No sólo importa el volumen de almacenamiento
Investigación sobre el sistema de calefacción existente con depósito de inercia:
Más capacidad de almacenamiento intermedio con carga y descarga de dos zonas
El Instituto de Sistemas de Construcción y Energía de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach, junto con el fabricante HG Baunach, investigó cómo se puede optimizar la capacidad efectiva de almacenamiento en un sistema de calefacción existente con almacenamiento intermedio. El objeto del estudio era un sistema de calefacción en una casa de seis familias propiedad de un contratista de SHK. Se investigó el efecto del comportamiento de carga y descarga sobre la cantidad de calor utilizable. El resultado es una capacidad de almacenamiento significativamente mayor después de que el tanque de almacenamiento intermedio se convirtiera en una carga y descarga de dos zonas.
Imagen 1: Günther Muck, contratista de calefacción, ventilación y aire acondicionado, en la sala de calderas de su casa alquilada de seis viviendas. Tras cambiar a dos zonas de carga y descarga del acumulador intermedio, la unidad de cogeneración funciona como generador de calor monovalente hasta -10 °C de temperatura exterior.
En los sistemas de calefacción, los acumuladores intermedios tienen la misión de absorber el calor, almacenarlo con la menor pérdida posible y liberarlo al consumidor al nivel de temperatura requerido. Es lógico almacenar el calor temporalmente,
- cuando el suministro y la demanda de calor se producen en momentos diferentes,
- minimizar los ciclos de conmutación de los generadores de calor, como las unidades de cogeneración, las calderas de biomasa o las bombas de calor,
- optimizar el uso de la energía térmica producida a partir de sistemas solares térmicos o el funcionamiento de centrales combinadas de calor y electricidad.
Sin embargo, si el calor solar se enciende y apaga con frecuencia o no se utiliza lo suficiente, la causa no suele ser el tamaño del cilindro tampón, sino la cantidad de calor que se puede aprovechar de él.
El tampón almacenó demasiado poco calor
Günther Muck, contratista de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, siguió esta hipótesis cuando asistió a una conferencia especializada de HG Baunach sobre la optimización hidráulica de los sistemas de calefacción en el gremio de HVAC de Schweinfurt. Su bloque de apartamentos de alquiler en Dittelbrunn-Hambach, al norte de Schweinfurt, se calienta con una minicentral de cogeneración (Fig. 1). Calienta seis pisos alquilados y almacenes pertenecientes a su empresa de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
Figura 2: Los breves ciclos de conmutación del generador de calor antes del cambio a la carga y descarga en dos zonas (izquierda) indican una baja capacidad efectiva de almacenamiento del acumulador. Tras el cambio, sólo se produce un arranque de cogeneración al día (dcha.).
Como separador hidráulico entre los generadores de calor y el sistema de distribución de calor se integró un cilindro tampón con una capacidad de 1.000 litros. Günther Muck calculó una demanda de calefacción (en aquella época aún conforme a la norma DIN 4701) de 18,1 kW para el edificio, construido en 1996. El sitio CHP Senertec suministra 12,5 kWthTambién se instaló una caldera de condensación de gas para cubrir los picos de carga. Los consumidores de calor del edificio son radiadores con un diseño de 70/50 °C. Como es habitual, la integración del acumulador se diseñó de modo que la ida se conectara por arriba y el retorno por abajo. Sin embargo, Günther Muck no estaba realmente satisfecho con el funcionamiento del sistema hasta la fecha, ya que la unidad de cogeneración tenía hasta cinco procesos de arranque-parada en 24 horas (Fig. 2).
Durante la conferencia celebrada en Schweinfurt, se enteró por una conversación con Hans-Georg Baunach de que éste buscaba sistemas existentes que fueran adecuados como objetos de prueba para el mezclador multipuerto "rendeMIX". En el marco de una cooperación entre HG Baunach y el Instituto de Sistemas de Construcción y Energía de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach, Baunach inició entonces una investigación sobre el sistema de almacenamiento intermedio. El objetivo era lograr un uso más eficiente del volumen de almacenamiento y optimizar así los tiempos de funcionamiento de la cogeneración.
La calefacción como laboratorio de pruebas
Figura 3: Los gráficos muestran la distribución de la temperatura en un tanque de almacenamiento idealmente mezclado (l.), idealmente estratificado (m.) y linealmente estratificado (r.). Desde un punto de vista teórico, el modo de funcionamiento real se describe mejor mediante el modelo de tanque de almacenamiento estratificado linealmente.
