Is bevriezing een probleem? Koude laden met luchtbehandeling - door ir. H.J. Broekhuizen* V anwege de diverse voordelen van het laden van koude met de luchtbehandelingskast en de onduidelijkheid over de oorzaken van bevriezing, is een project opgestart om dit nader te onderzoeken. Hierbij is gekozen voor een benadering vanuit de theorie, onderbouwd met metingen in de praktijk. Dit project is een onderdeel van het NOVEM-project “Verhoging Prime Energy Rate energieopslagsystemen”. Het project beoogt vuistregels te geven voor robuustere en goedkopere systemen met energieopslag. SITUATIESCHETS Bij energieopslagsystemen kan er op verschillende manieren koude worden ingebracht in de bodem. Dit kan met een warmtepomp, een koeltoren, een droge koeler of met een warmtewisselaar in het luchtbehandelingsysteem. Bij het laden van koude met een warmtewisselaar in de luchtbehandelingskast wordt de koel/laadbatterij “+/-” (lucht/ water warmtewisselaar) als eerste element in de buitenluchtstroom geplaatst (zie figuur 1). Omdat in dit systeem water (zonder 16 vriespunt verlagende toevoegingen) als koudetransportmiddel wordt toegepast kan, bij buitentemperaturen lager dan het vriespunt van water, de warmtewisselaar invriezen. Met dit ontwerp kan in combinatie met een warmtewiel de lucht in de winter zonder naverwarming met 18-19 °C worden ingeblazen. Een cv-aansluiting en een naverwarmer zijn dan overbodig. Vanwege het gevaar van bevriezing wordt een dergelijk ontwerp door diverse marktpartijen als gevaarlijk of minder robuust beschouwd. Het systeem wordt daarom niet toegepast of er worden diverse maatregelen genomen om bevriezing te voorkomen. In 1992 is het eerste systeem “koude laden met luchtbehandeling” in bedrijf genomen bij het Groene Hart Ziekenhuis in Gouda. De schrijver van dit artikel was hier destijds bij betrokken. Het systeem functioneert tot op heden probleemloos. Robert Philippi heeft als student van de TU/e indertijd onderzoek en metingen verricht aan het fenomeen koude laden met luchtbehandeling [4]. Als vervolg hierop zijn warmtewisselaars in koudeopslag-uitKOUDEOPSLAG Ir. H.J. Broekhuizen Bij energieopslag in de bodem kan in de winter koude worden geladen met een luchtbehandelingskast. Hierbij wordt een luchtwater warmtewisselaar als eerste element in de buitenlucht geplaatst en wordt het water afgekoeld aan de koude buitenlucht. Dit koude laden geschiedt rond een temperatuur van 6 °C. Bij lage buitentemperaturen bestaat dan het gevaar van bevriezen. Al bij de eerste systemen met energieopslag is dit als probleem onderkend en is hiernaar onderzoek gedaan (DWA, Kropman, TU/e, 1993/ 1994) in opdracht van NOVEM. Dit heeft geresulteerd in een aantal ontwerpregels en aanpassingen voor de toe te passen wisselaars. voering ontwikkeld en wordt de zogenaamde “thermoguard inrichting” toegepast. In een warmtewisselaar voor koudeopslag-uitvoering zijn watercircuits zo geschakeld dat er tussen de circuits geen grote verschillen in water uittredetemperatuur optreden. Verder is de wisselaar uitgerust met een thermoguard-inrichting, die ervoor zorgt dat bij bevriezing de warmtewisselaar niet kapot gaat. In de jaren daarop zijn meerdere luchtbehandelingssystemen met koude laden gerealiseerd. Bij een aantal systemen is toch nog bevriezing opgetreden. Dit is ook de reden dat diverse marktpartijen sceptisch zijn geworden over deze aanpak. Hierna wordt beschreven wat de redenen van bevriezing kunnen zijn geweest. BESCHRIJVING VAN DE BEVRIEZINGSPROBLEMATIEK