Problem rozwiązany
Równoważenie hydrauliczne: sztuczka z ograniczeniem temperatury powrotu
Wielokrotnie wymagany, ale rzadko realizowany profesjonalnie: Chociaż równoważenie hydrauliczne jest prawdopodobnie najbardziej efektywnym, niskonakładowym środkiem efektywności energetycznej, jest ono zwykle przeprowadzane połowicznie, zwłaszcza w przypadku renowacji starych budynków, ze względu na różne niewiadome. Zupełnie nowa metoda, która zachwyca zarówno swoją prostotą, jak i skutecznością, przeszła właśnie testy terenowe dla ogrzewania podłogowego. Między innymi w domu kościelnego konsultanta energetycznego w Dolnej Frankonii.
To, czy chrześcijański imperatyw "ochrony stworzenia" był decydującym czynnikiem w jego zaangażowaniu w energooszczędną technologię budowlaną, wyszło na jaw podczas wizyty pastora w SHT. Christof Bärhausen we frankońskim mieście Maibach. Około 30 lat temu Ekumeniczna Rada Kościołów wpisała ten imperatyw do programów partii politycznych, apostrofując w ten sposób etykę jako potężny kamień węgielny dla zrównoważonej polityki środowiskowej. W rozmowie z południowoniemieckim teologiem wydaje się jednak, że to raczej fizyka niż metafizyka skłoniła go nie tylko do głoszenia wydajności, ale także do kompetentnego demonstrowania jej swoim kongregacjom: Ma on po prostu silne zamiłowanie do technologii. Zamiłowanie, które nie zadowala się poziomem utalentowanego laika. Christof Bärhausen zagłębił się w temat. W końcu otrzymał wysokie poświęcenie od Izby Rzemieślniczej Dolnej Frankonii, przed którym zdał "egzamin ze wszystkimi dodatkami" (Bärhausen), aby zostać konsultantem ds. energii (HWK). W tym świetle fizyka i metafizyka przeplatają się w jego pracy: dziś kościelny wnosi praktyczny wkład w ochronę stworzenia we własnym domu i poprzez "usługi budowlane" w społeczności.
Rys. 1: Łącznie dziewięć obiegów grzewczych zasila dom, pięć na parterze i cztery na wyższych piętrach. Każdy obieg grzewczy ma własny ogranicznik temperatury powrotu (na dolnej belce kolektora powrotnego). Armatura RTB jest również zainstalowana w pionach po lewej stronie do grzejników na najwyższym piętrze. Ponadto planowane jest podłączenie grzejników, które są teraz przewymiarowane ze względu na energooszczędną renowację górnego piętra, bezpośrednio do zasilania i powrotu obiegu podłogowego jako niskotemperaturowe wymienniki ciepła. Dynamicznie sterowane siłowniki RTB wyrównują hydraulicznie instalację. Trzy serwomotory po prawej stronie reagują na impulsy z elektrycznych termostatów pokojowych.
Kieruje się nieufnością
Najpierw spojrzenie w przeszłość: niezadowalająca integracja systemu solarnego za pośrednictwem bufora z systemem kotła olejowego w jego budynku mieszkalnym po raz pierwszy skonfrontowała go z prawami hydrauliki i uświadomieniem sobie, że hydraulika musi być pierwszym punktem wyjścia dla działań optymalizacyjnych. W jaki sposób należy zorganizować stratyfikację temperatury, ładowanie i rozładowywanie, aby zminimalizować zyski słoneczne?
Rzymskokatolicki doradca duszpasterski zbadał ścieżki przepływu w wielodrożnym mikserze "rendeMIX", który pojawił się na rynku około 15 lat temu i został mu przedstawiony przez znajomego inżyniera. Zainstalował go. Rozwiązanie Baunacha z wewnętrznymi obejściami równoważy różne objętości wody, umożliwiając na przykład wykorzystanie przepływu powrotnego z obiegu wysokotemperaturowego (grzejnika) jako przepływu do ogrzewania podłogowego. Lub najpierw pobiera niezmieszaną wodę z kotła dwustrefowego lub wielostrefowego - zachowując w ten sposób cenną egzergię wysokotemperaturową - przed zmieszaniem gorącej z zimną. Dążąc do ustabilizowania rozprzestrzeniania się ciepła w zasobniku warstwowym, zwiększa on również uzysk energii słonecznej, ponieważ sam zasobnik nadal absorbuje ciepło kolektora o kilka stopni powyżej temperatury zimnej ze względu na jego zimną strefę.
Obecny problem
Sukces modernizacji mieszacza w tym czasie został zademonstrowany przez licznik ciepła w systemie Bärhausen. Działał on wolniej. Pozytywne doświadczenia potwierdziły konsultantowi energetycznemu znaczenie prawidłowej i czułej hydrauliki. Jednocześnie jednak wzbudziło to jego podejrzenia co do efektów oszczędnościowych innych środków, takich jak podwieszana drewniana fasada z 21 cm izolacją między okładziną a kamieniem, renowacja dachu, oszklenie izolacyjne i redukcja mostków termicznych, które miały na celu podniesienie domu jednorodzinnego z czasów sprzed pierwszego rozporządzenia w sprawie izolacji termicznej do standardu KfW 55. Jak regulować przepływy wody w starym budynku z dużą liczbą obwodów dla salonu, sypialni, pokoju dziecięcego i gabinetu, dla kuchni i łazienki, dla pomieszczeń pod dachem z obecnie przewymiarowanymi grzejnikami, dla ogrzewania podłogowego w części dziennej, aby sprostać zmniejszonemu zapotrzebowaniu?
Rysunek 2: Typowa architektura południowych Niemiec: ogrzewanie podłogowe na dole, ogrzewanie grzejnikowe na wyższych piętrach.
Rys. 3: Ustawienie temperatury powrotu na RTB w zakresie od ok. 17 do 22 °C, w zależności od wielkości pomieszczenia i wymiennika ciepła, wykorzystania i żądanej temperatury. Za dokładną regulację odpowiada użytkownik.
Ze starszymi zaworami termostatycznymi bez możliwości wstępnego ustawienia natężenia przepływu? Ale nawet te z nastawą wstępną reagowałyby stosunkowo statycznie "otwarte" i "zamknięte" i nie regulowałyby skutecznie i dynamicznie zmieniających się wpływów i warunków w zakresie objętości wody. Przepisy dotyczące dotacji KfW przewidują równoważenie hydrauliczne - i jak opisano, dla Christofa Bärhausena i tak było to koniecznością.
Dynamiczny zamiast statycznego
Tak się złożyło, że majsterkowicz i dyrektor zarządzający Hans-Georg Baunach z HG Baunach GmbH & Co. KG z Hückelhoven niedaleko Akwizgranu, od jakiegoś czasu myślał w podobny sposób. Jego testy i sukcesy z "rendeMIX" nauczyły go, że ręczne równoważenie hydrauliczne pozostaje mieszanką prób i błędów - jeśli w ogóle jest podejmowane. Klasyczna metoda musi również żyć ze słabością, że dostosowanie litrażu do stałego natężenia przepływu oddaje część potencjału zysku. Jednak wieloportowy kran "rendeMIX" firmy Baunach nie jest przeznaczony do tego zadania. Został zaprojektowany do mieszania wody o różnych temperaturach, a nie do regulacji przepływu wody. Inżynier szukał więc innego rozwiązania problemu regulacji. Musiało być ono zarówno optymalne, jak i proste.
"Proste" w dwóch aspektach: handel musi to zaakceptować, a cena, ujmijmy to w ten sposób, musi zwiększyć swoją akceptację. Kalkulacja nie powinna opierać się na zaoszczędzonym czasie pracy w porównaniu z wysiłkiem wymaganym do zwykłego dostosowania. Mało która firma dokonałaby takiej kalkulacji. Mógłby to być tylko jednoparowy produkt Euro. Pomysł ograniczenia temperatury powrotu jako systemu równoważenia termiczno-hydraulicznego okazał się sukcesem. Od około roku prowadzone są różne projekty pilotażowe, w tym system Bärhausen. Jest to nic innego jak, jak sama nazwa wskazuje, ogranicznik temperatury powrotu: zawór RTB do montażu na powrocie obiegu grzewczego za wymiennikiem ciepła.
