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Sistema hidráulico para un elevado tiempo de funcionamiento de la cogeneración

Calentamiento con el calor residual del flujo de retorno

En la modernización del sistema de calefacción de un hotel de Essen, la hidráulica del sistema de calefacción bivalente se configuró con una gestión de amortiguación de dos zonas y el principio de aprovechamiento del retorno. Esto fue posible gracias a la utilización de colectores de mezcla de varias vías para la carga del buffer y la alimentación de los circuitos de calefacción. Gracias al concepto de sistema con una hidráulica optimizada entre la generación y la distribución de calor, la caldera de carga máxima se convirtió en un generador de calor de reserva, y la pequeña unidad de cogeneración funciona prácticamente las 24 horas del día.

Figura 1: La unidad de cogeneración (centro) carga los dos acumuladores intermedios (izquierda) según el principio de dos zonas. La caldera de condensación de gas (derecha), utilizada como caldera de carga máxima, sólo se enciende cuando la temperatura de la zona de acumulación superior desciende por debajo de la temperatura mínima para el calentamiento de ACS.

La pensión del Centro de Formación Profesional Kolping Essen ofrece 14 habitaciones dobles, seis individuales y dos pisos en tres plantas. Dispone de cocina de catering propia. El sistema de calefacción se modernizó por completo en 2009. El concepto del sistema comprende una pequeña unidad de cogeneración (12,5 kWth, 4,7 kWel), una caldera de condensación de gas para la carga punta (120 kW), dos acumuladores intermedios de 500 litros conectados en paralelo y un calentador de agua potable de 500 litros, que se carga mediante un sistema de carga estratificada (Fig. 1).

Información compacta

El tiempo de funcionamiento de la cogeneración no sólo depende del tamaño potencial del disipador de calor, sino que también influye considerablemente la hidráulica del sistema.
Los factores clave son la gestión inteligente de los buffers y la menor temperatura de retorno posible del sistema de distribución de calor.
Ambas funciones, más el aumento de la temperatura de retorno para la cogeneración, pueden realizarse fácilmente con los colectores de mezcla multipuerto rendeMIX. Pueden controlarse mediante reguladores estándar.

Diferentes temperaturas del sistema

Los tres circuitos de consumo existentes funcionan con diferentes temperaturas del sistema:

• Circuito mixto de calefacción por radiadores: 70/50 °C
• Circuito de calefacción del calentador de aire mixto para el sistema de aire acondicionado: 80/60 °C
• Calentamiento de ACS: 85/60 °C

Una de las principales tareas de planificación para el diseño del sistema de distribución de calor era, por tanto, proporcionar la temperatura de flujo correcta para cada circuito de calefacción. Además, había que maximizar el volumen tampón utilizable para conseguir largos tiempos de funcionamiento de la cogeneración. Además, este concepto de sistema debía hacer realidad el principio del aprovechamiento de la temperatura de retorno: Si la temperatura del flujo de retorno de un circuito de calefacción es suficiente para alimentar otro circuito de calefacción con un nivel de temperatura inferior, este calor debe utilizarse primero antes de acceder al flujo.

Figura 2: Para la distribución del calor, se utilizaron los colectores de mezcla multipuerto de HG Baunach GmbH & Co. KG junto con un colector de tres cámaras fabricado por Magra. La secuencia de las salidas del colector se basa en el gradiente de temperatura del flujo de retorno en la dirección del flujo hacia la caldera.

Para ello se utilizaron colectores de mezcla multipuerto rendeMIX que, junto con un colector de tres cámaras especialmente desarrollado (Fig. 2), garantizan las temperaturas correctas del sistema en los tres circuitos de calefacción. Otro colector de mezcla multipuerto se utilizó como enlace entre la unidad de cogeneración y el cilindro tampón. Junto con un regulador de valor fijo integrado, proporciona el aumento de temperatura de retorno necesario para la unidad de cogeneración y, al mismo tiempo, organiza la carga de dos zonas del cilindro de inercia.

