Bilagsoversigt Bilag 1: Vejrdata for det aktuelle geografiske område Bilag 2: Eksempler på temperaturforløb; Anlæg # 1 Bilag 3: Eksempler på temperaturforløb; Anlæg # 2 Bilag 4: Eksempler på temperaturforløb; Anlæg # 3

11 Bilag 1 Vejrdata fra DMI for november og december 2014 gældende for København/Nordsjælland

12

13 Bilag 2 Eksempler på temperatur forløb omkring blandepotte for anlæg # 1 Kedelanlæg Kondenserende gaskedler i kaskadekobling; samlet effekt 300 kw. To af kedlerne står for varmtvandsforsyningen; denne kobling er foretaget med trevejs ventil før/efter blandepotte.

14 Figur Eksempler på målinger over blandepotte fra anlæg #1. Målinger fra vejrmæssigt mild periode i November Der er god balance mellem flow på kedel- og varmeanlægsside og der sker ikke opblanding.

15 Figur 24: Temperatur forløb omkring blandepotte i kold periode (22/12 31/ ). I første del af denne periode ses tidspunkter hvor anlægs fremløbstemperatur (grøn) dykker ift. kedel frem (blå). Her er flowet på varmeanlægsside da væsentligt større end på kedelside og forårsager at varmeanlæggets fremløbstemperatur dykker så markant (se figur 3 i rapportens hoveddel). Dette er uheldigt både af komforthensyn og også fordi det forventeligt yderligere vil øge flowet i varmeanlægskredsen da termostatventiler på radiatorer formentlig lukker yderligere op. Senere ses perioder hvor temperatur til kedler (rød) væsentligt overstiger returtemperatur fra anlægssiden (lilla). Dette skyldes at flow på kedelsiden nu er væsentligt højere end anlægssidens flow. Dette er uheldigt, da kedlerne da ikke vil kondensere så meget som de ellers kunne og brændselsudnyttelsen dermed reduceres.

16 Bilag 3 Eksempler på temperaturforløb omkring blandepotte for anlæg # 2 Kedelanlæg 2 kondenserende gaskedler i kaskadekobling. Varmtvandsopvarmning sker via varmtvandsbeholdere, der får vand til ladekreds/spiral efter blandepotten. Når der kaldes på varmtvand ændres setpunkts-temperatur fra kedel ifald denne, under gældende udetemperaturforhold, er for lav til varmtvandsproduktion.

17 Figur 25 Temperaturer mv. for en tidlig søndag morgen, hvor alene kedel A er i drift indtil kl. 04:30. Da starter kedel B (grå signatur for modulationsgrad), og kedel A går ned til samme ydelse (blå signatur for modulationsgrad). For perioden med en kedel i drift er anlægsreturtemperatur (brun#7) den samme, som går til kedlen (rød ca. 53 C). Da kedel B starter, får begge kedler samme returtemperatur (rød og sort) som anlægsretur, slutter ved ca. 54 C.

18 Figur 26 Her er begge kedler i drift indtil kort før kl. 08:00. Da stopper kedel B (grå modulationssignatur), og kedel A går op i ydelse (blå modulationssignatur). Anlægsreturtemperatur ligger på ca. 53 C hele perioden, og dette er også, hvad den/de igangværende kedler forsynes med (rød og sort signatur). En ubetydelig margin på ± 1 C kan ses.

19 Figur 27 Her er en kedel indledningsvist i drift. Der efterspørges mere effekt fra ca. kl. 16:10, og kedel A (blå modulations signatur) øger derfor ydelsen. Kedel B startes kort efter kl. 16:35(grå signatur); derefter går begge kedler til samme ydelse (blå og grå signaturer for kedlernes modulationsgrad). Anlægsreturtemperaturen er den brune streg og starter på ca. 46 C; dette er temperaturen, der i første periode tilgår kedel A (rød graf) og siden også kedel B (sort graf) da denne kommer i drift. Temperaturen slutter omkring 53 C.

20 Bilag 4 Eksempler på temperatur forløb omkring blandepotte for anlæg # 3 Kedelanlæg Kondenserende gaskedler i kaskadekobling; samlet effekt 340 kw. De anvendte kedler bør ved vanlig drift ikke have en temperaturforskel mellem frem- og returløb på over 22 C. De kan dog kortvarigt acceptere 25 C, før vandflowet på kedelside øges, og der opblandes fremløbsvand i returen til kedlerne over blandepotten. Varmtvandsopvarmning sker via 2 varmtvandsbeholdere, der får vand til ladekreds efter blandepotten. Der er el-tracing på varmvandsfremføring og derfor ikke cirkulationsledning tilbageført til varmvandsbeholdere. For dette anlæg ses enkelte (højlast)situationer, hvor delta T over kedlerne kan være C, og der formentlig sker tvangsopblanding af fremløbsvandet i returen på kedelsiden (øget pumpeflow i kedelkredsen) for at mindske delta T.

21 Figur 28 Data fra en rolig morgen, hvor kun en kedel (kedel A, blå modulationssignatur) er i drift. Omkring kl. 06:15 er der brug for lidt øget effekt, og kedlen modulerer op. Anlægsretur- og kedelreturtemperaturen (lysegrøn og rød linje) stemmer fint overens og ligger her på ca. 45 C.

22 Figur 29 En natlig driftssituation, hvor der fra kl. 00:22 i en kortvarig periode er to kedler i drift; siden alene kedel A, hvor der så ses en del dynamik, inklusive to kortere stop (blå kurve viser kedel A s modulation, grå kurve kedel B). I perioden, hvor kedel B starter, og der ønskes fremløbstemperaturhævning (VVB opladning) optræder en lille temperaturforskel mellem anlægsreturen (grøn kurve) omkring C) og kedelreturtemperaturerne (rød og sort kurve i samme temperaturområde) på op til ca. 3 C da kedlerne er i drift. Her når flow ikke at stabilisere sig. De perioder hvor kedlerne begge er stoppet er også kedelpumpeflow stoppet og man bør da ikke sammenholde anlæg- og kedelreturtemperatur. Hvor alene kedel A er i drift, er anlægsreturen og kedelreturen (grøn og rød kurve) i fin overensstemmelse.

23 Figur 30 Her er vist data fra en eftermiddag med stor dynamik. Der optræder tre driftsperioder med kedel B (grå kurve), ellers står kedel A for varmeforsyningen (blå kurve) med betragtelig dynamik. I perioder, hvor alene kedel A er i drift, er der god overensstemmelse mellem anlægsreturen (lysegrøn) og kedelreturtemperaturen til kedel A (rød kurve). Når kedel B startes kort inden i forløbet i forbindelse med ønske om ekstra effekt og fremløbstemperaturhævning, optræder et offset på op til 5 C mellem anlægs- og kedelreturtemperaturerne. Dette ses dog ikke 2/3 henne af tidsaksen, hvor der ikke er ønsket fremløbstemperaturhævning (VVB ladning) og kedeldriften er i bedre balance. Der kan kort efter kl. 15:30 ses et lidt større offset end angivet ovenfor. Dette kan skyldes, at kedel- og pumpestyringen korrekt griber ind for at sikre, at der ikke optræder for stort delta T over kedlerne. Fremløbstemperaturen er da omkring 75 C og anlægsreturen ca. 45 C, hvilket ellers ville give en delta T på 30 C

24 Figur 31 Her vist data fra en eftermiddag med stor dynamik. Der optræder tre driftsperioder med kedel B (grå kurve), ellers står kedel A for varmeforsyningen (blå kurve) med betragtelig dynamik. I perioder, hvor alene kedel A er i drift, er der god overensstemmelse mellem anlægsreturen (lysegrøn) og kedelreturtemperaturen til kedel A (rød kurve). Da kedel B startes kort inde i grafens periode grundet ønske om ekstra effekt og fremløbstemperaturhævning, optræder et offset på typisk 5 C. mellem anlægs- og kedelreturtemperaturerne (rød og sort). Dette offset ses dog ikke, hvor begge kedler er i drift kl. 15:55 til 16:05 (ca 2/3 henne af kurven) hvor der ikke er anmodet om fremløbstemperaturhævning (VVB opladning).