貯蔵容量1リットルごとに熱を利用できる
ソーラーと大型バッファータンク、ボイラーリターンリフト、リターン活用の4回路システムによる暖房用油圧機器
太陽熱利用でどれだけ効果的に燃料を節約できるかは、実際に使用できる太陽熱蓄熱槽の容量に大きく依存する。また、接続された暖房回路が異なるシステム温度で動作し、熱源が戻り流のブーストを必要とする場合、油圧的な負荷がかかる。
図1：農家のフェルディナンド・シェルフーバー氏（左）は、太陽熱を利用することで、燃料消費をほぼ半減させた。システムの油圧は、HG Baunach社の支援を受けて、彼の隣人であるWalter Grabner氏（右）が開発した。
その一例が 木屑 ニーダーエスターライヒ州の農場に設置された太陽熱暖房システム。その魅力は、従来にない設計の太陽熱貯蔵タンクである。このシステムの心臓部には、2つのマルチポート混合マニホールドがあり、2ゾーン原理に従って22,000リットルのバッファ貯蔵タンクへの給排気を行うとともに、還流を低温安定床暖房システムに利用できるようにしている。薪はエコロジカルで安価な燃料だが、ヴォルフスバッハの農家フェルディナント・シェルフーバーにとって、燃料費は労働力と機械代と同義である。モストフィアテル地方の養豚場では、夏場のウッドチップ消費量も常に多かった。子豚には、一年中一定の温度で暖房された畜舎の床が必要だからだ。また、薪ボイラーの燠（おき）を維持する必要も、燃料消費量を増加させた。数百メートル離れた彼の隣人ヴァルター・グラブナーの家も、太陽熱を利用しているとはいえ、薪で暖房している。ボイラーなしで数日間暖房できるなら、太陽熱は私にとって理にかなっています」とヴァルター・グラブナー氏は言う。22m²のソーラー・コレクターは、特別に構築されたトラッキング・システムに設置され、2つのバッファー・タンクを満たしている。
図2：大型バッファシリンダーを備えた暖房・太陽熱温水システムの油圧切り替えのための分配・制御システム全体は、2つのレンデミックス・マルチポート・ミキシング・マニホールドで構成され、約1 m²の壁面積に収まる。
グラブナーは、太陽熱の効率的な利用に対するこの熱意を近隣の農家に伝え、その農家は木材チップの消費量を削減することで、農作業の負担を軽減したいと考えていた。
余裕を持った寸法取りが正しかったことが証明された
しかし、農業用地に必要なエネルギーははるかに大きい。220m²の居住スペースに加え、納屋には約300m²の暖房が必要で、さらに農家が加工して1トン単位で運搬する木材チップを乾燥させるための暖房も必要だ。以前は、75kWの木屑ボイラーだけで熱需要を賄っていた。全体として、グラブナーの自宅の約4倍の広さである。近隣住民の支援もあり、最終的にソーラー・アシスト暖房システムという珍しい暖房システムが計画された。ソーラー・システムの寸法と緩衝貯蔵量について、ヴァルター・グラブナーは自身のシステム・コンセプトを農場の要件に4倍して外挿した。この計算の結果、バッファ貯蔵量は約20,000リットル、ソーラーコレクターの面積は88m²となった。後に判明したことだが、この寸法が正しかったことは、燃料消費量の半減によって証明された。「3月末にボイラーを止めました」と2009年秋に農家のフェルディナンド・シェルフーバーは報告した。 10月初旬まで、ソーラーシステムは家、納屋、給湯の唯一の熱源だった。
廃棄されたボイラーワゴンがソーラー貯蔵タンクになる
しかし、その前にグラブナーとショルグーバーは、2万リットルという必要なバッファーの容量をいかにして実現するか、しかも可能な限り低いコストで実現するかという問題に直面した。豚舎の別棟の構造的な条件は、貯蔵タンクを設置するスペースがあまり広くなかったが、高さの点ではなおさらだった。元ÖBB（オーストリア連邦鉄道）の現場監督であったヴァルター・グラブナーは、当時すでに鉄道の側線に向かう解決策を思い描いていた。しばらくして、シャシーから切り離され、内部がきれいに掃除された大型コンテナがヴォルフスバッハの農家の庭に置かれた。型にはまらない解決策への情熱と、確かな設計知識、金属加工工程の専門知識を併せ持つグラブナーは、かつての商品ワゴンのタンクを3分の1ほど短くし、縦型の貯蔵タンクを作り上げた。熱交換器には28ミリの銅パイプを使用し、農業機械を使って螺旋状の熱交換器に巻き取るためにロール状にして注文した。貯蔵タンクの下部には、伝熱面積7m²のコイルチューブ式熱交換器が2台設置され、それぞれ2 x 44m²のコレクター・アレイの半分に使用された。
2ゾーン充電とリターン利用
図3：ソーラー・バッファ・シリンダーは高さ4.5mで、約22m³の温水を収容する。
ヴァルター・グラブナーは、太陽熱貯蔵タンクの建設に加え、暖房システム全体の油圧回路をどのように構築するかについても集中的に取り組んだ。最初の課題は、数千リットルの暖房用水を最初に加熱することなく、常にバッファから利用可能な熱を得るにはどうすればいいかということだった。結局のところ、内容物全体がぬるい混合温度しかないのであれば、大容量の貯蔵はほとんど意味がない。第二の問題は、システム温度の違いである。住宅のラジエーター暖房回路は70/50℃で設計されているが、納屋の床暖房システムは40/30℃で作動する。しかし、木屑ボイラーの供給温度は80℃であり、戻り温度は60℃を下回ってはならない。そのため、それぞれの回路に必要な温度を確実に供給できる配電・制御システムが必要だった。ウォルター・グラブナー氏は、加熱技術製品のカタログからレンデミックスのマルチポートミキシングマニホールドにたどり着いた。彼は、バッファーの2ゾーンローディングとアンローディングの原理と、リターンの利用可能性に納得しました。さらに、2つのバッファゾーンに分散されたローディングとアンローディングの原理により、必要な戻り流量の増加を同時に実現することができた。ドイツのノルトライン・ヴェストファーレン州に本社を置くメーカーHG Baunach社(www.baunach.net)はグラブナーと意見を交換し、大きなバッファシリンダーと異なる温度要件を持つソーラーアシスト加熱システムの油圧のシステム図を作成した。2つのrendeMIXマルチポート混合マニホールドが計画され、貯蔵タンク内の成層化と温度混合に同時に使用される：
ヒートジェネレーターとバッファシリンダー間のシステム油圧、バッファシリンダーの2ゾーンローディング
- 木屑ボイラーで発生した熱を上部バッファーゾーンに供給する（フロー温度80℃）。
- 固形燃料ボイラーの戻り温度低減は、バッファーの加熱水と混合し、必要に応じてフローからの加熱水と混合します。のレンデミックスを使用する。2×3「固定値コントローラーによって設定された戻り温度は、バッファータンクの上部3分の1または中央部からの混合によって上昇する。バッファーの温度が十分でない場合、ミキサーはフローからの混合に切り替わります。
バッファータンクと4サーキットシステム間のシステム油圧、バッファーの2ゾーン排出
- ラジエーター暖房回路とDHW暖房の流水温度を、上部と中央のバッファゾーンからの暖房水と混合する。
- 低温暖房（安定した床暖房）のための流体温度の混合。ここでの特別な特徴は、rendeMIXの設計による還流利用です。3×4": ラジエーター暖房回路からの戻り温度が、パネル暖房のフローを供給するのにまだ十分な場合、マルチポート混合マニホールドは戻り熱利用に切り替わります。この熱供給が利用できない場合、ミキシング・マニホールドは中央のバッファゾーンから必要な熱を取り込み、必要に応じてバッファの上部から加熱水を追加します。
- バッファーシリンダーへのリターン：ミキシングマニホールドを経由してラジエーター暖房回路を中央バッファーゾーンに戻し（パネル暖房のリターンに使用しない場合）、パネル暖房を下部バッファーゾーンに戻す。
効率的なバッファ利用
図4：ヴァルター・グラブナーは、上・中・下のバッファゾーンの温度を監視するため、密閉断熱されたバッファ貯蔵タンクの木製パネルに、見る高さの3つの温度計を組み込んだ。
図5：ウォルター・グラブナーは、彼の家に供給する太陽熱暖房システムのために、油圧駆動の追尾システムを設計・製作した。
図6：廃車から救われたÖBB製タンク貨車。
バッファーシリンダーへの給排熱は、「上部が長く熱く、下部が早く冷える」という原則に従って行われる。外気温+9℃の10月のある日の現場視察では、マルチポート混合マニホールドの温度計が、暖房需要とバッファーの供給熱量がどのように変化するかを示していた：
- バッファー温度トップ：68 °C
- バッファ温度センター：45 °C
- バッファーの下限温度：45
太陽熱システムは下から熱を供給し、中央のバッファゾーンを経由して納屋の暖房に使用される。アクチュエーターの位置を見ると、レンデミックスは現在、上部のバッファゾーンから約1/3、中央のゾーンから2/3の熱を供給している。75kWのボイラーは、バッファーの内容を太陽熱交換器のレベルまで加熱するのに約12時間必要である。「今なら20kWのボイラーで農場全体が賄えるでしょう」とヴァルター・グラブナーは見積もる。農家のフェルディナンド・ショルグーバー氏は、薪の生産、運搬、保管にかかる人件費がほぼ半減したことを特に喜んでいる。
貯蔵タンクのサイズに依存しない動作原理
図7：...約3分の1に短くなったタンクに熱交換器が挿入され、ベースが溶接された。
計画段階で、HGバウナッハはバッファー・シリンダーの寸法を説明するために二次計算を行った。シリンダーの高さ4.5m（シリンダーとして単純化）に22,000リットルが入るとすると、シリンダーの高さ15cmは容量750リットルに相当する。言い換えれば、バッファー・シリンダーの大きさは、そこから利用できる熱量よりも、水力学的観点からはそれほど重要ではないということである。このシステムの例は、2ゾーン充放電の原理によってのみ、バッファーの内容を真に効率的に利用できることを示している。ヴァルター・グラブナー氏の自宅にある合計容量4,500リットルの緩衝剤貯蔵タンク2基の排出に使用されているrendeMIXも、同じ原理で作動する。彼の経験では、バッファーの容量に余裕があることは大きな利点である。「太陽エネルギーを使用する場合、ボイラーがバッファーを温めたところで、天候が突然晴れに変わることが常に起こり得ます。
図8：Walter Grabner氏の家のrendeMIXは、バッファ貯蔵タンクと、ラジエーターと床暖房の二重回路システムとの切り替えポイントになっている。
下部バッファーエリアには、太陽熱をチャージするための十分なスペースがあります」とヴァルター・グラブナーは言う。rendeMIXは、下部バッファエリアが常に低温に保たれるようにする。マルチポート混合マニホールドのアクチュエーターは、従来の暖房制御システムからの3点信号で簡単に制御できる。「革新的な暖房技術者は、レンデミックスの操作モードに慣れればいいのです」と、ヴァルター・グラブナー氏は勧める。
図9：88m²の太陽熱集熱面積で、4月から10月までの暖房需要をカバー。
ヴォルフガング・ハインル
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