単に焼くだけでなく、何度も使用する熱
油圧側からの暖房近代化：熱分布の段階的な戻り利用、バッファータンクの2ゾーン充放電
シュヴァインフルトのSHK専門卸売業者リヒター＋フレンツェル社の支店では、暖房システムのエネルギー最適化のために、主にシステム油圧に取り組みました。既存のシステムには熱の余剰があり、まだ他に有効な使い道があったのです。しかし、問題は、そこに至るまでの暖房用水のマスフローをどうするかであった。システム油圧の最適化は、マルチウェイミキシングバルブと、追加のリターンチャンバーを備えた特別なディストリビューターの相互作用によって達成された。そのため、利用可能な余剰熱を段階的に利用することができる。同時に、既存のバッファ貯蔵タンクのより効率的な充電方法を発見し、熱発電機を凝縮モードで連続運転することに成功した。
図1：暖房回路の熱分配には、HG Baunach Gmbh & Co.KGの新型3室ディストリビューターと組み合わせた。 マグラ が使用される。マニホールド出口の順序は、ボイラーへの流れ方向における戻り流の温度勾配に依存する。
暖房システムにおける高温システムと低温システムの組み合わせは、もはや例外ではなく、CHPユニットや凝縮ボイラーを使った二価の熱生成も例外ではない。しかし、熱供給において必要なシステム温度を確保し、必要な低温の戻り温度を熱生成装置に供給するという課題は、やや難易度が高い。シュヴァインフルトにあるHVAC卸売業者リヒター＋フレンツェル社の支店では、エネルギーの最適化が暖房システムの近代化の主な目的でした。ガスボイラーも新しいコンデンシングボイラーに交換されましたが、近代化対策は主にシステム油圧に重点が置かれました。2006年11月初旬の再運転以来、CHPユニットは連続運転され、凝縮ボイラーから凝縮水が連続的に流出している。プラント全体を通して、制御エンジニアリングの労力を最小限に抑えながら、決められたシステム温度が維持されている。
コンデンシング・ボイラーと熱電併給に注力
図2：ベースとなる熱負荷は、以下のDachs社製CHPユニットで賄われる。 ゼネテック これはバッファー・ストレージ・タンク（中央奥）で作動する。補助暖房は、130kWのガスコンデンシング・センターボイラーで賄われている。 ウルフの暖房技術.
振り返ってリヒター＋フレンツェル支店は1984年に建設され、浴室展示場、商品・集荷倉庫、オフィス棟を備えています。 暖房システムは3つの高温回路と2つの低温回路を供給する必要があります。900 m²の面積を持つ商品・集荷倉庫はVL/RL 75/50 °Cのエアーヒーターで暖房され、浴室展示場の床下コンベクターと浴室オアシスの温水暖房はプレート式熱交換器で供給されます。600m²の浴室展示室の床暖房と200m²のオフィススペースの床暖房は、低温システム（40/30℃）として設計されました。出力15 kWのSenertec製Dachs CHPユニットth はその後、既存のガスボイラーの還流量を上げるために改造された。しかし、210kWではオーバーサイズだった。最近完了した近代化の過程で、ヴォルフ・ハイツテクニクのMGK型130kWガスコンデンシング・ボイラーに交換された。このボイラーは、その大きな変調範囲によって補助暖房を引き継ぎ、必要に応じて熱電併給を促進する。コンパクトなサイズ（幅×高さ×奥行き＝1350×1300×600mm）で、IFH2006で技術革新として発表されたばかりの壁掛け式センターボイラーは、標準的なドアに収まるため、既存のボイラー室に簡単に設置できる。CHPユニットで生産された熱は、1000リットルのバッファータンクに貯蔵される。生産された電気エネルギー（約5kWエル)は、建物の外部照明とスタンバイ・モードの全消費者に電力を供給する。
低温域でのリターン利用
