Mínimo consumo de calor con el máximo confort
Cómo el mosaico energético "Alter Mühlhof" se convirtió en un sistema eficiente
Un histórico generador de electricidad en el barrio de Haunstetten, en Augsburgo, ya no se ajustaba al espíritu de la época: Sostenible, sí, porque estaba impulsada por energía hidroeléctrica, pero aún así no era lo suficientemente productiva porque se apagaba con frecuencia debido a las temperaturas excesivas. Y la mayor parte del calor se desperdiciaba, a pesar de que la casa y la piscina lo necesitaban. Una empresa artesanal de Bobing reestructuró el aprovechamiento del calor con la ayuda del sistema de mezcla "rendeMIX". El éxito superó todas las expectativas.
Fig. 1: Casa de turbinas y entrada de Lochbach a la turbina "Alter Mühlenhof", Haunstetten. La central hidroeléctrica funciona con la misma turbina desde 1907. Turbina Francis. Hasta 1880, suministró energía mecánica durante muchos cientos de años.
El "Alte Mühlhof" de Haunstetten, Augsburgo, es uno de los monumentos técnicos de la zona de la ciudad de Fugger. El molino de agua del Mühlhof data probablemente del siglo XII o XIII. Hoy en día sigue en funcionamiento. Por supuesto, ya no funciona con una rueda hidráulica de tiro superior o inferior (tiro superior: agua que cae desde arriba sobre las aspas, tiro inferior: agua que cae desde abajo contra las aspas), sino con una tecnología más moderna, una turbina Francis. Desde 1907 "muele" incansablemente electricidad en un generador. Ésta fluye a la red pública. Esta generación ecológica de electricidad es remunerada por el Estado a través de la Ley de Energías Renovables a unos 10 céntimos por kWh, dependiendo de la cantidad. El precio exacto de la empresa de suministro energético de Augsburgo, más adelante. Esto se debe a que contribuye a la amortización de la inversión y tiene mucho que ver con la tecnología de construcción optimizada.
Un monumento a la cultura tecnológica
Fig. 2: El profesor Wilhelm Ruckdeschel ha descrito los 700 años de historia de la central eléctrica de Lochbach en su libro "Industriekultur in Augsburg". Brigitte Settele Verlag, Augsburgo, ISBN 3-932939-44-1.
En el pasado, la energía cinética del arroyo Lochbach accionaba la sierra circular del patio mediante una transmisión, y más tarde un molino de arte. Sin embargo, desde 1880 -la turbina Francis llegó 27 años después- el pequeño río conjura la luz en los salones. A principios de siglo, a algunos de los residentes les debió parecer magia.
Las pérdidas de eficiencia del generador de 76 kW y del sistema mecánico se notan en forma de calor. Cuando el generador funciona a pleno rendimiento, convierte el molino en una sauna. En el pasado, el exceso de temperatura podía ventilarse abriendo ventanas y puertas. Hoy en día, la protección del medio ambiente ya no lo acepta por dos motivos. En primer lugar, no está en consonancia con el espíritu de la época regalar valiosas calorías caloríficas y, en segundo lugar, es probable que los vecinos lleven el asunto a los tribunales si tienen que escuchar los chirridos de la mecánica -alrededor de 60 dB (A)- día tras día. Por otro lado, este testimonio viviente de la cultura industrial altamente desarrollada de la ciudad imperial libre de Augsburgo de finales de la Edad Media tiene hoy un nuevo significado porque la "Wasserkunst", como la llama respetuosamente el historiador técnico de Augsburgo Wilhelm Ruckdeschel, aún en funcionamiento, convierte la energía renovable en electricidad.
Así que el actual propietario del "Alter Mühlhof", la familia Walter Settele, encargó a varias oficinas de planificación y empresas instaladoras que encontraran una solución para la recuperación del calor. El circuito debía tener en cuenta los cinco consumidores diferentes, a saber, en primer lugar la preparación de agua caliente, en segundo lugar el agua de la piscina de la casa principal, en tercer lugar el circuito de radiadores (alta temperatura), en cuarto y quinto lugar dos circuitos de calefacción por suelo radiante (baja temperatura) en la piscina y en el edificio de viviendas.
¿Cómo llega el calor a la piscina?
Fig. 3: La bomba de calor (izquierda, Vitocal/Viessmann) y el cilindro tampón de 300 litros (Vitocell/Viessmann) se encargan de la recuperación de calor en la nave de turbinas.
Como primera fase de la renovación, el cliente aceptó la instalación de una bomba de calor aire/agua (Viessmann) en la caseta de la turbina y una nueva caja de engranajes más silenciosa (Renk AG) para sustituir las llantas dentadas de 80 años de antigüedad. Sin embargo, otras propuestas, algunas de las cuales se llevaron a cabo, no obtuvieron el éxito esperado, o su aplicación fracasó debido a la cuestión de los costes. En algunos casos, la solución iba a costar entre 10.000 y 15.000 euros.
Sin embargo, Walter Settele no se dio por vencido. Por etapas, varias empresas acabaron por parchearle un concepto que no merecía el nombre de "concepto". Seguía gastando demasiado. Expresado en cifras, el consumo de gas en 2006/2007, antes de la remodelación, era de 150.000 kilovatios hora. Una auténtica paradoja: incluso en verano, los Setteles tenían que calentar el agua de la piscina con un costoso calentador de gas porque la turbina se paraba o se desconectaba cuando el generador funcionaba a más de 35 oC. En varias ocasiones superó este umbral. Sólo la bomba de calor aire/agua situada en las inmediaciones del generador hizo lo que se le pedía. Enfrió la temperatura ambiente de la estación del generador hasta un nivel tolerable. Esto permitió utilizar el edificio casi públicamente para demostraciones, cumpleaños, seminarios y otros actos.
Fig. 4: Filtro de agua de piscina. El cilindro negro de la izquierda es el intercambiador de calor para el agua de la piscina.
Si hay un exceso de temperatura en la estación de unos 5 °C, la bomba de calor se pone en marcha y almacena el rendimiento en un acumulador intermedio. Una tubería de calefacción local transporta las calorías así obtenidas a las dos calderas de apoyo (condensación, 2 x 40 kW, Vaillant) y al distribuidor del edificio de viviendas. Si no hay demanda de calor, el generador se apaga (véase el comentario sobre el sobrecalentamiento). Y la demanda se cubrió relativamente rápido en ese momento porque el esquema de conmutación no era capaz de operar los diferentes niveles de temperatura en el lado del consumidor. Se conformaba con tal o cual consumidor.
Nuevo proceso de mezclado múltiple
Fig. 5: Casa principal "Alter Mühlhof". Aprox. 500 m2 de superficie habitable, una sala de piscina y el agua de la piscina se van a calentar.
El resultado fue el ya mencionado y caro consumo de 150.000 kilovatios hora de gas en el suave invierno de 2006/2007, así que Walter Settele decidió volver a intentarlo. Habló con su empresa de instalaciones domésticas, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH, de Bobingen. Con sus 28 empleados, la empresa está bien posicionada para el futuro, especializada en tecnología de calefacción, tecnología solar y fotovoltaica. La empresa prometió un remedio:
A través de publicaciones en esta revista, "Sanitär- und Heizungstechnik", el negocio del maestro artesano entró en contacto hace años con una grifería que no es un producto sino un sistema, el mezclador Baunach. Para anticipar el resultado enseguida: El fabricante del sistema rediseñó el sistema de distribución y control, colocó tres "rendeMIX" entre la fuente de calor y el consumidor de calor, y el relativamente duro invierno de 2008/2009 presentó a los Setteles el resultado: 55.000 kilovatios hora ahorrados. El consumo de gas bajó de 150.000 a 95.0000 kilovatios hora. Esta cantidad no está ajustada al clima, pero es probable que la demanda en 2008/2009 fuera mucho mayor que en el cálido invierno del año de referencia 2006/2007. En este sentido, el ahorro es aún más favorable al proceso.
Fig. 6: Sistema de control libremente programable de Technische Alternative, Amaliendorf/Austria
El mezclador "rendeMIX" representa un nuevo método de distribución del calor y de carga y descarga de acumuladores intermedios. Garantiza las temperaturas de retorno más bajas y, por tanto, las ganancias de calor de condensación más elevadas conectando un circuito de baja temperatura a continuación de un circuito de alta temperatura, convirtiendo así el retorno del primer circuito en el caudal del segundo. Aprovechar el poder calorífico con esta arquitectura es una cosa, reducir a la mitad el volumen de circulación y, por tanto, reducir a la mitad la energía auxiliar para las bombas de circulación es otra. Aparte de que esta conexión en serie se gestiona con una bomba de circulación menos.
Temperaturas de retorno más bajas
Fig. 7: Circuitos de calefacción de los subdistribuidores.
La patente de H.G. Baunach GmbH & Co. KG, Hückelhoven, consiste principalmente en un flujo de agua en el accesorio que tiene en cuenta las diferentes condiciones hidráulicas de la calefacción por radiadores y la calefacción por suelo radiante, así como los requisitos de temperatura. Sin la unidad "rendeMIX", una empresa instaladora tendría que dar muchos rodeos e instalar muchos accesorios para conseguir un resultado similar: la temperatura de retorno más baja posible. No sólo las calderas de condensación funcionan de forma más eficiente con el mezclador. Los acumuladores estratificados, los sistemas solares, las bombas de calor, las estaciones de transferencia y las redes de distribución también se benefician de la gran Delta T.
Fig. 8: Grupo de mezcladores. Las tres unidades de la izquierda son los mezcladores multivía "rendeMIX", las dos unidades de la derecha son cajas de grifos para el suministro de calor no regulado del intercambiador de agua de la piscina y la preparación de agua caliente (en la imagen Johannes Jacob, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH).
Johannes Jakob, de la empresa Albert Kohl, explica el principio con el ejemplo de Haunstetten: "En principio, el mezclador multipuerto se divide en una zona caliente, una templada y una fría. Como lo instalamos después de un circuito de alta temperatura, la zona caliente es el retorno a 60 grados del intercambiador de calor de la piscina o del calentador de agua. Estos dos consumidores son controlados directamente por el agua caliente del distrito procedente de la central de turbinas o por las calderas de gas".
La bomba de calor de la casa de la turbina o del generador genera el flujo hacia los consumidores, que puede llegar hasta los 80 grados, con un coeficiente de rendimiento anual que sigue siendo bastante aceptable, ya que el aire ambiente aspirado puede alcanzar hasta los 40 grados. oC. "Ahora enviamos el flujo de retorno de 60 grados del intercambiador de calor de la piscina al circuito de radiadores de los pisos superiores del edificio de viviendas y a los dos sistemas de calefacción por suelo radiante. Tres unidades "rendeMIX" controlan el caudal y la temperatura. ¿Qué ocurre en rendeMIX 1, responsable de los radiadores? En primer lugar, se ajustan a 60/40 oC. El 60 oC, sin embargo, sólo lo necesitan en el periodo más frío del año. En la mayoría de los casos, el mezclador se alimenta o bien del retorno de la piscina, que todavía puede estar a 55 °C al nivel del rendeMIX 1 oC, o añadir agua más fría del circuito de retorno del radiador, que sólo tiene 40 oC tiene".
Tres veces "rendeMIX
Aunque el retorno del radiador se fusiona con el retorno de la piscina/agua caliente y con los retornos de los dos sistemas de calefacción por suelo radiante para formar una única línea, existe naturalmente un gradiente de temperatura hacia la caldera a lo largo de la línea, debido también a la alimentación de retorno de los circuitos individuales.
Volver a Johannes Jakob. "rendeMIX 2" utiliza el radiador de retorno como caudal para el circuito del suelo de la piscina. La hidráulica aquí es similar a la que acabamos de describir, pero con una modificación. Si el radiador de retorno no es suficiente para calentar el recinto de la piscina a temperaturas bajo cero, rendeMIX 2 añade agua caliente del caudal de la tubería de calefacción local. Si las condiciones meteorológicas permiten temperaturas más bajas del agua de calefacción, rendeMIX 2 extrae agua fría de la tubería de retorno."
MIX 3 para los sistemas de calefacción por suelo radiante "residenciales" de los pisos superiores sigue el mismo patrón; Johannes Jakob conectó los dos circuitos de suelo radiante en paralelo. Dividió la calefacción de baja temperatura en dos circuitos principales porque la calefacción de la casa de baños, que funciona todo el año, y la calefacción residencial, que funciona medio año, tienen temporadas de calefacción completamente diferentes, y los volúmenes de agua calculados también difieren considerablemente. La conexión en paralelo permite optimizar el suministro de calor.
No del todo paralelo
Por lo tanto, la "conexión en paralelo" no refleja correctamente la realidad. Si ambos sistemas de calefacción por suelo radiante están en funcionamiento, la temperatura de impulsión del último rendeMIX, rendeMIX 3, es inferior a la temperatura de impulsión de rendeMIX 2, porque el caudal de retorno del sistema de calefacción por suelo radiante precedente (rendeMIX 2) ha hecho descender el caudal de retorno total unos grados. Este es precisamente el objetivo, hacer circular el agua más fría en el intercambiador de calor de condensación. Por lo tanto, rendeMIX 3 debe, en general, extraer más agua de las secciones de mayor temperatura y mezclarla que rendeMIX 2 para alcanzar el punto de consigna deseado.
Aquí se describen los procesos y la función de las estaciones "rendeMIX". Por supuesto, todo ello debe ir acompañado de una técnica de control eficaz y una estrategia de control razonable. Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH confió en la experiencia del departamento de planificación de H.G. Baunach GmbH & Co. KG, que les ayudó con su software en el diseño y ajuste de las unidades mezcladoras. El especialista austriaco en control Technische Alternative, de Amaliendorf, se encargó de configurar la red. Su gama de productos abarca desde sencillos reguladores diferenciales hasta reguladores multilazo para la gestión solar y de bombas, pasando por multitalentos de libre programación para casi todas las aplicaciones. Esto es exactamente lo que buscaba Albert Kohl GmbH, un sistema de control que no esté sobrecargado de funciones no solicitadas y, por tanto, propenso a fallos de funcionamiento, sino que esté adaptado a la aplicación específica.
Recompensa de la empresa de servicios públicos de Augsburgo
Sus sensores deciden, por ejemplo, si el agua de tampón fluye directamente a los serpentines de las tuberías del suelo y a los radiadores o si la caldera o calderas tienen que añadir calor. El agua tampón del cilindro de 300 litros no tiene constantemente 70 u 80 oC. En invierno, el calor residual del generador no es suficiente para garantizar el confort en la vivienda. En ese caso, la caldera sólo puede cargar a 30 o 40 oC encendido. Por lo tanto, la línea de calefacción local suele pasar por una de las dos calderas, independientemente de que vaya a arrancar o no.
Gracias a la recuperación de calor, la caja de engranajes renovada, el sistema de conmutación inteligente y una inversión superior al 50% de un sistema nuevo, Stadtwerke Augsburg corrigió la tarifa de alimentación específica. La "Alte Mühle" entra ahora en el ámbito de aplicación de la Ley de Energías Renovables de la EEG, así como de la Ley de Calor de Energías Renovables del EEWG. Como resultado, la remuneración ha subido de 7,65 a 9,67 ct/kWh. Con los cerca de 400.000 kilovatios hora de electricidad que se generan ahora anualmente, ahora retornan unos 40.000 euros, 8.000 euros más que hace dos años. La mezcladora Baunach puede atribuirse parte del mérito, pero en cualquier caso por los 55.000 kWh de reducción de gas ahorrados.
Fig. 9: El propietario Walter Settele delante del generador de 76 kW de la turbina Francis.
Johannes Jakob: "Lo que nos encontramos fue un confort mínimo con un consumo elevado. Con la nueva estrategia de control y las unidades 'rendeMIX', pudimos convertir el sistema al tipo 'mínimo consumo de calor con máximo confort'. Probablemente no haya una forma mejor y, sobre todo, más segura de invertir el dinero".
Bernd Genath
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