Sistema idraulico per un lungo periodo di funzionamento della cogenerazione
Riscaldamento con il calore residuo del ritorno
Durante l'ammodernamento dell'impianto di riscaldamento di una struttura alberghiera di Essen, l'impianto idraulico del sistema di riscaldamento bivalente è stato impostato con una gestione tampone a due zone e il principio dell'utilizzo del ritorno. Ciò è stato possibile grazie all'utilizzo di collettori di miscelazione a più vie per il caricamento del tampone e l'alimentazione dei circuiti di riscaldamento. Grazie al concetto di sistema con un sistema idraulico ottimizzato tra la generazione e la distribuzione del calore, la caldaia per i picchi di carico è diventata un generatore di calore di riserva e la piccola unità di cogenerazione funziona quasi tutto il giorno.
Figura 1: L'unità di cogenerazione (al centro) carica i due bollitori tampone (a sinistra) secondo il principio delle due zone. La caldaia a gas a condensazione (a destra), utilizzata come caldaia di picco, si accende solo quando la temperatura nella zona tampone superiore scende al di sotto della temperatura minima per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria.
La pensione del Centro di formazione professionale Kolping di Essen offre 14 camere doppie, sei camere singole e due appartamenti su tre piani. La struttura dispone di una propria cucina per la ristorazione. Il sistema di riscaldamento è stato completamente ammodernato nel 2009. Il sistema comprende una piccola unità di cogenerazione (12,5 kWth, 4,7 kWel), una caldaia a gas a condensazione per il carico di picco (120 kW), due serbatoi tampone da 500 litri collegati in parallelo e uno scaldacqua ad accumulo da 500 litri, che viene caricato tramite un sistema di ricarica a strati (Fig. 1).
Informazioni compatte
Il tempo di funzionamento della cogenerazione non dipende solo dalle dimensioni potenziali del dissipatore di calore, ma è anche influenzato in modo significativo dall'impianto idraulico del sistema.
I fattori chiave sono la gestione intelligente degli accumuli e la temperatura di ritorno più bassa possibile dal sistema di distribuzione del calore.
Entrambe le funzioni, oltre all'aumento della temperatura di ritorno per la cogenerazione, possono essere facilmente realizzate con i collettori di miscelazione multiporta rendeMIX. Possono essere controllati tramite regolatori standard.
Diverse temperature di sistema
I tre circuiti di consumo esistenti funzionano con temperature di sistema diverse:
- Circuito di riscaldamento misto a radiatori: 70/50 °C
- Circuito di riscaldamento dell'aria mista per l'impianto di climatizzazione: 80/60 °C
- Riscaldamento dell'acqua calda sanitaria: 85/60 °C
Uno dei principali compiti di pianificazione per la progettazione del sistema di distribuzione del calore era quindi quello di fornire la corretta temperatura di mandata per ogni circuito di riscaldamento. Inoltre, il volume tampone utilizzabile doveva essere massimizzato per ottenere lunghi tempi di funzionamento della cogenerazione. Inoltre, questo sistema doveva realizzare il principio dell'utilizzo della temperatura di ritorno: Se la temperatura del ritorno di un circuito di riscaldamento è sufficiente per alimentare un altro circuito di riscaldamento con un livello di temperatura inferiore, questo calore deve essere utilizzato prima di accedere al flusso.
Figura 2: Per la distribuzione del calore, sono stati utilizzati i collettori di miscelazione multiporta di HG Baunach GmbH & Co. KG e un collettore a tre camere prodotto da Magra. La sequenza delle uscite del collettore si basa sul gradiente di temperatura nel flusso di ritorno in direzione della caldaia.
Ciò è stato realizzato con collettori di miscelazione multiporta rendeMIX che, insieme a un collettore a tre camere appositamente sviluppato (Fig. 2), assicurano le corrette temperature di sistema nei tre circuiti di riscaldamento. Un altro collettore di miscelazione multiporta è stato utilizzato come collegamento tra l'unità di cogenerazione e il bollitore tampone. Insieme a un regolatore integrato a valore fisso, questo fornisce il necessario aumento della temperatura di ritorno per l'unità di cogenerazione e allo stesso tempo organizza il carico a due zone del bollitore tampone.
