スキーハレ・ノイス - 数千ユーロの節約に成功
バウナック・ソリューションの典型的な改修事例に対するアプローチ
ドイツに数多く存在する技術的な建築設備システムには、パッチワークという言葉がふさわしいかもしれません。
特にコンバージョンや拡張対策 サービス業や商業施設では、設置図にもう少し配管やアクチュエーターを追加することを余儀なくされます。 ただでさえ水密性の高い迷路が、追加されることでさらに混乱し、ネットワーク内の抵抗が大きくなっていく。暖かくなくなったときの応急処置として、ボイラーの出力を上げるのが一般的です。代表的な例:ノイスのスキー場
しかし多くの場合、実際には、例えば計画された増築を供給するのに十分なエネルギー備蓄が設備に隠されている。それだけではない。様々な対策や恒久的なバランシングの欠如の結果、水力系統に乱れが生じると、余分で高価な輸送ロスが発生する。予算だけでなく、環境にも良い影響を与えるために、これらのロスをなくすことは、気候に関する議論において何年も前からよく知られている要求である。KfWは、住宅や非住宅の建物については、資金調達の前提条件として水熱バランシングを要求しているが、サービス施設や商業施設については、より複雑なシステム構築に目を向ける人はほとんどいない。ほとんどの企業は、自分たちが何を手放しているのかさえ認識していない。
エネルギーMOTについて考える
つまり、ドイツ全土で毎日数百、あるいはそれ以上のメガワット時間がこの分野で浪費されていることになる。おそらく行政は、少なくとも改修のロードマップを作成するような、一種のエネルギーMOTについて考えるべきだろう。認可を受けた計画事務所がこの仕事を引き受けることができるだろう。そうすれば、ドイツ政府のCO2目標に少しでも近づくことができるだろう。ノイスは現在、屋内スキーセンターにおける暖房、冷房、電気、ガスの供給、需要、消費のバランスをとるという、この方向で取り組んでいる。関係者は2段階のコンセプトを策定した。第1段階は、低投資の対策、正しい水力調整に焦点を当てる。わずか数回の介入で、エネルギー代を年間数千ユーロ削減することができた。
第2段階には多少の投資が必要だが、これも比較的短期間で元が取れるだろう。確かに、一見したところ、「エキゾチックな」屋内スキーセンターは、この国に無数にある非効率な冷暖房空調システムを改修する青写真には必ずしも聞こえない。しかし実際には、これは典型的なケースである。というのも、当初の計画は、現在では講義室、ホテル、楽しいサッカー、クライミング・パークなどを備えた広々としたエリアの、いわば最初の建設段階に関するものでしかなかったからだ。商業部門に例えると、他の場所と同じように、新しいホールが追加された。毎年約100万人の来場者が冬から夏へと移り変わるレジャーパークの18年の間に、プランナーや施工会社は変わってきた。その結果、文書化されたにもかかわらず、専門知識は失われた。
訴状
約2年前、人工ゲレンデの建設技術者は、メンヒェングラートバッハのHaaß Sanitär Heizung Haustechnik社を呼ぶことになった。ボイラー・システムでは、エントランス・エリアのエア・カーテンの温度を十分に保つことができなかったのだ。暖かいエアカーテンは、ホワイエを外気から遮断するために約20~25kWの出力を必要とする。以前の新社屋には関与していなかったHaaß社は、それぞれ2段バーナーを備えた発熱量400kWのボイラー(Viessmann)2台で構成される800kWの熱生成システムで、なぜこれを達成できないのかと自問した。この2段カスケードは250kWのボイラーにも支えられており、当初はホテルへの供給(暖房と給湯)のみに使用されていた。しかし、その後、給湯は大型ボイラーに切り替えられ、新たに加わったホテルの暖房が不要な夏には、250kWのユニットを完全にオフにできるようになった。その間に行われたネットワークの再構築では、設置場所や設備がさらに変更された。「しかし残念なことに、以前の会社はどこも、それに合わせて暖房水の輸送を再調整しようとしませんでした。その結果、ラインの端にあるエアカーテンシステムの交換器に十分な温水が送られなくなったのです」。
状況
チューリッヒ工科大学が最近発表した論文に、メインポンプ、ミキサー、暖房回路ポンプの設置図が「メインポンプと非加圧マニホールドによる混合回路」と呼ばれている:複数の暖房グループ」。ノイスの屋内スキーセンターでは、「加圧されていない」マニホールドは、水柱1mに制限されたマニホールドに置き換えられています。これは、3ウェイミキサーの制御特性にあまり干渉しない予圧(最低設定値での電子制御循環ポンプの差圧制御)です。
「ホワイエが冷え切っていたんです」と、プラント・エンジニアのゲオルク・ハースは発見した状況を語る。彼は、この問題を隣のヒュッケルホーフェンにあるHGバウナッハ社に伝えた。RWTHアーヘン大学で電気工学を学んだHGバウナッハ社の社長ハンス・ゲオルク・バウナッハ氏は、過去に何度も厄介な改修工事を手伝っていた。彼の会社は、アドバイスという形でも、ネットワーク・バランシングのための自社製品という形でも、油圧対策を専門としている。約20年前、バウナッハのrendeMIX継手を開発し、発売した。内部バイパスセクションを持つマルチウェイミキサーは、異なるマスフローを均等化し、高温回路の還流を低温回路に流れとして導くことができる。多くの戸建て住宅では、上階の子供部屋や寝室にはラジエーターがあり、1階の居間のスクリードの下には床暖房パイプのコイルがある。どちらのシステムも使用する水量が異なるため、通常は独立した回路として設計され、それぞれにポンプが設置される。しかし、この投資は並列接続のデメリットのひとつに過ぎない。
戻り温度のトリック
もうひとつは、高温回路からの40℃を超える高い戻り温度によるエネルギー効率の低下である。これは凝縮原理を否定するものである。このタイプの設計は、排ガス中の潜熱を凝縮させるという約束を果たさない。そのため、25℃や30℃の還流温度で得られる収量の10~15パーセントが失われてしまう。凝縮が不十分だと、凝縮熱交換器に堆積物や腐食が発生し、高いメンテナンスコストと早期故障につながります。一方、レンデミックス継手は、ラジエーターとフロアコイルを1つの回路にネットワーク化し、ボイラーポンプからラジエーターに供給します。冷えた低温の還流を凝縮熱交換器に導くだけなので、約束された節約効果が保証される。バウナッハの最新の技術革新は、戻り温度リミッターまたはRTBバルブという、まったく説明のつかない名称を持つ。これは比較的静的な部品のように聞こえる。
しかし実際には、これは還流設置用の動的に反応するサーモスタット弁であり、流量を予め設定された水温に恒久的に調節する:還流温度が高すぎる場合、ラジエーターは部屋の温度が高いため、明らかに現在の流量を必要としないため、断面が制限されます。戻り温度が設定温度より下がると、より多くの暖房水を循環させなければなりません。センサー制御のRTBはバルブの開度を大きくします。定義された最小循環量により、周囲温度による閉塞がないことが保証されます。このため、バルブは自動的にハイドロニックバランシングを行い、KfWの承認を得ている。近代化対策の場合、KfWは補助金の条件として、水力バランシングの一環として流量を要件に適合させなければならないと規定している。水力学の専門家であるハンス・ゲオルク・バウナッハにとって、ノイスのスキー場のポンプやバルブの設定が不適切であることは明らかだった。約1,000kWの温水が、たとえ曲がりくねった配管を通っていたとしても、温風カーテンに熱を供給できなくなることは考えられなかった。
ボイラー出力の増強が、最初に検討された解決策だった。唯一のネックはDN80の天然ガスパイプラインで、すでにボイラーが設置されていたため、そのパイプラインはすでにフル稼働していた。しかし、スキー場の技術部門は、大型の熱発電機の追加や新設には懐疑的だった。ホワイエ用の数キロワットでは、カスケードの限界を超えることはできない。
熱を伝えない水循環
