< powrót do artykułów technicznych

Hydraulika systemowa zapewniająca wysoki czas pracy elektrociepłowni

Ogrzewanie ciepłem resztkowym z powrotu

Podczas modernizacji instalacji grzewczej w obiekcie hotelowym w Essen, hydraulika systemowa biwalentnej instalacji grzewczej została ustawiona z dwustrefowym zarządzaniem buforowym i zasadą wykorzystania powrotu. Było to możliwe dzięki zastosowaniu wielodrogowych rozdzielaczy mieszających do ładowania buforów i zasilania obiegów grzewczych. Dzięki koncepcji systemu ze zoptymalizowaną hydrauliką pomiędzy wytwarzaniem i dystrybucją ciepła, kocioł szczytowy stał się rezerwowym generatorem ciepła, a mały agregat kogeneracyjny pracuje prawie całą dobę.

Rysunek 1: Jednostka kogeneracyjna (w środku) ładuje dwa zasobniki buforowe (po lewej) zgodnie z zasadą dwustrefową. Gazowy kocioł kondensacyjny (po prawej) używany jako kocioł szczytowy włącza się tylko wtedy, gdy temperatura w górnej strefie buforowej spadnie poniżej minimalnej temperatury ogrzewania CWU.

Pensjonat Kolping Vocational Training Centre Essen oferuje 14 pokoi dwuosobowych, sześć pokoi jednoosobowych i dwa mieszkania na trzech piętrach. Hotel posiada własną kuchnię gastronomiczną. System ogrzewania został całkowicie zmodernizowany w 2009 roku. Koncepcja systemu obejmuje małą jednostkę kogeneracyjną (12,5 kWth, 4,7 kWel), gazowy kocioł kondensacyjny dla obciążenia szczytowego (120 kW), dwa 500-litrowe zbiorniki buforowe połączone równolegle oraz 500-litrowy zasobnikowy podgrzewacz wody pitnej, który jest ładowany za pomocą systemu ładowania warstwowego (rys. 1).

Informacje kompaktowe

Czas pracy kogeneratora zależy nie tylko od potencjalnego rozmiaru radiatora, ale także od hydrauliki systemu.
Kluczowymi czynnikami są inteligentne zarządzanie buforem i najniższa możliwa temperatura powrotu z systemu dystrybucji ciepła.
Obie funkcje - plus wzrost temperatury powrotu dla CHP - można łatwo zrealizować za pomocą wieloportowych rozdzielaczy mieszających rendeMIX. Można nimi sterować za pomocą standardowych sterowników.

Różne temperatury systemu

Trzy istniejące obwody konsumenckie pracują z różnymi temperaturami systemu:

• Mieszany obieg grzewczy grzejnika: 70/50 °C
• Obieg grzewczy nagrzewnicy powietrza mieszanego dla systemu klimatyzacji: 80/60 °C
• Ogrzewanie CWU: 85/60 °C

Jednym z głównych zadań projektowych systemu dystrybucji ciepła było zatem zapewnienie prawidłowej temperatury zasilania dla każdego obiegu grzewczego. Ponadto należało zmaksymalizować użyteczną objętość bufora w celu osiągnięcia długich czasów pracy kogeneracji. Ponadto, koncepcja systemu miała na celu realizację zasady wykorzystania temperatury powrotu: Jeśli temperatura z powrotu obiegu grzewczego jest wystarczająca do zasilania innego obiegu grzewczego o niższym poziomie temperatury, ciepło to powinno zostać wykorzystane w pierwszej kolejności przed uzyskaniem dostępu do przepływu.

Rysunek 2: Do dystrybucji ciepła zastosowano wieloportowe kolektory mieszające firmy HG Baunach GmbH & Co. KG wraz z trójkomorowym rozdzielaczem wyprodukowanym przez firmę Magra. Kolejność wylotów rozdzielacza jest oparta na gradiencie temperatury w przepływie powrotnym w kierunku przepływu do kotła.

Zostało to zrealizowane za pomocą wieloportowych rozdzielaczy mieszających rendeMIX, które wraz ze specjalnie opracowanym rozdzielaczem trójkomorowym (rys. 2) zapewniają prawidłowe temperatury systemu w trzech obiegach grzewczych. Kolejny wieloportowy rozdzielacz mieszający został wykorzystany jako połączenie między jednostką kogeneracyjną a zasobnikiem buforowym. Wraz ze zintegrowanym regulatorem stałowartościowym zapewnia on niezbędny wzrost temperatury powrotu dla jednostki kogeneracyjnej i jednocześnie organizuje dwustrefowe ładowanie zasobnika buforowego.