La cogenerazione copre quasi da sola la domanda di calore
Il sistema può essere monitorato a distanza attraverso i comandi dei due generatori di calore e i dati di funzionamento e i tempi di funzionamento sono documentati. Circa dieci mesi dopo l'ammodernamento, i dati di funzionamento mostrano che la caldaia per il carico di punta si avvia solo occasionalmente ed è in funzione solo per il riscaldamento dell'acqua potabile in estate. D'altra parte, la piccola unità di cogenerazione installata supera chiaramente le prestazioni di funzionamento previste: la pianificazione si basava su un tempo di funzionamento annuale di 7000 ore all'anno. Tuttavia, il motore funziona effettivamente per più di 23 ore al giorno, il che corrisponde a un utilizzo della capacità di oltre 96 % e significa una produzione annua estrapolata di almeno 8400 ore/anno.
Al contrario, l'utilizzo della caldaia da 120 kW per il carico di picco è solo di 1,4%. Questo valore si basa sui dati di funzionamento dei mesi estivi (riscaldamento dell'acqua calda sanitaria). Tuttavia, se si considera il funzionamento durante tutto l'anno, si può concludere che i tempi di funzionamento della caldaia per il carico di punta e dell'unità di cogenerazione sono in giusta proporzione tra loro: "Caricando e scaricando i serbatoi di accumulo secondo il principio delle due zone, il carico termico viene trasferito completamente all'unità di cogenerazione prima dell'avvio della caldaia per il carico di punta", spiega Hans-Georg Baunach, responsabile della progettazione dell'impianto idraulico (Fig. 3).
Pensione dell'edificio Marienstraße
Oggetto:
- Pensione Marienstraße, 45307 Essen
Operatore:
- Centro di formazione professionale Kolping di Essen
- Società a responsabilità limitata senza scopo di lucro
- www.kbbw-gaestehaus.de
sistema di riscaldamento:
- Cogenerazione: ecopower, 12,5 kWth / 4,7 kWel
- Caldaia a condensazione a gas: Vaillant ecocraft 120 6/3, 120 kW
- 2 serbatoi tampone da 500 l
- Riscaldatore di acqua calda sanitaria: Vaillant actostore, 500 litri, con sistema di caricamento a stratificazione
Pianificazione idraulica e collettore di miscelazione multiplo:
- HG Baunach GmbH & Co. KG
- 41836 Hückelhoven
- www.baunach.net
Carico e scarico a due zone
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Fig. 3: Il rendeMIX collegato tra l'unità di cogenerazione e l'accumulatore tampone carica il tampone secondo il principio delle due zone e fornisce contemporaneamente la spinta al ritorno all'unità di cogenerazione.
Utilizzando tre connessioni tampone, il cilindro è diviso in due zone. La zona superiore del bollitore tampone viene caricata per prima attraverso il collettore di miscelazione multiplo tra l'unità di cogenerazione e il bollitore tampone (Fig. 4). Solo quando la zona superiore è completamente carica, la zona inferiore viene inclusa nel processo di carica. Ciò significa che la zona superiore ha una temperatura di utilizzo più rapida e la zona inferiore rimane fredda più a lungo.
- Questo carico a due zone funge da spinta di ritorno per il generatore di calore, che viene utilizzato per coprire il carico di base. Il flusso di ritorno al generatore di calore viene alimentato con una miscela di flusso caldo del generatore di calore e acqua calda dalla zona tampone centrale (fase I) o con una miscela di acqua calda dalla zona tampone centrale e acqua fredda di riscaldamento dalla zona inferiore del serbatoio tampone (fase II).
- In caso di scarico a due zone, il circuito di miscelazione della distribuzione del calore viene alimentato con una miscela di acqua calda proveniente dalla zona tampone centrale e di acqua fredda proveniente dal ritorno del circuito di miscelazione (fase I) o con una miscela di acqua calda proveniente dal collegamento tampone superiore e di acqua calda proveniente dal collegamento tampone centrale (fase II).
Principio di utilizzo del rendimento
- Se c'è un eccesso di calore nel ritorno del sistema di caricamento a strati dell'acqua calda (85/60 °C), il circuito di riscaldamento misto dell'aria viene alimentato con il livello di temperatura disponibile. Allo stesso modo, il ritorno del circuito di riscaldamento ad aria (80/60 °C) viene utilizzato anche per il circuito di riscaldamento a radiatori (70/50 °C). A seconda del carico, il calore del ritorno del riscaldatore d'aria miscelato viene utilizzato direttamente per il circuito di riscaldamento dei radiatori miscelati tramite il collettore di miscelazione multiplo o aggiunto ad esso. Solo quando l'energia termica del ritorno non è più sufficiente a coprire il fabbisogno termico, i collettori di miscelazione accedono agli accumulatori tampone.