計画上の課題は、既存の小型CHPユニットの稼働時間を最大化し、新しいガスコンデンシング・ボイラーが排ガスの発熱量を実際に利用できるようにすることだった。そのためには、熱供給側で還流利用の原則を実行する必要がある：ある暖房回路の還流温度が、より低い温度レベルの別の暖房回路に供給するのに十分な場合、還流熱を利用する前に、この利用可能な熱をまずこの目的に利用すべきである。近代化計画のために、まず既存システムの性能データとマスフローが記録された。その結果、システム計算の結果、高温回路のリターンフローからは、低温回路で有効利用できない熱がまだ大量に余っていることがわかった。これは、CHPユニットと計画中の凝縮ボイラーの両方にとって、戻り温度が高すぎることも意味していた。「このような状況では、バッファーの容積を最大限に活用するために、バッファーのシリンダー内で効率的な拡散を達成することは不可能だった。高温回路と低温回路からのリターンをミキシングすると、ぬるま湯のような暖房水になってしまいます。
図3：シュヴァインフルトのリヒター＋フレンツェル社セールス・マネージャー、ウォルフガング・ミカ氏は、システム油圧を最適化することで、エネルギーコストの大幅な削減を見込んでいる。
マルチポートミキサーと3チャンバーマニホールド
図4：CHPユニットとバッファシリンダー間のrendeMIXにより、シリンダーは2ゾーン原理に従って充電される。
シュヴァインフルトのリヒター＋フレンツェル社では、既存の暖房システムの油圧に2つの機能原則を実現する必要がありました：
- 戻り熱の2段階利用システム温度が高い暖房回路(75/50 °C)からの余剰熱は、マルチポートミキシングバルブを介して、ディストリビューターまたはコレクターを経由して、それぞれのNT暖房回路に直接還流させることにより、低温暖房回路(40/30 °C)に利用する。例えば、ホールのエアヒーターと浴室ショールームの床下コンベクターの還流温度は、ショールームとオフィスの床下暖房システムに供給するのに十分な温度です。これらの低温回路からのリターンフローは、バッファ貯槽の下部に別々に流される。その目的は、高温回路のリターンフローからの未使用の余剰分と混ざらないようにすることだった。
- 明確な温度スプレッドと低い戻り温度：既存のバッファシリンダーで可能な限り高い温度スプレッドを実現する必要がある。ハンス・ゲオルク・バウナッハの計算によれば、このシリンダーは1000リットルとかなり小さい。つまり、高温の暖房回路には、有用な温度を持つ可能な限り大きなバッファ容積を常に利用できるようにしなければならない。前述したように、CHPユニットの運転時間を可能な限り長くするために、戻り温度を低くしている。
HG Baunach GmbH & Co.KGの「rendeMIX」マルチポート混合弁が、熱需要と供給に応じて暖房水流を混合・分流するために使用された。KGが使用された。ミキサーは、断熱シェル付きのコンパクトな設置ブロックとして設計されており、工場ですでにシャットオフボールバルブと温度計が組み込まれています。HGバウナッハが開発したマルチポート・ミキサー「rendeMIX 3×2 VL 5」と従来の3ウェイ・4ウェイ・ミキサーとの主な違いは、マニホールドへの接続が3つあることだ：
- 温水と温水用の2つの流入口、
- 冷水用の戻り口。
温水の入口はマニホールドのフローチャンバーに、温水の入口はマニホールドのセンターチャンバーに接続されている。高温回路からのまだ温かい戻り流は下流でセンターチャンバーに供給され、これは戻り流利用の原則に対応する。しかし、低温回路からの還流は、別の第3の還流チャンバーに供給される。これは、高温の余剰還流が混合されることなく別々にバッファに到達することを意味し、2ゾーン排出の原則に相当する。3室マニホールドはHG Baunachプログラムの一部であり、Magra社製です。
加熱マニホールドの3つのチャンバーは、バッファシリンダーの2つのゾーンと連通している：
- フロー・マニホールドは、上部の温度レベルから加熱水を受け取り、必要に応じて中間凝縮ボイラーを経由して再加熱される。
