太陽熱システムとヒートポンプの組み合わせで安定した熱供給を実現
2006年、フリードリッヒ・フリースとその家族は、フランケン地方のマロルツヴァイザッハに一戸建ての家を持つという夢を実現した。自営の衛生・冷暖房の専門家として、低エネルギー住宅に適した効率的で環境に優しい熱供給を重要視しています。そのため、ヒートポンプと太陽熱温水器の組み合わせを選択しました。独自のマルチウェイミキシングマニホールドの助けを借りて rMIX 3×3 L 35 HG Baunach GmbH & Co.KGは、エネルギーの利用方法が全く異なる両システムが手を取り合い、最適に補完し合っています。
図1：暖房面積410平方メートルの戸建て住宅を新築するにあたり、建築家で空調スペシャリストのフリードリッヒ・フレースは、先進的で環境に優しいエネルギー・コンセプトを模索していた。
Freßは、彼の会社の2人の従業員とともに、自ら2つのシステムを設置した。 エルンスト・フレース oHG 衛生工学.1948年に設立された同社は、あらゆる種類の暖房システムの設置を専門としており、再生可能エネルギーの分野でも豊富な経験を持っている。「ソーラーシステムとヒートポンプに加えて、ペレット暖房システム、ウッドチップシステム、熱電併給プラント、バイオガスプラントも設置しています」と、フレースは主な専門分野について語る。この分野では高い専門性を持っていますが、計画段階ではHG Baunach GmbH & Co.KGのサポートを利用することができた。ヒートポンプと太陽熱システムを組み合わせた理想的なソリューションを提案してくれました。
ヒートポンプとソーラーシステムの相性は？
図2：サービス付き：レンデミックスの発明者であり、同名の会社の代表であるハンス・ゲオルク・バウナッハ（左）は、フリードリッヒ・フレース（右）のためにカスタマイズされた暖房コンセプトが正しく機能しているかを現場でチェックする。
図3：暖房システム：2,000リットルのバッファータンクとヒートポンプを備えた40平方メートル以上の太陽熱暖房システムが、フレース家に必要な熱を、信頼性が高く環境に優しい方法で供給している。
「当初は、ヒートポンプと制御された家庭内換気だけを計画していました。当初は、ヒートポンプと家庭用換気制御システムだけの計画でした」とフレース氏は語る。計画段階で彼が重視したのは、2つのシステムが互いに干渉し合ったり、互いの効果が損なわれたりすることなく、いかに賢く組み合わせるかということだった。というのも、ヒートポンプは大流量でスプレッドの小さい（5K）システムですが、太陽熱システムに接続されるバッファシリンダーは小流量でスプレッドの大きい、正反対の働きをするからです。太陽熱システムは、効率的なエネルギー生成のために低い戻り温度を絶対に必要とする。これが、冬季の暖房支援に大きく貢献する唯一の方法です。太陽熱システムによって生成された熱は、バッファシリンダー内で成層化され、常に最も熱い水が上部に、最も冷たい水が下部に貯蔵される。こうすることで、混合が起こらず、高温と低温の両方が利用できる。ヒートポンプからの熱を、フレースが計画した構成でバッファシリンダーにも蓄えた場合、繊細な温度成層が崩れてしまう。そのため、成層チャージモジュールによって支えられているバッファシリンダーが、太陽エネルギーの利用が不可能になるほどヒートポンプによって混合されないようにする必要があった。そこでFreßは、2つの原理間の矛盾をなくし、代わりにそれらを統合して上位の暖房コンセプトとするような水力設計を探していた。しかし、市販されている水力設計はフレースにとって魅力的なものではなかった。そのため、H.G.バウナッハが自ら設計し特許を取得したrMIX 3 x 3 L 35マルチポート・ミキシング・マニホールドを提示したとき、フロイスはいっそう乗り気になった。
コンセプト：解決策としての分離
図4：緩衝材としての不活性物質：専門施工業者Freß社は、家全体に床暖房をループ間隔10cm（浴室は7cm）で敷設した。ヒートポンプは床暖房を緩衝材として使用するため、貯蔵タンク内の微妙な成層を混合することはない。
さらに、社長と開発エンジニアは、高い太陽熱利用率とヒートポンプの長い稼働時間を同時に達成するために、カスタマイズした暖房コンセプトを設計した。解決策は、2つのシステムを明確に分離することにあった。既存の2,000リットルのバッファー貯槽は、すべてソーラー用に使用できるようにし、上部にのみ真水ステーションを介した温水用のホットゾーンを設けた。ヒートポンプのために、床暖房はバッファに対して熱的に不活性な塊として設計された。これを実現するために、建物からの還流に天候補正制御をかけた結果、運転時間が大幅に長くなった：ヒートポンプは、還流の温度が上昇するまで常に稼動する。「ヒートポンプと床暖房を組み合わせる利点は、どちらも低温システムであることです：ヒートポンプと床暖房を組み合わせる利点は、どちらも低温システムであることです。これにより、ヒートポンプのスイッチを常にオン・オフする必要がなくなり、不必要にエネルギーを浪費することがなくなります」とバウナッハは説明する。
明確な業務分担による調和と効率性
図5：暖房システムの心臓部：rMIX 3 x 3 L 35マルチポート混合マニホールドは、暖房システムのコントロールセンターです：このマニホールドがあれば、太陽熱システムとヒートポンプは互いの性能を妨げることなく、補完し合うことができます。
