重要なのは記憶容量だけではありません
バッファータンクを用いた既存の暖房システムの調査。
2ゾーンローディング/アンローディングによるバッファ容量の拡大
ビーベラッハ応用科学大学建築・エネルギーシステム研究所は、メーカーのHG Baunach社と共同で、バッファストレージを備えた既存の暖房システムにおいて、有効なストレージ容量をいかに最適化できるかを調査しました。調査の対象となったのは、SHKの契約者が所有する6世帯住宅の暖房設備です。荷重と除荷の挙動が使用可能な熱量に与える影響について調べた。その結果、バッファーストレージタンクを2ゾーンローディング/アンローディングに変更したところ、貯蔵容量が大幅に向上しました。
画像1: 6世帯住宅のボイラー室にて。バッファ貯蔵タンクの充放電を2ゾーンに切り替えた後、CHPユニットは外気温-10℃まで一価の熱源として稼働する。
暖房システムにおいて、バッファ貯蔵タンクは、熱を吸収し、可能な限り損失なく貯蔵し、必要な温度レベルで消費者に放出するという役割を担っている。熱を一時的に貯蔵することは理にかなっている、
- 熱供給と熱需要が異なる時間に発生する場合、
- CHPユニット、バイオマスボイラー、ヒートポンプなどの熱発生装置の切り替えサイクルを最小限に抑える、
- 太陽熱システムから生産される熱エネルギーの利用や、熱電併給プラントの運転を最適化する。
しかし、太陽熱が頻繁にオン・オフされたり、十分に利用されなかったりする場合、その原因は通常、バッファシリンダーの大きさではなく、そこから利用できる熱量にある。
バッファーの蓄熱量が少なすぎる
HVAC業者のギュンター・ムック氏は、シュヴァインフルトのHVACギルドでHGバウナッハ氏による暖房システムの水力最適化に関する専門講義を聴講した際、この仮説に従った。シュヴァインフルトの北、ディッテルブルン＝ハンバッハにある彼の賃貸アパートは、ミニCHPユニットで暖房されている（図1）。これは、彼のHVACビジネスに属する6つの賃貸アパートと倉庫を暖めている。
図2：2ゾーン充放電に変更する前の熱発生器の短いスイッチングサイクル（左）は、バッファーの有効貯蔵容量が低いことを示している。切り替え後は、CHPの始動は1日1回のみ（右）。
容量1000リットルのバッファシリンダーが、熱発生装置と熱分配システムの間に油圧式セパレーターとして組み込まれている。ギュンター・ムック氏は、1996年に建設されたこの建物の暖房需要（当時はまだDIN 4701に準拠）を18.1kWと計算した。その セネテックCHP 12.5kWを供給thピーク負荷をカバーするため、ガスコンデンシングボイラーも設置された。建物内の熱消費は、70/50℃設計のラジエーターである。通常通り、バッファーの統合は、フローが上部に、リターンが下部に接続されるように設計された。しかし、ギュンター・ムック氏は、CHPユニットが24時間以内に最大5回のスタート・ストップ・プロセスを繰り返したため、これまでのシステム運用にはあまり満足していなかった（図2）。
シュヴァインフルトでの講演会の際、彼はハンス・ゲオルク・バウナッハとの会話の中で、彼がマルチポート・ミキサー "rendeMIX "のテスト対象として適切な既存のシステムを探していることを知った。HGバウナッハとビーベラッハ応用科学大学建築・エネルギーシステム研究所との協力関係の一環として、バウナッハはバッファー・ストレージ・システムの調査を開始した。その目的は、貯蔵量をより効率的に利用し、CHPの運転時間を最適化することだった。
試験室としての暖房システム
図3：理想的に混合された貯槽（左）、理想的に成層された貯槽（中）、線形に成層された貯槽（右）の温度分布を示すグラフ。理論的な観点からは、実際の運転モードは線形成層貯蔵タンクモデルによって最もよく説明される。
ビーベラッハ応用科学大学では、建築気候学を専攻する大学院エンジニア志望のクリスチャン・ディートリッヒが、学位論文の一環として「油圧システムにおけるバッファ貯蔵タンクの最適化」というテーマを扱った。貯蔵効率を調査するための最初のアプローチは、1000リットルのバッファ容積に何kWhの熱を理想的に貯蔵できるか、そしてそのうちどれだけの熱を実際に使用できるかを決定することだった。理想的な条件下では、CHPフロー温度90℃、暖房回路からのリターン温度50℃での貯蔵量は、理論上47kWhとなる。しかし、ギュンター・ムックの集合住宅のCHPユニットのスイッチング・サイクルは、この理論的考察と一致しなかった（図3）。このことは、有効貯蔵容量（バッファ貯蔵タンクの内容量に対して有効に利用できる熱エネルギー）を大幅に削減しなければならないことを示している。これを見極めるため、この住宅所有者の暖房システムを数ヶ月間実験室とした。既存の三方混合弁を多方混合マニホールドに交換した。温度センサーと体積流量計が貯蔵タンクと配管に設置された。
貯蔵効率図からわかる弱点
図4：試験室としてのボイラー室：2つの異なるバッファ負荷方法によるシステム運転の継続的な調査中、測定データは継続的に記録され、評価のためにビーベラッハ応用科学大学に遠隔データ伝送された。
最初の試験段階として、「rendeMIX」混合分配器を初期設定し、充放電プロセスが以前の3ウェイミキサーを使用した回路に対応するようにした。2007年10月中旬から2008年2月中旬まで、ボイラー室に設置されたPCが、充放電の挙動を調べるために測定データを記録した（図4a + 4b）。ギュンター・ムックの観察によると、この間、暖房期間の典型的な気象条件はほとんどすべて揃っていた。
測定データは遠隔データ伝送によってビーベラッハ応用科学大学に送られ、そこでクリスチャン・ディートリッヒが分析した。これにより、大学院生は実際の貯蔵効率を突き止めることができた。ディートリッヒは貯蔵効率図と呼ばれる特殊な可視化方法を開発した。この図では、貯蔵タンクの高さが垂直のY軸に、温度が水平のX軸にプロットされている。複数の温度センサーがバッファシリンダーの高さに沿って配置されている（図5）。温度と貯蔵タンクの高さの座標から、貯蔵タンク効率図に入力すると、貯蔵容量を面積としてグラフで表すことができる（図6）。
図5：貯蔵タンクの効率を調べるため、1000リットルのバッファータンクに複数の温度センサーをタンクの高さ方向に分散して設置した。
その結果、従来の放電による有効蓄電容量は約17kWhであり、理論的に使用可能な蓄電容量47kWhの2.7倍であった。
同じバッファ容量でより多くの熱を得る
図6：従来の統合型（左）と2ゾーン充放電に変換した後（右）のそれぞれの有効貯蔵容量を示すビフォー・アフター比較。
図7：大学院生のクリスチャン・ディートリッヒが特別に開発した貯蔵タンク効率図は、貯蔵タンクの高さにわたってバッファ貯蔵タンクで有効利用できる熱量を示している。
調査の次のステップは、どのパラメータが有効に利用できる貯蔵容量に影響するかを分析することであった。図7（右の貯蔵タンク図）に示す実際の出し入れは、必然的にバッファ貯蔵タンク内の混合を引き起こし、有効利用できる熱量を大幅に制限する。既存のシステムでは、このようなバッファーの積み下ろしが定期的に成層を破壊していた。そのため、積み下ろし時の混合により、貯蔵タンク下部の温度は上昇するが、上部の温度は低下する。このことから、水力バッファーの効率は、バッファーのシリンダー内の温度分布に大きく依存するという結論が導き出される。貯蔵タンクの効率は以下の影響を受ける。
- 熱発生器の流路温度をできるだけ高くする、
- コンシューマー回路の戻り温度はできるだけ低くする、
- バッファータンクの入口における流況と流速。
2つのゾーンに分散された荷役
図8：バッファー貯蔵タンクの2ゾーン給排のために、既存の3ウェイミキサーはレンデミックス3×4マルチウェイミキシングマニホールドに置き換えられた。
3ウェイミキサーの代わりに、マルチウェイミキサーが発熱回路と消費回路の両方に組み込まれている。テストのさらなる部分では、充電方式を「2ゾーン充放電」運転モードに変更した。この目的のため、すでに設置されているマルチウェイミキサーは、アクチュエーターを交換することで改造され、設定値の仕様に応じて、温水が冷水と混合されるのではなく、温水が温水と混合されたり、温水が冷水と混合されたりするようになった。これにより、バッファシリンダーのロードとアンロードの挙動が変化する。ロード時には、上側のバッファゾーン（高温）が最初にロードされ、その結果、より早く加熱される。下側のゾーンは長い間冷たいままである。排出時には、まず中央（！）のシリンダー接続部を介して下部緩衝ゾーンから熱が取り除かれ、その結果、下部緩衝ゾーンはより早く冷却される。その結果、上部バッファゾーンはより長く高温レベルを維持する。