Rysunek 4: Potencjalne mostki termiczne w oknach i drzwiach balkonowych są zminimalizowane za pomocą wypełnienia izolacyjnego w taki sposób, aby nie zagrażały KfW 55.
Rysunek 5: Ogrzewana przestrzeń mieszkalna wynosi 160 m2z czego 120 m2 Ogrzewanie podłogowe i grzejniki na poddaszu. Zawory wentylacyjne zdecentralizowanych urządzeń wentylacyjnych obok okien. Na zdjęciu Christof Bärhausen.
Zmienną projektową jest wyłącznie nominalna średnica przepływu powrotnego. Zawór działa dynamicznie termicznie. Innymi słowy, stale dostosowuje natężenie przepływu do wartości zadanej na regulowanym czujniku temperatury powrotu: jeśli temperatura wzrasta, zmniejsza natężenie przepływu przez wężownice grzewcze w podłodze; jeśli spada, zapewnia wyższy przepływ cyrkulacyjny. W ten sposób przejmuje on równoważenie hydrauliczne obiegów lub sterowanie przepływem przez grzejnik niskotemperaturowy lub wężownice podłogowe całkowicie niezależnie i zgodnie z temperaturą w pomieszczeniu. Zorientowany na temperaturę pomieszczenia: Nadal można ją ustawić za pomocą zaworu termostatycznego na grzejniku lub za pomocą alternatywnego indywidualnego systemu sterowania pomieszczeniem, ale teraz objętość przepływu jest zharmonizowana z wartością zadaną powietrza w pomieszczeniu poprzez temperaturę powrotu. Bez fizycznego połączenia oba zawory odpowiadają sobie nawzajem.
Zdjęcie 6: Dom jest ogrzewany przez (starszą) jednostkę kogeneracyjną na olej roślinny, która pierwotnie miała zasilać lokalną sieć ciepłowniczą, ale nie zostało to zrealizowane. Bezciśnieniowy kombinowany zasobnik buforowy (1000 l) jest również podłączony do pieca opalanego drewnem z kieszenią wodną, który może również ogrzewać wszystkie pomieszczenia. Nadciśnienie w butli nie może przekraczać 0,1 bara. Z tego powodu jest on hydraulicznie oddzielony od systemu grzewczego za pomocą wymiennika ciepła (po lewej stronie). Dolny "rendeMIX" odpowiada za dwustrefowe ładowanie zasobnika buforowego kombi ze zintegrowanymi wymiennikami ciepła. Stratyfikacja gwarantuje wystarczającą ilość ciepłej wody dla kuchni i łazienki. Górny mieszacz wieloportowy został wykorzystany do efektywnej integracji systemu solarnego w połączeniu z kotłem szczytowym.
Idealny, ponieważ bez żadnych obliczeń
Jak to działa? Wartości empiryczne związane z pomieszczeniem muszą być również używane do podstawowego ustawienia na RTB, jak zwykle w przypadku zaworów termostatycznych. Przykład: W sypialni powinno być 18 °C. Zakłada się, że zawór termostatyczny jest ustawiony na poziom 3. Poziom 5 lub 23 °C na skali na RTB może być wystarczający dla tych 18 °C po stronie przepływu. Jak już wspomniałem, ustawienie zależy od właściwości termicznych budynku. Pod wieczór temperatura na zewnątrz i w pomieszczeniu spada. Zawór grzejnika otwiera się. Bez RTB pełne nominalne natężenie przepływu prawie spontanicznie przepłynęłoby przez powierzchnię grzewczą, wpływając w ten sposób na inne obwody. Z drugiej strony, RTB czeka.