2つのシステムを分離するだけでなく、タスク分担の中で混乱が生じないようにすることも重要だった。バッファに十分な太陽熱が残っている間にヒートポンプのスイッチが入るのを防ぐため、ミキシング回路制御の加熱カーブはヒートポンプのそれよりもわずかに高く設定された。ヒートポンプが始動すると同時に、ミキサーは全開になる。リレー回路が、流量が減少して高圧スイッチが切れることになる流量温度の上昇によって、ミキサーが再び閉じるのを防ぎます。ヒートポンプのスイッチが切れるとすぐに、太陽熱システムの混合回路制御が再びミキサー制御を引き継ぎます。ミキサーは閉じられ、建物バッファーの熱が太陽熱バッファーの熱に到達するのを防ぎます。このため、太陽熱は常に最低温度で保存され、その利用効率を最大限に高めることができる。さらに、エネルギーコントローラーには、いわゆる階段リレーによる遅延回路が設置され、お湯の準備の後、ポンプを3分間作動させることができる。この間、ミキサーは再び開くことができます。エネルギー制御装置は、起動を最小限に抑えるため、お湯を準備した後すぐにシステムを暖房モードに切り替えようとします。
メディエーターとしてのrendeMIX
図6+7：巧妙な配線：2つのリレー回路により、ミキサーの開閉を制御。
rMIX 3 x 3 L 35 マルチポートミキシングマニホールドは、暖房システムのコントロールセンターであり、太陽熱システムとヒートポンプの仲介役です。 このフィッティングはバッファシリンダーに直接取り付けられ、理想的な成層を実現し、太陽熱を利用します。充電出力を備えたバウナッハの最新製品は、バッファシリンダーへの入力が3つあり、最適な2ゾーン放電を可能にします。中央の接続がまだ十分に高い温度で供給されている限り、ミキサーはヒートポンプがバッファに接続されている上部入力にはアクセスしない。ミキサーが上部入力に開くと同時に下部入力が閉じ、床暖房の戻り流量全体をバッファーの下部に導く。バッファーの中間部も排出されると、ミキサーは完全に開き、ヒートポンプを通して床暖房の全流量を引き込み、ヒートポンプは起動することができます。リレー回路は、過度のフロー温度によってミキサーが閉じるのを防ぎます。ヒートポンプは床下戻り流量が ビルから温度上昇が測定される。ミキサーは再び開放されると閉じ、ヒートポンプの熱を建物内に保持する。その後の冷却段階では、ミキサーが再びゆっくりと開き、太陽熱kWhをすべて利用する。
スムーズなパートナーシップ
図8：安全な家庭用給湯：ゾンネンクラフトの清水モジュールは、安全で便利な給湯を保証します。フロースルーの原理により、必要な量の真水が熱交換器を介してオンデマンドで加熱されます。サーモスタット・ノブで家庭用温水の温度を設定します。(すべての画像とグラフィック：バウナッハ）
「この解決策はシンプルかつ独創的です。rendeMIXは2つのシステムを組み合わせることができ、非常に効率的な暖房システムを実現します。このマルチポートミキシングマニホールドのおかげで、フレース氏はヴァイヤントのヒートポンプと太陽光発電システムを問題なく同時に稼働させることができる。こうして、暖房面積410平方メートルの家全体に再生熱を供給している。必要な家庭用温水を計画する際、フレース氏は1日に必要な総量を200リットルと想定していたが、現在は春から秋まで太陽熱で温められている。真水モジュールによって常に新鮮な温水が供給されるため、レジオネラ菌の発生を防ぐことができる。冬でも、ソーラーシステムは低温レベルで暖房に貢献している。ヒートポンプは、太陽熱システムが十分な家庭用温水や床温を供給できない場合にのみ使用される。太陽熱システムの集熱器面積は40平方メートル以上と十分に大きい。オーストリアのメーカー、ゾンネンクラフト社製の屋上集熱器は、45度の傾斜屋根の南側に最適に設置されているため、高い太陽熱利用率が確保されています。ヴァイラントのヒートポンプVWS 22 /1P型は、熱出力22.6kW。25 %の駆動エネルギーで、残りの75 %を環境に蓄えられた太陽エネルギーから得る。土壌、地下水、外気が熱源として利用される。循環プロセス（カルノープロセスとして知られる）により、環境から取り出された熱は、より高い温度レベルに引き上げられ、暖房に利用される。「ヒートポンプを採用することは、当初から明確でした。私の意見では、ヒートポンプは暖房と給湯の快適性を提供するための最善かつ最も前向きな方法であり、環境に配慮した費用対効果の高い暖房を可能にし、エネルギー供給会社から私を独立させてくれます」とフレースはその理由を語る。
ハッピーエンド
rendeMIXは、流路の特殊な油圧接続のおかげで太陽熱をインテリジェントに利用することができ、私の問題を一挙に解決してくれました。そして何よりも、専門家として知っているように、残念ながら常に当たり前のことではないバウナッハの包括的なアドバイスが嬉しかった。ヒュッケルホーフェンの専門家たちは、ユニークな製品を納入しただけでなく、色彩豊かな油圧・電気プランを含む暖房コンセプト全体を練り上げ、ヒートポンプのメーカーに話を聞き、現場でシステムが正しく機能することを確信しました。
太陽熱システムとヒートポンプの組み合わせで安定した熱供給を実現
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