Voor gebouweigenaren en systeemontwerpers wordt deze vraag steeds belangrijker. Systemen voor warm water voor huishoudelijk gebruik zijn niet eenvoudig koolstofvrij te maken, omdat ze relatief hoge watertemperaturen vereisen. Een CO₂-warmtepomp is een van de duurzame oplossingen die beschikbaar zijn om deze uitdaging aan te gaan.

Deze warmtepompen presteren het best wanneer het temperatuurverschil in de opslagtank groot is. Dit vereist een zorgvuldige optimalisatie van het warmwateropslagsysteem, waarbij zowel rekening moet worden gehouden met de vraag naar warm water als met de warmteopwekking, terwijl het comfort van de gebruiker de hoogste prioriteit blijft. Klachten over koud of lauw douchewater zijn simpelweg onaanvaardbaar.

De uitdaging om een optimaal presterende opslagtank te ontwerpen is daarom essentieel voor het realiseren van een duurzaam en betrouwbaar warmwatersysteem.

Om deze uitdagingen beter te begrijpen, hebben Alklima en Femto Engineering gebruik gemaakt van computational fluid dynamics (CFD) simulaties om te onderzoeken hoe een CO₂-warmtepompbuffersysteem zich gedraagt tijdens realistisch dagelijks gebruik.

“De samenwerking met Femto Engineering was een zeer positieve ervaring. Hun team beschikte niet alleen over uitgebreide expertise op het gebied van CFD-simulaties, maar kreeg ook een diepgaand inzicht in de technische en fysische uitdagingen van ons project. Dankzij hun proactieve aanpak en waardevolle inzichten konden we het ontwerp optimaliseren, wat in belangrijke mate heeft bijgedragen aan een succesvol eindresultaat.”

– Martijn van Leerdam, Coördinator Product Management, Alklima –

Betrouwbaar warm water in een duurzame wereld

Betrouwbaar warm water is iets wat de meeste mensen gewoonweg verwachten, of het nu gaat om hotels, appartementencomplexen of sportfaciliteiten. Achter dit comfort schuilt een complex systeem. Naarmate gebouwen steeds meer duurzame technologieën zoals CO₂-warmtepompen gaan toepassen, is het essentieel om tijdens piekvraagperiodes voor voldoende warm water te zorgen. Tegelijkertijd wordt het produceren van dit warm water met maximale efficiëntie een steeds grotere technische uitdaging.

Alklima, de exclusieve Nederlandse distributeur van klimaatoplossingen van Mitsubishi Electric, werkt voortdurend aan innovatieve en duurzame verwarmingstechnologieën. Om het gedrag van een van zijn warmwatersystemen beter te begrijpen, werkte Alklima samen met Femto Engineering om de prestaties van een opslagsysteem met twee tanks te onderzoeken, met behoud van het gebruikerscomfort.

De kernvraag was eenvoudig: hoe zorgt het systeem onder realistische bedrijfsomstandigheden voor een zo groot mogelijk temperatuurverschil binnen de opslagtank, terwijl tegelijkertijd aan de vraag naar sanitair warm water wordt voldaan.

Foto 1. CAD-tekening van het dubbelbuffer-tanksysteem

Een uitdaging waarmee veel gebouwen te maken hebben

Het systeem bestond uit twee onderling verbonden watertanks die fungeren als thermische buffer voor een CO₂-warmtepompinstallatie. Op het eerste gezicht lijkt het opslaan van warm water misschien eenvoudig. In werkelijkheid is het water in deze tanks echter voortdurend in beweging en verandert de temperatuur ervan voortdurend.

Ook de vraag varieert gedurende de dag. Ochtenddouches, schoonmaakwerkzaamheden en periodes van laag verbruik beïnvloeden allemaal hoe de warmte binnen het systeem wordt verdeeld.

Een ander belangrijk aspect is de recirculatie van warm water. In veel gebouwen zorgt een kleine, continue stroming ervoor dat er direct warm water beschikbaar is bij douches en kranen. Hoewel dit het comfort verhoogt, kan het ook de natuurlijke gelaagdheid van warm en kouder water in de tanks verstoren.

Deze effecten zijn moeilijk te voorspellen met eenvoudige technische berekeningen. Het bouwen van een fysiek prototype zou bovendien veel tijd en geld kosten. Dit is waar CFD-simulatie van toegevoegde waarde kan zijn.

Door een virtueel model van het systeem te maken, kunnen ingenieurs al lang voordat het systeem wordt geïnstalleerd inzicht krijgen in hoe het water stroomt, hoe de temperaturen veranderen en hoe het regelsysteem zich gedraagt.

Voor fabrikanten, systeemintegrators en HVAC-ingenieurs kan dit de technische risico’s aanzienlijk verminderen en kostbare herontwerpen in een later stadium van het project voorkomen.

Waarom Simcenter STAR-CCM+?

De echte vraag was niet of het systeem warm water kon produceren, maar of het voldoende warm water kon blijven leveren wanneer de vraag plotseling zou toenemen.