En la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach, Christian Dietrich, futuro ingeniero diplomado en climatología de edificios, trató el tema "Integración optimizada de acumuladores intermedios en sistemas hidráulicos" como parte de su tesis. Una primera aproximación para investigar la eficiencia del almacenamiento consistió en determinar cuántos kWh de calor podrían almacenarse idealmente en el volumen tampón de 1.000 litros y qué cantidad de éste podría utilizarse realmente. En condiciones ideales, el volumen de almacenamiento a una temperatura de flujo de la cogeneración de 90 °C y una temperatura de retorno del circuito de calefacción de 50 °C daría como resultado una capacidad de almacenamiento teórica de 47 kWh. Sin embargo, los ciclos de conmutación de la unidad de cogeneración en el bloque de apartamentos de Günther Muck no coincidían con estas consideraciones teóricas (Fig. 3). Esto indicaba que la capacidad de almacenamiento efectiva -la energía térmica efectivamente disponible en relación con el contenido del acumulador intermedio- debía reducirse considerablemente. Para determinar esto, el sistema de calefacción del propietario se convirtió en un laboratorio de pruebas durante unos meses: las válvulas mezcladoras de tres vías existentes se sustituyeron por colectores mezcladores de varias vías. Se colocaron sensores de temperatura y caudalímetros en el acumulador y las tuberías.
El diagrama de eficiencia del almacenamiento revela la debilidad
Fig. 4: La sala de calderas como laboratorio de pruebas: Durante la investigación en curso del funcionamiento del sistema con dos métodos diferentes de carga tampón, los datos de medición se registraron continuamente y se transmitieron por transmisión remota de datos a la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach para su evaluación.
Para una primera fase de prueba, los distribuidores de mezcla "rendeMIX" se configuraron inicialmente de forma que el proceso de carga y descarga correspondiera al circuito anterior con mezcladores de tres vías. Desde mediados de octubre de 2007 hasta mediados de febrero de 2008, un PC instalado en la sala de calderas registró los datos de medición para investigar el comportamiento de carga y descarga (Fig. 4a + 4b). Según las observaciones de Günther Muck, durante este periodo se dieron casi todas las condiciones meteorológicas típicas de un periodo de calefacción.
Los datos de las mediciones se transmitieron a la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach por teletransmisión y allí fueron analizados por Christian Dietrich. De este modo, el estudiante de postgrado pudo determinar la eficiencia real del almacenamiento. Dietrich desarrolló una forma especial de visualización denominada diagrama de eficiencia del almacenamiento. En este diagrama, la altura del tanque de almacenamiento se representa en el eje vertical Y y la temperatura se representa horizontalmente en el eje X. Se colocaron varios sensores de temperatura a lo largo del tanque. Se colocaron varios sensores de temperatura a lo largo de la altura del cilindro de almacenamiento (Fig. 5). A partir de las coordenadas de temperatura y altura del acumulador, la capacidad de almacenamiento puede representarse gráficamente como un área cuando se introduce en el diagrama de eficiencia del acumulador (Fig. 6).
Figura 5: Para investigar la eficiencia del depósito de almacenamiento, se colocaron varios sensores de temperatura en el depósito de inercia de 1000 litros, distribuidos por la altura del depósito.
El resultado: la capacidad de almacenamiento efectiva con descarga convencional fue de unos 17 kWh y, por tanto, 2,7 veces inferior a la capacidad de almacenamiento teóricamente utilizable de 47 kWh.
Consigue más calor con la misma capacidad tampón
Figura 6: La comparación del antes y el después muestra la capacidad de almacenamiento efectiva respectiva del acumulador intermedio con integración convencional (izquierda) y tras la conversión a carga y descarga en dos zonas (derecha).
Figura 7: El diagrama de eficiencia del tanque de almacenamiento desarrollado especialmente por el estudiante de posgrado Christian Dietrich muestra la cantidad de calor que puede utilizarse eficazmente en el tanque de almacenamiento intermedio a lo largo de la altura del tanque de almacenamiento.
El siguiente paso de la investigación consistió en analizar qué parámetros influyen en la capacidad de almacenamiento efectivamente utilizable. La carga y descarga reales mostradas en la figura 7 (diagrama del acumulador a la derecha) conducen inevitablemente a la mezcla en el acumulador intermedio, lo que limita considerablemente la cantidad de calor que puede utilizarse de forma efectiva. En el sistema existente, este tipo de carga y descarga del acumulador intermedio destruía regularmente la estratificación. Por tanto, la mezcla durante la carga y descarga hace que la temperatura aumente en la zona inferior del tanque de almacenamiento, pero descienda en la zona superior. Esto lleva a la conclusión de que la eficacia de un acumulador hidráulico depende en gran medida de la distribución de la temperatura en el cilindro del acumulador. El rendimiento del acumulador depende de
- la temperatura de flujo del generador de calor, que debe ser lo más alta posible,
- la temperatura de retorno del circuito de consumo, que debe ser lo más baja posible,
- así como las condiciones de flujo y las velocidades en la entrada del depósito de inercia.
Carga y descarga distribuidas en dos zonas
Figura 8: Para la carga y descarga en dos zonas del depósito de almacenamiento intermedio, los mezcladores de tres vías existentes se sustituyeron por colectores de mezcla múltiple rendeMIX 3×4.