可能な限り、専門家がラインを稼動させた。中央設備は複数のプラントルームにまたがっている。メインディストリビューターはそのひとつにあり、DN65のメインポンプが接続されている。 このポンプは、スキーホール、ケータリングエリア、厨房の3つの空調システムに供給されており、3つすべてに独自のミキサー、ポンプ、設定レベル1から10の上流バイパスバルブが設置されている。 エンジニアは、比較的低スプレッドであることに気づいた。「これは、メインポンプが熱を運搬しない大量の水を循環させているという水力的な無駄を示していました。ハンス・ゲオルク・バウナッハはこう振り返る。油圧のスペシャリストは、試行錯誤の末に、数部屋先にある3つの空調システム用の3つのミキサーの上流にあるバイパスバルブを閉じ、同時にメインポンプを可能な限り低い定格差圧(1mWS)に設定した。彼は、フローとリターンの間のバイパスが完全に開いていることに驚いた。「残念なことに、このような油圧の無駄は、大規模で分かりにくい設備では、ほとんどの場合隠されています。どうやって発見するのですか?すべてが温かければ、誰も文句を言わない。ここノイスでは、ホワイエが冷え込んでいたために私たちが呼ばれただけで、疑われるような消費量ではなかったのです」。この "修理 "にかかった費用は、午前中の仕事1回分だった。
もちろん、複雑なのは多くの暖房システムの基本的な問題である油圧にあった。バイパスの歴史は、一定出力の循環ポンプが設置されていた時代にさかのぼる。圧力差と特性曲線場を調和させるために、ミキサーの上流圧力を下げる必要があった。これは20年前の最先端技術でした。しかし、差圧依存性能を持つ今日の遠心ポンプでは、これは不要となった。ノイスの屋内スキーセンターの場合、メインポンプが4~5 m3/hの暖房水を供給し、3つの空調システムの循環ポンプがそこから熱需要を取り出し、3~4 m3/hの残りの大きな熱は熱を輸送することなく直接還流に戻り、その温度を高温に上昇させ、ボイラーに逆流することを意味します。
20,000ユーロ
ネットワークの末端にあるドアエアカーテン・システムは、独自の吸引ポンプを持っていなかったため、それでも何とかやりくりしなければならなかった。これは必要な20kWの数分の一に過ぎなかった。量も温度も十分ではなかった。大量の水が循環しているため、ボイラーは60℃以上の温度を得ることができなかった。ボイラーの出力は主に、バイパスを通って無駄に循環する大量の水Qを加速するために浪費され、一方、熱風カーテンの熱交換器は70℃に制御することを望んだ。そこでHaaßとBaunachはイコライジングセクションを閉鎖し、メインポンプの差圧を5mWSから実質的に無圧(1mW)に下げた。そのため、空調システムの容積流量制御を自社のミキサーポンプに移した。
予想通り、スプレッドは短時間で60/55℃から70/45℃に上昇した。この最初の効果により、TGAは温風カーテンが機能する条件のひとつを満たした。しかし、予圧が低下したため、まだ容積が不足していた。そこで建築技術者は、スキー場入口への暖房パイプに追加の吸引ポンプをねじ込んだ。それ以来、エアカーテンシステムは不満なく作動している。しかし、第1ステージで最も重要なことはそれではない。キーワードは油圧の無駄遣いだ。介入から5カ月後、技術部門は次のように報告している。「カーテンは何の障害もなく、エントランス部分を外気から遮断している。しかし、今にして思えば、これはほとんど副次的な効果に過ぎない。私たちのデータ収集によると、新しいHydraulik 20 %で天然ガスを節約しています」。年間270万kWhの消費と4ct/kWhで、この削減はおそらく20,000から25,000ユーロに上ります:この調整により、バウナッハとハースは暖気カーテンの熱需要をカバーしただけでなく、ネットワーク全体の運用を持続的に最適化した。
簡単な手順で。確かに、この数字は気象条件の調整をしていないが、基準年の同一期間に当てはまる。また、数年前にヴォルフェンビュッテル応用科学大学とブレーメン大学の実践的職業訓練研究グループが参加した大規模プロジェクトの結果とも一致している。このプロジェクトでは、約100棟の住宅を対象に水力装置を整え、その前後の消費量を比較しただけで、暖房費も平均20 %減少した。
改装ステージ2
しかし、ノイス・システムには、(スイッチオフの)油圧損失以外にも、莫大な節約の可能性が秘められている。エタノミクス・サービス社の出番である。このノイスのスキー場における状況の説明の第2部には、プランナー、システム構築者、そしてとりわけ大規模な施設の運営者に対し、新しい建物だけでなく、近代化や改修の際にも「複合テスト」と呼ばれるサービスを検討するようにという実際の提案が含まれている。原理的には、これは発注者の目、つまり建築主や先見の明のある計画事務所の目を通して試運転を監視することにほかならない。