- センター・ディストリビューション・チャンバーは主にリターンとして機能するが、逆方向にも機能し、半分の高さでバッファー・シリンダーに接続されている。バッファーがフルチャージされると、センターレベルから利用可能な加熱水温を使用することができる。中央の貯水ゾーンから利用する利点は、上部エリアに十分な予備を維持できることである。高温回路のマルチポートミキサーは、それぞれセンターマニホールドレールにフローとリターンで接続されている。バッファーの温度と暖房の必要性に応じて、これらの回路は貯蔵タンクから暖房水を受け取るか、暖房回路が床暖房回路または「未使用」の戻り温度のあるバッファーにフィードバックします。
- 展示センターとオフィス棟の床暖房システムからの低温リターンだけが、第3分配室に流れ込む。この第2段階の還流利用は、下層のバッファ貯蔵庫に送られるため、意図した拡散をサポートし、発熱量の利用も確保される。
24時間体制のCHP
第3分配チャンバーからの還流は、CHPプラントの近代化の一環として改造された排ガス熱交換器にも流れる。これにより、燃焼ガスの熱収率が向上し、システム全体の効率が高まる。コンデンシング・ボイラーは、バッファ・シリンダーの後のディストリビューターにつながる流れにのみ直接供給されるため、熱電併給のみによってシリンダーの内容物が加熱される。19～100 %または24～126 kW（凝縮モード）の変調範囲により、凝縮ボイラーは再加熱という役割を十分に果たします。R + F社の営業マネージャーWolfgang Mika氏は、IKZ-HAUSTECHNIKの現場視察で、「凝縮ボイラーが凝縮域で実際に稼働していることは、凝縮水汲み上げシステムが30分以内に数回汲み上げたことからもわかります」と述べています。40/30 °Cの範囲で、凝縮ボイラーは108 %の標準化効率を達成している。
熱供給とエネルギー利用を最適化する2ゾーン方式
図5：シュヴァインフルトの空調卸売業者Richter + Frenzel社の支店の暖房システムが、エネルギー効率の観点から最適化された。主な焦点はシステム油圧でした。
ハンス・ゲオルク・バウナッハは、近代化後のシステムを「発熱量のために調整された」と表現する。制御技術の面では、エネルギー最適化システムは複雑ではないようだ。ミキサー用アクチュエーターは、ウォルフ・ボイラー・アクセサリー（230V 3点信号）の従来の天候補正制御を使用して、シンプルな方法で制御される。ホールエリアの空気ヒーターへの接続にはサーモスタットバルブとリモートセンサーが取り付けられ、空気温度とファンの動作に基づいて流量が調整される。浴室展示の床下コンベクターの戻り側には、床暖房のために戻り温度を適切な値に制限するためのRTLバルブが設置された。CHPの制御システムもリレー回路で拡張され、低暖房負荷時のサイクルレートを大幅に延長し、バッファ容積をフルに活用できるようにした。バッファーシリンダー上の異なる高さに2つのサーモスタットスイッチがあり、強力な成層構造が確保されている。CHPユニットとバッファシリンダー間のリンクとして、もう1台のrendeMIXマルチポートミキサーが使用されている。固定値コントローラーを内蔵し、CHPユニットの還流ブースターとして機能します。これにより、3つのバッファ供給ポイントがDachs CHPシステムに接続され、成層負荷が確保される。HGバウナッハのミキシングバルブを使用して、ボイラー回路とバッファー・ディストリビューター間の両方で「2ゾーン原理」が適用された。「これにより、バッファーのスプレッドを常に可能な限り高く保つことができる。上部ゾーンが完全にチャージされたときのみ、下部ゾーンがチャージプロセスに含まれる。つまり、上部ゾーンはより早く使用可能になり、下部ゾーンはより長く低温を保つことができる。この原理は、太陽熱の利用に特に有利です」とバウナッハは説明する。アルンスベルク工芸協会に設置されたテストセットアップでは、「2ゾーン原理」に従ってバッファシリンダーを排出した場合、最大35 %の熱エネルギーを放出できることが測定で示されている。「近代化後、私たちの暖房システムは、温度幅が明確になり、同時に待機熱も十分に供給されるようになりました。再運転以来、熱電併給プラントは1分たりとも停止することなく、両方の熱発電機は常に凝縮範囲で稼働している。システム油圧を最適化することで、発熱量の最適利用と効率的な熱供給を実現することができました」と、R+Fのセールスマネージャーであるウォルフガング・ミカ氏は総括する。
マルチウェイミキサーの機能原理
rendeMIXバルブ本体は、3つの入口のうち2つだけを1つの出口に接続するため、温水が温水と混合されるか、温水が冷水と混合される。こうすることで、利用可能な温水ができるだけ多く利用され、温水や冷水は少量しか混合されない。これにより、熱水ネットワークで利用可能な温度が最大化され、熱発生装置への戻り温度が低下します。アクチュエータは、ボイラアクセサリから任意の天候補正コントローラ（230V、3点信号）で制御することができます。また、固定値コントローラを内蔵したアクチュエータもあります。
の中で 加熱油圧 莫大なフロー 貯蓄の可能性
油圧の最適化から1年後の経験：エネルギー・コストの大幅な削減を証明する消費量
図6：「システムの油圧最適化以来、CHPユニットは中断することなく稼働しています」と、シュヴァインフルトのリヒター＋フレンツェル社技術営業部のノルベルト・ロスナー氏は報告する。ポンプの消費電力を削減することで、さらなる節約効果が得られました。
1年前の2007年第5号で、シュヴァインフルトの空調卸売業者リヒター＋フレンツェル社の支店における暖房システムのエネルギー最適化について報告した。運転開始1年後の省エネ効果は、消費データの分析から明らかになったように、4桁ユーロの金額で定量化できる。システムオペレーターと、水力最適化で重要な役割を果たしたメーカーHG Baunach社からの情報によると、システムオペレーターは1年後、投資額の約4分の1を回収している。
図7：シュヴァインフルトの空調卸売業者リヒター＋フレンツェル社の支店の暖房システムは、2006年末に最適化された。例えば、浴室展示の床暖房のような低温回路には、高い戻り温度が利用されている。
空調機器卸売業者リヒター＋フレンツェル社のシュヴァインフルト支店では、エネルギー近代化後の試運転から12カ月間、ガスと電力の消費値を興味深くモニターした。その理由は、2006年末に完了した暖房用油圧機器の最適化にあった。その目的のひとつは、高温回路（エアヒーター、床下コンベクター）からの余熱をショールームやオフィスの床暖房に利用することだった。戻り温度が高いため、高温回路（70/50℃）は低温暖房回路（40/30℃）に供給するのに十分な熱エネルギーを供給していました。近代化計画のために、まず既存システムの性能データとマスフローが記録された。システム計算の結果、高温回路からの熱余剰が大きいことがわかりました。その結果、熱発生器の戻り温度も高すぎた。
反応は2段階に分かれる
図8：HGバウナッハのマルチポートミキシングバルブrendeMIXは、高温と低温の加熱回路に熱を分配する。リターンフローは、低温域の方向に利用されます。Magra社の3チャンバー・マニホールドと併用することで、CHPユニットと凝縮ボイラーに低い還流温度が供給される。
セネテック社の小型CHPユニットと、ヴォルフ・ハイツテクニク社のMGK型コンデンシング・センターボイラーから成る二価の熱生成システム。CHPユニットの長時間の運転と130kWのセンターボイラーでの連続的な凝縮利用を実現するため、このデュオではエネルギー効率の高い運転には低い戻り温度が必須条件となる。「既存の油圧装置では、低い還流温度を達成することができず、効率的な発熱量の利用ができませんでした。高温回路と低温回路の還流を混合すると、暖房水がぬるくなってしまいます」と、近代化計画のアドバイザーを務めたハンス・ゲオルク・バウナッハは説明する。と、近代化計画のアドバイザーを務めたハンス・ゲオルク・バウナッハは説明する。「現行の運転条件では、既存のバッファタンクで効率的に散布することもできませんでした。しかし、返送利用という原則をどう実現するかが問題だった。この課題は、HGバウナッハが開発した「rendeMIX」マルチポート混合バルブと、追加リターンチャンバーを備えた特別なMagraディストリビューターによって、暖房水分配システムを完全に再編成することで解決された（プロジェクトの詳細レポートはIKZ-HAUSTECHNIK 5/2007、186ページ以降、「熱は単に燃やされるのではなく、何度も利用される」）。