La cogeneración cubre casi sola la demanda de calor

El sistema puede supervisarse a distancia a través de los controles de los dos generadores de calor, y también se documentan los datos de funcionamiento y los tiempos de funcionamiento. Unos diez meses después de la modernización, los datos de funcionamiento mostraron que la caldera de carga máxima sólo arranca ocasionalmente y sólo se utiliza para calentar agua potable en verano. Por otro lado, la pequeña unidad de cogeneración instalada supera claramente el rendimiento de funcionamiento previsto: la planificación se basaba en un tiempo de funcionamiento anual de 7000 horas al año. Sin embargo, el motor funciona en realidad más de 23 h/día, lo que corresponde a una utilización de la capacidad de más de 96 % y significa un rendimiento anual extrapolado de al menos 8400 h/a.
En cambio, la utilización de la caldera de carga máxima de 120 kW es de sólo 1,4%. Este valor se basa en los datos de funcionamiento de los meses de verano (calentamiento de ACS). Sin embargo, si se considera el funcionamiento durante todo el año, puede concluirse que los tiempos de funcionamiento de la caldera de carga punta y de la unidad de cogeneración guardan una proporción adecuada entre sí: "Al cargar y descargar los acumuladores intermedios según el principio de dos zonas, la carga térmica se transfiere primero completamente a la unidad de cogeneración antes de que se ponga en marcha la caldera de carga punta", explica Hans-Georg Baunach, responsable del diseño de la hidráulica del sistema (fig. 3).

Edificio pensión Marienstraße

Objeto:

• Casa de huéspedes Marienstraße, 45307 Essen

Operadora:

• Centro de Formación Profesional Kolping Essen
• Sociedad anónima sin ánimo de lucro
• www.kbbw-gaestehaus.de

sistema de calefacción:

• CHP: ecopower, 12,5 kWth / 4,7 kWel
• Caldera de condensación a gas: Vaillant ecocraft 120 6/3, 120 kW
• 2 depósitos de inercia de 500 l
• Acumulador de ACS: Vaillant actostore, 500 l, con sistema de carga estratificada

Planificación hidráulica y colector de mezcla multipuerto:

• HG Baunach GmbH & Co. KG
• 41836 Hückelhoven
• www.baunach.net

Carga y descarga en dos zonas

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  Fig. 3: El rendeMIX conectado entre la unidad de cogeneración y el acumulador intermedio carga el acumulador intermedio según el principio de dos zonas y, al mismo tiempo, proporciona el caudal de retorno a la unidad de cogeneración.

  Mediante el uso de tres conexiones tampón, el cilindro se divide en dos zonas. La zona superior del cilindro de inercia se carga primero a través del colector de mezcla multipuerto situado entre la unidad de cogeneración y el cilindro de inercia (Fig. 4). Sólo cuando la zona superior está completamente cargada se incluye la zona inferior en el proceso de carga. Esto significa que la zona superior tiene una temperatura utilizable más rápida y la zona inferior permanece fría durante más tiempo.

• Esta carga de dos zonas actúa como refuerzo del flujo de retorno para el generador de calor, que se utiliza para cubrir la carga base. El caudal de retorno al generador de calor se alimenta con la mezcla del caudal caliente del generador de calor y el agua caliente de la zona central de acumulación (fase I) o con una mezcla de agua caliente de la zona central de acumulación y agua fría de calefacción de la zona inferior del depósito de inercia (fase II).
• Con descarga de dos zonas, el circuito de mezcla de la distribución de calor se alimenta o bien con una mezcla del agua caliente de la zona intermedia central y el agua fría del retorno del circuito de mezcla (fase I) o bien con una mezcla del agua caliente de la conexión intermedia superior y el agua caliente de la conexión intermedia central (fase II).

Principio de aprovechamiento del rendimiento

• Si hay exceso de calor en el flujo de retorno del sistema de carga estratificada por agua caliente (85/60 °C), el circuito de calefacción del aerotermo mixto se alimenta con el nivel de temperatura disponible. Del mismo modo, el flujo de retorno del circuito de calefacción del aerotermo (80/60 °C) también se utiliza para el circuito de calefacción del radiador (70/50 °C). Dependiendo de la carga, el calor del retorno del calentador de aire mixto se utiliza directamente para el circuito de calefacción de radiadores mixto a través del colector de mezcla multipuerto o se añade al mismo. Sólo cuando la energía calorífica del retorno ya no es suficiente para cubrir la demanda de calor, los colectores de mezcla acceden a los acumuladores intermedios.
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  Figura 4: Los colectores de mezcla multipuerto rendeMIX se controlan mediante los mandos estándar de los generadores de calor.

  La temperatura de retorno más baja del distribuidor de calefacción la proporciona el circuito de calefacción por radiadores (50° C en el estado de diseño). Esta se introduce en una tercera cámara de retorno separada del distribuidor de calefacción y, de este modo, fluye por separado y sin mezclarse de vuelta a la zona inferior del cilindro amortiguador.

• Los colectores de mezcla multipuerto disponen de desviadores internos. Los diferentes volúmenes de agua de los circuitos de calefacción conectados en serie se igualan automáticamente a través de los desviadores.
• El distribuidor de tres cámaras especialmente desarrollado forma parte del programa HG Baunach y es fabricado por Magra.
• Todos los actuadores del mezclador se controlan mediante reguladores estándar con una señal de 230 V de tres puntos en función de la temperatura (Fig. 5).

Fig. 5: Los colectores de mezcla multipuerto rendeMIX distribuyen el calor y alimentan los circuitos de calefacción mezclados con sus respectivas temperaturas del sistema. Las temperaturas de retorno altas se utilizan para los circuitos de calefacción con la temperatura del sistema más baja. Junto con el colector de tres cámaras, se proporcionan bajas temperaturas de retorno para la unidad de cogeneración y la caldera de condensación.

Resumen

Gracias a la carga y descarga en dos zonas, los circuitos de calefacción disponen constantemente de un gran volumen tampón con una elevada temperatura de utilización. El aprovechamiento del retorno garantiza bajas temperaturas de retorno y, por tanto, largos tiempos de funcionamiento del módulo de cogeneración. También hay que mencionar que el control de la unidad de cogeneración y la caldera de condensación no están interconectados. Esta "libertad" de control es consecuencia de la estratificación, que se establece por etapas en el acumulador intermedio: esto permite establecer la prioridad de los generadores de calor de forma sencilla pero precisa a través de la posición de los sensores asociados.
El control de la caldera de condensación por gas supervisa la temperatura mínima establecida para el calentamiento de ACS en la zona superior del acumulador intermedio. Sin embargo, mientras la cogeneración proporcione suficiente calor, la temperatura nunca desciende por debajo de esta temperatura mínima. En consecuencia, el funcionamiento de la caldera es marginal en comparación con los tiempos de funcionamiento de la cogeneración: Los datos de funcionamiento muestran, por ejemplo, que en un periodo de 210 horas en junio, la caldera de condensación sólo tuvo que cumplir su función de caldera de carga máxima para el calentamiento de ACS durante 3 horas. Incluso en invierno, los tiempos de funcionamiento de la unidad de cogeneración se mantienen constantes a pesar de que la caldera funciona a diez veces su capacidad. A pesar de la optimización de la hidráulica del sistema, la gestión de los acumuladores intermedios y el aprovechamiento del caudal de retorno, el esfuerzo de ingeniería de control se redujo al mínimo. Los actuadores de los colectores de mezcla rendeMIX se controlan a través de los mandos, que son componentes estándar de los generadores de calor utilizados.

PRINCIPIO FUNCIONAL rendeMIX

El actuador del colector de mezcla multipuerto rendeMIX sólo conecta dos de sus tres entradas a la única salida (A), de modo que o bien caliente (E₁) con caliente (E₂) o caliente con frío (E₃). De este modo, se utiliza la mayor cantidad posible de agua caliente disponible y sólo se añade una pequeña cantidad de agua caliente o fría. De este modo se maximiza la temperatura disponible en la red de agua de calefacción y, al mismo tiempo, se reduce la temperatura de retorno al generador de calor. El actuador puede controlarse mediante cualquier regulador compensado por las condiciones meteorológicas (señal de tres puntos de 230 V) de los accesorios de la caldera. Como alternativa, existe un actuador con regulador de valor fijo integrado.

Wolfgang Heinl escribe como periodista especializado en el sector de la climatización,

88239 Wangen im Allgäu,

wolfgang.heinl@t-online.de

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