これがエタノミクスの仕組みだ...。
トーマス・マインツは次のように説明する。クリーンルーム条件下で光学機器を製造するための新しい建築プロジェクトです。専門エンジニアは何をするのか?彼はHOAIに従って、コスト見積もり、仕様書、MSR入札などのサービス段階をこなし、原則としてすべての機能を考え抜かなければならない。しかし、後にどのようなエネルギーが必要になるかは、正確にはわからないことが多い:クリーンルーム条件下で測定装置を製造する場合、どの程度の冷暖房が必要なのか。設計は、理論的な見積もり以上のものには基づいていません。そこで私たちは、HOAIの補足を提案します。類似の製造現場を見学し、そこでの媒体フローを記録し、計画と重ね合わせ、必要であれば逸脱に基づいて修正します。
試運転の前や試運転の段階では、まだ多くのことが変更できる。後になると、すべてが非常に高くつく。私たちは、このようなバランスを分析で導き出し、ネットワークテストで計画が正しく実行されているかチェックします」。トーマス・マインツは、CHPの経験について話すと、首を横に振った。「第二の熱源であるボイラーが起動する二価点の決定について、誰が考えているのでしょうか?すべての運転ポイントで成層が乱れないように、誰が貯蔵タンクのサイズを正しく決めるのか?
今年2月、私たちは、稼働していない、あるいは恒常的に断続的に稼働しているCHPユニットに対処しなければならなかった。私たちの仕事は、このような水力問題を調査したり、最初から排除したりすることである。 細かいことだが、成層した貯蔵タンクの入口速度は0.1m/secを超えてはならない。それ以上の速度は成層を破壊する。水が混ざると、貯蔵タンクの容量は半分になるか、さらに減少する。つまり、それに応じて流量を絞る必要がある。そうでなければ、CHPユニットは何もすることがない。私たちは、熱と冷却の発電機の運転にあり得ないことが解明され、効率的な利点とエネルギー・コストの削減が期待できるようになると、すぐにそれを検討します"
唯一の違いは、これらの目が、計画時には考慮されなかった、あるいは設計段階ではまだ影響因子として知られていなかった条件やプロセスに焦点を当てていることである。
この文章を曖昧なままにしてはいけない:計画段階では、後のエネルギー供給者が誰になるかは必ずしもわからない。また、1日のエネルギー需給が実際にどうなるのかもわかりません。標準的な負荷プロフィールを参考にすることはできても、具体的な物件の条件から逸脱する可能性はない。例えば、主にオフィスや管理部門の顧客にサービスを提供する地域のエネルギー供給会社は、日中は高い料金体系を要求し、夕方には非典型的な低い料金体系を要求する可能性があります。その結果、MSRと設置技術は、夕方に貯蔵タンクを満タンにする、つまり、負荷プロファイルのシフト可能な部分を営業時間外にシフトする必要がある。これはエネルギー節約にはならないが(計画ではこの点が強調されていた)、コスト節約にはなる。
製品としての時間
バウナッハは、以前からエタノミクスの専門家に相談していた。彼らの専門知識は、数多くの大規模プロジェクトの経験に基づいている。「私たちが呼ばれれば、たいていいつも最適化できる何かを見つけることができます。何よりもまず、コストのかからない、つまり技術的な投資を必要としない作業に集中します。私たちは最初のステップを「エネルギー・コンパス」と呼んでいる。特に、エネルギー供給会社から提供されるデータ(負荷プロファイル)をクライアントに提供してもらい、それを負荷プロファイル分析に変換します。その結果から、私たちは推奨される対策を導き出すと同時に、回答が必要な質問も導き出します。その後、関係者をプラント事業者の施設でのワークショップに招待し、個々の複雑な問題について話し合い、優先順位をつけたToDoリストに結果をまとめます。EtanomicsサービスGmbHのコンサルティング・エンジニアの一人であるトーマス・マインツは、「エネルギー・コンパス」モデル(「Etanomicsの仕組み」参照)について、「まず、大きな投資を必要としない対策を講じ、次に修正が必要な対策を講じるべきです」と言う。
