Każdy litr pojemności magazynowej to ciepło użytkowe
Hydraulika grzewcza z kolektorem słonecznym i dużym zbiornikiem buforowym, winda powrotna kotła i instalacja czterobiegowa z wykorzystaniem powrotu
To, ile paliwa można efektywnie zaoszczędzić dzięki wykorzystaniu ciepła słonecznego, zależy w dużej mierze od rzeczywistej objętości użytkowej zasobnika solarnego. Ponadto staje się ona wymagająca pod względem hydraulicznym, jeśli podłączone obiegi grzewcze pracują przy różnych temperaturach systemowych, a wytwornica ciepła wymaga zwiększenia przepływu zwrotnego.
Rys. 1: Rolnik Ferdinand Schörghuber (po lewej) prawie o połowę zmniejszył zużycie paliwa dzięki wykorzystaniu ciepła słonecznego. Układ hydrauliczny został opracowany przez jego sąsiada Waltera Grabnera (po prawej) przy wsparciu HG Baunach.
Ilustrującym przykładem jest Zrębki drewniane i system ogrzewania słonecznego w gospodarstwie rolnym w Dolnej Austrii. Jego atrakcją jest niekonwencjonalnie zaprojektowany zasobnik solarny. Sercem systemu są dwa wieloportowe kolektory mieszające, które ładują i rozładowują zbiornik buforowy o pojemności 22 000 litrów zgodnie z zasadą dwustrefową, a także umożliwiają wykorzystanie przepływu powrotnego do niskotemperaturowego stabilnego systemu ogrzewania podłogowego. Chociaż zrębki drzewne są ekologicznym i niedrogim paliwem, dla rolnika Ferdinanda Schörghubera z Wolfsbach koszty paliwa są synonimem pracy i maszyn. Ferma trzody chlewnej w regionie Mostviertel miała również stale wysokie zużycie zrębków w lecie. Wynika to z faktu, że prosięta potrzebują ogrzewanej podłogi obory o stałej temperaturze przez cały rok. Konieczność utrzymywania żaru w kotle na zrębki również zwiększała zapotrzebowanie na paliwo. Kilkaset metrów dalej znajduje się dom jego sąsiada Waltera Grabnera, który również ogrzewa drewnem, choć ze wsparciem energii słonecznej. Wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania zafascynowało go już 30 lat temu: "Energia słoneczna ma dla mnie sens, jeśli mogę ogrzewać przez kilka dni bez kotła" - mówi Walter Grabner. Jego system solarny jest odpowiednio zwymiarowany - kolektory słoneczne o powierzchni 22 m², zainstalowane na specjalnie skonstruowanym systemie nadążnym, napełniają dwa zbiorniki buforowe o łącznej pojemności około 4500 litrów dużą ilością energii w słoneczne dni.
Rys. 2: Cały system dystrybucji i sterowania do hydraulicznego przełączania systemu grzewczego i solarnego z dużym zasobnikiem buforowym składa się z dwóch wieloportowych rozdzielaczy mieszających rendeMIX i mieści się na powierzchni około 1 m².
Entuzjazm Grabnera dla efektywnego wykorzystania ciepła słonecznego zainspirował sąsiedniego rolnika, który chciał zmniejszyć zużycie zrębków drzewnych, a tym samym również obciążenie pracą.
Hojne wymiarowanie okazuje się słuszne
Jednak wymagania energetyczne dla nieruchomości rolnej są znacznie większe. Oprócz budynku mieszkalnego z 220 m² powierzchni mieszkalnej, około 300 m² ogrzewania powierzchniowego jest wymagane dla stodoły, a także dodatkowe ogrzewanie powierzchniowe do suszenia zrębków drzewnych, które rolnik musi przetwarzać i transportować tonami. Wcześniej kocioł na zrębki drzewne o mocy 75 kW pokrywał tylko to zapotrzebowanie na ciepło. W sumie jest on około cztery razy większy niż dom Grabnera. Dzięki wsparciu sąsiadów udało się w końcu opracować plan nietypowego systemu ogrzewania wspomaganego energią słoneczną. W celu zwymiarowania systemu solarnego i pojemności bufora, Walter Grabner ekstrapolował swoją własną koncepcję systemu czterokrotnie do wymagań gospodarstwa. Wynikiem tych obliczeń była pojemność bufora wynosząca około 20 000 litrów i powierzchnia kolektora słonecznego wynosząca 88 m². Jak się później okazało, słuszność tych obliczeń potwierdziło zmniejszenie zużycia paliwa o połowę. "Wyłączyliśmy kocioł pod koniec marca", relacjonuje rolnik Ferdinand Schörghuber jesienią 2009 r. Do początku października system solarny był jedynym źródłem ciepła dla domu, stodoły i ciepłej wody.
Wyrzucony wagon kotłowy staje się zasobnikiem energii słonecznej
Wcześniej jednak Grabner i Schörghuber stanęli przed pytaniem, w jaki sposób można osiągnąć wymaganą pojemność buforową 20 000 litrów - i to przy najniższych możliwych kosztach. Warunki konstrukcyjne w przybudówce chlewni nie oferowały zbyt wiele miejsca na instalację zbiornika magazynowego, ale tym bardziej pod względem wysokości. Jako były brygadzista ÖBB (Austriackich Kolei Federalnych), Walter Grabner miał już w głowie rozwiązanie, które w tym czasie było w drodze na bocznice kolejowe: jego plan polegał na przekształceniu zbiornika wyrzuconego wagonu cysterny w zbiornik solarny. Jakiś czas później duży kontener, oddzielony od podwozia i wyczyszczony od wewnątrz, stał na podwórku rolnika z Wolfsbach. Dzięki zamiłowaniu do niekonwencjonalnych rozwiązań, w połączeniu z solidną wiedzą projektową i doświadczeniem w procesach obróbki metali, Grabner skrócił dawny zbiornik wagonu towarowego o około jedną trzecią, tworząc pionowy zbiornik magazynowy. Wymiennik ciepła został wykonany z rury miedzianej o średnicy 28 mm, którą Grabner zamówił w zwojach do zwijania w spiralne wymienniki ciepła przy użyciu maszyn rolniczych. Dwa spiralne wymienniki ciepła, każdy o powierzchni wymiany ciepła 7 m², zostały zastosowane w dolnej części zbiornika magazynowego, każdy dla połowy układu kolektorów 2 x 44 m².
Dwustrefowe ładowanie i wykorzystanie zwrotów
Rys. 3: Buforowy zasobnik solarny ma wysokość 4,5 m i mieści około 22 m³ wody grzewczej.
Oprócz budowy zasobnika solarnego, Walter Grabner intensywnie pracował również nad konfiguracją obiegu hydraulicznego dla całego systemu grzewczego. Pojawiły się dwa wyzwania: pierwsze pytanie dotyczyło tego, jak uzyskać użyteczne ciepło z bufora przez cały czas bez konieczności wcześniejszego podgrzania kilku tysięcy litrów wody grzewczej. W końcu duża pojemność magazynowa jest mało przydatna, jeśli cała zawartość ma tylko letnią temperaturę mieszania. Drugą kwestią były różne temperatury systemu: podczas gdy obiegi grzewcze grzejników w budynku mieszkalnym są zaprojektowane na 70/50 °C, system ogrzewania podłogowego w stodole działa przy 40/30 °C. Jednak kocioł na zrębki drzewne zapewnia temperaturę zasilania 80°C, podczas gdy temperatura powrotu nie może być niższa niż 60°C. Potrzebny był zatem system dystrybucji i sterowania, który niezawodnie zasilałby odpowiednie obiegi wymaganymi temperaturami. Poszukiwania Waltera Grabnera doprowadziły go do wieloportowego rozdzielacza mieszającego rendeMIX poprzez katalog produktów techniki grzewczej. Przekonała go zasada dwustrefowego ładowania i rozładowywania bufora oraz możliwość wykorzystania powrotu. Ponadto zasada ładowania i rozładowywania rozłożona na dwie strefy buforowe umożliwiła realizację wymaganego wzrostu przepływu powrotnego w tym samym czasie. Producent HG Baunach, z siedzibą w niemieckim kraju związkowym Nadrenia Północna-Westfalia (www.baunach.net) wymienił się pomysłami z Grabnerem i opracował schemat hydrauliki systemu ogrzewania wspomaganego energią słoneczną z dużym zasobnikiem buforowym i różnymi wymaganiami temperaturowymi. Zaplanowano dwa wieloportowe kolektory mieszające rendeMIX, które są używane jednocześnie do tworzenia warstw w zbiorniku i do mieszania temperatur:
Układ hydrauliczny między generatorem ciepła a siłownikiem buforowym, dwustrefowe ładowanie siłownika buforowego
- Doprowadzanie ciepła wytwarzanego przez kocioł na zrębki drzewne do górnej strefy buforowej (temperatura zasilania 80 °C).
- Redukcja temperatury powrotu dla kotła na paliwo stałe poprzez zmieszanie powrotu z wodą grzewczą z bufora i, w razie potrzeby, z zasilania. Z rendeMIX z serii "2×3", temperatura powrotu ustawiona za pomocą regulatora o stałej wartości jest podnoszona przez mieszanie z górnej jednej trzeciej lub ze środka zbiornika buforowego. Jeśli temperatura w buforze nie jest wystarczająca, mieszalnik przełącza się na mieszanie z przepływu.
Układ hydrauliczny między zbiornikiem buforowym a układem czterobiegowym, dwustrefowe opróżnianie bufora
- Mieszanie temperatury zasilania dla obiegów ogrzewania grzejnikowego i ogrzewania CWU z wodą grzewczą z górnej i środkowej strefy buforowej.
- Mieszanie temperatury zasilania dla ogrzewania niskotemperaturowego (stabilne ogrzewanie podłogowe). Szczególną cechą jest tutaj wykorzystanie powrotu, które rendeMIX design "3×4": Jeśli temperatura powrotu z obiegów grzewczych grzejników jest nadal wystarczająca do zasilania ogrzewania panelowego, wieloportowy rozdzielacz mieszający przełącza się na wykorzystanie powrotu. Jeśli to źródło ciepła nie jest dostępne, rozdzielacz mieszający pobiera wymagane ciepło ze środkowej strefy buforowej i dodaje wodę grzewczą z górnej części bufora zgodnie z wymaganiami.
- Powrót do zasobnika buforowego: powrót obiegów grzewczych grzejników przez rozdzielacz mieszający do środkowej strefy buforowej (jeśli nie jest wykorzystywany do powrotu ogrzewania panelu); powrót ogrzewania panelu do dolnej strefy buforowej.
Efektywne wykorzystanie bufora
Rys. 4: Walter Grabner zintegrował trzy termometry na wysokości wzroku z drewnianymi panelami zamkniętego i izolowanego zbiornika buforowego w celu monitorowania temperatur w górnej, środkowej i dolnej strefie buforowej.
Rys. 5: Walter Grabner zaprojektował i zbudował hydraulicznie napędzany system śledzenia dla systemu ogrzewania słonecznego, który zasila jego dom.
Rys. 6: Uratowany przed złomowaniem: Wyrzucony wagon cysterna ÖBB został przekształcony w zbiornik solarny.
Ładowanie i rozładowywanie zasobnika buforowego odbywa się zgodnie z zasadą "cieplej na górze - zimniej na dole". Podczas wizyty na miejscu w październikowy dzień przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej +9°C, termometry na wieloportowym rozdzielaczu mieszającym pokazały, jak zachowuje się zapotrzebowanie na ciepło i podaż ciepła dostępna w buforze:
- Najwyższa temperatura buforu: 68 °C
- Środkowa temperatura bufora: 45 °C
- Niższa temperatura buforu: 45 °C.
System solarny dostarcza ciepło od dołu, które jest wykorzystywane do ogrzewania stodoły poprzez środkową strefę buforową. Pozycja siłownika pokazuje, że rendeMIX pobiera około 1/3 ciepła z górnej strefy buforowej i 2/3 ze strefy środkowej w tym momencie. Kocioł o mocy 75 kW potrzebuje około 12 godzin, aby podgrzać zawartość bufora do poziomu solarnego wymiennika ciepła. "Teraz kocioł o mocy 20 kW byłby wystarczający dla całego gospodarstwa", szacuje Walter Grabner. Rolnik Ferdinand Schörghuber jest szczególnie zadowolony z faktu, że jego koszty pracy związane z produkcją, transportem i przechowywaniem zrębków spadły prawie o połowę.
Zasada działania niezależna od wielkości zbiornika
Rys. 7: ... wymiennik ciepła został włożony do zbiornika, który został skrócony o około jedną trzecią, a podstawa została ponownie przyspawana.
Podczas fazy planowania HG Baunach sporządził dodatkowe obliczenia, aby zilustrować wymiary zasobnika buforowego: jeśli 4,5 m wysokości zasobnika (w uproszczeniu jako zasobnik) mieści 22 000 litrów, 15 cm wysokości zasobnika odpowiada pojemności 750 litrów - średniej wielkości konwencjonalnego zasobnika solarnego w domu jednorodzinnym. Innymi słowy, wielkość zasobnika buforowego jest mniej istotna z hydraulicznego punktu widzenia niż ilość ciepła, którą można z niego wykorzystać. Przykład tego systemu pokazuje, że naprawdę efektywne wykorzystanie zawartości bufora jest możliwe tylko dzięki zasadzie dwustrefowego ładowania i rozładowywania. Na tej samej zasadzie działa rendeMIX, który służy do rozładowywania dwóch zbiorników buforowych o łącznej pojemności 4500 litrów w domu Waltera Grabnera. Z jego doświadczenia wynika, że duża pojemność bufora ma znaczącą zaletę: "Podczas korzystania z energii słonecznej zawsze może się zdarzyć, że kocioł właśnie podgrzał bufor, a pogoda nagle zmieni się na słoneczną.
Rys. 8: rendeMIX w domu Waltera Grabnera jest punktem przełączania między zbiornikami buforowymi a systemem dwuobiegowym z grzejnikami i ogrzewaniem podłogowym.
Wtedy w dolnym obszarze buforowym jest jeszcze dużo miejsca na ładowanie ciepła słonecznego" - mówi Walter Grabner. rendeMIX zapewnia, że dolny obszar buforowy zawsze pozostaje zimny. Siłowniki wieloportowych kolektorów mieszających są sterowane za pomocą trzypunktowego sygnału z konwencjonalnego systemu sterowania ogrzewaniem. "Innowacyjni inżynierowie ogrzewania muszą po prostu zapoznać się z trybem pracy rendeMIX", zaleca Walter Grabner.
Rys. 9: Kolektor słoneczny o powierzchni 88 m² pokrywa zapotrzebowanie na ciepło od kwietnia do października.
Wolfgang Heinl
Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF
