Minimaal warmteverbruik met maximaal comfort
Hoe de energielappendeken "Alter Mühlhof" een efficiënt systeem werd
Een historische krachtcentrale in de wijk Haunstetten in Augsburg was niet meer helemaal in overeenstemming met de tijdgeest: Duurzaam, ja, omdat hij werd aangedreven door waterkracht, maar nog steeds niet productief genoeg omdat hij vaak werd stilgelegd vanwege te hoge temperaturen. En de meeste warmte werd verspild, hoewel het huis en het zwembad het nodig hadden. Een ambachtelijk bedrijf uit Bobing heeft de warmtebenutting geherstructureerd met behulp van het 'rendeMIX' mengsysteem. Het succes overtrof alle verwachtingen.
Afb. 1: Turbinehuis en Lochbachinlaat van de turbine "Alter Mühlenhof", Haunstetten. De waterkrachtcentrale werkt al sinds 1907 met dezelfde turbine. Francis turbine. Tot 1880 leverde het vele honderden jaren mechanische energie.
De "Alte Mühlhof" in Haunstetten, Augsburg, is een van de technische monumenten in het Fugger stadsgebied. De watermolen op het Mühlhof dateert waarschijnlijk uit de 12e of 13e eeuw. Hij is vandaag de dag nog steeds in gebruik. Natuurlijk wordt hij niet meer aangedreven door een boven- of onderslag waterrad - bovenslag: water van boven op de schoepen, onderslag: water van beneden tegen de schoepen - maar door een modernere technologie, namelijk een Francis turbine. Deze "maalt" sinds 1907 onvermoeibaar elektriciteit in een generator. Deze stroomt naar het openbare elektriciteitsnet. Dergelijke ecologische elektriciteitsopwekking wordt door de staat vergoed via de wet op hernieuwbare energie tegen ongeveer 10 cent per kWh, afhankelijk van de hoeveelheid. De exacte prijs van het Augsburgse energiebedrijf volgt later. Deze draagt bij aan de afschrijving van de investering en heeft veel te maken met de geoptimaliseerde bouwtechnologie.
Een technologisch cultuurmonument
Afb. 2: Professor Wilhelm Ruckdeschel heeft de waarschijnlijk 700-jarige geschiedenis van de krachtcentrale Lochbach beschreven in zijn boek "Industriekultur in Augsburg". Brigitte Settele Verlag, Augsburg, ISBN 3-932939-44-1.
Vroeger dreef de kinetische energie van de Lochbachstroom via een transmissie de cirkelzaag op de binnenplaats aan en later een kunstmolen. Maar sinds 1880 - de Francis turbine kwam 27 jaar later - tovert het riviertje licht in de salons. Rond de eeuwwisseling moet het voor sommige bewoners als magie hebben geleken.
De efficiëntieverliezen van de 76 kW generator en het mechanische systeem zijn merkbaar in de vorm van warmte. Als de generator hard werkt, verandert het molenhuis in een sauna. Vroeger konden de overtollige temperaturen worden weggeventileerd door ramen en deuren open te zetten. Tegenwoordig accepteert de milieubescherming dit in twee opzichten niet meer. Ten eerste strookt het niet met de tijdgeest om waardevolle warmtecalorieën weg te geven, en ten tweede zullen de buren waarschijnlijk naar de rechter stappen als ze dag in dag uit het gepiep van de mechanica - ongeveer 60 dB (A) - moeten aanhoren. Aan de andere kant heeft zo'n levende getuigenis van de hoogontwikkelde industriële cultuur van de laatmiddeleeuwse Vrije Keizerstad Augsburg vandaag de dag een nieuwe betekenis, omdat de nog steeds functionerende "Wasserkunst", zoals de techniekhistoricus van Augsburg, Wilhelm Ruckdeschel, het eerbiedig noemt, hernieuwbare energie omzet in elektriciteit.
Dus gaf de huidige eigenaar van de "Alter Mühlhof", de familie Walter Settele, opdracht aan verschillende studiebureaus en installatiebedrijven om een oplossing te vinden voor warmteterugwinning. Het circuit moest rekening houden met de vijf verschillende verbruikers, namelijk ten eerste de warmwaterbereiding, ten tweede het zwembadwater in het hoofdgebouw, ten derde het radiatorcircuit (hoge temperatuur), ten vierde en ten vijfde twee vloerverwarmingscircuits (lage temperatuur) in het zwembad en in het woongebouw.
Hoe komt de warmte in het zwembad?
Afb. 3: De warmtepomp (links, Vitocal/Viessmann) en het buffervat van 300 liter (Vitocell/Viessmann) zorgen voor de warmteterugwinning in het turbinehuis.
Als eerste fase van de renovatie stemde de klant in met de installatie van een lucht/water-warmtepomp (Viessmann) in het turbinehuis en een stillere nieuwe tandwielkast (Renk AG) ter vervanging van de 80 jaar oude tandwielen. Verdere voorstellen, waarvan sommige werden gerealiseerd, brachten echter niet het verwachte succes, of de implementatie mislukte vanwege de kosten. In sommige gevallen moest de oplossing tussen de 10.000 en 15.000 euro kosten.
Walter Settele gaf echter niet op omdat hij het hele jaar door een gebruiker heeft in de vorm van het zwembad. In etappes lapten verschillende bedrijven uiteindelijk een concept voor hem in elkaar dat de naam "concept" niet verdiende. Het verspilde nog steeds veel te veel. Uitgedrukt in cijfers bedroeg het gasverbruik in 2006/2007, vóór de verbouwing, 150.000 kilowattuur. Een echte paradox: zelfs in de zomer moest de Setteles het zwembadwater verwarmen met een dure gasverwarming omdat de turbine stopte of werd uitgeschakeld als de generator op meer dan 35 kilowattuur draaide. oC. Deze drempel werd verschillende keren overschreden. Alleen de lucht/water-warmtepomp in de onmiddellijke nabijheid van de generator deed wat van hem werd verlangd. Deze koelde de kamertemperatuur in het generatorstation af tot een aanvaardbaar niveau. Dit betekende dat het gebouw bijna publiekelijk kon worden gebruikt voor demonstraties, verjaardagen, seminars en andere evenementen.
Afb. 4: Waterfilter van een zwembad. De zwarte cilinder links is de warmtewisselaar voor het zwembadwater.
Als er in het station een temperatuuroverschot is van ongeveer 5 °C, start de warmtepomp en slaat de opbrengst op in een bufferopslagvat. Een lokale verwarmingsbuis transporteert de op deze manier verkregen calorieën naar de twee back-up boilers (condenserend, 2 x 40 kW, Vaillant) en naar de verdeler in het woongebouw. Als er geen warmtevraag is, schakelt de generator uit - zie de opmerking over oververhitting. En de vraag werd op dat moment relatief snel gedekt omdat het schakelsysteem niet in staat was om de verschillende temperatuurniveaus aan de verbruikerskant te bedienen. Het deed het met deze of gene verbruiker.
Nieuw meerwegmixerproces
Fig. 5: Hoofdgebouw "Alter Mühlhof". Ca. 500 m2 woonoppervlak, een zwembadhal en het zwembadwater worden verwarmd.
Dit resulteerde in de eerder genoemde dure 150.000 kilowattuur gasverbruik in de zachte winter van 2006/2007, dus besloot Walter Settele het opnieuw te proberen. Hij sprak met zijn huisinstallatiebedrijf, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH uit Bobingen. Met zijn 28 werknemers is het bedrijf goed gepositioneerd voor de toekomst, gespecialiseerd in verwarmingstechnologie, zonnetechnologie en fotovoltaïsche energie. Het bedrijf beloofde een oplossing:
Door publicaties in dit tijdschrift, "Sanitär- und Heizungstechnik", kwam het bedrijf van de ambachtsman jaren geleden in contact met een armatuur die geen product is maar een systeem, de Baunach mengkraan. Om meteen op het resultaat vooruit te lopen: De fabrikant van het systeem herontwierp het distributie- en regelsysteem, plaatste drie "rendeMIX" tussen de warmtebron en de warmteverbruiker en de relatief strenge winter van 2008/2009 presenteerde de Setteles het resultaat: 55.000 kilowattuur besparing. Het gasverbruik daalde van 150.000 naar 95.0000 kilowattuur. Deze hoeveelheid is niet gecorrigeerd voor het klimaat, maar de vraag in 2008/2009 was waarschijnlijk veel hoger dan in de warme winter van het referentiejaar 2006/2007. In dit opzicht zijn de besparingen nog meer in het voordeel van het proces.
Fig. 6: Vrij programmeerbaar regelsysteem van Technische Alternative, Amaliendorf/Oostenrijk
De "rendeMIX" mixer staat voor een nieuwe methode van warmteverdeling en het laden en ontladen van bufferopslagtanks. Het garandeert de laagste retourtemperaturen en dus de hoogste condensatiewarmtewinsten door een lagetemperatuurcircuit stroomafwaarts van een hogetemperatuurcircuit aan te sluiten en zo de retour van het eerste circuit om te zetten in het debiet van het tweede circuit. De calorische waarde benutten met deze architectuur is één ding, het circulatievolume halveren en dus de hulpenergie voor de circulatiepompen halveren is iets anders. Afgezien van het feit dat deze serieschakeling het doet met één circulatiepomp minder.
Laagste retourtemperaturen
Fig. 7: Subverdeler verwarmingscircuits.
Het patent van H.G. Baunach GmbH & Co. KG, Hückelhoven, bestaat voornamelijk uit een waterstroming in de fitting die rekening houdt met de verschillende hydraulische omstandigheden van de radiatorverwarming en de vloerverwarming en met de temperatuurvereisten. Zonder de "rendeMIX" unit zou een installatiebedrijf veel omwegen moeten maken en veel armaturen moeten installeren om een vergelijkbaar resultaat te bereiken - de laagst mogelijke retourtemperatuur. Niet alleen condensatieketels werken efficiënter met de mixer. Ook gestratificeerde opslagtanks, zonne-energiesystemen, warmtepompen, overslagstations en distributienetwerken profiteren van de grote Delta T.
Fig. 8: Mengkringengroep. De drie units links zijn de "rendeMIX" meerwegmengkranen, de twee units rechts zijn tapkasten voor de ongeregelde warmtetoevoer van de zwembadwaterwarmtewisselaar en de warmwaterbereiding (op de foto Johannes Jacob, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH).
Johannes Jakob van de firma Albert Kohl legt het principe uit aan de hand van het voorbeeld van Haunstetten: "In principe is de meerpoortsmengkraan verdeeld in een warme, een warme en een koude zone. Omdat we hem installeren na een hogetemperatuurcircuit, is de warme zone de retourstroom van 60 graden van de zwembadwarmtewisselaar of de boiler. Deze twee verbruikers worden rechtstreeks aangestuurd door het warme stadswater van het turbinestation of door de gasketels."
De warmtepomp in het turbine- of generatorhuis genereert de stroom naar de verbruikers, die tot 80 graden kan zijn, met een jaarlijkse prestatiecoëfficiënt die nog steeds heel acceptabel is, aangezien de aangezogen ruimtelucht tot 40 graden kan worden. oC. "We sturen nu de retourstroom van 60 graden van de warmtewisselaar van het zwembad naar het radiatorcircuit op de bovenste verdiepingen van het woongebouw en verder naar de twee vloerverwarmingssystemen. Drie 'rendeMIX' units regelen het debiet en de temperatuur. Wat gebeurt er in rendeMIX 1, die verantwoordelijk is voor de radiatoren? Allereerst worden ze ingesteld op 60/40 oC is ontworpen. De 60 oC, maar ze hebben het alleen nodig in de koudste periode van het jaar. In de meeste gevallen wordt de mixer gevoed vanuit de zwembadretour, die ter hoogte van de rendeMIX 1 nog 55 °C kan zijn. oC, of voeg kouder water toe uit het retourradiatorcircuit, dat slechts 40 oC heeft."
Drie keer 'rendeMIX'.
Hoewel de radiatorretour samenvloeit met de zwembad-/heetwaterretour en met de retouren van de twee vloerverwarmingssystemen om één leiding te vormen, ontstaat er natuurlijk een temperatuurgradiënt richting de ketel over de lengte van de leiding, ook door de retourvoeding van de afzonderlijke circuits.
Terug naar Johannes Jakob. "rendeMIX 2 gebruikt de retourradiator als stroom voor het zwembadbodemcircuit. De hydrauliek is hier gelijk aan die van zojuist, maar met één aanpassing. Als de retourradiator niet voldoende is om de zwembadhal te verwarmen bij vriestemperaturen, voegt rendeMIX 2 warm water toe uit de stroming van de lokale verwarmingsleiding. Als de weersomstandigheden lagere verwarmingswatertemperaturen toestaan, haalt rendeMIX 2 koud water uit de retourleiding."