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Figura 4: I collettori di miscelazione multiporta rendeMIX sono controllati tramite i comandi standard dei generatori di calore.
La temperatura di ritorno più bassa della distribuzione del calore è fornita dal circuito di riscaldamento del radiatore (50° C in stato di progetto). Questa viene immessa in una terza camera di ritorno separata del ripartitore di calore e quindi rifluisce separatamente e senza miscelazione nella zona inferiore del bollitore tampone.
- I collettori di miscelazione multipli sono dotati di deviatori interni. I diversi volumi d'acqua dei circuiti di riscaldamento collegati in serie vengono automaticamente equalizzati attraverso i deviatori.
- Il distributore a tre camere appositamente sviluppato fa parte del programma HG Baunach ed è prodotto da Magra.
- Tutti gli attuatori del miscelatore sono controllati da regolatori standard con un segnale a tre punti a 230 V in funzione della temperatura (Fig. 5).
Fig. 5: I collettori di miscelazione multiporta rendeMIX distribuiscono il calore e alimentano i circuiti di riscaldamento miscelati con le rispettive temperature di sistema. Le alte temperature di ritorno sono utilizzate per i circuiti di riscaldamento con la temperatura di sistema più bassa. Insieme al collettore a tre camere, vengono fornite basse temperature di ritorno per l'unità di cogenerazione e la caldaia a condensazione.
Sintesi
Un grande volume tampone con un'elevata temperatura utilizzabile è costantemente disponibile per i circuiti di riscaldamento grazie al caricamento e allo scaricamento a due zone. L'utilizzo del ritorno garantisce basse temperature di ritorno e quindi lunghi tempi di funzionamento del modulo CHP. Va inoltre ricordato che il controllo dell'unità di cogenerazione e della caldaia a condensazione non sono interbloccati. Questa "libertà" di controllo è una conseguenza della stratificazione, che viene impostata per gradi nel buffer: ciò consente di impostare la priorità dei generatori di calore in modo semplice ma preciso attraverso la posizione dei sensori associati.
Il controllo della caldaia a gas a condensazione monitora la temperatura minima impostata per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria nella zona superiore del buffer. Tuttavia, finché il cogeneratore fornisce calore sufficiente, la temperatura non scende mai al di sotto di questa temperatura minima. Di conseguenza, il funzionamento della caldaia è marginale rispetto ai tempi di funzionamento del CHP: I dati di funzionamento mostrano, ad esempio, che in un periodo di 210 ore a giugno, la caldaia a condensazione ha dovuto svolgere la sua funzione di caldaia di picco per il riscaldamento dell'acqua calda sanitaria solo per 3 ore. Anche in inverno, i tempi di funzionamento dell'unità di cogenerazione rimangono costanti, nonostante la caldaia funzioni a dieci volte la sua capacità. Nonostante l'ottimizzazione dell'idraulica del sistema, della gestione del buffer e dell'utilizzo del flusso di ritorno, il lavoro di ingegneria di controllo è stato ridotto al minimo. Gli attuatori dei collettori di miscelazione rendeMIX sono controllati tramite i comandi, che sono componenti standard dei generatori di calore utilizzati.
PRINCIPIO FUNZIONALE rendeMIX
L'attuatore del collettore di miscelazione multiplo rendeMIX collega solo due dei suoi tre ingressi all'unica uscita (A), in modo tale che sia caldo (E1) con il caldo (E2) o caldo con freddo (E3) viene miscelata l'acqua. In questo modo, viene utilizzata la maggior quantità possibile di acqua calda disponibile e viene aggiunta solo una piccola quantità di acqua calda o fredda. In questo modo si massimizza la temperatura disponibile nella rete dell'acqua di riscaldamento e allo stesso tempo si riduce la temperatura di ritorno al generatore di calore. L'attuatore può essere controllato da un qualsiasi regolatore a compensazione climatica (segnale a tre punti a 230 V) dagli accessori della caldaia. In alternativa, è disponibile un attuatore con regolatore a valore fisso integrato.
Wolfgang Heinl scrive come giornalista specializzato nel settore HVAC,
88239 Wangen im Allgäu,
wolfgang.heinl@t-online.de