Om deze vraag te beantwoorden, was meer nodig dan alleen kijken naar temperaturen en stromingspatronen. Het team moest ook inzicht krijgen in hoe de warmtepomp zou reageren als de omstandigheden in de loop van de dag veranderden.

Met behulp van Simcenter STAR-CCM+, kon Femto Engineering het volledige gedrag van het systeem modelleren, inclusief de automatische regelingen die de warmtepomp in- en uitschakelen. Hierdoor ontstond een realistische virtuele weergave van de dagelijkse werking, waardoor mogelijke problemen al lang voordat het systeem werd gebouwd aan het licht konden worden gebracht.

Het maken van een virtueel model van het systeem

Femto Engineering heeft een virtueel model gemaakt van de twee opslagtanks en een deel van de aansluitende leidingen. Om het model efficiënt te houden, is de warmtewisselaar zelf vereenvoudigd.

Aan de hand van realistische gegevens over het warmwaterverbruik van Alklima heeft het team een volledige bedrijfscyclus van 24 uur gesimuleerd, inclusief een tweede scenario met continue warmwaterrecirculatie.

De simulaties lieten zien hoe de temperaturen gedurende de dag veranderen en hoe het water op natuurlijke wijze in de tanks stroomt. Warm water is lichter en stijgt op, terwijl kouder water zakt. Hierdoor ontstaan natuurlijke lagen in de tanks, wat een grote invloed heeft op de hoeveelheid bruikbaar warm water die beschikbaar blijft.

Er werden ook verschillende maaswijdtes en instellingen getest om betrouwbare resultaten te garanderen. Dankzij deze virtuele aanpak kon het team het gedrag van het systeem beter begrijpen en verbeterpunten identificeren nog voordat er fysieke tests of installaties plaatsvonden.

Waardevolle inzichten vóór de installatie

Uit de simulaties bleek dat de algemene regelingsstrategie werkte zoals bedoeld. Ze brachten echter ook een belangrijk probleem aan het licht: tijdens bepaalde periodes van de dag daalde de uitlaattemperatuur onder het gewenste niveau.

Figuur 1. Simulatieresultaten zonder warmwaterrecirculatie laten zien dat de uitlaattemperatuur het grootste deel van de dag boven de 30 °C blijft, maar tijdens het laatste uur daalt, wat een mogelijkheid biedt om het systeemontwerp en de regelingsstrategie te optimaliseren.

Figuur 2. Simulatieresultaten met continue warmwaterrecirculatie laten zien dat de uitlaattemperatuur de hele dag boven de 50 °C blijft, hoewel de warmtewisselaar langer moet draaien om deze prestatie te handhaven.

Uit de analyse bleek dat de plaatsing van de temperatuursensoren en de gekozen regelinstellingen een grote invloed hadden op de hoeveelheid beschikbaar warm water.

Op basis van deze bevindingen werden verschillende verbeteringsmogelijkheden geïdentificeerd. Een mogelijke verbetering was het verplaatsen van een temperatuursensor naar een lagere positie in een van de tanks, waardoor de bruikbare warmwaterbuffer effectief werd vergroot. Andere opties waren onder meer het aanpassen van de regelinstellingen, zodat het opnieuw opwarmen eerder begint.

Uit de simulaties bleek dat het toevoegen van een directe warmwaterstroom de werking van het systeem veranderde. In plaats van dat de tanktemperaturen de belangrijkste bepalende factor waren, hadden de beveiligingsinstellingen van de warmtewisselaar de grootste invloed op het gedrag van het systeem.

Figuur 3. De in Simcenter STAR-CCM+ geïmplementeerde besturingslogica schakelt de warmtewisselaar automatisch in of uit op basis van de meetwaarden van de temperatuursensoren, waardoor het werkelijke bedrijfsgedrag van het systeem gedurende een cyclus van 24 uur nauwkeurig wordt nagebootst.

De meerwaarde van simulatie

Voor Alklima ging het bij dit project niet alleen om het valideren van een ontwerp. Het ging erom een optimale efficiëntie te bereiken met behoud van het comfortniveau dat eindgebruikers verwachten.

Door gebruik te maken van Simcenter STAR-CCM+, kon Femto Engineering het systeem virtueel testen voordat het werd gebouwd. De simulaties leverden inzichten op in het temperatuurgedrag, de besturingsstrategieën en de bedrijfsscenario’s die moeilijk te verkrijgen zouden zijn geweest met alleen traditionele berekeningen.

Hierdoor konden mogelijke verbeteringen in een vroeg stadium worden geïdentificeerd, waardoor technische risico’s werden verminderd en betere ontwerpbeslissingen konden worden genomen.

Voor fabrikanten, systeemintegrators en HVAC-ingenieurs die met soortgelijke uitdagingen worden geconfronteerd, biedt  CFD simulatie een krachtige manier om het systeemgedrag te begrijpen, ontwerpen te optimaliseren en kostbare herontwerpen in een later stadium van het project te voorkomen.

Auteur: Martijn van Dijk
CFD Simulatie Engineer, Femto Engineering