マルチウェイミキサー（図8）は、従来使用されていた3ウェイミキサーと同様に、3点信号（230V）を介して制御される。暖房回路のフロー温度は、アンローディング時には天候に応じた暖房カーブに従いますが、ローディング時には熱発生器へのリターン温度が固定設定値に設定されます。このように、2ゾーンローディングは、そうでなければ必要な還流ブーストの代わりにもなる。
調査の過程で、貯蔵タンク上の温度センサーの位置が貯蔵効率に大きく影響することも明らかになった。このシステムのSenertec CHPユニットには2つの独立した温度センサーがあり、バッファーの異なる高さに設置する必要がある。温度が上のセンサーの設定値を下回ると、ユニットが始動する。温度が下側のセンサーの設定値を下回ると、機械は停止する。クリスチャン・ディートリッヒの分析が示すように、2ゾーン充放電により、有効貯蔵容量は17kWhから27.4kWhへと約60 %増加した。貯蔵タンクの下部センサーもさらに下に移動すれば、この場合、使用可能なバッファ効率はさらに30～50 %増加する。
あらゆる油圧システムに適用可能な2ゾーン原理
図9＋10：バッファシリンダーの2ゾーン排出中に、シリンダー中央部の温度が消費者の流水温度を上回った場合、水は中央のバッファ接続部から取り除かれ、消費者からの戻り水と混合されて所望の温度レベルになる。排出中に中央のシリンダー接続部の温度が流水温度より低下した場合は、上部のシリンダーエリアから暖かい水を混合して温度を上げます。このようにして、下部シリンダーエリアは、ほぼ完全に戻り温度まで排出することができる。
空調設備業者であり住宅所有者でもあるギュンター・ムック氏は、ミニCHPユニットのスイッチング・サイクルにおける貯蔵容量の増加の効果に気づいた。2ゾーン充放電に切り替えてから（図9）、ユニットは1日に1回しか始動しなくなったが、これは24時間間隔でモーターが強制的に停止するためである。彼の観察によると、CHPユニットは現在、ほぼ一価の熱発生器として機能している。ピーク負荷に使用されるガスコンデンシングボイラーは、外気温がマイナス10℃前後からしかスイッチが入らないが、これは2009年1月に4日間だけ稼働した。バッファ貯蔵の運転モードを変更したことも、建物のエネルギー効率にプラスに働いた：ギュンター・ムックはその後、この6世帯住宅のエネルギー証明書を作成し、建物のエネルギー効率が大幅に改善されたことを証明した。
しかし、CHPユニット、ガスコンデンシングボイラー、ラジエーター加熱回路を備えた分析された暖房システムは、2ゾーン原理の応用可能性の一例に過ぎない。例えば、パネルヒーティングシステムでは、熱消費回路からの最低戻り温度が熱発電機の戻り温度に到達し、途中で暖かい戻り水と混合されないため、さらに低い戻り温度を達成することができる。また、2ゾーン充放電は、再生可能エネルギーや冷却システムの統合など、バッファ蓄熱を使用する他のあらゆる水力システムにも応用できます。
著者のアレクサンダー・フロース教授は1995年にHVAC計画事務所を設立し、現在は専門家レポート、コンサルティング、製品開発の分野に専念している。1999年からはビーベラッハ応用科学大学の建築気候学・エネルギーシステム学科で熱エネルギーシステムとシステムプランニングを担当している。同大学建築・エネルギーシステム研究所の所長も務める。電話：(0 73 51) 58 22 56、Eメール：floss@hochschule-bc.de。
著者のヴォルフガング・ハインルはフリーランスの業界ジャーナリスト兼PRマネージャーで、HVAC部門と建築サービス・エンジニアリングを専門とする編集事務所を経営している。
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