CHP pokrywa zapotrzebowanie na ciepło niemal samodzielnie

System można monitorować zdalnie za pomocą sterowników dwóch generatorów ciepła, a dane operacyjne i czasy pracy są również dokumentowane. Około dziesięciu miesięcy po modernizacji dane operacyjne wykazały, że kocioł szczytowy uruchamia się tylko sporadycznie i działa tylko w celu podgrzewania wody pitnej w lecie. Z drugiej strony, zainstalowana mała jednostka kogeneracyjna wyraźnie przekracza planowaną wydajność: planowanie opierało się na rocznym czasie pracy wynoszącym 7000 godzin rocznie. W rzeczywistości jednak silnik pracuje przez ponad 23 h/d, co odpowiada wykorzystaniu mocy ponad 96 % i oznacza ekstrapolowaną roczną wydajność wynoszącą co najmniej 8400 h/a.
Natomiast wykorzystanie kotła o mocy szczytowej 120 kW wynosi tylko 1,4%. Wartość ta opiera się na danych operacyjnych dla miesięcy letnich (ogrzewanie ciepłej wody użytkowej). Jednak patrząc z perspektywy całorocznej pracy, można stwierdzić, że czasy pracy kotła szczytowego i jednostki kogeneracyjnej są w odpowiedniej proporcji do siebie: "Dzięki ładowaniu i rozładowywaniu zbiorników buforowych zgodnie z zasadą dwustrefową, obciążenie cieplne jest najpierw całkowicie przekazywane do jednostki kogeneracyjnej, zanim uruchomi się kocioł szczytowy" - wyjaśnia Hans-Georg Baunach, który był odpowiedzialny za projekt hydrauliki systemu (rys. 3).

Pensjonat z wyżywieniem w budynku Marienstraße

Obiekt:

• Pensjonat Marienstraße, 45307 Essen

Operator:

• Centrum Szkolenia Zawodowego Kolping Essen
• Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością non-profit
• www.kbbw-gaestehaus.de

system ogrzewania:

• CHP: ecopower, 12,5 kWth / 4,7 kWel
• Gazowy kocioł kondensacyjny: Vaillant ecocraft 120 6/3, 120 kW
• 2 zbiorniki buforowe o pojemności 500 l
• Podgrzewacz pojemnościowy c.w.u.: Vaillant actostore, 500 l, z systemem ładowania warstwowego

Planowanie hydrauliczne i wieloportowy kolektor mieszający:

• HG Baunach GmbH & Co. KG
• 41836 Hückelhoven
• www.baunach.net

Dwustrefowy załadunek i rozładunek

• 

  Rys. 3: rendeMIX podłączony między jednostką kogeneracyjną a zbiornikiem buforowym ładuje bufor zgodnie z zasadą dwustrefową i jednocześnie zapewnia impuls przepływu powrotnego do jednostki kogeneracyjnej.

  Dzięki zastosowaniu trzech połączeń buforowych cylinder jest podzielony na dwie strefy. Górna strefa zasobnika buforowego jest ładowana jako pierwsza poprzez wieloportowy kolektor mieszający pomiędzy jednostką CHP a zasobnikiem buforowym (rys. 4). Dopiero, gdy górna strefa jest w pełni naładowana, dolna strefa jest włączana do procesu ładowania. Oznacza to, że górna strefa ma szybszą temperaturę użytkową, a dolna strefa pozostaje zimna przez dłuższy czas.

• Obciążenie dwustrefowe działa jako wzmocnienie przepływu powrotnego dla generatora ciepła, który jest wykorzystywany do pokrycia obciążenia podstawowego. Przepływ powrotny do generatora ciepła jest albo zasilany mieszaniną gorącego przepływu generatora ciepła i gorącej wody ze środkowej strefy buforowej (faza I), albo mieszaniną gorącej wody ze środkowej strefy buforowej i zimnej wody grzewczej z dolnego obszaru zbiornika buforowego (faza II).
• W przypadku rozładowania dwustrefowego, obieg mieszający dystrybucji ciepła jest zasilany mieszaniną ciepłej wody ze środkowej strefy buforowej i zimnej wody z powrotu obiegu mieszającego (faza I) lub mieszaniną ciepłej wody z górnego przyłącza buforowego i ciepłej wody ze środkowego przyłącza buforowego (faza II).

Zasada wykorzystania zwrotu

• Jeśli w obiegu powrotnym systemu ładowania warstwowego ciepłej wody (85/60 °C) występuje nadmiar ciepła, mieszany obieg grzewczy nagrzewnicy powietrza jest zasilany z dostępnym poziomem temperatury. W ten sam sposób przepływ powrotny obiegu grzewczego nagrzewnicy powietrza (80/60 °C) jest również wykorzystywany do obiegu grzewczego grzejnika (70/50 °C). W zależności od obciążenia, energia cieplna z mieszanego powrotu nagrzewnicy powietrza jest wykorzystywana bezpośrednio do mieszanego obiegu grzewczego grzejnika poprzez wieloportowy rozdzielacz mieszający lub dodawana do niego. Dopiero gdy energia cieplna z powrotu nie jest już wystarczająca do pokrycia zapotrzebowania na ciepło, rozdzielacze mieszające uzyskują dostęp do zbiorników buforowych.
• 

  Rysunek 4: Wieloportowe kolektory mieszające rendeMIX są sterowane za pomocą standardowych elementów sterujących wytwornic ciepła.

  Najniższa temperatura powrotu rozdzielacza ciepła jest dostarczana przez obieg grzewczy grzejnika (50°C w stanie projektowym). Jest ona doprowadzana do oddzielnej, trzeciej komory powrotnej rozdzielacza ogrzewania i w ten sposób przepływa oddzielnie i bez mieszania z powrotem do dolnej strefy zasobnika buforowego.

• Wieloportowe rozdzielacze mieszające są wyposażone w wewnętrzne rozdzielacze. Różne objętości wody w obiegach grzewczych połączonych szeregowo są automatycznie wyrównywane przez rozdzielacze.
• Specjalnie opracowany trójkomorowy rozdzielacz jest częścią programu HG Baunach i jest produkowany przez firmę Magra.
• Wszystkie siłowniki mieszaczy są sterowane za pomocą standardowych sterowników z trzypunktowym sygnałem 230 V w zależności od temperatury (rys. 5).

Rys. 5: Wieloportowe rozdzielacze mieszające rendeMIX rozprowadzają ciepło i zasilają mieszane obiegi grzewcze o odpowiednich temperaturach systemowych. Wysokie temperatury powrotu są wykorzystywane dla obiegów grzewczych o niższej temperaturze systemu. W połączeniu z rozdzielaczem trójkomorowym, niskie temperatury powrotu są zapewnione dla jednostki kogeneracyjnej i kotła kondensacyjnego.

Podsumowanie

Duża pojemność bufora o wysokiej temperaturze użytkowej jest stale dostępna dla obiegów grzewczych dzięki dwustrefowemu ładowaniu i rozładowywaniu. Wykorzystanie powrotu zapewnia niskie temperatury powrotu, a tym samym długi czas pracy modułu kogeneracyjnego. Należy również wspomnieć, że sterowanie jednostką kogeneracyjną i kotłem kondensacyjnym nie jest zablokowane. Ta "swoboda" związana ze sterowaniem jest konsekwencją stratyfikacji, która jest ustawiana etapami w buforze: pozwala to na proste, ale precyzyjne ustawienie priorytetu generatorów ciepła za pomocą pozycji powiązanych czujników.
Sterownik gazowego kotła kondensacyjnego monitoruje ustawioną minimalną temperaturę ogrzewania CWU w górnej strefie bufora. Jednakże, tak długo jak CHP zapewnia wystarczającą ilość ciepła, temperatura nigdy nie spada poniżej tej minimalnej temperatury. W rezultacie, praca kotła jest marginalna w porównaniu do czasu pracy CHP: Dane operacyjne pokazują na przykład, że w okresie 210 godzin w czerwcu, kocioł kondensacyjny musiał pełnić swoją funkcję jako kocioł szczytowy do ogrzewania CWU tylko przez 3 godziny. Nawet zimą czas pracy jednostki kogeneracyjnej pozostaje stały, mimo że kocioł pracuje z dziesięciokrotnie większą mocą. Pomimo zoptymalizowanej hydrauliki systemu, zarządzania buforem i wykorzystania przepływu powrotnego, wysiłek inżynierii sterowania został ograniczony do minimum. Siłowniki kolektorów mieszających rendeMIX są sterowane za pomocą sterowników, które są standardowymi komponentami zastosowanych generatorów ciepła.

ZASADA FUNKCJONOWANIA rendeMIX

Siłownik wieloportowego rozdzielacza mieszającego rendeMIX łączy tylko dwa z trzech wejść z pojedynczym wyjściem (A), więc gorące (E₁) z ciepłym (E₂) lub gorący z zimnym (E₃) woda jest mieszana. W ten sposób wykorzystywana jest jak największa ilość dostępnej ciepłej wody i dodawana jest tylko niewielka ilość ciepłej lub zimnej wody. Maksymalizuje to temperaturę dostępną w sieci wody grzewczej i jednocześnie zmniejsza temperaturę powrotu do generatora ciepła. Siłownik może być sterowany przez dowolny sterownik pogodowy (trzypunktowy sygnał 230 V) z akcesoriów kotła. Alternatywnie dostępny jest siłownik ze zintegrowanym regulatorem stałowartościowym.

Wolfgang Heinl pisze jako dziennikarz specjalizujący się w branży HVAC,

88239 Wangen im Allgäu,

wolfgang.heinl@t-online.de

Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF

< powrót do artykułów technicznych