Nie tylko objętość pamięci masowej ma znaczenie
Badanie istniejącego systemu grzewczego ze zbiornikiem buforowym:
Większa pojemność bufora dzięki dwustrefowemu załadunkowi i rozładunkowi
Instytut Systemów Budowlanych i Energetycznych Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biberach wraz z producentem HG Baunach zbadał, w jaki sposób można zoptymalizować efektywną pojemność zasobnika w istniejącej instalacji grzewczej z zasobnikiem buforowym. Przedmiotem badań był system grzewczy w domu sześciorodzinnym należącym do wykonawcy SHK. Zbadano wpływ sposobu załadunku i rozładunku na ilość ciepła użytkowego. W rezultacie uzyskano znacznie większą pojemność magazynową po przebudowie zbiornika buforowego na dwustrefowy załadunek i rozładunek.
Zdjęcie 1: Wykonawca instalacji HVAC Günther Muck w kotłowni wynajmowanego przez siebie sześciorodzinnego domu. Po przełączeniu na dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie zbiornika buforowego, jednostka kogeneracyjna działa jako monowalentny generator ciepła do temperatury zewnętrznej -10°C.
W systemach grzewczych zbiorniki buforowe mają za zadanie pochłanianie ciepła, magazynowanie go przy jak najmniejszych stratach i oddawanie do odbiorcy przy wymaganym poziomie temperatury. Tymczasowe magazynowanie ciepła ma sens,
- gdy podaż ciepła i zapotrzebowanie na ciepło występują w różnym czasie,
- zminimalizowanie cykli przełączania generatorów ciepła, takich jak jednostki kogeneracyjne, kotły na biomasę lub pompy ciepła,
- optymalizacja wykorzystania energii cieplnej wytwarzanej przez systemy solarne lub działanie elektrociepłowni.
Jeśli jednak ciepło słoneczne jest często włączane i wyłączane lub nie jest wykorzystywane w wystarczającym stopniu, przyczyną zwykle nie jest wielkość zasobnika buforowego, ale ilość ciepła, które można z niego wykorzystać.
Bufor przechowuje zbyt mało ciepła
Günther Muck, wykonawca instalacji HVAC, wyszedł z tego założenia, gdy uczestniczył w specjalistycznym wykładzie HG Baunacha na temat hydraulicznej optymalizacji systemów grzewczych w cechu HVAC w Schweinfurcie. Wynajmowany przez niego blok mieszkalny w Dittelbrunn-Hambach, na północ od Schweinfurtu, jest ogrzewany przez mini agregat kogeneracyjny (rys. 1). Ogrzewa ona sześć wynajmowanych mieszkań i pomieszczenia magazynowe należące do jego firmy HVAC.
Rysunek 2: Krótkie cykle przełączania generatora ciepła przed przejściem na dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie (po lewej) wskazują na niską efektywną pojemność bufora. Po przełączeniu następuje tylko jedno uruchomienie elektrociepłowni dziennie (po prawej).
Zbiornik buforowy o pojemności 1000 litrów jest zintegrowany jako separator hydrauliczny między generatorami ciepła a systemem dystrybucji ciepła. Günther Muck obliczył zapotrzebowanie na ciepło (wówczas jeszcze zgodnie z normą DIN 4701) na poziomie 18,1 kW dla budynku, który został zbudowany w 1996 roku. W Senertec CHP dostarcza 12,5 kWthZainstalowano również gazowy kocioł kondensacyjny w celu pokrycia obciążeń szczytowych. Odbiornikami ciepła w budynku są grzejniki o parametrach 70/50°C. Jak zwykle, integracja bufora została zaprojektowana w taki sposób, że przepływ jest podłączony na górze, a powrót na dole. Jednak Günther Muck nie był do końca zadowolony z dotychczasowego działania systemu, ponieważ jednostka kogeneracyjna miała do pięciu procesów start-stop w ciągu 24 godzin (rys. 2).
Podczas wykładu w Schweinfurcie dowiedział się w rozmowie z Hansem-Georgiem Baunahem, że szuka on istniejących systemów, które byłyby odpowiednie jako obiekty testowe dla wieloportowego mieszacza "rendeMIX". W ramach współpracy między HG Baunach i Instytutem Systemów Budowlanych i Energetycznych na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Biberach, Baunach zainicjował badanie systemu magazynowania buforowego. Celem było osiągnięcie bardziej efektywnego wykorzystania pojemności magazynowej, a tym samym optymalizacja czasu pracy elektrociepłowni.
System grzewczy jako laboratorium testowe
Rysunek 3: Wykresy przedstawiają rozkład temperatury w idealnie wymieszanym (l.), idealnie rozwarstwionym (m.) i liniowo rozwarstwionym zbiorniku (r.). Z teoretycznego punktu widzenia, rzeczywisty tryb pracy jest najlepiej opisany przez liniowo uwarstwiony model zbiornika.
Na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Biberach, Christian Dietrich, przyszły magister inżynier w dziedzinie klimatologii budynków, zajmował się tematem "Optymalna integracja buforowych zbiorników magazynujących w systemach hydraulicznych" w ramach swojej pracy dyplomowej. Początkowym podejściem do zbadania wydajności magazynowania było określenie, ile kWh ciepła można idealnie zmagazynować w 1000-litrowym buforze i ile z tego można faktycznie wykorzystać. W idealnych warunkach objętość magazynowa przy temperaturze zasilania kogeneracji 90°C i temperaturze powrotu z obiegu grzewczego 50°C dałaby teoretyczną pojemność magazynową 47 kWh. Jednak cykle przełączania jednostki kogeneracyjnej w bloku mieszkalnym Günthera Mucka nie odpowiadały tym teoretycznym rozważaniom (rys. 3). Oznaczało to, że efektywna pojemność magazynowa - efektywnie dostępna energia cieplna w stosunku do zawartości zbiornika buforowego - musi zostać znacznie zmniejszona. Aby to ustalić, system grzewczy właściciela domu stał się na kilka miesięcy laboratorium testowym: istniejące trójdrogowe zawory mieszające zastąpiono wielodrogowymi rozdzielaczami mieszającymi. Na zbiorniku buforowym i rurociągach umieszczono czujniki temperatury i mierniki przepływu.
Wykres wydajności pamięci masowej ujawnia słabość
Rys. 4: Kotłownia jako laboratorium testowe: Podczas trwającego badania działania systemu z dwoma różnymi metodami ładowania bufora, dane pomiarowe były stale rejestrowane i przesyłane za pomocą zdalnej transmisji danych do Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biberach w celu oceny.
W początkowej fazie testów rozdzielacze mieszające "rendeMIX" zostały wstępnie skonfigurowane tak, aby proces ładowania i rozładowywania odpowiadał poprzedniemu obiegowi z wykorzystaniem mieszaczy trójdrożnych. Od połowy października 2007 r. do połowy lutego 2008 r. komputer skonfigurowany w kotłowni rejestrował dane pomiarowe w celu zbadania zachowania ładowania i rozładowywania (rys. 4a + 4b). Zgodnie z obserwacjami Günthera Mucka, w tym czasie panowały prawie wszystkie typowe warunki pogodowe okresu grzewczego.
Dane pomiarowe zostały przesłane do Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biberach za pośrednictwem zdalnej transmisji danych i tam przeanalizowane przez Christiana Dietricha. Umożliwiło to doktorantowi prześledzenie rzeczywistej wydajności magazynowania. Dietrich opracował specjalną formę wizualizacji zwaną wykresem wydajności magazynowania. Na wykresie tym wysokość zbiornika jest wykreślana na pionowej osi Y, a temperatura jest wykreślana poziomo na osi X. Wzdłuż wysokości cylindra buforowego umieszczono kilka czujników temperatury (rys. 5). Na podstawie współrzędnych temperatury i wysokości zbiornika pojemność magazynowa może być przedstawiona graficznie jako obszar po wprowadzeniu do wykresu wydajności zbiornika magazynowego (rys. 6).