ノイスの複合施設は、他の多くの施設と同様、エネルギー集約型である。エネルギーの専門家にとって、このような場合の焦点は電力(コスト)の節約である。必要な透明性を確保するために、彼らは適切な期間測定技術を導入し、機械と消費者の負荷プロファイルを記録し、負荷シフトがどの程度可能かを判断するために現場の負荷プロファイルを使用する。屋内スキーセンターでは、個々の冷凍コンプレッサーを個別に見て電力ピークを決定し、「非定型グリッド使用」のコンセッションを背景に、例えば並行運転を最小限に抑えるスケジュールを立てることを意図して、運転時間とスイッチオンポイントを記録することが不可欠である。エネルギーと負荷の管理厚さ約0.5メートルの雪の層は、巨大な蓄冷庫として機能する。制御サイクルのバランスをとり、個々の運転時間を均等にすることは、ピークカットの大きな可能性を秘めている。エタノミクス社は、その量の概算を言いたくはない。正確な運転プロセスとその優先順位を知る必要があるためだ。このワークショップは、「エネルギー・コンパス」パッケージの第2部の一部である。このワークショップは『エネルギー・コンパス』パッケージの第2部に含まれる。
パラレルケース DTTZ デュッセルドルフ
デュッセルドルフにあるドイツ卓球センターDTTZで、いくつかの追加措置の後、最終的にTGAに新しい換気・空調システムが追加されたとき、追加された120kWは明らかに既存のボイラー・システムの出力リザーブを超えていた。初期の緊急対策として、設置されていた1,500リットルのタンクの代わりに、より大きな貯蔵タンクを設置すれば、出力のピークを平坦化することができ、少なくとも増加分の一部をカバーすることができたが、すでに過密状態となっていたプラントルームには、これを設置する十分なスペースがなかった。
当分の間、熱源は不足分を分配するしかなかった。そこで、ハンス・ゲオルク・バウナッハとIASハルブリュッゲのプランニング・オフィスは、水力学に着目し、消費量と必要出力を30 %削減できる可能性を発見した。まず、ホール内の45℃を超える輻射パネルからの還流を、レンデミックスミキサーを使用して様々な低温回路の流れに直接取り込みました。第二に、このタイプのミキサーを利用して、貯蔵タンクを2ゾーン充放電システムで改造し、容量を2倍に増やした。「2ゾーン充放電では、まず多くの消費者のためにセンターからお湯を取り、その後に上部のバッファゾーンにある貴重なお湯にアクセスして冷却します。つまり、高温回路のストランドも、その戻り流をフローとしてセンター接続に利用できるようにする。これにより、バッファーの使用可能容量はちょうど2倍になりました」と、ハンス・ゲオルク・バウナッハはこの対策の成功を説明する。
負荷管理を推奨
負荷管理は2つの意味で実を結ぶ。第一に、電力とガスのピークを減らし、その結果、注文された負荷に対する供給料金を減らすことができる(「高価なピークと時間帯」を参照)。第二に--ここでは蓄冷雪層が決定的な意味を持つ--前述のように、分析または適合したエネルギー管理によって、送電網利用料の減額を請求できる可能性が出てくる。ピークを減らすだけでなく、消費の一部をピーク負荷時間帯から外し、オフピーク時間帯にシフトさせることが可能な場合である。電力の供給と輸送にかかる送電網利用料は、電気料金の約25 %を占める。
しかし、送電網使用料条例(StromNEV)第19条によると、特定の最終消費者は、地域の送電網運営者から、より低い個別送電網使用料を受け取る権利がある。例えば、「非定型送電網利用」の場合である。これは、低電圧のピーク時の最大負荷が30 %以上、中電圧のピーク時の最大負荷より20 %低い場合に適用される。言い換えれば、通常は1,000kWであるが、ピーク負荷時には700kWまたは800kWとなる。対応する時間帯は、系統運用者がその供給地域について公表しなければならない。非定型送電網利用」という用語と送電事業者の会社名でググってみてください。非典型的な電力使用は、その特殊な消費行動によって電力供給に負担をかけ、その結果、送電網コストの削減や回避に個人的に貢献しているという事実によって正当化されます。Westnetz GmbHはスキーハレ・ノイスのグリッドオペレーターです。グリッド利用料は年間約80ユーロ/kWです。オフピーク時の最大消費電力よりも、特定の時間帯に20 %少ない電力で管理できれば、1,000ユーロの節約になる。
高価な時間帯とピーク
電気料金のどこに送電網料金・供給コストが隠されているのか?ご存知の通り、エネルギー供給会社の電気料金は、実際に購入した電力量に対する分け前(労働料金)と、一律の料金(基本料金)で構成されている。基本料金もまた、いくつかの項目から構成されている。国が課す税金と管理コストに加えて、「パフォーマンス価格」が変動要素である。この実績価格には送電網利用料が含まれる。これらは、年間ピーク需要、すなわち絶対的な消費ピークと電圧(低電圧、中電圧)によって決まる。誰がピークを記録するのか?事業者が年間10万キロワット時(kWh)以上の電力を消費する場合、メータリング・ポイントのオペレーターが記録します。この値から、遠隔読取可能な電力計(記録電力測定、略してRLM)を通じて15分ごとに電力消費量を測定する。個々の測定値から、負荷プロファイル、すなわち顧客の消費行動が計算される。
そのため、年間電力消費量の最も多い4分の1時間がグリッド料金を決定する。年間8,759時間、最大800kWの電力を使用し、不運にも8,760時間目に870kWを20分間使用した場合、8,759時間40分の800kWに対して8万ユーロを支払うことになる。さらに、20分間の追加消費コストはおそらく5ユーロである。ノイスでは、供給元のWestnetz GmbHが約80ユーロ/kWのグリッド料金を請求している。したがって、年間平均1,200kWの電力供給において、1/4時間にプラス100kWの意図しない異常値が発生した場合、スキー場はすでに8,000ユーロを負担することになる。従って、負荷管理あるいは少なくとも負荷遮断をよく検討する価値がある。
ノイス屋内スキーセンターの廃熱
しかし、未開拓の宝は、スキー場建設の下にある鋼板でできた別室に隠されている。エネルギーの専門家であるマインツは、ノイス・スキー場の図をテーブルの上に置いた。電力側では、150kWの冷凍機3台に加え、この地域の他の大小の消費者が常時平均750kWを消費している。ガス側では、消費量は2016年2月の最大1,000kW弱と2016年7月の最小100kWの間で変動している。「1日の間に時々強い変動があるが、電力に対する比較的一定の負荷プロファイルは、雪層用の冷凍コンプレッサーの一定の需要によって説明される。外気温が高いときに消費量が若干増えることを除けば、天候の影響はほとんど受けない。暖房ガス消費量の変動は、もちろん天候の影響によって説明できる。しかし驚くべきは、450kWの電気出力を持つ冷凍コンプレッサーが約1,000kWの廃熱を供給しているにもかかわらず、なぜ比較的高いガス消費量なのかということだ。この廃熱はどうなるのか?何もない!
コンプレッサーは、2台の蒸発冷却装置で外気を加熱することで、大量の(廃)熱を捨てている。地域暖房用パイプラインを使えば、多数の低温消費者に暖房エネルギーを送ることができ、おそらくガス消費量を80%節約できるだろう。しかし、廃熱の一部をボイラーや貯蔵タンクではなく、厨房や衛生設備用の清水ステーションで水を温めるのに使うだけでも、年間請求書には暖房と給湯用に2,700MWhの天然ガスが含まれることになる。このうち15 %をシャワーや蛇口用に使うと仮定すると、40万kWh、1万6000~2万ユーロとなり、部分的な転換でも数年後には元が取れるはずだ。あるいは、ボイラーの後ろにコンデンシング熱交換器を設置することもできる。それは確かに価値があるでしょう」。地域暖房ネットワークは、一見すると高額にしか見えない。首尾一貫したコンセプトが描かれれば、BafaやKfWを通じてかなりの補助金を得ることができる。
より良い解決策
しかし、専門家たちは、大規模なソリューションの費用対効果をさらに信じている。つまり、配電システム全体をリターン利用へと転換し、冷凍システムからの熱供給を統合し、負荷管理を全体に追加するのだ。これはペイするはずだ。これによって、レジャーセンターの拡張計画には十分すぎるほどの蓄えができる。しかし、トーマス・マインツもハンス・ゲオルク・バウナッハも、ノイスの屋内スキーセンターが孤立したケースではないと指摘する。「毎日、毎月、毎年、どれだけの経費を浪費しているのか、運営者たちは気づいていない。