Minimalne zużycie ciepła przy maksymalnym komforcie
Jak energetyczny patchwork "Alter Mühlhof" stał się wydajnym systemem
Historyczny generator prądu w dzielnicy Haunstetten w Augsburgu nie był już całkiem zgodny z duchem czasu: Zrównoważona, owszem, bo napędzana energią wodną, ale wciąż mało wydajna, bo często wyłączana z powodu zbyt wysokich temperatur. A większość ciepła była marnowana, mimo że dom i basen go potrzebowały. Zakład rzemieślniczy z Bobing zrestrukturyzował wykorzystanie ciepła za pomocą systemu mieszania "rendeMIX". Sukces przerósł wszelkie oczekiwania.
Rys. 1: Budynek turbiny i wlot Lochbach do turbiny "Alter Mühlenhof", Haunstetten. Elektrownia wodna pracuje na tej samej turbinie od 1907 roku. Turbina Francisa. Do 1880 roku dostarczała energię mechaniczną przez wiele setek lat.
Młyn wodny "Alte Mühlhof" w Haunstetten w Augsburgu jest jednym z zabytków techniki na terenie miasta Fugger. Młyn wodny w Mühlhof pochodzi prawdopodobnie z XII lub XIII wieku. Działa do dziś. Oczywiście nie jest już napędzany przez koło wodne z nadmiarem lub podmiarem - nadmiarem: woda z góry na łopatki, podmiarem: woda z dołu na łopatki - ale przez bardziej nowoczesną technologię, a mianowicie turbinę Francisa. Turbina Francisa niestrudzenie "miele" energię elektryczną w generatorze od 1907 roku. Płynie ona do sieci publicznej. Takie ekologiczne wytwarzanie energii elektrycznej jest wynagradzane przez państwo na mocy ustawy o odnawialnych źródłach energii w wysokości około 10 centów za kWh, w zależności od ilości. Dokładna cena przedsiębiorstwa energetycznego w Augsburgu zostanie podana później. Dzieje się tak, ponieważ przyczynia się to do amortyzacji inwestycji i ma wiele wspólnego ze zoptymalizowaną technologią budowlaną.
Pomnik kultury technologicznej
Rys. 2: Profesor Wilhelm Ruckdeschel opisał prawdopodobnie 700-letnią historię elektrowni Lochbach w swojej książce "Industriekultur in Augsburg". Brigitte Settele Verlag, Augsburg, ISBN 3-932939-44-1.
W przeszłości energia kinetyczna strumienia Lochbach napędzała piłę tarczową na dziedzińcu za pośrednictwem przekładni, a później młyn artystyczny. Jednak od 1880 roku - turbina Francisa pojawiła się 27 lat później - mała rzeka wyczarowuje światło w halach. Na przełomie wieków niektórym mieszkańcom musiało się to wydawać magią.
Straty wydajności generatora 76 kW i systemu mechanicznego są zauważalne w postaci ciepła. Gdy generator pracuje intensywnie, zamienia budynek młyna w saunę. W przeszłości nadmiar temperatury można było odprowadzać przez otwieranie okien i drzwi. Obecnie ochrona środowiska nie akceptuje takiego rozwiązania z dwóch powodów. Po pierwsze, nie jest zgodne z duchem czasu oddawanie cennych kalorii ciepła, a po drugie, sąsiedzi prawdopodobnie skierują sprawę do sądu, jeśli będą musieli słuchać piszczenia mechaniki - około 60 dB (A) - dzień w dzień. Z drugiej strony, takie żywe świadectwo wysoko rozwiniętej kultury przemysłowej późnośredniowiecznego Wolnego Cesarskiego Miasta Augsburga ma dziś nowe znaczenie, ponieważ wciąż działający "Wasserkunst", jak z szacunkiem nazywa go augsburski historyk techniki Wilhelm Ruckdeschel, przekształca energię odnawialną w energię elektryczną.
Tak więc obecny właściciel "Alter Mühlhof", rodzina Walter Settele, zleciła różnym biurom projektowym i firmom instalacyjnym znalezienie rozwiązania dla odzysku ciepła. Obieg miał uwzględniać pięć różnych odbiorników, a mianowicie po pierwsze przygotowanie ciepłej wody, po drugie wodę basenową w głównym budynku, po trzecie obieg grzejników (wysoka temperatura), po czwarte i po piąte dwa obiegi ogrzewania podłogowego (niska temperatura) w basenie i w budynku mieszkalnym.
W jaki sposób ciepło dostaje się do basenu?
