より良い原木焼成システム
マルチウェイミキサーでより快適に - 油槽から成層圏貯蔵タンクへ
三位一体のサステナビリティ：ミヒャエル・シュミッツ（Michael Schmitz）オーナー カンパニーサニタールM.シュミッツレマーゲン氏は、余分なオイルタンクを切断し、ボイラー室の別の場所で溶接し、ログボイラーに連結してバッファ貯蔵タンクとして新たに機能させることにした。第一に、貴重な資源を節約できた。さらに、バッファと熱源との間に2つの多方向混合装置を設置し、無圧成層式貯槽としての運用を可能にした。第二に、オペレーターの省エネ、第三に、2ゾーンローディング＆アンローディング方式による高い充電快適性を実現します。毎日、ボイラー室に行く必要がなくなったのです。
図1：広葉樹を燃やす場合、1キロワット時の暖房費は平均約3.7セント。石油燃料は少なくとも50％高い。そこで、ボンにあるSanitär M. Schmitz社のミヒャエル・シュミッツ氏は、この最新のバイオマス暖房システムを顧客に勧めた。
ボン近郊のアルフターにある400 mの3世帯住宅。2 の居住スペースを3人のオーナーが共有している。3人の共同体が1950年代からこの建物を引き継いだとき、この建物はまだ当時の最先端の建築と暖房技術、つまり断熱性の低さと石油焚きの高温ボイラーを反映していた。そこで新しいオーナーはまず、厚さ14センチのポリスチレン断熱材で建物を包み、床スラブにも断熱材を敷き、屋根には厚さ12センチのPUR下葺き材を張り替えた。
防空壕の中で
ホームを改装して、よりエネルギー効率を高めることが合意された。これは石油ボイラーをエコロジカルなものに取り替えること以外にはない。この物件は以前、上級公務員が所有していた。地下には防空壕もあった。他の物置のほかに。しかし、住民は以前から防空壕をもっと現代的な用途に使っていたため、丸太を保管するスペースは十分にあった。
図2：成層タンク（左）への出し入れ用のマルチウェイミキサー（黒）。プレート式熱交換器（左端）は、開放型貯蔵タンクを加熱システムから分離する。標準の循環ポンプは後に効率ポンプに置き換えられた。(写真はすべて改造直後に撮影されたもの。配管はまだ断熱されていない。
暖房エンジニアのミヒャエル・シュミッツがまさにそれを勧めたからだ。つまり、燃焼時間が長く、比較的便利な充電システムを備えた、充填室の大きな薪ガス化ボイラーを3つの住宅で共有することができた。暖房出力25kWのブデラス製「Logano S 151」は、まさに彼らが探していたものだった。パンフレットによれば、86％という優れた効率と、排ガス再循環による低排出フラッシュオーバー技術が特徴だ。
しかし、ハーフメーターの丸太を使った便利なローディングは、十分な加熱水量があってこそ実感できるものだ。1,000リットルや2,000リットルでは、週末の休暇を埋めるには不十分だ。ミヒャエル・シュミッツの計算では、5,000リットルあれば過渡期の1週間は家を放っておいても大丈夫だ。使用可能なデルタTが50K（90～40℃）の場合、ほぼ300キロワット時が利用可能だ。これは、休暇中の居間の基本温度を保証する。ただし、制御技術がすべてのカロリーをケチっていることを条件とする。
図3：2台のrendeMIXマルチウェイミキサーによる5,000リットルバッファーのローディングとアンローディング。詳細は「回路図」欄を参照。
非加圧バッファータンクとしてのオイルタンク
5,000リットルは古い石油タンクから供給されていた。設置業者は、切断トーチを使ってタンクを解体し、洗浄した後、ボイラー室で再び組み立て、外部断熱材で断熱し、耐腐食性のプレート式熱交換器を使って、酸素を吸収するバッファーを暖房回路から分離した。しかし、この熱交換器は主に別の機能を持っている：貯蔵タンクの前にある高さ10メートルの建物内の静圧を吸収するのだ。少なくとも1バールの圧力があれば、おそらくタンクは危険なほど膨張していただろう。
図4：この安全ループは、壁の奥で竪琴のアーチとして続いている（写真左下参照）。このループはタンクの中に落ち込んでいる。ボイラーの水はミヒャエル・シュミッツの手の高さまで膨張する。この竪琴状の曲がりは、逆サイフォンを防ぐためのものである。
それは大変な労力のように思える。しかし、シュミッツによれば、この改造にはバッファバッテリーにかかるほどの費用はかからなかったという。いずれにせよ、解体費用はかかっただろう。シュミッツの計算では、タンクを溶接して絶縁すれば、「新しい5,000リットルのバッファーを設置するよりも、少なくとも2,000ユーロは安くつく」。そして、それは複数のタンクで構成されていただろう。水が成層化するような方法で接続するのは問題だっただろう。ファサードの断熱材で余った断熱レンガでシートメタルを断熱した。だから断熱材にお金をかける必要もなかった。
図5：5,000リットルのバッファーは成層貯蔵タンクとして構築されている。充放電は3つのゾーンに分散して行われる。2009年11月中旬の記録時、温度は床付近で約25℃（低温）、下部の温暖ゾーンで36.5℃、上部の温暖ゾーンで52.5℃であった。
建物の所有者は、既存の高温鋳鉄製ラジエーターを部屋に残した。しかし、この家は断熱性が高いため、暖房システムは低温モードで作動し、以前の90/70℃から最大70/50℃になった。ゆったりとした寸法の鋳鉄製フィンの加熱面は、部屋に熱を伝えるには十分すぎるほどだ。
高温規定
一方、バッファータンクは、最近可能になった低流量温度のため、特別な油圧を必要とした。つまり、天候によって35度や45度になる可能性のある加熱水に対して、常に高温のボイラー水を混合する必要はない。また、腐敗のリスクを最小限に抑えるために、ボイラー水の戻り温度を高くしなければならない：ボイラー回路の最高温度95℃は、戻り温度65℃を下回ってはならない。ロガノS151木質ガス化ボイラー計画補助書」には、これらの温度は保証条件の一部であり、「適切な回路とボイラー回路制御によって確保されなければならない」と規定されている。
配線図 Weidenstraße 7, Alfter
すなわち、2つのrendeMIXユニットによる充放電の2ゾーン原理と、暖房回路と貯蔵タンク（右端の熱交換器ST）のシステム分離である。以前の暖房油タンクは、約1バールのシステム静圧に耐えられなかったため、この分離が必要でした。左側のマルチポート・ミキサー・アセンブリ（固形燃料ボイラー "ロガーノ "のもの）は、2ゾーンの充電を保証し、右側のラジエーターまたは分離交換器に向かっているものは、2ゾーンの排出を保証します。バッファーの2つのゾーンは、上部（85 °C）と中央部（45 °C）の間、および中央部と下部（30 °C）の間にあります。全負荷時以外では、この5 m3薪ボイラーは、ラジエーターとの関係や制御システムとの関係において、実際の熱発生装置である。薪ボイラーは、85℃という比較的一定の高温を、毎日、2日、3日のうちの数時間だけ供給する。基本的な考え方は、部分負荷運転中に、高品質の85℃を可能な限り低くして暖房回路に混合することである。不可逆混合、つまりもはや可逆混合はできない。5,000リットルの50℃の水は、1,000リットルの85℃の水より熱量が高いが、最初のケースでは、65℃の流量が必要な場合、ボイラーはまだ再加熱しなければならない。2番目のケースでは、必要な部分負荷に応じて、1日長くスイッチを切ったままにすることができる。つまり、マルチポートミキサーとそれに対応する接続構成によって、シリンダーのゾーンローディングとアンローディングを行うことで、従来の3ウェイミキサーの弱点を回避することができる。例えば、外気温が40/35 °Cのスプレッドしか必要としない場合、旧オイルタンクのみが加熱作業を行います。右側のrendeMIXは、例えば45 °Cをピックアップし（シリンダー中央）、熱交換器への流量制御を介して温度をラジエーター流量温度に正確に調整します。85 °Cは当初そのままです。平均温度が目標フロー温度を下回ると、コントロールユニットは温度測定値に基づいて自動的に上限タッピングポイントに切り替わる。ロガーノ」が最終的に始動すると、センター接続から固定値コントローラーで設定された値まで温水を加熱し、フラットに押し込むだけである。初期温度が比較的高いため、この立ち上がりは素早く行われ、燃焼室に残った丸太が再びシリンダーを完全に満たすために使われる。制御システムはまた、ボイラーリターンの60℃を確保する方法を独自に決定します。例えば、中央のゾーンが70℃まで上昇した場合、中央と下部の接続を使用します。rendeMIXは、温かいものと温かいもの、温かいものと冷たいものを混ぜることはありません。これは複雑な設置のように聞こえますが、そうではありません。マルチウェイミキサーは、ローディングステーションとアンローディングステーションの間にもう一本パイプが必要なだけだ。それ以外の制御技術は従来のままである。流量センサーまたはリターンセンサー付きの3点コントローラー、排出用のウェザーセンサー、充填用の固定値コントローラーである。これは、成層を安定させ、蓄熱された熱利用率を手放さないために十分なものである。HG Baunach GmbH & Co.KG（ヒュッケルホーフェン）は、rendeMIX特許の開発者である。設置計画もHG Baunach社が作成します。こうして成功が保証される。それは、極めて長い積載サイクルのために、貯蔵された温度を最大限に活用することである。左：rendeMIX 2×3 RR 5 FWR = 熱源（薪ボイラー）に2接続、ヒートシンク（暖房回路、貯蔵タンク）に3接続、RR右回転（接続）、ポンプフランジ付き5、サーボモーターに内蔵された設定温度ボイラーリターン設定用FWR固定値コントローラー。右：rendeMIX 3×2 RR 5-sys = 熱源への3つの接続、ヒートシンクへの2つの接続、sys = システム分離前の低い戻り温度のための最適な流量制御。システム分離用タイプ（接尾辞がsys、右側のアセンブリ）と通常のrendeMIXの違いは？全負荷時、アッセンブリが70℃の流量と混合する85℃と45℃の貯蔵温度を例にしてみましょう。例えば、部分負荷25 %（ラジエーター回路では33℃のフローと28℃のリターン）では、"sys "はシリンダーから供給される45℃をリターンの助けを借りて33℃に下げるのではなく、45℃を直接熱交換器に導く。しかし、その分熱量が減り、熱出力が低下する。通常のrendeMIXは、基本的に1つの筐体に2つの3ウェイミキサー、つまり熱いものと温かいもの、温かいものと冷たいものを混合するように機能するが、「sys」バージョンは、3ウェイミキサーに加え、混合と絞りのタスクを持つ2ウェイバルブに相当する。前述したように、エネルギーの利点は主に部分負荷運転で発揮され、バッファが熱発生器の役割を引き継ぎます。この利点はどのようなものだろうか。部分負荷25 %の例で説明しよう。シリンダー温度45 °Cは、二次側33/28 °Cの広がりに基づく熱源として十分です。45℃は熱交換器で30℃に冷却されます。したがって、一次側のデルタTは15 Kとなる。つまり、デルタTが大きく、熱利用率が高いため、ミキサーは1キロワット時の加熱出力に対して、バッファから60リットルの45℃の貯蔵水を取り出さなければならない。sys "モデルでは、一次側の循環をこの60リットル（60 x 15 K = 900 kcal = 約1 kWh）に正確に絞ることになる。理論的な代替案：二次側の還流と28℃の還流 - 「sys」は、還流の助けを借りてシリンダーから供給される45℃を33℃に下げるのではなく、45℃を直接熱交換器に導く。しかし、その分熱量が減少し、熱出力が低下する。通常のrendeMIXは、基本的に1つの筐体に2つの三方ミキサー、つまり熱いものと温かいもの、温かいものと冷たいものを混合するような働きをするが、「sys」バージョンは、三方ミキサーに加え、混合と絞りの役割を持つ二方弁に相当する。前述したように、エネルギーの利点は主に部分負荷運転で発揮され、バッファが熱発生器の役割を引き継ぎます。この利点はどのようなものだろうか。部分負荷25 %の例で説明しよう。シリンダー温度45 °Cは、二次側33/28 °Cの広がりに基づく熱源として十分です。45℃は熱交換器で30℃に冷却されます。したがって、一次側のデルタTは15 Kとなる。つまり、デルタTが大きく、熱利用率が高いため、ミキサーは1キロワット時の加熱出力に対して、バッファから60リットルの45℃の貯蔵水を取り出さなければならない。sys "モデルでは、一次側の循環をこの60リットル（60 x 15 K = 900 kcal = 約1 kWh）に正確に絞ることになる。理論的な代替案：28℃の二次側回路（ラジエーター）の還流は、45℃の一次側温度（シリンダーから）を、ミキサーで33℃の同じ還流に下げ、35℃に加熱されてシリンダーに還流する。この構造では、デルタTはわずか10Kである。従って、1kWhの暖房出力に対して、制御システムは45℃の水を50％多く、つまり90リットル引き出さなければならない。その結果、より暖かい戻り水がシリンダーに流れるものの、同じ熱量で成層は全体的に減少する。床面積の余分なカロリーは、高温ゾーンで不足することになった。上部の失われた体積で加熱することは可能であったが、下部の堆積物では不可能であった。つまり、タンクの排出側に設置された2つ目のrendeMIXは、アルフターのWeidenstraße 7にある家の住人に、暖房時間をさらに長くしているのだ。
薪ボイラーの心配をする必要がない。
ロガーノ」では、まずレジスター内の水を少なくとも65℃まで循環させます。この限界温度を超えて初めて、熱をバッファまたはラジエーターに送り込む。しかし、どうやって高温ボイラーを低温暖房システムに変えるのだろうか？上記のバッファと、ヒュッケルホーフェンのHG Baunach GmbH Co KG製マルチポート・ミキサー「rendeMIX」2台を使用する。これによって、ボイラーから供給される温水を節約することができる。つまり、貯湯タンクの対応する温度ゾーンに特別に給湯・排湯を行い、熱混合を防止する有孔浸漬管である。
給湯用廃熱
後に18,000ユーロが改造費用として追加された。この価格には、丸太ボイラーを含む近代化対策一式、タンクの改造、新しい銅配管が含まれている。この価格には、家庭用温水ヒートポンプと、各フラットの部屋の換気を制御するための換気システムは含まれていない。
ヒートポンプとエアダクトシステムはひとつのユニットを形成する。よく知られているように、制御された家庭内換気では、エネルギー豊富な加熱排気が廃棄物として発生する。この排気は、それ以上利用されることなく屋外に流されるか、熱交換器を介して給気を予熱する。あるいは、この物件のように、家庭用温水ヒートポンプのエネルギー源となる。この場合、ヒートポンプはコンパクトなモデルとして、従来の家庭用温水タンクと熱回収システムに取って代わる：
図6：家庭用温水暖房用の空気-水ヒートポンプ（タイプWPL 5030 EW）は、制御された家庭用換気システムの排気流からエネルギーを得ている。
供給空気は各部屋に分散して流れ込み、ファンユニットが排気ダクトシステムを介してキッチンとバスルームから取り出してヒートポンプに送る。冷却された排気は外部に排出される。温水の需要が非常に高い場合は、1.5kWの電気ヒーターがオンになる。貯湯タンク内の水量は300リットルで、加熱時間は、廃熱温度20℃、相対湿度40％、約200m2の条件下でメーカーが指定する。3/貯蔵タンク温度が55℃の場合、約10時間で1時間当たりの流量が4.1kWhとなる。この結果、410ワットの消費電力で完全充填すると4.1kWhとなる。
効率的な蓄熱」とはどういう意味か？
旧石油タンクの最適な蓄熱とはどのようなものだろうか？まず第一に、安定した成層化が達成されなければならない。これが、貯蔵された熱が高度に利用されることを保証する唯一の方法だからだ。例：パーティーとボトル：飲み残したビールの有用性は、瓶の中の分布で測ることができる。飲み残しの4分の1や半分のビンは、たいていの場合傾けられる。満タンになった瓶を先に注ぎ、満タンになった瓶は後でしまう方が賢明である。容器の中の熱も同様だ。バッファーの中に濃縮されて保存されていればいるほど、その価値は高くなる。
図7：「Logano S 151」固形燃料ボイラーは、かつての空襲シェルターに設置されている。煙突がなかったため、システムエンジニアがステンレス製の煙突を設置した。手前は、ボイラーが過熱した場合の放熱安全装置。
シリンダー容量全体に中温で均等に分配するのではなく、高温ゾーンと低温ゾーンを可能な限り明確に定義する必要がある。一方、通常のシングルゾーン吐出のように、上部接続からの温水が三方ミキサーによってシステムの冷たい還流と常に混合されると、温水供給が不必要に早く減少するだけでなく、バッファへの還流には少量の冷水しか到達しない。コールドゾーンがない場合、バッファーは例えば低温の周囲熱を蓄えることができない。
一方、2ゾーン吐出では、まず中央の接続部から温水を取り出し、冷系統の戻り水を利用する。その結果、上部の温水クッションはそのまま残り、より多くの冷水が最下部のバッファ接続に逆流する。中央の接続口からの供給が希望する流水温度より低い場合は、上部の接続口からの数リットルの温水で設定温度まで温度を上げ、戻り流をすべてバッファに送れば十分です。どちらの場合も、お湯は上部でより長く高温を保ち、下部でより早く低温になります。
荷降ろしだけでなく、積み込みも重要である。
ここで、木質ボイラーに必要な還流温度上昇（RLA）について考えてみよう。ブーデルス社は最低温度を60℃と規定している。ボイラーはまず、内部のボイラー回路をこの還流温度まで上昇させます。60 °C以上になって初めて、消費者への還流を開始する。バッファーシリンダーと組み合わせて、ボイラーからの温水をRLA用の下部バッファー接続からの冷水と混合する回路は、エネルギーの浪費に等しい。ロガノ」は、RLAのために温水の大半を使用しなければならないため、少量の温水しかバッファに送り込むことができない。