Rysunek 5: Aby zbadać wydajność zbiornika, na 1000-litrowym zbiorniku buforowym umieszczono kilka czujników temperatury, rozmieszczonych na całej wysokości zbiornika.
Rezultat: efektywna pojemność magazynowania przy konwencjonalnym rozładowaniu wynosiła około 17 kWh, a zatem była 2,7 razy niższa niż teoretycznie użyteczna pojemność magazynowania wynosząca 47 kWh.
Uzyskaj więcej ciepła z tej samej pojemności bufora
Rysunek 6: Porównanie przed i po pokazuje efektywną pojemność zbiornika buforowego z konwencjonalną integracją (po lewej) i po przejściu na dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie (po prawej).
Rysunek 7: Wykres wydajności zbiornika buforowego opracowany specjalnie przez absolwenta Christiana Dietricha pokazuje ilość ciepła, która może być efektywnie wykorzystana w zbiorniku buforowym na całej jego wysokości.
Kolejnym krokiem w badaniu było przeanalizowanie, które parametry wpływają na efektywnie wykorzystywaną pojemność magazynowania. Rzeczywiste ładowanie i rozładowywanie pokazane na rysunku 7 (schemat zbiornika po prawej stronie) nieuchronnie prowadzi do mieszania w zbiorniku buforowym, co znacznie ogranicza ilość ciepła, które można efektywnie wykorzystać. W istniejącym systemie ten rodzaj ładowania i rozładowywania bufora regularnie niszczył stratyfikację. Mieszanie podczas załadunku i rozładunku prowadzi zatem do wzrostu temperatury w dolnej części zbiornika buforowego, ale do jej spadku w górnej części. Prowadzi to do wniosku, że wydajność bufora hydraulicznego zależy w dużej mierze od rozkładu temperatury w cylindrze buforowym. Na wydajność zbiornika wpływa
- temperatura zasilania generatora ciepła, która powinna być jak najwyższa,
- temperatura powrotu obwodu odbiornika, która powinna być jak najniższa,
- jak również warunki przepływu i prędkości na wlocie do zbiornika buforowego.
Załadunek i rozładunek rozłożony na dwie strefy
Rysunek 8: W celu dwustrefowego ładowania i rozładowywania zbiornika buforowego, istniejące mieszalniki trójdrożne zostały zastąpione wielodrożnymi kolektorami mieszającymi rendeMIX 3×4.
Zamiast mieszaczy trójdrożnych, zarówno w obwodzie generatora ciepła, jak i w obwodzie odbiornika zintegrowano mieszacz wielodrożny. W dalszej części testu strategia ładowania została zmieniona na tryb pracy "dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie". W tym celu już zainstalowane mieszacze wielodrogowe zostały przekształcone poprzez wymianę siłowników, tak aby, w zależności od specyfikacji wartości zadanej, gorąca woda była teraz mieszana z ciepłą wodą lub ciepła woda z zimną wodą zamiast gorącej wody z zimną wodą. Zmienia to sposób ładowania i rozładowywania zasobnika buforowego: podczas ładowania najpierw ładowana jest górna strefa buforowa (gorąca), która w rezultacie szybciej się nagrzewa. Dolna strefa pozostaje zimna przez dłuższy czas. Podczas rozładowywania ciepło jest najpierw usuwane z dolnej strefy buforowej przez środkowe (!) połączenie cylindra, które w rezultacie szybciej się ochładza. Górna strefa buforowa pozostaje zatem dłużej w wysokiej temperaturze.
Mieszacze wielodrogowe (rys. 8) są sterowane za pomocą sygnału trójpunktowego (230 V), podobnie jak poprzednio używane mieszacze trójdrogowe. Podczas gdy temperatura zasilania obiegu grzewczego podąża za krzywą grzewczą kompensowaną pogodowo podczas rozładunku, temperatura powrotu do generatora ciepła jest ustawiona na stałą wartość zadaną podczas ładowania. W ten sposób ładowanie dwustrefowe zastępuje również konieczne w innym przypadku zwiększenie przepływu powrotnego.
W trakcie badań okazało się również, że rozmieszczenie czujników temperatury na zbiorniku ma znaczący wpływ na wydajność magazynowania. Jednostka kogeneracyjna Senertec w systemie ma dwa oddzielne czujniki temperatury, które muszą być zainstalowane na różnych wysokościach na buforze. Jeśli temperatura spadnie poniżej wartości zadanej na górnym czujniku, jednostka uruchomi się. Jeśli temperatura spadnie poniżej wartości zadanej na dolnym czujniku, urządzenie wyłączy się. Jak wykazały analizy Christiana Dietricha, dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie zwiększyło efektywną pojemność magazynowania o około 60 % z 17 kWh do 27,4 kWh. Gdyby dolny czujnik na zbiorniku magazynowym został również przesunięty bardziej w dół, użyteczna wydajność bufora mogłaby w tym przypadku wzrosnąć o kolejne 30 do 50 %.
Zasada dwóch stref ma zastosowanie do każdego układu hydraulicznego
Rys. 9 + 10: Jeśli temperatura w środkowej części zasobnika jest wyższa od temperatury zasilania odbiornika podczas dwustrefowego opróżniania zasobnika buforowego, woda jest usuwana z centralnego przyłącza buforowego, a następnie mieszana z wodą powrotną z odbiornika do żądanego poziomu temperatury. Jeśli temperatura na przyłączu środkowego zasobnika spadnie poniżej temperatury zasilania podczas opróżniania, temperatura jest podnoszona przez zmieszanie z cieplejszą wodą z górnego obszaru zasobnika. W ten sposób dolny obszar zasobnika może zostać opróżniony prawie całkowicie do temperatury powrotu.
Wykonawca HVAC i właściciel domu Günther Muck zauważył efekty zwiększonej pojemności magazynowej w cyklach przełączania jednostki mini-CHP: od czasu przejścia na dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie (rys. 9) jednostka uruchamia się tylko raz dziennie, ale jest to spowodowane wymuszonym wyłączeniem silnika w odstępach 24-godzinnych. Zgodnie z jego obserwacjami, jednostka kogeneracyjna działa teraz głównie jako monowalentny generator ciepła. Gazowy kocioł kondensacyjny używany do obciążenia szczytowego włącza się tylko przy temperaturze zewnętrznej około -10°C, chociaż działał tylko przez cztery dni w styczniu 2009 roku. Zmiana trybu pracy zasobnika buforowego miała również pozytywny wpływ na efektywność energetyczną budynku: Günther Muck zlecił sporządzenie certyfikatu energetycznego dla sześciorodzinnego domu, który zaświadcza, że budynek znacznie poprawił efektywność energetyczną.
Jednak analizowany system grzewczy z jednostką kogeneracyjną, gazowym kotłem kondensacyjnym i obiegiem grzewczym grzejnika jest tylko jednym z przykładów możliwych zastosowań zasady dwustrefowej. Na przykład, jeszcze niższe temperatury powrotu można osiągnąć w systemach ogrzewania panelowego, ponieważ najniższa temperatura powrotu z obiegu odbiornika ciepła dociera do powrotu generatora ciepła i nie jest mieszana z cieplejszą wodą powrotną na trasie. Dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie można również przenieść do dowolnego innego systemu hydraulicznego, który działa z magazynowaniem buforowym, na przykład do integracji odnawialnych źródeł energii lub systemów chłodzenia.
Nasz autor Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß założył własne biuro projektowe TGA w 1995 roku, które obecnie zajmuje się ekspertyzami, doradztwem i rozwojem produktów. Od 1999 r. kieruje działem systemów energii cieplnej i planowania systemów w ramach programu studiów Building Climatology and Energy Systems na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Biberach. Floß jest również dyrektorem Instytutu Budownictwa i Systemów Energetycznych, tel. (0 73 51) 58 22 56, e-mail floss@hochschule-bc.de.
Nasz autor Wolfgang Heinl jest niezależnym dziennikarzem branżowym i menedżerem ds. PR oraz prowadzi redakcję specjalizującą się w sektorze HVAC i inżynierii usług budowlanych, 88239 Wangen, Niemcy, tel. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF
