Gli impianti sportivi non devono essere un parente povero
Caso di studio Sistema di riscaldamento alimentato da cogenerazione Centro tedesco di tennis da tavolo
I singoli componenti della tecnologia di riscaldamento e le nuove tecnologie di riscaldamento nella ristrutturazione Centro tedesco di tennis da tavolo di Düsseldorf Pertanto, l'enfasi su "innovativo" non è appropriata perché i componenti hanno superato da diversi anni la fase di innovazione: I sistemi di caldaie a condensazione e di cogenerazione sono ormai all'avanguardia e il principio del miscelatore a più vie è sempre più diffuso. Ciò che rende l'installazione nella DTTZ comunque degna di nota è l'ubicazione dell'esemplare fornitura di calore, ovvero nell'impianto sportivo, che normalmente è il parente povero in termini di tecnologia di riscaldamento, l'intelligenza della combinazione di dispositivi in termini di circuiti e la sua documentata efficacia.
I committenti pubblici hanno deliberatamente investito in servizi tecnici edilizi esemplari, che costituiscono un esempio per strutture simili. Naturalmente, il pacchetto di ristrutturazione può essere un modello esemplare solo se dimostra il suo valore. Tuttavia, i primi risultati sono già chiaramente a favore, come si evince dai rapporti di misurazione informativi. Una delle pietre miliari del secondo posto della squadra tedesca di tennis da tavolo ai Campionati Mondiali di Tokyo 2014 si trova a Düsseldorf. Più precisamente, nel quartiere di Grafenberg e nel Centro tedesco di tennis tavolo DTTZ (immagine 1), che si trova negli edifici del tradizionale club Borussia Düsseldorf. Le teche del Borussia contengono una miriade di trofei per i campionati tedeschi vinti. I giocatori del club fanno regolarmente parte dell'élite mondiale assoluta, come Steffen Fetzner e Jörg Rosskopf, che hanno vinto il doppio ai Campionati del Mondo del 1989, o l'attuale professionista Timo Boll. Ha compiuto l'impresa di raggiungere temporaneamente il numero uno della classifica mondiale davanti allo strapotere cinese.
Immagine 1: Centro tedesco di tennis da tavolo di Düsseldorf (DTTZ)
Unico in Germania
Nel 2006, l'Associazione tedesca di tennis da tavolo (DTTB) ha trasferito il suo centro talenti da Heidelberg a Düsseldorf. La struttura e le opportunità offerte dal Borussia, campione in carica, offrivano strutture più efficienti per la promozione delle future generazioni. Ciò significa che sia la DTTB che i finanziatori del progetto - la città di Düsseldorf (50 %), lo Stato della Renania Settentrionale-Vestfalia (30 %) e il governo federale (20 %) - hanno naturalmente grandi aspettative sull'investimento di 5 milioni di euro nella base nazionale (con collegio).
Il fatto di essere attualmente il numero 2 dietro la Cina soddisfa questo tipo di richiesta alla squadra nazionale. Tuttavia, la sostenibilità di una posizione di vertice dipende in parte dal continuo utilizzo e dalla fruibilità dell'impianto, cioè dalla sua attrattiva. Le parti coinvolte erano quindi consapevoli che avrebbero dovuto sostenere dei costi successivi. Quando il centro di allenamento e competizione è stato consegnato al DTTB nel 2006, i progettisti hanno stimato in 200.000 euro i costi operativi annuali per le sole attrezzature tecniche. Una delle ragioni di questa voce relativamente alta si nasconde nell'intreccio tra vecchio e nuovo. Il progetto realizzato con l'integrazione della base nazionale nella proprietà del club di Grafenberg doveva sfruttare il più possibile le installazioni esistenti in termini di approvvigionamento energetico, cosa che generalmente si applica alle ristrutturazioni. Più di 5 milioni di euro per gli edifici e la tecnologia non erano disponibili.
Nuovo e vecchio a coda di rondine
Figura 2: Parte del sistema di ventilazione
Il complesso edilizio risale al 1994, quando fu costruito da un appaltatore generale olandese. Il subappaltatore aveva portato dai Paesi Bassi la tecnologia di riscaldamento a gas atmosferico. Tuttavia, sia l'appaltatore generale che il produttore dell'impianto si sono ritirati dopo la costruzione. L'azienda Florack GmbH, con sede a Düsseldorf, si è quindi occupata dei servizi dell'edificio per molti anni. Ciò ha comportato un notevole lavoro. Il vecchio impianto ha sviluppato difetti in tempi relativamente brevi, dal sistema di controllo ai difetti nel sistema di riscaldamento monotubo, ad esempio nelle valvole. Le linee ne avevano in abbondanza: ben 240. Le riparazioni e le ristrutturazioni parziali riempivano il portafoglio ordini. A un certo punto è stato aggiunto un sistema di ventilazione per la grande hall, per cui la caldaia non era più in grado di mantenere gli edifici a una temperatura confortevole, anche quando era in funzione 24 ore al giorno. I 120 kW aggiuntivi per il sistema di ventilazione hanno superato la sua riserva di potenza. Per il momento, il generatore di calore non aveva altra scelta che distribuire un'insufficienza.
Immagine 3: la tecnologia di ventilazione ha ricevuto una fase di deumidificazione solo negli anni successivi. Prima della misura, i professionisti giocavano in giornate sfavorevoli, letteralmente avvolti da un velo di umidità. Nella foto a destra il dipendente DTTZ e tecnico edile Danilo Enz, sullo sfondo accanto a Peter Weber il consulente CHP Thilo Braun di Vaillant
Questa carenza è diventata sempre più evidente con la crescente popolarità del tennis da tavolo, grazie al successo della squadra nazionale e del club Borussia Düsseldorf: aria umida e bagnata all'interno, anziché condizioni di aria interna orientate verso l'esterno. Orientato in avanti significa che lo sport con la celluloide è generalmente noto per la sua suscettibilità al vento e alle correnti d'aria. Il pallone leggero come una piuma pesa solo 2,7 grammi, per cui quasi ogni brezza laterale lo spinge nella direzione desiderata. Meno nota è invece la notevole influenza dell'umidità sulla traiettoria. I professionisti giocano con il topspin. Questa particolare tecnica di colpo fa ruotare la palla, rendendo difficile prevederne la direzione dopo il rimbalzo sul tavolo.
Quasi nessun topspin in condizioni di umidità
Maggiore è l'attrito tra palla e mazza, maggiore è lo spin. L'umidità, invece, indebolisce il risultato. Ricopre letteralmente il rivestimento della racchetta con una pellicola lubrificante. La palla perde spin e diventa prevedibile per l'avversario. Il vecchio sistema era impostato in questo modo: I pannelli radianti a soffitto (vedi Fig. 1) funzionavano fondamentalmente in combinazione con un'elevata percentuale di aria esterna. L'aria di mandata scorreva sotto il soffitto verso le bocchette senza essere deumidificata, riscaldandole e spingendole verso il basso. Questo aumentava l'umidità relativa nella sala, soprattutto nelle giornate umide e piovose. Durante le partite della Bundesliga o della nazionale con un migliaio o più di spettatori, l'umidità si aggirava già intorno al limite consentito. "Ammissibile" qui non si riferisce alle condizioni di comfort igienico, "ammissibile" si riferisce alla palla e alla racchetta di celluloide. "Nei giorni più sfortunati, giocavamo letteralmente nella nebbia", dice Jo Pörsch, amministratore delegato del Borussia Düsseldorf e. V., guardando al passato. Nel 2009, l'impianto di ventilazione (Fig. 2) è stato quindi ristrutturato per creare un sistema di condizionamento dell'aria, impedendo all'aria fresca di passare attraverso i radiatori a soffitto - pur mantenendo i pannelli con l'acqua calda che vi scorre - e incanalandola invece attraverso un adeguato stadio di deumidificazione (Fig. 3), come una delle prime misure di retrofitting. Questo retrofit ha garantito che il gioco potesse essere riprodotto correttamente.
Cogenerazione economica
Immagine 4: La produzione di calore (ed elettricità) nella rinnovata DTTZ è assicurata da un'unità di cogenerazione Vaillant con una potenza elettrica di 4,7 kW e termica di 12,5 kW e da una caldaia a condensazione a gas "Ecocraft". A destra, l'ingegnere impiantista Peter Weber dell'azienda costruttrice di impianti Florack GmbH, Düsseldorf; al centro, il consulente energetico Martin Halbrügge di Ecoteam, Halver. All'estrema sinistra lo sviluppatore di rendeMIX Hans-Georg Baunach
Con questa e altre espansioni, il tempo della caldaia a gas atmosferico era finalmente giunto al termine. Come indicato, era comunque in grado di fornire all'immobile una temperatura di mandata massima di 40 °C durante il periodo di riscaldamento. Nel 2013, quindi, i servizi dell'edificio sono stati completamente rinnovati, anche con una caldaia a gas a condensazione, supportata da una piccola unità di cogenerazione su consiglio dell'agenzia ambientale della città di Düsseldorf. Perché l'Agenzia per l'Ambiente? Perché l'autorità della capitale statale offre alle società sportive una consulenza sugli impianti ad alta efficienza energetica nel contesto del dibattito sul clima. L'efficienza energetica non è necessariamente una priorità assoluta in molte proprietà dei club. Sebbene il team di gestione di ogni club osservi con sospetto l'andamento dei costi energetici e operativi, questi sono raramente tra i principali argomenti di lavoro, in considerazione degli interessi eterogenei dei soci. I soci vogliono innanzitutto una fornitura di calore funzionante, non una fornitura economica. Il settore pubblico, invece, in quanto ente finanziatore o sovvenzionatore, vede l'elettricità e il riscaldamento soprattutto come un fattore di costo. A proposito del fattore costo: perché le autorità pubbliche hanno deciso di optare per una piccola unità di cogenerazione, nonostante le finanze notoriamente ristrette della città? "C'è un interesse pubblico per gli impianti sportivi. Quando si tratta di investimenti, il settore pubblico contribuisce con una certa percentuale. Questo vale per tutti gli impianti sportivi distrettuali. Se ora si tiene conto anche dei requisiti ecologici, la città è anche disposta ad accettare una sovvenzione leggermente superiore. È quello che è successo in questo caso", spiega il consulente energetico semi-ufficiale Martin Halbrügge. Il suo studio di ingegneria IAS Halbrügge ha affidato all'agenzia ambientale la gestione energetica della DTTZ, con la creazione di un piano generale - da qui l'attributo "semi-ufficiale".
Cruciale: analizzare i profili di carico
Figura 5: L'angusto locale dell'impianto richiedeva un'installazione compatta.
A rigore, non si tratta solo di un interesse pubblico, ma di un edificio pubblico. Il nuovo edificio che è stato aggiunto nel 2005/2006 con la costruzione del Centro tedesco di tennis da tavolo sul sito del Borussia è comunale. Anche i giocatori di smallball hanno costruito il loro edificio in mattoni nel 1994, in gran parte con finanziamenti federali, statali e comunali, perché già allora la struttura di allenamento era importante al di là del livello del club. "Il nostro lavoro di base", spiega l'ingegnere specializzato, "è consistito inizialmente nell'analisi dei consumi. L'unità di cogenerazione è stata la scelta più ovvia quando sono emersi i requisiti termici ed elettrici. Termico: solo nelle 16 camere d'albergo, l'acqua delle docce scorre da due a tre volte al giorno, cioè dopo ogni sessione di allenamento, per oltre 300 giorni all'anno. Quando non ci sono corsi di formazione, gli espositori e i visitatori delle numerose fiere di Düsseldorf amano soggiornare nell'hotel. I requisiti elettrici per l'illuminazione, le pompe e le attrezzature esistono comunque tutto l'anno". Martin Halbrügge ha registrato i profili di carico e ha calcolato un enorme risparmio sui costi se fosse stata installata un'unità di cogenerazione, dato che il complesso consumerebbe o potrebbe consumare l'elettricità che produce da solo per 8.000 ore o più all'anno. L'unità "Ecopower" scelta da Vaillant (Fig. 4), con una potenza di 12,5 kW termici (4,7 kW elettrici), sembra modesta rispetto al fabbisogno termico totale di 280 kW, ma i 280 kW tengono conto dello scenario invernale più sfavorevole, con le sale di allenamento piene, l'occupazione degli alberghi, le competizioni (tribune per gli spettatori) e altri additivi. Il fabbisogno termico di un centro sportivo con albergo è soggetto a notevoli fluttuazioni.
Nessuna perdita dovuta al nuovo EEG
Tra l'altro, grazie alla potenza elettrica di 4,7 kW, le nuove disposizioni sul pagamento della sovrattassa EEG non incidono sulla redditività della "Ecopower". Sebbene il nuovo impianto di cogenerazione (che entrerà in funzione dopo il 1° agosto 2014) debba ora contribuire finanziariamente all'espansione delle "energie rinnovabili", la cancellazione della precedente esenzione dalla sovrattassa EEG riguarda solo le macchine con una potenza elettrica superiore a 10 kW. "E con il contratto di manutenzione, l'operatore è al sicuro. Anche se non devono preoccuparsi troppo dell'affidabilità del gruppo elettrogeno. Lavoriamo con Remscheid da anni, sia in termini di cogenerazione di energia elettrica e termica che di generazione di calore a gas, e non ci sono mai stati problemi degni di nota", afferma Peter Weber, amministratore delegato di Florack GmbH, spiegando perché ha consigliato al suo cliente di abbinare l'"Ecopower" alla caldaia a condensazione "Ecocraft". Peter Weber ha ricevuto il supporto progettuale per quanto riguarda la tecnologia energetica Vaillant da Thilo Braun, ingegnere laureato e tecnico commerciale per le energie rinnovabili presso una delle aziende leader a livello mondiale per la tecnologia del riscaldamento e dell'energia (fatturato Vaillant 2013 totale del gruppo 2,381 miliardi di euro, 12.000 dipendenti). La competenza di Florack GmbH in materia di cogenerazione è stata messa a disposizione del cliente DTTZ sotto forma di una quasi-licenza rilasciata da Vaillant. Il produttore è preoccupato per il rischio che il suo nome di leader venga offuscato da una lavorazione scadente. Il danno potrebbe gettare un'ombra sull'intero marchio. Per questo motivo, solo i clienti Vaillant che hanno seguito una formazione intensiva in fabbrica ricevono la tecnologia CHP, la manutenzione e i ricambi e la garanzia.
Il principio di miscelazione a più vie come via d'uscita
Figura 6: Installazione del miscelatore per cinque circuiti di riscaldamento più un circuito ad alta temperatura non regolato (ventilazione, a destra). I circuiti di riscaldamento controllati da "rendeMIX" servono, tra l'altro, i pannelli radianti a soffitto (sala grande) e gli impianti a radiatori (hotel, sala piccola, spogliatoio). Per maggiori dettagli, vedere anche la sezione "Analisi delle registrazioni di temperatura".
L'unità di cogenerazione e la caldaia sono accompagnate da un serbatoio di accumulo sufficientemente dimensionato per ottimizzare l'efficienza. La ristrutturazione ha incluso anche la sostituzione del sistema di distribuzione del calore, parzialmente fatiscente. Come già detto, alcuni miscelatori e valvole non funzionavano più e le pompe rientravano nella categoria dei "dissipatori di energia". Tuttavia, il centro tecnico era già pieno zeppo (Fig. 5). Il sito non consentiva un ulteriore ampliamento. Le parti coinvolte hanno quindi dovuto ricorrere a un sistema compatto con un volume di stoccaggio moderato di 1.500 litri per l'intero campo sportivo e alberghiero e implementare alcune caratteristiche tecniche speciali per evitare di dover scendere a compromessi in termini di efficienza. L'integrazione del miscelatore a più vie "rendeMIX", ad esempio, è stata una scelta ovvia. Solo questo sensibile sviluppo (Fig. 6) rende possibile, in linea di principio, la gestione di un serbatoio di accumulo relativamente piccolo: la valvola di controllo garantisce una stratificazione significativamente più stabile e un caricamento e uno scaricamento a risparmio energetico. Di conseguenza, il circuito si traduce in un buffer che, grazie alla carica e alla scarica a due zone, offre una capacità quasi doppia rispetto a un sistema di carica e scarica convenzionale a una zona con lo stesso contenuto.
Il caldo rimane caldo più a lungo
Inoltre, il miscelatore non rimanda l'acqua calda di ritorno al bollitore, se necessario, ma direttamente ai circuiti di riscaldamento per i quali la temperatura di mandata dai pannelli radianti a soffitto, ad esempio, è compresa tra 45 e 50° C. Questo livello è del tutto sufficiente per alcuni circuiti a bassa temperatura come portata. Questo livello è del tutto sufficiente come flusso per alcuni circuiti a bassa temperatura. "Qui combiniamo due tecniche: lo scarico a doppia zona, in cui prendiamo prima l'acqua calda dal centro e la raffreddiamo prima di accedere alla preziosa acqua calda della zona tampone superiore, con l'utilizzo del flusso di ritorno. Ciò significa che le linee del circuito ad alta temperatura mettono il loro flusso di ritorno a disposizione delle connessioni del centro come flusso" (Fig. 8), afferma Hans-Georg Baunach, sviluppatore del "rendeMIX", spiegando lo schema di risparmio. La prevenzione della legionella e l'approvvigionamento igienico di acqua potabile erano naturalmente tra le priorità della ristrutturazione e dell'ammodernamento. Per i progettisti non è stato facile rispondere alla domanda su come coprire i picchi di domanda. Un centro di formazione e un hotel non rientrano nelle consuete regole di dimensionamento dei serbatoi di stoccaggio. Il produttore di impianti Florack e l'ufficio di Halbrügge hanno quindi inizialmente implementato dei contatori di acqua calda per analizzare i consumi. Su raccomandazione di Vaillant e dopo aver analizzato i risultati delle misurazioni, hanno installato il sistema "Zeeh" di Joachim Zeeh di Bockau/Erzgebirge in Sassonia per la sua elevata flessibilità. Il fornitore di cogenerazione di Remscheid collabora da tempo con l'azienda sassone.
Scaldabagno con turbocompressore
Fig. 7: Il circuito della caldaia passa attraverso due valvole di commutazione (con attuatori di colore arancione). In modalità di riscaldamento a compensazione climatica (con modalità di priorità dell'acqua calda sanitaria), il miscelatore multiplo preleva l'acqua grigia dalla parte inferiore del buffer 40 (Fig. 8), la immette nella caldaia e la riporta al collegamento centrale tramite la posizione della valvola corrispondente. In modalità prioritaria, entrambe le valvole si commutano, cioè il miscelatore preleva dal centro e reimmette nella parte superiore.
Figura 8: Connessioni del buffer con attualmente 65 °C nella parte superiore, 44 °C nella parte centrale e 40 °C nella parte inferiore.
In linea di principio, si tratta di un bollitore tampone con riscaldamento integrato dell'acqua calda sanitaria in modalità flow-through (Fig. 9). Nella parte superiore, nella zona calda del bollitore, un tubo d'acciaio corrugato (cioè con un'ampia superficie) è sospeso coassialmente in un tubo di rivestimento. Questa unità forma quindi uno scambiatore di calore in controcorrente: l'acqua fredda scorre verso l'alto nel tubo corrugato in acciaio inox e l'acqua di riscaldamento scorre verso il basso dal punto più caldo del bollitore per essere raffreddata (circa 15 °C) e immagazzinata nel punto più basso. Tutto ciò avviene principalmente senza energia elettrica. Solo in caso di picchi di erogazione o di basse temperature del bollitore, una pompa di carica si attiva automaticamente - a seconda della differenza di temperatura e della portata - per modulare e aumentare il flusso ("turbocompressore") al fine di portare rapidamente in temperatura la serpentina con una capacità di circa 40 litri. A causa della mancanza di un tempo di permanenza sufficiente e delle alte temperature, i batteri della legionella non prosperano in questo ambiente.
Figura 9: Sistema di caricamento del bollitore "Zeeh". Quando la temperatura dell'acqua calda sanitaria si abbassa, la pompa di carica si avvia e convoglia ulteriore acqua di accumulo attraverso lo scambiatore di calore tubolare, in modo simile a un sistema di turbocompressore.
Naturalmente, è necessario garantire la disinfezione dei tubi di collegamento. Ciò è garantito da un piccolo scambiatore di calore ad alta temperatura aggiuntivo nel serbatoio, sotto forma di lancia di circolazione integrata nel tubo corrugato, per risparmiare energia di riscaldamento. L'obiettivo è ridurre al minimo i germi nell'intero sistema. L'autorità sanitaria controlla regolarmente questo aspetto, e non solo in base alla nuova ordinanza sull'acqua potabile. Gli edifici pubblici, gli impianti sportivi, le piscine, le scuole e gli asili nido sono sempre stati soggetti a controlli regolari. Dal punto di vista tecnologico, il flusso di ritorno del sistema di circolazione entra nella zona calda del tampone a poco meno di 60 °C, stabilizzando così la stratificazione.
Perché la cogenerazione si inserisce nello schema
Il blocco "Ecopower" di Vaillant produce 70 °C. La temperatura dell'acqua calda viene controllata con estrema facilità. Anche il sistema di ventilazione richiede temperature elevate, in quanto gli scambiatori, relativamente piccoli, devono portare 30.000 metri cubi di aria di mandata a temperatura ambiente ogni ora a temperature di meno 10 °C, per così dire. Il fattore decisivo è la deumidificazione, per evitare la formazione di nebbia nel capannone. Il sistema inizialmente raffredda l'aria per la deumidificazione, ma poi deve portare l'aria fredda al livello dell'aria di mandata a una temperatura relativamente alta in un breve lasso di tempo con una superficie di scambio limitata. Questi picchi di temperatura sono forniti "automaticamente" dall'unità di cogenerazione. In ogni caso, i produttori di caldaie richiedono generalmente una limitazione della diffusione massima, e l'unità di cogenerazione soddisfa questo requisito. 
Infatti, finché il sistema è in grado di funzionare in modalità controllata dalle condizioni atmosferiche per coprire il carico di riscaldamento in un intervallo di temperatura inferiore a 50 °C, l'unità di cogenerazione cercherà di caricare la parte superiore del buffer con il picco di temperatura necessario per consentire alla caldaia di fornire il livello di bassa temperatura in modo da risparmiare energia. I segnali di temperatura delle valvole di commutazione determinano il funzionamento della caldaia a condensazione o dell'unità di cogenerazione. VUV significa valvola di commutazione di mandata e RUV significa valvola di commutazione di ritorno. I diagrammi mostrano alcuni degli stati di temperatura e di funzionamento. Prima della ristrutturazione (diagramma in alto), la caldaia (rossa) forniva una temperatura elevata 24 ore su 24 per i pannelli radianti a soffitto e la ventilazione, senza alcun controllo della temperatura di mandata orientato alla domanda.
Nel secondo diagramma dall'alto, dopo la ristrutturazione, la caldaia a condensazione copre il carico di base attraverso l'accumulatore. In una domenica mite, il 26 gennaio 2014, la caldaia funziona solo di notte tenendo conto del flusso di ventilazione (terzo diagramma). Durante il giorno, la temperatura di mandata oscillava tra i 40 e i 50 °C e la ventilazione era alimentata dal potenziale del serbatoio di accumulo. Tuttavia, quando il sistema di ventilazione si attiva a 50 o 60 kW, il sistema di accumulo raggiunge rapidamente i suoi limiti. La caldaia deve lavorare di più. Il diagramma seguente mostra le curve di temperatura dopo l'installazione del controllo delle temperature di mandata orientato alla domanda.
Analisi delle registrazioni di temperatura
Punto di partenza
I dati di funzionamento dell'impianto di riscaldamento del DTTZ Borussia Düsseldorf (la Figura 10 mostra il fabbisogno del complesso DTTZ) sono stati registrati prima e dopo la ristrutturazione per poter monitorare il successo della ristrutturazione e dell'ammodernamento. Sono state effettuate le seguenti registrazioni: Marzo 2013 ? Consumo di acqua dopo l'installazione di contatori d'acqua negli ingressi del serbatoio dell'acqua calda? Temperature del circuito di riscaldamento? Temperatura della caldaia Agosto 2013 ? Registrazione del comportamento operativo del CHP gennaio-febbraio 2014 ? Temperature di esercizio della caldaia a condensazione e dell'unità di cogenerazione ? Temperature di ritorno di tutti i circuiti di riscaldamento e del sistema di ventilazione separatamente Inoltre, i contatori sono stati letti regolarmente dal momento della messa in funzione.
Valutazione del vecchio sistema
I registri mostrano che il generatore di calore non era più controllato in base alla domanda, ma funzionava alla temperatura massima di esercizio 24 ore su 24 tramite il termostato della caldaia. Le temperature di mandata dei circuiti di riscaldamento venivano regolate in base ai tempi di utilizzo, ma gli scarti erano piuttosto bassi. La ventilazione era sottoalimentata. I contatori dell'acqua installati sono stati utilizzati per determinare il consumo di acqua calda e per ottenere valori di riferimento relativi al carico d'impatto. Le letture dei contatori del gas hanno fornito informazioni sul carico di riscaldamento richiesto.
Figura 10: Domanda nel complesso DTTZ-Borussia
Osservando il comportamento operativo, subito dopo la messa in funzione sono stati migliorati i seguenti punti:
- Comportamento di commutazione dell'unità di cogenerazione
Osservando il comportamento di accensione e spegnimento dell'unità di cogenerazione, è stato possibile ottimizzare il posizionamento dei sensori corrispondenti sul buffer. L'unità di cogenerazione deve sempre avere la priorità nella produzione di calore e allo stesso tempo funzionare il più a lungo possibile, in modo da ottenere anche un'elevata percentuale di elettricità autogenerata. Il posizionamento dei sensori può influenzare il comportamento di commutazione; il posizionamento dipende dall'interazione della capacità del buffer con il consumo di calore dei circuiti di riscaldamento e la preparazione dell'acqua calda.
Dettaglio principio del miscelatore
I due miscelatori a destra si trovano a circa un terzo della scala blu, cioè attualmente sono alimentati solo dalla camera tampone centrale e dal proprio ritorno. Il miscelatore a sinistra preleva circa due terzi dell'alimentazione dalla camera centrale e un terzo dalla camera superiore. Ciascun miscelatore Baunach preleva costantemente acqua calda dall'attacco centrale per gran parte del campo di regolazione. Questo ha il vantaggio energetico che l'acqua proviene o direttamente da un flusso di ritorno dei circuiti ad alta temperatura o dalla camera centrale del buffer. In entrambi i casi, l'acqua è miscelata, il che significa che è meno vantaggiosa in termini di accumulo di calore. L'acqua con i maggiori benefici in termini di accumulo di calore è molto calda o molto fredda. Il prelievo prioritario di acqua miscelata aumenta la capacità di acqua fredda e calda.
- Diffusione della temperatura dei circuiti di ventilazione/riscaldamento
Le particolari condizioni idrauliche del circuito di riscaldamento della ventilazione hanno inizialmente provocato temperature di ritorno elevate e incontrollate, che è stato possibile correggere con l'installazione di limitatori della temperatura di ritorno.
- Curve di temperatura dopo l'ottimizzazione iniziale
Le registrazioni a poco meno di sei mesi dalla messa in funzione del sistema modernizzato dimostrano in modo impressionante i miglioramenti tecnici (si vedano anche le immagini nel riquadro 1):
- Comportamento operativo del generatore di calore
Fig. 11: Il miscelatore a più vie "rendeMIX" lo rende possibile: il flusso di aria condizionata di ritorno a 45-50° C è sufficiente come flusso per i pannelli radianti a soffitto e quindi ha un basso livello di temperatura che garantisce la condensazione nella caldaia a condensazione. Senza un miscelatore Baunach, i guadagni di condensa e il calore supplementare dei gas di scarico andrebbero sprecati.
Il CHP funziona quasi 24 ore al giorno. La caldaia a condensazione si accende solo quando le temperature di mandata necessarie non vengono più raggiunte dal distributore. Il buffer dà a "Ecocraft" il tempo sufficiente per avviarsi e riduce la sua produzione quando le temperature di mandata vengono raggiunte. Mentre l'unità di cogenerazione genera sempre calore a un livello di temperatura elevato, la caldaia a condensazione funziona solo alla temperatura di mandata massima richiesta, il che favorisce l'utilizzo della caldaia a condensazione.
- Trasferimento del carico di riscaldamento da parte dell'unità di cogenerazione
Le curve di temperatura mostrano come il buffer contribuisca a spostare il carico di riscaldamento verso l'unità di cogenerazione. È possibile soddisfare temporaneamente i requisiti di alta temperatura dei circuiti di riscaldamento dal buffer e quindi utilizzare la caldaia a condensazione il meno possibile.
- Utilizzo del calore dei circuiti di riscaldamento
I livelli di temperatura, in particolare le temperature di ritorno, mostrano il potenziale utilizzato dal miscelatore di Baunach (Fig. 11). Le temperature di ritorno relativamente elevate della ventilazione possono essere utilizzate negli altri circuiti di riscaldamento, in particolare nei pannelli radianti a soffitto delle palestre. In questo modo si riduce l'energia ausiliaria e si alleggerisce la generazione di calore. Soprattutto, il maggior raffreddamento del ritorno favorisce l'utilizzo del potere calorifico e la stratificazione nel tampone.
- Preparazione dell'acqua calda senza problemi
Poiché l'acqua calda viene prodotta nell'accumulo e viene costantemente alimentata direttamente dall'unità di cogenerazione, il carico di acqua calda non può essere riconosciuto dalle temperature dell'accumulo. Finora, tuttavia, non si è verificata una sottoalimentazione ai rubinetti, nemmeno nelle ore di punta.
- Consumo di gas, compresa la generazione di elettricità
La valutazione del consumo di gas al contatore principale mostra che il carico di riscaldamento, basato su 24 ore al giorno, non supera i 90 kW. Con riferimento a 15 ore al giorno, il valore sale a 140 kW. Questi valori sono inferiori a quelli del vecchio impianto, sebbene includano comunque il consumo di elettricità. Il guadagno di efficienza dell'ammodernamento è evidente. La presenza di una riserva è giustificabile perché non si può presumere che tutti i componenti del sistema funzionino sempre in modo ottimale e in casi estremi possono verificarsi carichi più elevati (ad esempio, il riscaldamento della sala da freddo).
- Funzionamento dei circuiti di riscaldamento
Le registrazioni della temperatura dimostrano che si ottengono diffusioni relativamente buone, sebbene vi siano dei limiti dovuti al sistema di riscaldamento a tubo singolo. Il livello di temperatura di ritorno nella somma di tutti i circuiti di riscaldamento è vicino al punto di rugiada dei gas di scarico; in un'ulteriore fase di test, verrà registrata e analizzata nuovamente la quantità effettiva di condensa prodotta. È prevista anche l'installazione di limitatori della temperatura di ritorno, simili a quelli dei due registri di riscaldamento dell'aria, per ridurre la potenza della caldaia se la temperatura di ritorno supera un valore limite.
Struttura di base di una ristrutturazione
Requisiti per la progettazione e il funzionamento di un sistema di riscaldamento efficiente e affidabile
Il motivo più comune per la sostituzione di un impianto di riscaldamento è il guasto della caldaia o di altri componenti essenziali come il sistema di controllo. Tuttavia, gli sviluppi tecnici hanno ridefinito il pacchetto di misure da adottare in caso di ristrutturazione di un impianto di riscaldamento. Oggi è necessario prendere in considerazione molti più fattori e armonizzare attentamente i componenti dell'impianto. Di seguito sono riportati i punti chiave, utilizzando l'esempio della ristrutturazione dell'impianto di riscaldamento effettuata presso il TTZ del Borussia Düsseldorf nel 2013/2014.
1. concetto tecnico
Siamo obbligati a utilizzare l'energia con attenzione e a ricorrere a opzioni di generazione di energia rigenerativa e razionale. Prima di sostituire semplicemente una caldaia, dovremmo quindi sempre chiederci quali sono le opzioni disponibili nel corso di una prossima sostituzione della caldaia.
Utilizzo dell'energia solare
- Produzione propria di energia elettrica attraverso la cogenerazione di calore ed elettricità
- Installazione di una tecnologia di generazione di calore altamente efficiente
- Installazione di pompe ad alta efficienza
- Scelta di soluzioni idrauliche particolarmente efficienti
- Selezione di strategie di controllo speciali
La ristrutturazione del centro di riscaldamento DTTZ presenta caratteristiche particolari in quasi tutti i settori che contribuiscono a rendere il sistema efficiente e affidabile. Oltre ai documenti di pianificazione esistenti, il progetto dovrebbe basarsi su misurazioni supplementari o sull'esperienza operativa attuale del sistema esistente. Invece di considerare i margini di sicurezza, i requisiti effettivi dovrebbero essere registrati il più accuratamente possibile. Questo vale in particolare per il carico di riscaldamento richiesto, il fabbisogno di acqua calda e il profilo di carico dell'acqua calda. I seguenti punti possono essere determinati in modo semplice:
Carico di riscaldamento
I punti di riferimento sono la potenza della caldaia esistente, il fabbisogno di carico di riscaldamento calcolato e l'utilizzo attuale della caldaia (letture del contatore per determinare il carico di riscaldamento attuale in funzione della temperatura esterna).
Prestazioni delle pompe di circolazione
Le uscite della pompa impostate devono essere documentate qui.
Programmi orari per i circuiti di riscaldamento collegati
I programmi temporali impostati sul vecchio sistema di controllo devono essere documentati e confrontati con i tempi di utilizzo effettivi. I tempi lunghi sono spesso indice di problemi di approvvigionamento.
Curve di riscaldamento
Anche le curve di riscaldamento impostate devono essere documentate. Se i circuiti di riscaldamento non sono calibrati, spesso vengono utilizzate curve di riscaldamento eccessive.
Quantità di acqua calda
Installando un contatore d'acqua all'ingresso dell'accumulo, è possibile monitorare e determinare il fabbisogno di acqua calda. Questo facilita la progettazione del serbatoio di accumulo e consente una valutazione attenta e affidabile del potenziale di utilizzo dell'energia solare. Accumuli troppo grandi hanno un effetto negativo sul margine di contribuzione solare.
Profilo del rubinetto dell'acqua calda
Il contatore consente inoltre di determinare il profilo del rubinetto se la lettura del contatore è più frequente, soprattutto nelle ore di punta. La conoscenza del profilo di prelievo è di fondamentale importanza per la progettazione dello scambiatore di calore dell'acqua calda. Tenendo conto di tutti i parametri sopra citati, il DTTZ ha sviluppato l'impianto idraulico nel diagramma del circuito adiacente con alcune caratteristiche tecniche speciali.
2 Soluzioni tecniche
2.1 Generazione combinata di calore ed energia
Con un fabbisogno di elettricità superiore a 20.000 kWh/a e un fabbisogno di calore per tutto l'anno, l'uso della generazione combinata di calore ed energia è di solito l'opzione migliore. Una progettazione professionale, l'integrazione idraulica e il controllo garantiscono un funzionamento economico. È necessario prestare attenzione affinché l'unità di cogenerazione raggiunga i tempi di funzionamento più lunghi possibili e che l'elettricità generata sia in gran parte consumata dal sistema stesso.
2.2 Caldaia a condensazione
Mentre gli spread da 10 a 20 K sono comuni con le caldaie convenzionali, le caldaie a condensazione efficaci possono raggiungere anche 20-30 K, che tuttavia è anche il limite per le caldaie. Si dovrebbe puntare a: basse temperature di distribuzione (preferibilmente riscaldamento superficiale), bassa temperatura di ritorno (elevato spread) e funzionamento indipendente dall'aria ambiente (preriscaldamento dell'aria di combustione).
2.3 Serbatoio di accumulo tampone come separatore idraulico
Negli immobili con più circuiti di riscaldamento, il disaccoppiamento idraulico della generazione e della distribuzione del calore ha senso, in quanto è l'unico modo per ottimizzare il funzionamento dei singoli componenti. In molti sistemi, per il disaccoppiamento si utilizzano separatori idraulici. Tuttavia, questi hanno lo svantaggio di distruggere la stratificazione della temperatura e quindi di compromettere l'efficienza delle soluzioni di risparmio energetico come la tecnologia delle caldaie a condensazione, le pompe di calore o la tecnologia solare.
2.4 Bollitore tampone come bollitore combinato per il riscaldamento e la preparazione dell'acqua calda
Poiché la cogenerazione di energia elettrica e termica e la produzione di acqua calda sanitaria traggono entrambe vantaggio dall'accumulo di calore, ha senso realizzare questi requisiti utilizzando un accumulatore combinato in un unico componente. Questo ha anche il vantaggio di risparmiare spazio. In riferimento a questo aspetto, il serbatoio di accumulo deve fungere anche da separatore idraulico con effetto di stratificazione della temperatura. Il serbatoio di accumulo Zeeh utilizzato nel DTTZ soddisfa questi requisiti in modo esemplare.
2.5 Condizioni di funzionamento del riscaldamento (programma orario e livello di temperatura di mandata)
Per poter eseguire curve di riscaldamento basse, è necessario bilanciare idraulicamente i singoli circuiti di riscaldamento, ossia adeguare le portate a pieno carico al carico di riscaldamento determinato. Il bilanciamento idraulico è un prerequisito per le temperature di esercizio minime e la massima diffusione.
2.6 Tecnologia a 3 fili del distributore
Nelle reti di distribuzione ramificate sono solitamente presenti diversi livelli di temperatura. Un esempio tipico è la combinazione di riscaldamento a pavimento, riscaldamento a radiatori e riscaldamento per ventilazione. Le temperature di ritorno di un circuito di riscaldamento a radiatori possono essere facilmente utilizzate come mandata per un circuito di riscaldamento a pavimento. In questo modo è possibile raffreddare e ridurre maggiormente i volumi di acqua circolante, rendendo così più efficiente la generazione di calore (maggiore efficienza della generazione di calore a condensazione, minore fabbisogno di energia ausiliaria delle pompe di circolazione).
2.7 Utilizzo di pompe ad alta efficienza
Sebbene l'uso di pompe ad alta efficienza sia oggi obbligatorio, non si tiene ancora conto del fatto che il passaggio a questa tecnologia funziona senza problemi e con pieno effetto solo se i circuiti di riscaldamento sono idraulicamente bilanciati. Non solo si dovrebbero utilizzare pompe più efficienti, ma si dovrebbero anche ridurre le portate per ottenere elevati spread.
2.8 Limitazione della temperatura di ritorno
L'acqua di ritorno deve essere il più fredda possibile. Questo valore può essere efficacemente regolato utilizzando un limitatore della temperatura di ritorno.
3. ottimizzazione del sistema
Dopo la ristrutturazione o l'ammodernamento di un sistema, è sempre necessario prevedere una fase di adeguamento e di monitoraggio del successo.
3.1 Regolazione
Anche se un sistema complesso può essere calcolato teoricamente, richiede comunque una fase di bilanciamento in modo che le portate e le curve di riscaldamento siano impostate ai valori minimi richiesti in linea con la domanda. È bene che la fase di regolazione sia accompagnata da registrazioni delle curve di temperatura e che queste curve siano accuratamente documentate per valutazioni successive. Può anche essere utile rendere visibili le curve al personale operativo nel locale caldaia.
3.2 Controllo dei consumi
Infine, il controllo dei consumi può essere utilizzato per verificare ancora una volta se il successo desiderato è stato raggiunto. Il monitoraggio dei consumi dovrebbe comprendere almeno la determinazione dei valori annuali; è meglio avere istantanee basate su valori giornalieri, in modo da poter controllare il sistema in qualsiasi momento, anche con breve preavviso.
4. componenti del sistema
4.1 Miscelatore di Baunach
Il miscelatore di Baunach è uno sviluppo per un funzionamento più efficace dei circuiti di riscaldamento. Tra le altre cose, mette a disposizione dei circuiti a bassa temperatura l'acqua calda di ritorno dai circuiti ad alta temperatura sotto forma di flusso. Il vantaggio di questa tecnologia è che i flussi volumetrici da far circolare si riducono e gli intervalli di temperatura aumentano per un utilizzo più efficace del potere calorifico.
4.2 Tecnologia di carica e scarico dei serbatoi tampone
Anche in questo caso, una speciale tecnologia di HG Baunach GmbH & Co. KG, che consente di caricare e scaricare in modo più efficace l'accumulatore tampone. Per reagire rapidamente al fabbisogno di calore, la mandata e il ritorno vengono commutati contemporaneamente, migliorando così anche l'interazione tra i due generatori di calore.
4.3 Riscaldamento dell'acqua calda con scambiatore di calore a tubi ondulati
L'uso di bollitori tampone con scambiatori di calore a tubi corrugati è abbastanza comune nelle gamme di potenza più piccole, ma in realtà è insolito per i requisiti qui richiesti. Tuttavia, poiché questo principio di preparazione dell'acqua calda è considerato molto solido e meno suscettibile, il serbatoio di accumulo è stato progettato dal produttore appositamente per i requisiti speciali del Borussia Düsseldorf. Il vantaggio di questa soluzione è che è possibile rinunciare a stazioni di acqua dolce tecnicamente complesse e avere comunque una preparazione dell'acqua calda estremamente igienica. Grazie a una speciale caratteristica tecnica del bollitore, è inoltre possibile realizzare una maggiore produzione di acqua calda quando necessario. Ciò è particolarmente interessante per i club sportivi, che spesso devono far fronte a picchi di carico a breve termine.
4.4 Combinazione di unità di cogenerazione e caldaia a condensazione
L'integrazione idraulica di una centrale di cogenerazione, nella DTTZ del tipo "Ecopower" di Vaillant, è una delle principali sfide di una centrale elettrica interna. Generando la propria elettricità, l'associazione può rendersi indipendente dall'acquisto di elettricità pubblica nella misura in cui riesce a raggiungere un elevato margine di contribuzione. Il prerequisito per un elevato margine di contribuzione è che l'unità di cogenerazione raggiunga i tempi di funzionamento più lunghi possibili e che il calore generato venga utilizzato in modo sapiente. Il vantaggio economico dipende in modo determinante dall'integrazione idraulica, dal dimensionamento dell'accumulatore tampone e dal corretto posizionamento dei sensori di temperatura che si accendono e si spengono. I primi bilanci dalla messa in funzione, avvenuta in agosto, sono molto promettenti: l'unità di cogenerazione genera più elettricità di quanta ne serva al DTTZ, e solo pochi kilowattora di elettricità devono essere acquistati per colmare i picchi di carico.
Martin Halbrügge, Ecoteam
www.ecoteam-nrw.de
Dipl.-Ing. Bernd Genath è un giornalista freelance di Düsseldorf.
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