En lugar de mezcladores de tres vías, se integra un mezclador de varias vías tanto en el circuito generador de calor como en el circuito consumidor. Para la parte posterior de la prueba, la estrategia de carga se cambió al modo de funcionamiento de "carga y descarga de dos zonas". Para ello, se transformaron los mezcladores multivía ya instalados sustituyendo los actuadores de modo que, en función de la especificación del valor nominal, ahora se mezcla agua caliente con agua templada o agua templada con agua fría en lugar de agua caliente con agua fría. Esto modifica el comportamiento de carga y descarga del cilindro intermedio: al cargar, se carga primero la zona superior (caliente), que se calienta más rápidamente. La zona inferior permanece fría durante más tiempo. Al descargar, el calor se retira primero de la zona inferior a través de la conexión central del cilindro, que se enfría más rápidamente. De este modo, la zona superior se mantiene a una temperatura elevada durante más tiempo.
Los mezcladores multivía (Fig. 8) se controlan mediante una señal de tres puntos (230 V), igual que los mezcladores de tres vías utilizados anteriormente. Mientras que la temperatura de ida del circuito de calefacción sigue una curva de calefacción compensada por las condiciones meteorológicas durante la descarga, la temperatura de retorno al generador de calor se ajusta a un valor nominal fijo durante la carga. De este modo, la carga de dos zonas también sustituye a un refuerzo del caudal de retorno que, de otro modo, sería necesario.
En el transcurso de la investigación, también se puso de manifiesto que la colocación de los sensores de temperatura en el acumulador tiene una influencia significativa en la eficiencia del almacenamiento. La unidad de cogeneración Senertec del sistema tiene dos sensores de temperatura independientes, que deben instalarse a distintas alturas en el acumulador. Si la temperatura cae por debajo del valor de consigna en el sensor superior, la unidad se pone en marcha. Si la temperatura cae por debajo de la consigna en el sensor inferior, la máquina se apaga. Como demuestran los análisis de Christian Dietrich, la carga y descarga en dos zonas ha aumentado la capacidad efectiva de almacenamiento en unos 60 %, pasando de 17 kWh a 27,4 kWh. Si, además, el sensor inferior del acumulador se desplazara más hacia abajo, el rendimiento útil del acumulador podría aumentar en este caso entre 30 y 50 % más.
Principio de dos zonas aplicable a cualquier sistema hidráulico
Fig. 9 + 10: Si la temperatura en el centro del cilindro es superior a la temperatura de ida del consumidor durante la descarga de dos zonas de un cilindro intermedio, el agua se extrae de la conexión intermedia central y se mezcla con el agua de retorno del consumidor hasta alcanzar el nivel de temperatura deseado. Si la temperatura en la conexión del cilindro central desciende por debajo de la temperatura de impulsión durante la descarga, la temperatura se eleva mezclando agua más caliente procedente de la zona del cilindro superior. De este modo, la zona inferior del cilindro puede descargarse casi completamente a la temperatura de retorno.
Günther Muck, contratista de calefacción, ventilación y aire acondicionado y propietario de la vivienda, observó los efectos del aumento de la capacidad de almacenamiento en los ciclos de conmutación de la unidad de minicalefacción: desde que se cambió a la carga y descarga en dos zonas (Fig. 9), la unidad sólo arranca una vez al día, pero esto se debe a una parada forzada del motor a intervalos de 24 horas. Según sus observaciones, la unidad de cogeneración funciona ahora en gran medida como generador de calor monovalente. La caldera de condensación de gas utilizada para la carga máxima sólo se enciende a partir de una temperatura exterior de unos -10 °C, aunque sólo estuvo en funcionamiento durante cuatro días en enero de 2009. El cambio del modo de funcionamiento del acumulador intermedio también tuvo un efecto positivo en la eficiencia energética del edificio: Günther Muck ha obtenido desde entonces un certificado energético para la casa de seis viviendas, que certifica que el edificio ha mejorado significativamente su eficiencia energética.
Sin embargo, el sistema de calefacción analizado con unidad de cogeneración, caldera de condensación de gas y circuito de calefacción por radiadores es sólo un ejemplo de las posibles aplicaciones del principio de dos zonas. Por ejemplo, se pueden conseguir temperaturas de retorno aún más bajas con sistemas de calefacción por paneles, ya que la temperatura de retorno más baja del circuito de consumo de calor llega al retorno del generador de calor y no se mezcla con agua de retorno más caliente por el camino. La carga y descarga de dos zonas también puede transferirse a cualquier otro sistema hidráulico que funcione con almacenamiento intermedio, por ejemplo la integración de energías renovables o sistemas de refrigeración.
Nuestro autor, el Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß, creó en 1995 su propia oficina de planificación TGA, que en la actualidad se dedica a las áreas de informes periciales, consultoría y desarrollo de productos. Desde 1999, dirige los departamentos de sistemas de energía térmica y planificación de sistemas de la carrera de Climatología de Edificios y Sistemas Energéticos de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach. Floß también dirige allí el Instituto de Sistemas de Construcción y Energía, teléfono (0 73 51) 58 22 56, correo electrónico floss@hochschule-bc.de.
Nuestro autor, Wolfgang Heinl, es periodista especializado independiente y director de relaciones públicas, y dirige una redacción especializada en el sector de la climatización y la ingeniería de servicios para edificios, 88239 Wangen, Alemania, Tel. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
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