MIX 3 voor de "residentiële" vloerverwarmingssystemen op de bovenste verdiepingen volgt hetzelfde patroon; Johannes Jakob heeft de twee vloercircuits parallel geschakeld. Hij verdeelde de lagetemperatuurverwarming in twee hoofdcircuits omdat de badhuisverwarming het hele jaar door en de residentiële verwarming het halve jaar door totaal verschillende stookseizoenen hebben, en de berekende watervolumes ook aanzienlijk verschillen. De warmtetoevoer kan worden geoptimaliseerd via de parallelschakeling.
Niet helemaal parallel
Hierdoor geeft "parallelschakeling" de werkelijkheid niet correct weer. Als beide vloerverwarmingssystemen in werking zijn, ligt de aanvoertemperatuur van de laatste rendeMIX, rendeMIX 3, onder de aanvoertemperatuur van rendeMIX 2, omdat de retourstroom van het voorgaande vloerverwarmingssysteem (rendeMIX 2) de totale retourstroom enkele graden naar beneden heeft gedrukt. Dit is precies het doel, om het koudste water in de condenserende warmtewisselaar te laten stromen. rendeMIX 3 moet daarom over het algemeen meer water uit de hogere temperatuursecties halen en dit bijmengen dan rendeMIX 2 om het gewenste setpoint te bereiken.
Dit beschrijft de processen in en de functie van de "rendeMIX" stations. Natuurlijk moet het geheel worden aangevuld met efficiënte regeltechniek en een zinvolle besturingsstrategie. Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH vertrouwde op de expertise van de planningsafdeling van H.G. Baunach GmbH & Co. KG, die hen met software ondersteunde bij het ontwerp en de instelling van de mengeenheden. Het eigenlijke netwerk werd geconfigureerd door de Oostenrijkse besturingsspecialist Technische Alternative uit Amaliendorf. Hun productassortiment strekt zich uit van eenvoudige differentiële regelaars tot regelaars met meerdere regelkringen voor zonne-energie en pompmanagement tot vrij programmeerbare multitalenten voor bijna alle toepassingen. Dit is precies waar Albert Kohl GmbH naar op zoek was: een regelsysteem dat niet wordt overladen met ongevraagde functies en daardoor gevoelig is voor storingen, maar dat is aangepast aan de specifieke toepassing.
Beloning van het nutsbedrijf van Augsburg
Hun sensoren beslissen bijvoorbeeld of het bufferwater rechtstreeks naar de vloerspoelen en radiatoren stroomt of dat de ketel(s) warmte moet(en) toevoegen. Het bufferwater in de cilinder van 300 liter heeft niet constant 70 of 80 oC. In de winter is de afvalwarmte van de generator niet voldoende om het comfort in huis te garanderen. De ketel mag dan maar tot 30 of 40 oC aan. De lokale verwarmingslijn loopt daarom meestal door een van de twee ketels, ongeacht of deze moet starten of niet.
Vanwege de warmteterugwinning, de vernieuwde tandwielkast, het intelligente schakelschema en een investering die meer dan 50% van een nieuw systeem bedroeg, corrigeerde Stadtwerke Augsburg het specifieke feed-in tarief. De "Alte Mühle" valt nu zowel onder de EEG Wet Hernieuwbare Energie als onder de EEWG Wet Hernieuwbare Energie Warmte. Hierdoor is de vergoeding gestegen van 7,65 naar 9,67 ct/kWh. Nu er jaarlijks ongeveer 400.000 kilowattuur elektriciteit wordt opgewekt, vloeit er ongeveer EUR 40.000 terug, EUR 8.000 meer dan twee jaar geleden. Een deel hiervan komt voor rekening van de Baunach-menger, maar in elk geval voor de 55.000 kWh gasreductie die is bespaard.
Afb. 9: Huiseigenaar Walter Settele voor de 76 kW generator van de Francis turbine.
Johannes Jakob: "Wat we aantroffen was minimaal comfort met een hoog verbruik. Met de nieuwe regelstrategie en de 'rendeMIX' units waren we in staat om het systeem om te zetten naar het type 'minimaal warmteverbruik met maximaal comfort'. Er is waarschijnlijk geen betere en vooral veiligere manier om je geld te investeren."
Bernd Genath
Download het technische artikel als PDF
