Lekdetectie voor koelinstallaties, een grote uitdaging van de 21e eeuw!

1) Regelgeving

Verordening (EU) nr. 517/2014, bekend als “F-Gas II”, is op 16 april 2014 vastgesteld met als doel het milieu te beschermen door de uitstoot van broeikasgassen tegen 2050 met 80% tot 95% te verminderen ten opzichte van het niveau van 1990. In de verordening worden regels vastgesteld voor de controle, het gebruik, de terugwinning en de vernietiging van gefluoreerde broeikasgassen. Er worden ook voorwaarden opgelegd voor het op de markt brengen van gefluoreerde broeikasgassen voor specifieke producten of toepassingen en voor installaties, door kwantitatieve limieten op te leggen voor het op de markt brengen van HFK’s.

Het voorziet ook opleidingsverplichtingen, een verbod op het gebruik of het op de markt brengen van gassen met een hoge GWP waarde (aardopwarmingsvermogen) en per toepassing ook een vermindering van de geproduceerde  hoeveelheden  (quota) en verplichtingen: kwalificatie, verplichte uitrusting en het voorkomen van lekken met de verplichte controle op lekken.

Specifieke F-Gas reglementering over de lekdetectie :

Hoofdstuk II Artikel 4 van de Verordening (EU) nr. 517-2014 specificeert de frequentie van de controles op basis van de vulling in ton CO2-equivalent van de installaties.

≥ 5t CO2 eq.: tenminste eenmaal per 12 maanden of slechts eenmaal per 24 maanden indien de installatie met een lekdetectiesysteem is uitgerust

≥ 50t CO2 eq.: tenminste eenmaal per 6 maanden of slechts eenmaal per 12 maanden indien de installatie met een lekdetectiesysteem is uitgerust

≥ 500t CO2 eq.: tenminste eenmaal per 3 maanden of slechts eenmaal per 6 maanden indien de installatie met een lekdetectiesysteem is uitgerust

Exploitanten zijn verplicht om een lekdetectiesysteem te installeren zodat zij of een onderhoudsbedrijf worden gewaarschuwd in geval van een lek voor installaties met een koudemiddel vulling van ≥ 500t CO2 eq. ( vb: 128 kg R-404A).

• Voor vaste systemen (koeling, klimaatregeling, warmtepompen)
• Voor Rankine cyclusmachines en elektrische schakelsystemen die geïnstalleerd zijn na 01/01/2017.

Europese landen kunnen bindende nationale regels toevoegen aan de F-Gas verordening. In België (Vlaams reglement: Vlarem II Art. 5.16.3.3) zijn specifieke bepalingen inzake lekwaarden voor niet hermetisch gesloten koelinstallaties ingevoerd voor systemen die : 5 ton CO2-equivalent van gefluoreerde broeikasgassen of 3 kg ozonafbrekende stoffen bevatten.

Bij een lek van > 5 % : dient de installatie hersteld te worden.

Als de installatie gedurende 2 opeenvolgende kalenderjaren lekverlies heeft > 10 % moet de installatie binnen de 12 maanden na bevinding buiten bedrijf worden gesteld. Hierdoor is er nood aan permanente lekdetectie om de continuïteit van het koelproces te garanderen.

2)  Lekdetectie volgens de aanbevelingen van de norm EN 378:

Naast de milieuvoorschriften biedt de Europese norm EN 378 een aanvulling om de veiligheid van mensen te garanderen.

Het bepaalt dat machinekamers moeten uitgerust worden met detectoren om de veiligheid van de gebruikers te waarborgen.

Voor explosieve of gevaarlijke gassen, is de detectiegrens vastgesteld op minder dan 20% van de onderste ontvlambaarheidsgrens en moeten ammoniakdetectoren de ventilatie en het alarm activeren en de externe stroomvoorziening uitschakelen.

3) Soorten detectie: Directe detectie (Draagbare detectie ; Omgevingsdetectie) en indirecte detectie (continue controle en continue montoring)

Er bestaan verschillende types detectoren :

• De directe methoden maken het in de eerste plaats mogelijk ter plaatse een lektest uit te voeren en worden gebruikt voor periodieke (draagbare detectie) of continue (ruimtemonitors) controles. Draagbare detectoren worden gebruikt om het lek te lokaliseren.
• Naast deze methode en met het oog op een algemene controle van de werking van de installatie, zijn er indirecte methoden Door de installatie van sensoren met regelmatige metingen, gekoppeld aan algoritmische berekeningen, kan dit type systeem in de installatie worden geplaatst om het gedrag ervan vast te stellen.

De fysieke controle van de installatie om te voldoen aan de F-Gas verordening wordt uitgevoerd met een draagbare detector. Zoals bepaald in de tekst van de Europese verordening 517-2014, kan de frequentie van controle verlaagd worden als de installaties zijn uitgerust met een omgevingsdetectie of met indirecte detectiesystemen.

Om de frequentie van de fysieke controles te verlagen, is het mogelijk om vaste detectoren te gebruiken, de zogenaamde “omgevingsdetectoren” of “vaste detectoren”, of de indirecte detectiesystemen die geïnstalleerd worden op de koelinstallaties die een voortdurende bewaking van de installaties mogelijk maken en alarm slaan wanneer zich een lek voordoet.

Vervolgens hebben sommige landen zoals Frankrijk en België, de mogelijkheid opgenomen om met indirecte detectiesystemen op lekken te controleren (zie paragraaf 5).

De 3 methoden voor het opsporen van lekken vullen elkaar aan: zij garanderen de naleving van de F-Gas II-verordening door bij te dragen tot de vermindering van lekken en zo tot het behoud van het milieu, en garanderen tegelijk de veiligheid van de mensen.

4) Sensortechnologie

Er zijn 3 soorten sensortechnologieën, aangepast aan de te detecteren gassen : De halfgeleiders (of verwarmde diodesensoren), elektro-chemische sensoren, en infrarood. De keuze van een sensor hangt af van de gassen of vloeistoffen die moeten worden gedetecteerd

a) De halfgeleiders : voor HFO, HFK, CFK, HCFK

Deze technologie heeft het voordeel dat het minder duur is. Maar anderzijds is het gevoelig aan de omgevingstemperatuur, vochtigheid, oplosmiddelen, reinigingsmiddelen, HK (propaan) en Nox.

Met de halfgeleidersensor, ook bekend als metaaloxidesensor (MOS), kunnen toxische producten, brandstoffen en koelmiddelen worden opgespoord. Het is gevoelig voor veranderingen in de gasconcentratie (daling van de zuurstofconcentratie), vochtigheid en temperatuurveranderingen. Hij heeft een lage gevoeligheid en moet worden gekalibreerd. Het is een economische technologie met een lange levensduur (ongeveer 5 jaar).

Copyright Bacharach

Detectieprincipe: een dunne metaaloxidefilm wordt op een siliconenoppervlak afgezet.  De oxidatieve katalytische reactie in contact met het doelgas en het verhitte metaaloxide-oppervlak verandert de elektrische weerstand en verandert de geleidbaarheid. Deze verandering in weerstand komt overeen met de gemeten gasconcentratie.

b) Electro-chemische detectoren : NH₃

Deze sensortechnologie wordt gebruikt voor NH3-detectie. Het is een ultra-nauwkeurige technologie, die de veiligheid van mensen waarborgt door lage concentratie detectie van dit giftige product.

Deze technologie is geschikt voor een grote verscheidenheid van toxische gassen, en is zeer nauwkeurig bij zeer lage ppm-concentraties. De reactietijd is snel in geval van een lek, en het is een selectieve technologie om alleen naar het doelgas te zoeken. Daardoor is er geen risico van kruisgevoeligheid. Deze technologie moet worden gekalibreerd aan het doelgas en de sensoren hebben een levensduur van 3 tot 5 jaar.

De sensor bestaat uit een dienstelektrode, een tegenelektrode, een referentie-elektrode en een elektrolyt. Elektrochemische sensoren werken als batterijen. Wanneer het doelgas aanwezig is, genereert een chemische reactie op de dienstelektrode een kleine elektrische lading tussen twee elektroden die evenredig is met de gasconcentratie.

c) Infrarood sensoren : detectie van HFO, HFK, CFK, HCFK, NH₃, Propaan, CO₂.

De infrarood sensortechnologie is zeer selectief. Met dit instrument kan een breed scala van koelmiddelen worden gedetecteerd, terwijl het volledig ongevoelig is voor andere producten, en het heeft een lange levensduur. Hij kan HFO, HFK, HCFK, CFK, NH3, propaan (R-290) en CO2 opsporen.

De infraroodsensor is zeer selectief met een zeer lage kruisgevoeligheid voor andere gassen. Deze technologie is niet gevoelig voor verontreinigende stoffen (siliconen, lood…) en kan zichzelf testen en kalibreren. De reactietijden zijn snel, met detectiedrempels mogelijk bij zeer lage concentraties (gevoeligheid van 1 ppm). Het is een ultra-nauwkeurige detectie, hoewel iets duurder, met een gemiddelde levensduur van 5 tot 7 jaar van de sensor.

De sensor bestaat uit een lichtbron, een ruisfilter, een detector en een kamer waarin het doelgas zich verspreidt nadat het is aangezogen. Alleen de groene kleur van de lichtbundel wordt gefilterd en geanalyseerd door de intensiteit ervan te meten. Als er een gas aanwezig is, wordt de groene kleur van de lichtbundel meetbaar in intensiteit verminderd.

5) Lekdetectie apparaten en hun beschrijvingen

Vaste detectoren:

Lekken worden aangegeven door een geluids- en visueel alarm en een displayscherm. Dit type detector maakt het mogelijk het lekgebied nauwkeurig te lokaliseren.

Vóór elk gebruik kan door middel van een controle met een product als de mini-check, dat een gekalibreerd lek van R-134a van 5 g/jaar simuleert, de kalibratie van het toestel worden geverifieerd.

Detectie met belletjes:

Na het onderzoek met een draagbare detector kan door het gebruik van een aërosolproduct zoals Prestobul op de leidingen, op de vermoedelijke plaats van het lek, de bron nauwkeurig worden gelokaliseerd door de vorming van bellen.

Omgevingsdetectie:

Een lekdetector met een vast station, ook wel omgevingsdetector genaamd, is een lekdetector voor koelmiddelen. Afhankelijk van het model kan het een onafhankelijke sensor-transmitter met alarmen zijn, die kan worden gebruikt als een zelfstandige detector of kan worden aangesloten op een regelsysteem (b.v. GBS) via een Modbus link. Zij zijn in het algemeen uitgerust met een of meer kontactoren voor het activeren van externe veiligheidsapparatuur zoals kleppen, ventilatoren, algemene alarmen, enz. Zij impliceren de installatie van sensoren, ook “sondes” genoemd, met de inachtneming van de specifieke kenmerken van de installaties en het te detecteren koudemiddel. Zij worden geselecteerd en aangepast aan het op te sporen koudemiddel.

Plaatsing van de sensoren:

Verwijderd van opspattend water en mogelijke gevaren, uit tochtige of geventileerde ruimten (druk bezochte ruimte met sterke luchtstroom, afzuigruimte (ventilator), en niet in de nabijheid van radiofrequentie-identificatiesystemen of zenders voor deze systemen.

Indirecte meetmethode: expertsystemen voor monitoring in real-time en op afstand

Met gemiddelde jaarlijkse lekkages tot 25% van de vulling, vereisen koelinstallaties die geïnstalleerd zijn in de voedingsdetailhandel of de industrie een permanente lekcontrole.

Expertsystemen voor lekdetectie met behulp van indirecte meetmethoden bieden een antwoord op dit probleem. Deze meetmethode, die nog niet erg wijdverspreid is, is gebaseerd op de real-time algoritmische analyse van werkpunten in de installatie.

In tegenstelling tot de directe methode, die bestaat uit een analyse van de omgevingslucht op meerdere plaatsen om gasmoleculen te detecteren, maakt de indirecte detectie het mogelijk de uitrustingen te centraliseren in technische lokalen, zonder belemmeringen om het te verbinden met de installatie (lengte van de leidingen, niet toegankelijke leidingen…) of met de omgeving (luchtstroom van de condensatoren, externe elektriciteitscentrale…) terwijl een globale bewaking van de installatie wordt verzekerd vanop een plaats. Er is geen beperking met betrekking tot plaatsing van meerdere apparatuur op verschillende locaties.

De verschillen in werking van de koelcentrales, waarvan de  onregelmatigheid van de koude vraag die een invloed heeft op het vloeistof niveaus, zullen worden opgespoord tijdens de leerperiode, waarin de referentieniveaus worden vastgesteld. Het real-time algoritme detecteert, door het vergelijken van de gemeten en de referentie bedrijfspunten, afwijkingen en activeert bijbehorende alarmen, die aan het GTC (gecentraliseerd technisch beheer) worden doorgegeven via een gesloten contact en/of op afstand via een online supervisie-interface / e-mailwaarschuwingen.

De metrologische gegevens die nodig zijn voor de werking van het algoritme zijn :

– HP druk, via een 4-20mA voeler op de vloeistofvat

– Inlaat-/uitlaattemperaturen vloeistofvat, PT100 met automatische kalibratiefunctie

– Omringende luchttemperatuur ter hoogte van de condensor/ruimte, PT100 met automatische kalibratiefunctie

– Vloeistofhoeveelheid in het vat

Om de vloeistofhoeveelheid in het vat te meten, moet een aangepaste niveaukolom door de installateur aan de afmetingen van het vloeistofvat  worden opgehangen aan een spanningsmeter (omzetting van de vervorming van een onderdeel ten gevolge van een kracht, hier het gewicht, in een variatie van de elektrische weerstand, hier 4-20mA). Door flexibele verbindingen aan de boven- en onderkant van het vloeistofvat, zorgt het principe van de communicerende vaten voor het evenwicht tussen de niveaus.

Het tarra van de kolom (vacuümgetrokken) verzekert de nauwkeurigheid van de meting, en maakt het mogelijk het gewicht van de vloeistof in de kolom te kennen. Door een dichtheidsberekening, bepaald door de uitlaattemperatuur en -druk van het vat, en rekening houdend met de DNI-configuratie-elementen (afmetingen van de vloeistofvat, soort koudemiddel) wordt het koudemiddelvulling in het vloeistofvat berekend.

Naast de real-time lekdetectie analyse, biedt het hier voorgestelde Matelex-expertsysteem het mogelijk om de werking van de installatie te kennen en instellingen te verbeteren. De druk/temperatuur-relatie die gebruikt wordt om de condensatietemperatuur te berekenen, geeft informatie over de hoeveelheid gas in het koudemiddel (Flash Gas) door de onderkoeling te berekenen.

Wij onderscheiden 2 soorten alarmen, die een continue bewaking en een terugkoppeling mogelijk maken die van essentieel belang zijn voor de werking van een koelproces.

• Laagniveau-alarm: Net als de vaste “Kubler”-niveaus die op veel vloeistofvaten worden aangetroffen, biedt de DNI configureerbare bewaking van het laagste niveau aan in het vat. Het schakelpunt kan bij de configuratie ingesteld worden en aangepast om vroegtijdig te waarschuwen bij een grote en snelle daling van het vloeistofpeil.

• “Statistisch” alarm: analyse met behulp van een statistisch algoritme dat de gegevens van de normale werking van de installatie vergelijkt met de gegevens in real-time. Een afwijking zal een alarm doen afgaan.

Om de nauwkeurigheid van de metingen te garanderen, bestaat een jaarlijkse controle uit het vervangen van de gewicht/druk-meetvoelers en het ijken van de temperatuursondes om rekening te houden met de impedantie van de kabels en de afwijking van de PT100-sondes.

Als aanvulling op de apparatuur en om een diepgaande analyse mogelijk te maken, kunnen modules voor energiebeheer het mogelijk maken gegevens over het energieverbruik via stroommeting worden verzameld. De oververhitting wordt berekend door de waarden van de LP-druk en de aanzuigtemperatuur te meten, terwijl de afvoertemperatuur en het opgenomen vermogende  de werkelijke COP van de installatie te bepalen.

Om de interpretatie van de verkregen gegevens te verbeteren, maakt een online monitoringsysteem de oplossing compleet.

Er worden tal van aanvullende analyses aangeboden met het doel de prestaties van de installaties te verbeteren en hun algehele milieu impact te verminderen door de directe en indirecte uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

Naast de directe impact op het milieu van een koelmiddellek, vermindert de oplossing namelijk ook de indirecte impact die verband houden met het energieverbruik. De analyses die door de aangesloten oplossing worden uitgevoerd, maken het mogelijk op te treden tegen overmatig energieverbruik als gevolg van een te lage koudemiddelvulling, maar ook om waarschuwingen te geven over de risico’s van compressorstoring en energieverspilling. Zo worden bijvoorbeeld de bedrijfscycli van de compressoren bestudeerd om te waarschuwen voor risico’s van vroegtijdige slijtage die tot breuk kunnen leiden, maar ook om het beheer ervan te verbeteren (vermindering van korte cycli, bewaking  van de opstartfrequenties, enz.). Tenslotte is het enthalpie diagram in real-time beschikbaar, waardoor een betrouwbare interpretatie van de koelcyclus mogelijk is.

6) Hoe slaagt uw lekdetectieprogramma ?

• Correcte installatie van apparatuur door getrainde en gekwalificeerde installateurs.
• Onderhoud de apparatuur en voer hun jaarlijkse onderhoud uit.
• Test de juiste werking van de apparaten en stel de alarmdrempels op de juiste manier in (kalibratiekit, smartphoneapplicatie) om het daaruit voortvloeiende verlies van koelmiddel te vermijden.
• Test en kalibreer met het gewenste gas.
• Controleer of de alarmen werken.

7) Voordelen van lekdetectie :

• Minder energieverbruik = Financiële Besparing
• Lagere uitstoot van broeikasgassen = Milieuvoordeel
• Vermindering van de gebruikte hoeveelheden koelmiddel = Financiële Besparing & goed voor het milieu
• Verbetering van de prestaties van de installaties dankzij een goede insluiting en een adequate koelmiddelvulling
• Respect voor de normen en regelgeving (EN378, F-GAS II, ASHRAE, enz.) = Veiligheid
• Voorkomen van lekken = Bescherming van mensen en verbetering van comfort = veiligheid & gezondheid
• Behoud van goederen en apparatuur = Veiligheid & Besparing

Dit artikel werd gezamenlijk opgesteld door Climalife en Matelex, twee belangrijke spelers op het gebied van energieprestaties.