In figuur 2 is de opbouw van een water/lucht warmtewisselaar weergegeven. Een water/lucht warmtewisselaar bestaat uit lamellen die over pijpen zijn geschoven. Door de pijpen stroomt water en langs de lamellen buitenlucht. De hartafstand tussen de lamellen is * Installect Advies Koude laden met een luchtbehandelingskast. Weergave water/lucht warmtewisselaar. - FIGUUR 1 - - FIGUUR 2 - over het algemeen 2,5 millimeter. Het aanstroomoppervlak wordt onder gebruikelijke condities zo gekozen dat de luchtsnelheid ongeveer 2,5 meter per seconde bedraagt. Een standaard wisselaar die veel wordt toegepast, heeft de aanduiding P40-16. Dit betekent dat de pijpdiameter 16,5 millimeter is en de pijpafstand 40 millimeter. De warmte-uitwisseling tussen lucht en bv. een metalen oppervlak is bij gebruikelijke snelheden in de luchtbehandeling aan de luchtzijde vele malen kleiner dan die van de warmteoverdracht van water naar eenzelfde oppervlak. Om deze reden wordt aan de luchtzijde het oppervlak in de vorm van lamellen vergroot. Het bevriezen van een lamellenblok begint op het rechte gedeelte van de pijpen; dit gedeelte wordt doorstroomd met koude lucht. Op dit gedeelte zal de bevriezing dan ook beginnen. De bochten buiten de luchtstroom bevriezen niet direct. Door het uitzetten van het ijs ontstaat er bij bevriezing grote druk op de bochten. Deze bochten bezwijken dan in de regel bij het invriezen van een batterij, indien deze niet met een thermoguard is uitgevoerd. Door leveranciers worden vuistregels gegeven om bevriezing tijdens het koude laden te voorkomen. De volgende regels worden gehanteerd: - de watersnelheid dient bij temperaturen onder nul > 1 m/s te zijn; - de temperatuur lucht in + watertemperatuur uit > 0 °C. Batterijen in combinatie met een energieopslagsysteem op basis van een bron, zijn met meer rijen uitgevoerd dan een batterij in combinatie met een koelmachine, omdat ze als koeler werken met een hogere watertemperatuur. Dit betekent dat watercircuits door dergelijke batterijen relatief lang zijn. Met de voorwaarde van de snelheid, leidt dit tot een relatief hoge drukval. Aan de tweede voorwaarde kan bij een gewenste laadtemperatuur van 6 °C worden voldaan tot een buitenluchttemperatuur van – 6 °C. Conform deze regel dien je bij lagere buitentemperaturen te werken met een hogere wateruittredetemperatuur. Het voorgaande levert dus beperkingen voor de bedrijfsvoering. De vuistregels worden niet onderbouwd. Mede om deze reden heeft Installect een onderzoek gestart om de werkelijke randvoorwaarden nader te bepalen. TVVL magazine 12/2004 THEORETISCHE BENADERING Een mogelijk effect dat bevriezing mede kan veroorzaken, is de overgang van turbulente stroming naar laminaire stroming. Dit effect kan optreden bij verlaging van de watersnelheid. Vanwege de hogere warmteoverdracht is turbulentie gewenst en heeft het bijkomende voordeel dat het “beschermt” tegen bevriezen, doordat de temperatuur aan de wand weinig verschilt met die van de bulkstroming, zodat de gemeten uittredetemperatuur nagenoeg dezelfde temperatuur in de circuits is. Bij laminaire stroming is er een soort gelaagdheid in de stroming, waardoor de temperatuur aan de wand veel lager kan zijn dan in het hart van de stroming, waardoor er makkelijker bevriezing kan optreden. Er is geen vast omslagpunt definieerbaar, maar er kan wel een onderwaarde worden berekend, waarbij de kans klein is dat er laminaire stroming is. De omslag van laminair naar turbulent ligt voor gladde buizen bij Reynolds getallen tussen 2500 en 4000. Re = ρ v D η = = = = ρ⋅v⋅D η dichtheid snelheid diameter dynamische viscositeit 17 De dichtheid van water bij 0 °C is 999.8 kg/m3 en bij 20 °C 998.2 kg/m3, een verschil van minder dan 0.2 % dus verwaarloosbaar klein. De invloed van de temperatuur op de dynamische viscositeit is van grotere invloed. De dynamische viscositeit mag constant worden verondersteld, omdat er relatief kleine temperatuur- verschillen optreden. ρ10°C = 999,7 kg/m3 η10°C = 1,297 . 10-3 kg/ms D = 15,7 . 10-3 m Re = 999, 7 ⋅ 0, 0157 ⋅ v ≈ 12 ⋅ 1 0, 001297 Met deze formule kan nu een onderwaarde voor de watersnelheid worden bepaald waarbij de stroming nog turbulent is. Re afhankelijk van v -FIGUUR 3- 12.103 . v ≥ 4000 v ≥ 0,33 m/s Watersnelheden lager dan 0,33 m/s kunnen daarom beter worden vermeden. Tevens kan worden gesteld, dat de vuistregel snelheid van > 1 m/s niet gerelateerd is aan een mogelijke overgang van laminair naar turbulent. Benadering theoretische grens van bevriezing Naar verwachting zal bevriezing gaan optreden als de pijpwand een temperatuur gaat aannemen van 0 °C of lager. Met de volgende formule wordt de minimale wateruittredetemperatuur berekend, waarbij de pijpwand temperatuur 0 °C is, ofwel geen bevriezing optreedt. Tw = Tw Tl vl vw = = = = −Tl ⋅ ( 678 + 139 ⋅ vl ) 4240 ⋅ vw 0 , 8 wateruit luchtin luchtsnelheid watersnelheid (°C) (°C) (m/s) (m/s) (Zie het hoofdstuk 3 in het afstudeerverslag van Ruben Hes [2]voor een afleiding van deze formule.) De wateruittredetemperatuur wordt geregeld door de waterstroom te sturen. Bij lagere luchttemperaturen zal de 18 Minimale Tw afhankelijk van lw. - FIGUUR 4 - watersnelheid toenemen en zo het gevaar van bevriezing worden tegengewerkt. In de grafiek is goed te zien dat een verhoging van de luchtsnelheid minder invloed heeft op het gevaar van bevriezing dan de watersnelheid. Op basis van deze benadering blijkt dat de vuistregels die worden gehanteerd aan de veilige kant zijn. PRAKTISCHE BENADERING Praktijkproef bevriezing In de literatuur is het gedrag van stromend water, bij een buistemperatuur onder 0 °C, niet omschreven. Dit is de reden dat er een proef is opgezet, om KOUDEOPSLAG de grenzen van het gevaar van bevriezing te verkennen. Bij de proef wordt geprobeerd een koperen pijp, zoals verwerkt in een warmtewisselaar, te laten dichtvriezen. De proefopstelling bevat de volgende onderdelen: 1. voorraadvat met ± 5 liter water, aan de bovenkant open; 2. centrifugaalpomp, een cv-pomp; 3. afsluiter, na de koperen buis; 4. stromingsmeter; 5. temperatuuropnemer na de koperen buis; 6. temperatuuropnemer voor de koperen buis; 7. koperen leiding, ± 30 cm. te bepalen, omdat het afnemen van de stroming tijdens het eerste invriezen niet waarneembaar is. Conclusie Het is mogelijk om stromend water in een leiding te bevriezen, maar door het isolerende effect van ijs gebeurt dit pas bij extreem lage temperaturen. Een warmtewisselaar kan blijven functioneren bij een buiswandtemperatuur onder de 0 °C. Praktijkproef met koudeopslagelement Bij het kantoor van Installect in Baak is een luchtbehandelingskast in een vorstperiode getest op bevriezing. In onderstaande grafiek 7 is het resultaat weergegeven. Deze proef laat zien dat bij een wateruittrede van 1 °C bij buitentemperatuur van –7 °C er nog steeds geen bevriezing optreedt. Proefopstelling. - FIGUUR 5 - CONCLUSIES BEVRIEZEN VAN EEN WARMTEWISSELAAR Het onderzoek heeft aangetoond, dat gehanteerde vuistregels om bevriezing tegen te gaan, aan de ruime kant zijn. Uit de theoretische beschouwingen blijkt dat bij buitentemperatuur van -10 °C , een watersnelheid van 1 m/s en een luchtsnelheid van 2,5 m/s er bij een wateruittrede van 3 °C nog niet tot bevriezing leidt. Bij idem condities en een watersnelheid van 0,5 m/s kan nog met een 5 °C geladen worden. De praktijkproeven geven aan dat deze temperaturen nog lager kunnen zijn zonder dat bevriezing optreedt. Meetresultaten proef tot bevriezing. - FIGUUR 6 - De volgende zaken worden gemeten: - temperatuur uittrede van het water; - temperatuur intrede van het water; - stroming. 1 2 3 4 Afwijkende diameter met praktijk: - buisdiameter uitwendig = 15 mm - buiswand dikte = 1 mm - buisbinnendiameter = 15 – 2 = 13 mm - in de praktijk hebben we een binnendiameter van 15,7 mm Door water langzaam af te koelen en de stromingsmeter in de gaten te houden, kan het moment van dichtvriezen worden vastgesteld. In figuur 6 zijn meetresultaten weergegeven. v = Φ s / 1000 / 60 = = s ⋅ 0,145 m/s A π ⋅ ( 0, 0121 / 2 )2 s v = stroming [l/min] = snelheid 0,15 m/s 0,3 m/s 0,45 m/s 0,6 m/s De temperatuur van de pijpwand is tijdens de proef tot ver onder 0 °C gebracht. In de praktijk zal dit niet voorkomen, omdat de watersnelheid en temperatuur hoger liggen. Het punt waarop de eerste invriezing optreedt, was met deze opstelling niet TVVL magazine 12/2004 OORZAKEN VAN BEVRIEZING Dat het in praktijk wel eens mis gaat, kan verschillende redenen hebben: Ontwerp op niet realistische temperaturen Bij het laden van koude wordt water uit de warme voorraad verpompt en afgekoeld aan de buitenlucht. In diverse ontwerpen wordt hierbij uitgegaan van een aanvoertemperatuur van 14-18 °C vanuit de warme bron. Deze waarden volgen veelal uit een theoretische benadering vanuit de koelsituatie, waarbij in hoog zomer wordt gewerkt met een retourtemperatuur bij het koelen van 18-21 °C. In de praktijk zullen deze temperaturen 19 regelen en te bewaken op uittredetemperatuur van het water en geen vorstthermostaat toe te passen; - soms wordt warmte-injectie toegepast om bevriezing te voorkomen. Bij plaatsing van de warmte-injectie te ver van het blok, kan de looptijd te lang zijn en kan een blok alsnog invriezen. Bij injectie direct bij het blok kan het ook fout gaan, als er te snel wordt gereageerd. Bij te veel en te snel verwarmen loopt de stroming sterk terug en kan door de verlaging van de snelheid het blok toch nog invriezen. Praktijkproef - FIGUUR 7 - bijna nooit voorkomen. Het grootste deel van de tijd draait een koelinstallatie in deellast en is de retourtemperatuur lager dan bij extreem warme omstandigheden. Tevens dient rekening te worden gehouden met warmteverliezen tijdens opslag. Om deze redenen is het verstandig de wintersituatie te ontwerpen op nagenoeg de natuurlijke bodemtemperatuur. Installect ontwerpt warmtewisselaars om voornoemde redenen, op 12-6 °C of 12-5 °C bij –10 °C buitentemperatuur. Om na te gaan wat er gebeurt, als wordt uitgegaan van een te hoge temperatuur en de vuistregel van 1 m/s hierbij worden gehanteerd, het volgende voorbeeld: Een installatie wordt ontworpen op 18-6 °C voor de wintersituatie. Hierbij wordt conform de vuistregels 1 m/s snelheid in de wisselaar gehanteerd. Als het in de praktijk dan geen 18 °C maar slechts 12 °C is, wordt de wateruittrede (conform selectieprogramma FACO) ~ 2,5 °C! Deze temperatuur zou omhoog kunnen worden gebracht door het water met een hogere snelheid over de batterij te sturen. Het systeem is hierop echter niet uitgelegd en bij toename van de watersnelheid neemt de drukval exponentieel toe. Bij een ontwerp op 12-6 °C bij een 20 snelheid van 1 m/s bij –10 °C, zal bij hogere watertemperaturen de flow en dus de snelheid teruglopen. De wateruittrede kan echter nog steeds op 6 °C uittredetemperatuur worden geregeld. Conform onze beschouwingen hiervoor is er dan zeker geen gevaar voor bevriezing. Fouten en onvolkomenheden in de regeltechniek De volgende voorbeelden zijn mogelijke oorzaken, die in de praktijk ook zijn geconstateerd: - bevriezing kan optreden als eerst de ventilator van een luchtbehandelingskast wordt aangezet en er vervolgens of gelijktijdig waterstroming over de wisselaar wordt gegeven. Als er niet op tijd voldoende waterstroming over de wisselaar is, zal deze kunnen invriezen. Om dit te voorkomen dient daarom voorafgaand aan opstart van de LBK, waterstroming over de wisselaar te worden gegeven; - bij luchtbehandeling met tweetoeren ventilatoren kan bevriezing optreden als bij lage buitentemperaturen van laag naar hoog wordt geschakeld en niet vooraf de waterstroming over het blok wordt verhoogd; - het toepassen van een traditionele vorstthermostaat werkt niet goed bij laden met een luchtbehandelingsinstallatie. De vorstbewaking komt te vroeg in. Beter is het bij laden te KOUDEOPSLAG Fouten bij bediening of service - In de praktijk blijkt dat ook vaak door ondeskundige bediening, bevriezing kan optreden. Zo kan bevriezing optreden als installaties of delen van installatie “op handbediening” aan of uit zijn gezet. - Een ander voorbeeld is het niet goed ontluchten van een installatie. Als er lucht in de installatie zit en dit komt ook in de warmtewisselaar, dan zal deze niet goed doorstromen en kan de batterij invriezen. - Een bevroren installatie met thermoguard dient eerst goed te worden ontdooid, voordat deze weer in bedrijf wordt genomen. Als dit te vroeg gebeurt en er nog bochten bevroren blijven, hebben hieraan gekoppeld pijpen geen mogelijkheid meer om bij bevriezing tot drukontlasting te komen. Praktijkervaringen met koude laden met luchtbehandeling Installect heeft de afgelopen vijf jaar meer dan 50 bronsystemen ontworpen, waarbij koude werd geladen met luchtbehandelingskasten. Bij deze systemen is diverse keren bevriezing opgetreden. Dit gebeurde veelal niet tijdens continue bedrijfsvoering. De oorzaak was veelal gelegen in niet goed ontluchten of in fouten bij bediening en service of fouten in de regeltechniek. CONCLUSIES VAN HET ONDERZOEK - Bevriezing van lucht/water warmtewisselaars waarmee koude wordt geladen, gebeurt minder gauw dan de gehanteerde vuistregels doen vermoeden. De kritische laadtemperatuur is afhankelijk van de gehanteerde snelheden. Bij een watersnelheid van 1 m/s is een laadtemperatuur van 4 °C zeker geen probleem. - Dit betekent dat het gewenste brondebiet sterk kan worden gereduceerd. Een mutatie van 12-6 °C naar 12-4 °C leidt tot een reductie van ± 30 % van de stroming. Als de wintersituatie bepalend is voor het gewenste debiet van een bronsysteem dan ligt hier een potentiële besparingsmogelijkheid door lagere laadtemperaturen toe te staan. - De bevriezing wordt veelal veroorzaakt door onjuiste uitgangspunten in het ontwerp en door bedieningsfouten. - Vooral vanwege de kans op bedieningsfouten is het raadzaam een beveiliging tegen bevriezing in de vorm van een “thermoguard” toe te passen. De kosten van een thermoguard wegen niet op tegen gevolgschade van bevriezing en het ongemak. Het is wel zaak een bevroren batterij na bevriezing eerst goed te ontdooien voordat deze weer in bedrijf wordt genomen. LITERATUUR 1. Broekhuizen H.J. , Hes R.J. “Verhogen Prime Energy Rate bij energieopslag”, NOVEM rapport nr. 2020-01-12-16-002, Baak maart 2003 2. Hes R.J., “Vorstproblemen bij Luchtbehandeling”, Saxion Hogeschool Enschede sept. 2002. 3. DWA, Kropman, TU/e, “Vorstbeveiliging bij koudeopslag met luchtbehandelingsbatterijen” , juli 1994. 4. Philippi R.J. “Distribution phenomena in compact heat exchangers for cold storage”, Rapport WOC.WF.93.60, TU/e, 1993. 5. Energieopslag in Aquifers, NOVEM 2001 (via www.novem.nl ) 6. www.energieopslag-in-de-bodem.nl Berichten AUTOMATISCH BERICHTENVERKEER Sinds januari 2004 loopt een pilotonderzoek naar een uniforme communicatiestandaard voor de installatiesector. Het gaat om ‘machine-tot-machine-verwerking’ van dataverkeer. Een installatiebedrijf plaatst bijvoorbeeld een order, waarbij de ontvangende partij (groothandelaar) volledig automatisch een orderbevestiging terugstuurt, die de installateur dan bij voorkeur weer automatisch in zijn eigen administratie verwerkt. Aan de testfase werken zowel softwarebedrijven, installatiebedrijven, groothandelaren als leveranciers mee. De bedoeling is gegevensverwerking sneller, efficiënter en vooral foutloos te laten verlopen. Informatie: UNETO-VNI www.uneto-vni.nl CONCEPTNORM KIER- EN NAADDICHTING Hoewel kieren en naden een grote invloed op de geluidswering van gevels kunnen hebben, was daar tot op heden geen genormaliseerde meetmethode voor. Hier is nu een oplossing voor gekomen, in de vorm van ontwerp-NEN 5273 ‘Akoestische prestatie van kier- en naaddichting - laboratoriummeetmethode’. Als blijkt dat deze norm in een behoefte voorziet, wordt deze ingebracht in het Europese en internationale normalisatiewerk. NEN 5273 is belangrijk voor fabrikanten van ramen, deuren, beglazing, kier- en naaddichtingsmaterialen en akoestische adviseurs. Informatie: NEN www.nen.nl DISTRIBUTIEOVEREENKOMST Carrier Corporation (Connecticut, USA) en Sanyo Elektrisch Co., Ltd. (Osaka, Japan) hebben op een distributieovereenkomst gesloten voor absorptiekoelmachines. De door Sanyo geproduceerde absorptiekoelmachines zullen als Carrier/ Sanyo door Carrier in Europa en Noorden Zuid-Amerika op de markt worden gebracht. Carrier Airconditioning in Hazerswoude Rijndijk verwacht dat de koelmachines medio maart 2005 ook leverbaar zullen zijn in Nederland. Informatie: Carrier Airconditioning Tel. 071 3417111 VERZELFSTANDIGING Managementadviesbureau Berenschot Osborne gaat verder als AT Osborne. In 2003 is de organisatie door een employeebuy-out vanuit de Berenschot Groep verzelfstandigd. Management en medewerkers werden daarmee de aandeel- houders in de nieuwe onderneming. De samenwerking met onderdelen van de Berenschot Groep blijft. Informatie: AT Osborne B.V. Tel. 030 2942741 ‘ROOKBEHEERSINGBEDRIJF’ Op industrieterrein Acht te Eindhoven is een nieuwe productiefaciliteit van Rentex Fortex opgeleverd. De 10.000 m2 grote fabriek verwerkt 50 ton textiel per dag. Rentex Fortex heeft veel zorg besteed aan brandveiligheid en calamiteitenbestrijding. Zo is er een een Rook- en Warmte- Afvoerinstallatie (RWA) geplaatst. Deze wordt toegepast om in geval van brand zo snel mogelijk hete en toxische rookgassen af te voeren. Voor haar aanpak kreeg Rentex Fortex het certificaat ‘Rookbeheersingbedrijf ’ van Bovema S-air uit Milsbeek. Rentex Fortex is de eerste gecertificeerde. Informatie: Bovema S-air B.V. Tel. 0478 515252