図8：ポリスチレンブロックは家の断熱材の残り。現在は旧石油鉄鋼タンクの断熱に使われている。Perifekt 035 "は、外面を断熱するためのポリスチレン製エレメントで、ペリメーター・インサレーション・ボード（ペリメーター＝囲い）として知られている。
一方、2ゾーン制御では、ボイラーの戻り温度が希望する温度以下である限り、ボイラーの温水とセンター接続からの温水を適度にRLAに使用する。その結果、より多くの温水が上部バッファゾーンに到達する。中央の接続部の温度が希望のボイラー戻り温度を超える場合、中央の接続部からの部分的な温水と下側の接続部からの部分的な冷水により、戻り温度は必要な60℃に正確に保たれます。ボイラーからの温水はそのまま残ります。 熱源への2つの接続と熱抽出のための3つの接続を持つ「rMIX 2×3」は、熱を最上部のバッファゾーンに完全に誘導します。並列2ゾーン排出と2ゾーン投入により、バッファーは上部が熱く下部が冷たくなり、自動的に理想的な段階的成層になります。
荷役原理
シングルゾーン排出の場合、コントロールユニットは90℃のバッファ水4分の1と30℃の戻り水4分の3を混合し、45/30℃にする。30℃の戻り水の4分の1がシリンダーに戻る。流水温度が45℃しかないにもかかわらず、バッファーの最上部にある高温の供給水が利用される。バッファーの成層は60/45/30に弱まる。低温熱の吸収がより困難になる。
2ゾーン吐出では、バッファーの上部にある水は最大30 %長く高温を維持する。ゾーニングが保持される。低温熱の吸収を促進します。
還流ブーストによるシングルゾーン負荷の場合。温水がバッファに到達するのが比較的遅い。チャージプロセスが遅れる。低温熱の吸収が難しくなる。
還流ブースト付き2ゾーン給湯により、給湯時間が短縮されます。30度ゾーンはより長く冷たいまま。低温熱の吸収が容易になる。
rendeMIX（レンデミックス）継手は、理想的な段階的成層を保証し、バッファ水の熱利用を最適化します。
収納効率の高さを証明する高い利便性
図9：移行期間中、ボイラーのスイッチを切ったままにできる。3つの住戸にはそれぞれ暖炉があり、適度な外気温であれば十分暖房できる。
つまり、過渡期、つまり部分負荷運転中に少量の薪を頻繁に追加する代わりに、オペレーターはバッファが完全に空になるまで待機し、その後薪をフルに追加する頻度を減らすことができる。ここでも、バッファーの上部の接続部で必要な流下温度が得られなくなった時点でボイラーを燃焼させなければならないので、成層化が良好であることが唯一の決定的な要因である。
しかし、前述したように、このことは、どれだけの（もはや使えないかもしれない）熱がまだ下にあるのかについて、原理的には何も語っていない。バッファーが完全に空になるのは、成層化と成層排出がうまくいったときだけである。常に安定したホットゾーンは、発達したコールドゾーンの保証でもある。これは、太陽熱を利用したシステムに特に有効である。というのも、下部のバッファゾーンの温度が高すぎると、冬に太陽が適度な温度レベルを蓄熱するためのハードルとなってしまうからである。
丸太にもコストがかかる
図10：アルフターの3世帯住宅では、約400平方メートルの居住スペースが3つの住戸にまたがっている。
シュミッツ社は、アルフターの物件で「層状」充放電を実現しました。rendeMIXマルチポート・ミキサーがなければ、ブデラスの「Logamatic」は正確な流水温度制御を実現するために、常に高温のボイラー水や貯蔵タンクの水と冷たい戻り水を混合しなければなりませんでした。暖房システムは、穏やかな天候では中温の供給源にアクセスできない。必然的に、熱発生装置はより頻繁にサイクルを繰り返さなければならなくなる。一方では、サイクルは利用者の快適さを損なう。オペレーターは、少量の薪を何度もボイラーに入れ、点火し、燃やさなければならない。物理的な観点からは、サイクリングは効率や環境だけでなく、熱発生器自体にも負担をかける。
隣接する "配線図 Weidenstraße 7, Alfter "には、この物件における制御システムの仕組みが詳しく説明されている。ちなみに、現在の薪の価格（2010年2月の平均値）は1立方メートルあたり約80ユーロで、1kWhあたり約3.8セントです。ちなみに、暖房用石油と天然ガスを同時に使用した場合、エネルギーコストは1kWhあたり6セントとなり、少なくとも55％高くなる。
ベルント・ゲナート
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