2007年度と2005年度の比較に基づくエネルギーコスト削減額の決定
説明する：
1 システムのエネルギー最適化は2006年末に完了したため、2007年は近代化後の稼働初年度となった。2005年と2007年の暖房期間中の気象条件が2006年と2007年よりも類似していたため、コスト比較には2005年を使用した。
2 ガス消費量の削減は以下の方法で達成された。
a) 暖房システム全体の油圧バランシング（暖房エネルギーの一部が以前は使われていなかった）
b) 単段ピーク負荷ボイラーから調節式ガスコンデンシングボイラーへの交換
3 – 6CHPの運転時間の延長と、その結果としてのCHP発電量の増加は、以下の対策によって達成された：
I. バッファストレージ管理の最適化
a) 油圧バランシング
b) マルチポートミキシングマニホールドと3チャンバーマニホールドの使用による還流利用
c) マルチポートミキシングマニホールドを使用したバッファータンクの2ゾーンチャージとディスチャージ
II. ピークロードボイラーを、バッファ貯蔵タンクではなく、流量側の配電網に直接供給するよう統合する。
7 暖房用ガス消費量＝総ガス消費量-CHPによる発電用ガス消費量
8 ボイラーガス消費量＝暖房用ガス消費量-熱生産用CHPガス消費量
9 ベース暖房負荷を賄うためにCHPの運転時間を増やしたことで、ピーク負荷ボイラーとして使用されるガスコンデンシングボイラーの運転時間が短縮された。
10 – 12 CHPによる発電量の増加により、電力調達コストが削減された。
13 – 16 計算は2007年のエネルギー価格に基づいている。
17 システム全体の水力最適化により、ガス代と電気代が年間5,613.67ユーロ削減された。
ガス消費は減るが、電力生産は増える
ガス消費量だけでなく電力量計にも焦点が当てられているのは、設置された小型CHPユニットがベース熱負荷の両方をカバーし、電力を生産しているからである。ガスと電気の消費量、CHPユニットと（ピーク負荷の）暖房ボイラーの稼働時間、CHPユニットの発電量は、エネルギー最適化の効果を示している。リヒター＋フレンツェル支店のセールス・マネージャーであるヴォルフガング・ミカ氏は、2007年の消費削減額を合計で約5,600ユーロと見積もっている。「2006年11月の近代化後の再運転以来、CHPユニットは継続的に稼働し、凝縮ボイラーは継続的に凝縮水を排出している。システム全体を通して、決められたシステム温度が維持されており、しかも制御エンジニアリングの労力は最小限に抑えられています」と、ウォルフガング・ミカは水力最適化の結果について語った。記録されたエネルギー消費量と運転時間の比較データ（表）は、システムのエネルギー利用がいかに増加し、その結果コストが削減されたかを示している。「エネルギーコストを削減するために実施された対策は、交換されたピーク負荷ボイラーを除き、純粋にシステムの油圧に焦点を当てたものでした。これには、システムの水力バランシング、還流利用、バッファ貯槽の2ゾーン充放電などが含まれる。熱電併給プラントは現在、連続運転によって熱生産の半分以上を供給している。還流の利用と効率的なバッファーの管理は、CHPユニットと凝縮ボイラーの運転に最適な運転条件を提供します」と、ハンス・ゲオルク・バウナッハは総括する。
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