Rys. 3: Pompa ciepła (po lewej, Vitocal/Viessmann) i 300-litrowy zasobnik buforowy (Vitocell/Viessmann) odpowiadają za odzysk ciepła w budynku turbiny.
Jako pierwszy etap renowacji, klient zgodził się na instalację pompy ciepła powietrze/woda (Viessmann) w turbinowni i cichszej nowej przekładni (Renk AG), która zastąpiłaby 80-letnie wieńce zębate. Jednak dalsze propozycje, z których część została zrealizowana, nie przyniosły oczekiwanego sukcesu lub ich wdrożenie nie powiodło się ze względu na koszty. W niektórych przypadkach rozwiązanie miało kosztować od 10 000 do 15 000 euro.
Walter Settele nie poddał się jednak, ponieważ miał całorocznego użytkownika w postaci basenu. Etapami kilka firm w końcu skleciło dla niego koncepcję, która nie zasługiwała na miano "koncepcji". Wciąż marnował zdecydowanie za dużo. Wyrażone w liczbach zużycie gazu w latach 2006/2007, przed przebudową, wynosiło 150 000 kilowatogodzin. Prawdziwy paradoks: nawet latem Setteles musiał podgrzewać wodę w basenie za pomocą drogiego podgrzewacza gazowego, ponieważ turbina zatrzymywała się lub wyłączała, gdy generator pracował z prędkością ponad 35 kWh. oC. Zdarzało się, że kilkakrotnie przekraczała ten próg. Jedynie pompa ciepła powietrze/woda znajdująca się w bezpośrednim sąsiedztwie agregatu prądotwórczego spełniała swoje zadanie. Schładzała temperaturę w pomieszczeniu stacji generatora do znośnego poziomu. Oznaczało to, że budynek mógł być wykorzystywany niemal publicznie do demonstracji, urodzin, seminariów i innych wydarzeń.
Rys. 4: Filtr wody basenowej. Czarny cylinder po lewej stronie to wymiennik ciepła dla wody basenowej.
Jeśli temperatura w stacji jest wyższa o około 5°C, pompa ciepła uruchamia się i przechowuje uzysk w zbiorniku buforowym. Lokalna rura grzewcza transportuje uzyskane w ten sposób kalorie do dwóch kotłów rezerwowych (kondensacyjnych, 2 x 40 kW, Vaillant) i do dystrybutora w budynku mieszkalnym. Jeśli nie ma zapotrzebowania na ciepło, generator wyłącza się - patrz uwaga dotycząca przegrzania. W tamtym czasie zapotrzebowanie zostało pokryte stosunkowo szybko, ponieważ system przełączania nie był w stanie obsługiwać różnych poziomów temperatury po stronie odbiorcy. Zrobiono to z tym lub innym konsumentem.
Nowy proces mieszania wielokierunkowego
Rys. 5: Główny dom "Alter Mühlhof". Około 500 m2 powierzchni mieszkalnej, hala basenowa i woda w basenie mają być ogrzewane.
Spowodowało to wspomniane wcześniej kosztowne zużycie 150 000 kilowatogodzin gazu podczas łagodnej zimy 2006/2007, więc Walter Settele postanowił spróbować ponownie. Zwrócił się do swojej firmy zajmującej się instalacjami domowymi, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH z Bobingen. Zatrudniająca 28 pracowników firma jest dobrze przygotowana na przyszłość, specjalizując się w technologii grzewczej, solarnej i fotowoltaice. Firma obiecała środki zaradcze:
Dzięki publikacjom w czasopiśmie "Sanitär- und Heizungstechnik", firma mistrza rzemieślniczego zetknęła się wiele lat temu z armaturą, która nie jest produktem, ale systemem, mieszaczem Baunach. Od razu można było przewidzieć rezultat: Producent systemu przeprojektował system dystrybucji i sterowania, umieścił trzy "rendeMIX" pomiędzy źródłem ciepła a odbiornikiem ciepła, a stosunkowo ostra zima 2008/2009 zaprezentowała Settelesowi rezultat: 55 000 zaoszczędzonych kilowatogodzin. Zużycie gazu spadło ze 150 000 do 95 0000 kilowatogodzin. Kwota ta nie jest skorygowana o warunki klimatyczne, ale zapotrzebowanie w latach 2008/2009 było prawdopodobnie znacznie wyższe niż w ciepłą zimę roku referencyjnego 2006/2007. Pod tym względem oszczędności są jeszcze bardziej korzystne dla procesu.
Rys. 6: Swobodnie programowalny system sterowania z Technische Alternative, Amaliendorf/Austria
Mieszacz "rendeMIX" oznacza nową metodę dystrybucji ciepła oraz ładowania i rozładowywania zbiorników buforowych. Gwarantuje najniższe temperatury powrotu, a tym samym najwyższe zyski ciepła kondensacji poprzez podłączenie obiegu niskotemperaturowego za obiegiem wysokotemperaturowym, zamieniając w ten sposób powrót pierwszego obiegu w przepływ drugiego obiegu. Wykorzystanie wartości opałowej w tej architekturze to jedno, zmniejszenie o połowę objętości obiegu, a tym samym zmniejszenie o połowę energii pomocniczej dla pomp obiegowych to drugie. Oprócz faktu, że to połączenie szeregowe zarządza jedną pompą obiegową mniej.
Najniższe temperatury powrotu
Rys. 7: Obieg grzewczy podrozdzielacza.
Patent firmy H.G. Baunach GmbH & Co. KG, Hückelhoven, polega przede wszystkim na przepływie wody w armaturze, który uwzględnia różne warunki hydrauliczne ogrzewania grzejnikowego i podłogowego, a także wymagania temperaturowe. Bez jednostki "rendeMIX" firma instalacyjna musiałaby robić wiele objazdów i instalować wiele armatur, aby osiągnąć podobny rezultat - najniższą możliwą temperaturę powrotu. Nie tylko kotły kondensacyjne pracują wydajniej z mieszaczem. Zbiorniki warstwowe, systemy solarne, pompy ciepła, stacje przesyłowe i sieci dystrybucyjne również korzystają z dużej Delta T.
Rys. 8: Grupa mieszaczy. Trzy jednostki po lewej stronie to mieszacze wielodrogowe "rendeMIX", dwie jednostki po prawej stronie to skrzynki zaworowe do nieregulowanego zasilania w ciepło wymiennika ciepła wody basenowej i przygotowania ciepłej wody użytkowej (na zdjęciu Johannes Jacob, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH).
Johannes Jakob z firmy Albert Kohl wyjaśnia zasadę działania na przykładzie Haunstetten: "Zasadniczo mieszacz wieloportowy jest podzielony na strefę gorącą, ciepłą i zimną. Ponieważ instalujemy go za obiegiem wysokotemperaturowym, strefa gorąca to 60-stopniowy strumień powrotny z wymiennika ciepła basenu lub podgrzewacza wody. Te dwa odbiorniki są sterowane bezpośrednio przez ciepłą wodę z turbiny lub przez kotły gazowe".
Pompa ciepła w turbinie lub generatorze generuje przepływ do odbiorników, który może wynosić do 80 stopni, przy rocznym współczynniku wydajności, który jest nadal całkiem akceptowalny, ponieważ zasysane powietrze w pomieszczeniu może osiągnąć do 40 stopni. oC. "Teraz przesyłamy 60-stopniowy strumień powrotny z wymiennika ciepła basenu do obiegu grzejników na wyższych piętrach budynku mieszkalnego i dalej do dwóch systemów ogrzewania podłogowego. Trzy jednostki "rendeMIX" kontrolują natężenie przepływu i temperaturę. Co dzieje się w rendeMIX 1, który odpowiada za grzejniki? Po pierwsze, są one ustawione na 60/40 oC. 60 oC, jednak potrzebują go tylko w najzimniejszym okresie roku. W większości przypadków mieszacz jest albo zasilany z powrotu z basenu, który nadal może mieć temperaturę 55°C na poziomie rendeMIX 1 oC, lub dodać zimniejszą wodę z obiegu chłodnicy powrotnej, która ma tylko 40 oC ma."
Trzy razy "rendeMIX
Chociaż powrót z grzejnika łączy się z powrotem z basenu/ciepłej wody i z powrotami z dwóch systemów ogrzewania podłogowego, tworząc jedną linię, gradient temperatury w kierunku kotła naturalnie występuje na całej długości linii, również ze względu na zasilanie powrotne z poszczególnych obwodów.
Powrót do Johannesa Jakoba. "rendeMIX 2 wykorzystuje chłodnicę powrotną jako przepływ dla obwodu dna basenu. Układ hydrauliczny jest podobny do opisanego powyżej, ale z jedną modyfikacją. Jeśli grzejnik powrotny nie jest wystarczający do ogrzania hali basenowej przy ujemnych temperaturach, rendeMIX 2 dodaje gorącą wodę z przepływu lokalnej rury grzewczej. Jeśli warunki pogodowe pozwalają na niższe temperatury wody grzewczej, rendeMIX 2 pobiera zimną wodę z przewodu powrotnego."
MIX 3 dla "mieszkaniowych" systemów ogrzewania podłogowego na wyższych piętrach działa według tego samego schematu; Johannes Jakob połączył równolegle dwa obiegi podłogowe. Podzielił ogrzewanie niskotemperaturowe na dwa główne obiegi, ponieważ całoroczne ogrzewanie łaźni i półroczne ogrzewanie mieszkalne mają zupełnie inne sezony grzewcze, a obliczone objętości wody również znacznie się różnią. Dostarczanie ciepła można zoptymalizować poprzez połączenie równoległe.
Nie do końca równolegle
Przy czym "połączenie równoległe" nie odzwierciedla prawidłowo rzeczywistości. Jeśli oba systemy ogrzewania podłogowego działają, temperatura zasilania ostatniego rendeMIX, rendeMIX 3, jest niższa od temperatury zasilania rendeMIX 2, ponieważ przepływ powrotny poprzedniego systemu ogrzewania podłogowego (rendeMIX 2) spowodował obniżenie całkowitego przepływu powrotnego o kilka stopni. Jest to dokładnie cel, aby doprowadzić najzimniejszą wodę do kondensacyjnego wymiennika ciepła. rendeMIX 3 musi zatem pobierać więcej wody z sekcji o wyższej temperaturze i mieszać ją z rendeMIX 2, aby osiągnąć żądaną wartość zadaną.
Opisuje to procesy i funkcje stacji "rendeMIX". Oczywiście całość musi być połączona z wydajną technologią sterowania i rozsądną strategią kontroli. Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH polegał na doświadczeniu działu planowania firmy H.G. Baunach GmbH & Co. KG, która wsparła firmę swoim oprogramowaniem do projektowania i regulacji mieszalników. Rzeczywiste połączenie sieciowe zostało skonfigurowane przez austriacką firmę Technische Alternative z Amaliendorf. Gama produktów tej firmy rozciąga się od prostych sterowników różnicowych, poprzez sterowniki wielopętlowe do zarządzania energią słoneczną i pompami, aż po swobodnie programowalne sterowniki wielotalentowe do niemal wszystkich zastosowań. Dokładnie tego szukała firma Albert Kohl GmbH: systemu sterowania, który nie jest przeładowany niewymaganymi funkcjami, a tym samym podatny na awarie, ale jest dostosowany do konkretnego zastosowania.
Nagroda od przedsiębiorstwa użyteczności publicznej w Augsburgu
Ich czujniki decydują na przykład o tym, czy woda buforowa przepływa bezpośrednio do wężownic podłogowych i grzejników, czy też kocioł (kotły) musi (muszą) dodawać ciepło. Woda buforowa w 300-litrowym zasobniku nie ma stale temperatury 70 lub 80°C. oC. Zimą ciepło odpadowe z generatora nie wystarcza do zapewnienia komfortu w domu. Kocioł może wtedy ładować się tylko do 30 lub 40 oC on. Dlatego też lokalna linia grzewcza zazwyczaj przebiega przez jeden z dwóch kotłów, niezależnie od tego, czy ma on zostać uruchomiony, czy nie.
Ze względu na odzysk ciepła, odnowioną przekładnię, inteligentny system przełączania i inwestycję, która stanowiła ponad 50 procent nowego systemu, Stadtwerke Augsburg skorygował specjalną taryfę gwarantowaną. "Alte Mühle" podlega teraz ustawie EEG o odnawialnych źródłach energii, a także ustawie EEWG o odnawialnych źródłach energii cieplnej. W rezultacie wynagrodzenie wzrosło z 7,65 do 9,67 ct/kWh. Przy około 400 000 kilowatogodzin energii elektrycznej generowanej rocznie, około 40 000 EUR jest teraz zwracane, 8 000 EUR więcej niż dwa lata temu. Mieszalnik Baunach może przypisać sobie część tej kwoty, ale w każdym razie 55 000 kWh zaoszczędzonego gazu.
Rys. 9: Właściciel Walter Settele przed 76 kW generatorem turbiny Francisa.
Johannes Jakob: "Stwierdziliśmy minimalny komfort przy wysokim zużyciu energii. Dzięki nowej strategii sterowania i jednostkom "rendeMIX" byliśmy w stanie przekształcić system w typ "minimalnego zużycia ciepła przy maksymalnym komforcie". Prawdopodobnie nie ma lepszego, a przede wszystkim bezpieczniejszego sposobu na zainwestowanie pieniędzy".
Bernd Genath
Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF
