La hidráulica se hace visible
Sin alineación es como una orquesta sin director - Un seminario en Arnsberg
La necesidad de información en el SHK-El sector de la formación es enorme. Sin embargo, la formación continua no tiene por qué estar empaquetada en una velada social lujosamente diseñada. Si el tema es el habitual -la hidráulica- y se invita a una institución no orientada a la venta, como una cámara de artesanos o las nuevas comunidades energéticas, la sala de formación se llena. Si luego un experimento en el laboratorio de calefacción confirma la teoría, al final los oyentes preguntan al presentador casi expectantes: "¿Cuál es su próximo tema?"
La hidráulica como zona problemática. Esto está aumentando cada vez más con la digitalización de las redes y el Internet de las cosas. En el futuro, quien compre a un mayorista componentes individuales para un sistema sanitario, de calefacción o de aire acondicionado, estará comprando piezas de un puzzle. Como es sabido, sólo se complementan para formar una imagen completa si están en el lugar adecuado. En términos de hidráulica, el lugar correcto significa el ajuste correcto. Los componentes individuales sólo funcionan eficazmente cuando están óptimamente adaptados entre sí. Nadie es capaz de construir un sistema eficiente con componentes ineficientes. En cambio, combinar componentes eficientes en un sistema ineficiente no es la regla, pero tampoco la excepción. "Aunque todo músico es un virtuoso, un concierto de orquesta sin director no sería una fiesta para los oídos", fue la frase con la que el ponente del seminario de hidráulica en el centro de formación profesional de la Cámara de Artesanos del Sur de Westfalia, en Arnsberg, planteó a principios de febrero la necesidad de un equilibrio profesional.
Carga y descarga de depósitos de almacenamiento intermedio
Fig. 1: Montaje de prueba de dos zonas de carga y descarga con mezclador multivía Cámara de Artesanía Arnsberg
El almacenamiento intermedio y su carga y descarga más eficientes, por ejemplo, tendrán que responsabilizarse en el futuro no sólo del abastecimiento de los edificios, sino también de la transición energética. No es una exageración. En la actualidad, el almacenamiento de calor también tiene la misión de actuar como válvula de sobrepresión: porque los parques eólicos y solares crecen más rápido que la infraestructura. Que la ampliación de las carreteras. Los expertos calculan un periodo de transición de unos diez años para la expansión. Esto significa que para que la red no brille, las energías renovables tendrían que salir de la red en la próxima década. Eso no está en el espíritu de la transición energética. "Por eso", dijo recientemente Stefan Kapferer, Presidente de la Junta Directiva de la Asociación Alemana de Industrias de la Energía y el Agua, "tenemos que utilizar cualquier pequeña medida que alivie la situación actual. Una de estas posibilidades es utilizar el excedente en los hogares, es decir, convertirlo en calor". Una cosa es el cambio energético y otra la preparación de las infraestructuras. Y esto incluye, entre otras cosas, la conversión de energía en calor. El mundo de la energía y la calefacción en Alemania se está volviendo más eléctrico con la energía eólica y fotovoltaica. El desacoplamiento natural de la oferta y la demanda que conlleva debe ser compensado sistémicamente. La calefacción cómoda y eficiente con energía que realmente fluctúa permite el power-to-heat, es decir, entre otras cosas, el acoplamiento del sector con una bomba de calor, con un sistema solar térmico y con el almacenamiento intermedio para guardar temporalmente el calor hasta las horas de la tarde u otra ventana de tiempo. Cuanto más aproveche el sistema de control la capacidad de dicho tanque de almacenamiento, más aumentará la eficiencia global del sistema.
Por cierto, esto se aplica a toda integración de un acumulador en un circuito de calefacción, independientemente de quién suministre el calor: una caldera de condensación, madera o pellets, el colector, la cogeneración o la bomba de calor. Pero, ¿cómo se puede llegar al punto óptimo? Ese fue precisamente el tema en Arnsberg.
Figura 2: Fuerzas de flotación: Cuanto más caliente está el agua, más ligera es.
¿Cómo se aborda lo óptimo?
Empecemos con una pregunta: ¿Qué magnitud tienen las fuerzas de flotación que estratifican el agua caliente y la tibia? La excursión a la hidráulica impartida por Hans-Georg Baunach, de la empresa HG Baunach GmbH & Co. KG, llegó a estas cifras tan poco conocidas. La flotabilidad se basa en las diferencias de densidad. El agua a 0 °C pesa 1.000 g por 1 litro, el agua a 100 °C, justo en el punto de ebullición, sólo 950 g. La diferencia de 50 gramos significa que en un depósito de 50 cm de diámetro -y, por tanto, con una superficie de unos 2.000 cm²- una capa de agua de 1 cm de grosor con el consiguiente volumen de dos litros, a grandes rasgos, se esfuerza por subir con una fuerza de compresión de 100 gramos, la flotabilidad de la ebullición en agua helada. Eso no es mucho. Incluso la más mínima perturbación de esta baja dinámica puede acabar con la voluntad de estratificación de los contenidos. Compensación modesta: la ligereza del agua aumenta desproporcionadamente en el rango superior de temperaturas, es decir, a partir de unos 50 °C. En cambio, en el rango frío, entre 0 °C y 20 °C, la diferencia de densidad es relativamente escasa. En otras palabras: cuanto más caliente esté el agua, más estable será la estratificación: y por tanto el contenido de calor utilizable de un tampón o su capacidad de almacenamiento utilizable: Veamos la carga. Cuando el agua está completamente mezclada a 50°C, el calor fluye hacia atrás, por así decirlo, contrarrestando la idea del sistema. Es decir, del buffer a la salmuera de 45 grados del sistema solar conectado, si la salmuera no ofrece más de 45 °C. Si, por el contrario, el contenido se acumula de 30 a 70 °C, lo que significa la misma cantidad de calor que en el caso anterior, el colector puede entregar su ganancia solar a la zona fría del calentador de agua.
Turbulencia destructiva
Hay que reconocer que todo esto no es desconocido. Pero la mayoría de los oyentes admitieron que las consecuencias de la carga y descarga incorrecta de los tanques de almacenamiento no se consideran tan drásticas. O mejor dicho, no sacan la conclusión: que sobre todo la temperatura de retorno de un sistema de calefacción debe ser lo más fría posible. Es el factor decisivo para el contenido de calor utilizable. En primer lugar, debe ser muy bajo, en segundo lugar, el flujo de retorno debe entrar en el buffer muy abajo y en tercer lugar, debe fluir a una velocidad baja. Para no crear turbulencias. Preferiblemente a no más de diez centímetros por segundo. Pero este valor no es una variable de control. Porque, por supuesto, cualquier turbulencia destruye la estratificación. Ya hemos hablado de las fuerzas de flotación. Las turbulencias son las que realmente generan el mal comportamiento del tanque, ya que la producción de calor del flujo depende del caudal y de la temperatura. Si el caudal debe ser de 60 °C y sólo se dispone de agua de almacenamiento de grado 70, debe circular más agua mezclada en comparación con un fluido de grado 80. Un mayor volumen implica un aumento necesario de la velocidad de circulación. Una mayor velocidad de circulación implica un aumento del impulso del agua que fluye hacia el tanque y, por tanto, un aumento de las turbulencias. Baunach, el experto en hidráulica, calculó el efecto: La energía cinética aumenta cuadráticamente con la velocidad del flujo, por lo que la turbulencia aumenta un 77% con un incremento del 33% del rendimiento. Esto actúa como un gran batidor. Mezcla todas las zonas de calor en sólo un pequeño delta T entre la parte superior y la inferior. La consecuencia práctica: "Si la temperatura de la mezcla en la caldera, digamos, no supera los 50 °C, la caldera se pondrá en marcha después de unos minutos al ducharse, a pesar del sistema solar. En cambio, con un reparto 90/30, la caldera permanece apagada durante la ducha e incluso se puede seguir cargando el colector", explica Hans-Georg Baunach.
Más eficiente cuanto más condensado
Tiene preparada la correspondiente diapositiva para casi todas las declaraciones. No espera que todo se entienda en directo de inmediato. "Al principio de muchos cursos de formación de este tipo registramos ojos muy abiertos, arrugas en el ceño y asombro. Por eso tenemos una parte práctica. Lo que suena muy complicado para unos y otros, el experimento de laboratorio lo aclara. Hace que la teoría sea comprensible", resumió posteriormente Hans-Stefan Albers los comentarios del público. Albers es jefe del departamento de ingeniería sanitaria y de calefacción de la Cámara de Artesanos del Sur de Westfalia. Los seminarios de hidráulica forman parte de su programa habitual. Las instalaciones se desmontan entre medias para dar paso a otras demostraciones, pero vuelven a estar disponibles para el siguiente curso, refinadas. Refinado significa, por ejemplo, que la cámara termográfica, que actualmente hace transparente la estratificación, se complementará pronto con un registrador de datos con diez puntos de medición por encima de la altura del tanque. "Entonces podremos presentar temperaturas precisas a los participantes", dice Albers.
Ganancia de carga y descarga de dos zonas
Fig. 1: Principio de carga y descarga de dos zonas con mezclador multivía
Si la temperatura de la capa violeta está por encima del punto de consigna de este sensor, indica a la caldera que es "suficiente". Entonces el quemador se apaga. Por lo tanto, en la práctica, con el principio de una sola zona, sólo está disponible la carrera para el sistema de calefacción. Los dos diagramas del principio de una zona, a la izquierda, y del principio de dos zonas, a la derecha, muestran las condiciones de temperatura durante el llenado y el consumo. Los dos cuadrados discontinuos -con las temperaturas del agua en la abscisa y la altura de la columna de agua en la ordenada- representan la capacidad de almacenamiento teórica. Las áreas parciales dibujadas representan el volumen real de calor utilizable.
Figura 2: Resultados de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach
La explicación de su geometría y de los puntos de medición individuales T de la prueba a largo plazo en Biberach se omite aquí; el factor decisivo es la diferente superficie: las estrategias de carga y descarga con los dos mezcladores multipuerto del diagrama de la derecha están diseñadas para una gran dispersión en el cilindro. Por ejemplo, en un diseño con radiador y calefacción por suelo radiante, sólo el flujo de retorno de 30 °C del sistema de calefacción de baja temperatura fluye hacia el fondo del depósito, mientras que el flujo de retorno del radiador de 50 °C se canaliza hacia la zona de mezcla. Las temperaturas en el tercio superior permanecen igualmente bien estratificadas. El mezclador de flujo puede incluso no utilizar la temperatura más alta, ya que la temperatura de la zona central es suficiente. Por lo tanto, la unidad de cogeneración de calor permanece desconectada. Si el "Rendemix" extrae agua de calefacción de la zona central, se adelgaza y deja espacio para el agua caliente de los "Dachs". En cambio, en el caso estándar del mezclador de tres vías, el retorno mezclado de los radiadores y la calefacción de paneles ya tiene una temperatura superior a 40 °C, en función de la potencia de los dos circuitos de calefacción. En primer lugar, esto va en detrimento de la dispersión. No se puede tomar nada directamente de la zona caliente violeta. En segundo lugar, esto restringe el espacio de almacenamiento para el agua caliente. Y en tercer lugar, la mezcladora tiene que recurrir al valioso suministro de agua caliente para cada temperatura de impulsión, que la máquina debe suministrar durante la prueba.
Figura 3: Reducción de los ciclos de arranque y parada de la unidad de cogeneración con el mismo tiempo de funcionamiento
El resultado: el volumen de almacenamiento utilizable para una carga y descarga de dos zonas con mezclador multidireccional en una configuración de sistema como la de la tesis doctoral es exactamente 2,4 veces mayor que el de la versión de una sola zona. En lugar del "techo" que había en Biberach, también podría haber habido una caldera. Con una combinación de caldera y almacén, las condiciones son exactamente las mismas. Por cierto: los ciclos de arranque y parada del "techo" también se redujeron en un factor de 2,4.
Es muy impresionante "ver a partir de la cantidad de condensado y poder calcular con ella cómo las bajas temperaturas de retorno aumentan la eficiencia de un sistema de caldera de condensación y, en combinación con una estrategia de carga y descarga de dos zonas en lugar de sistemas de una sola zona, la capacidad de almacenamiento de un acumulador de agua caliente", admite el jefe de departamento. Sus confidentes en el centro de formación profesional son principalmente maestros artesanos. Para comprobar en la práctica la eficacia de la hidráulica especial según el método Baunach, "casi basta con poner las manos en las tuberías". Entonces se puede sentir lo que está pasando" - también había invitado a la Comunidad Energética del Sur de Westfalia, que es amiga de la Cámara de Artesanos. Los gerentes y propietarios de la empresa, a pesar de estar en plena vida profesional y, por tanto, muy familiarizados con la hidráulica, quedaron tan impresionados por los resultados como los estudiantes de maestría.
Figura 3: Imagen termográfica del tanque de almacenamiento: inicio de la estratificación
Demasiado engorroso a mano
Como he dicho, el desarrollo de Baunach trabaja a través de las tres tareas de optimización hidráulica, en primer lugar la eficiencia del sistema en la utilización del calor, en segundo lugar la eficiencia del sistema en la distribución del calor y en tercer lugar la eficiencia del sistema en el almacenamiento del calor, con un solo accesorio. Ensamblar esta arquitectura manualmente a partir de componentes individuales requiere un gran esfuerzo y experiencia. Con el "rendeMIX" basta con atornillar los tubos de alimentación y de retorno. El origen del bloque mezclador fue la idea de convertir los sistemas de dos circuitos, costosos y derrochadores de energía, que envían el retorno de alta temperatura de los radiadores a la caldera en lugar de a las bobinas del suelo, en un sistema de un solo circuito que ahorra combustible. Para ello es necesario equilibrar los diferentes volúmenes de agua en el accesorio. A continuación, la empresa amplió la aplicación a la carga y descarga óptimas de depósitos de almacenamiento intermedio de dos zonas y a la conexión de sistemas solares. En el marco de un trabajo de fin de carrera, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Biberach determinó la ganancia de una conexión óptima con un amortiguador y una unidad de producción combinada de calor y electricidad: La carga y descarga de dos zonas con un mezclador cada una aumenta el contenido de calor utilizable de un acumulador en 240% en comparación con el principio de una sola zona (ver cuadro). Naturalmente, la breve prueba de laboratorio realizada en Arnsberg no pudo arrojar este asombroso valor. Ni el equipo ni el tiempo eran suficientes. Sin embargo, las temperaturas medidas y el rendimiento térmico tienden a confirmar los resultados de Biberach.
Fig. 4: Medición del condensado (centro inferior) tras la reducción de la temperatura de retorno de la caldera de condensación. El director de la prueba, Hans-Stefan Albers.
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