Dane techniczne zaworów
Obecnie na rynku dostępne są ograniczniki temperatury powrotu do obiegów ogrzewania podłogowego (RTB-Fbh) oraz wersja do równoważenia termiczno-hydraulicznego wymienników ciepła w zasobnikach ciepłej wody użytkowej, nagrzewnicach powietrza, wymiennikach ciepła w basenach i systemach wentylacyjnych (zestaw równoważący RTB). Osprzęt przeznaczony wyłącznie do systemów ogrzewania grzejnikowego jest obecnie testowany. Wariant ogrzewania podłogowego, tak jak w przypadku nieruchomości Bärhausen, składa się z mosiężnej podstawy i głowicy termostatycznej ze zintegrowanym czujnikiem temperatury. Jak zwykle w przypadku zaworów termostatycznych, nastawa powrotu, która jest zsynchronizowana z temperaturą powietrza w pomieszczeniu, jest ustawiana za pomocą przekręcanej nasadki w górnej części. RTB wspomaga i przyspiesza efekt samoregulacji ogrzewania podłogowego. Jego temperatura powrotu wzrasta, gdy temperatura w pomieszczeniu wzrasta, tj. nadwyżka temperatury powierzchni grzewczej w stosunku do temperatury w pomieszczeniu maleje. Zwykły dwupunktowy indywidualny regulator pokojowy, który może tylko włączać i wyłączać obwód, blokuje przepływ w tym przypadku. Jeśli regulator jest otwarty, przepuszcza pełną objętość wody przez obieg, tj. nie zakłóca przepływu objętościowego. Z tego powodu wszystkie obwody ogrzewania podłogowego muszą być obliczane w skomplikowany sposób, a obliczone objętości wody regulowane za pomocą siłownika. Jest to bardzo czasochłonna metoda. I oczywiście wszystkie ustawienia wpływają na siebie nawzajem: po zapaleniu ostatnich trzech pętli prąd, który powinien płynąć przez pierwszy obwód, z pewnością ulegnie zmianie. Proces przypomina równanie z wieloma niewiadomymi. Optymalny punkt jest kwestią przypadku.
Z drugiej strony, dzięki ograniczeniu temperatury powrotu w postaci proporcjonalnego zaworu RTB, przez obszary częściowe zawsze przepływa dokładnie taka moc, jaką powinien dostarczać obszar częściowy. Temperatura powrotu jako zmienna sterująca dynamicznie reguluje natężenie przepływu. W praktyce Baunach zaleca instalowanie zaworów RTB bezpośrednio na kolektorze powrotnym rozdzielacza. Nominalna wielkość zaworu DN 15, strata ciśnienia 100 mbar przy natężeniu przepływu 0,40 m3/h, wartość Kvs 1,3 m3/h, zakres nastaw temperatury powrotu 0 do 40 °C, dopuszczalne nadciśnienie robocze 10 bar. Drugi model, zestaw równoważący RTB do automatycznego równoważenia termiczno-hydraulicznego natężenia przepływu wymienników ciepła w zbiornikach wody pitnej, nagrzewnicach powietrza, wymiennikach basenowych i systemach wentylacyjnych, jest dostępny w trzech rozmiarach: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 i 6,7, moc wyjściowa przy 20 K Delta T 18, 42 i 49 kW. Zakres temperatury powrotu od 20 do 70 °C.
W przeciwieństwie do RTB-Fbh, zdalny czujnik z rurką kapilarną jest przymocowany do głowicy termostatycznej, umożliwiając umieszczenie czujnika w dowolnym miejscu w strumieniu powrotnym wymiennika ciepła. Oba warianty, te do ogrzewania podłogowego i te do różnych wymienników ciepła i nagrzewnic powietrza, działają wyłącznie termohydraulicznie bez energii zewnętrznej. Nie zamykają się całkowicie. Gwarantowane jest minimalne natężenie przepływu wynoszące 1 % wartości nominalnej, dzięki czemu czujnik jest zawsze zanurzony w wodzie powrotnej.
Otwiera się nieznacznie, jeśli temperatura powrotu ma tendencję do spadku z powodu spadku temperatury zewnętrznej i zmniejsza natężenie przepływu, jeśli termostat pokojowy całkowicie się otworzył, tj. wartość zmierzona na czujniku RTB chce teraz wzrosnąć powyżej wartości zadanej. Oznacza to, że woda grzewcza nie jest wstrzymywana w innych obiegach grzewczych. Oczywiście ich czujniki RTB również reagują, otwierając przekroje. Cały system stabilizuje się automatycznie. Zasada regulacji mocy wysokowydajnych, samoregulujących się pomp obiegowych pozostaje niezmieniona. Automatycznie dostosowują one swoją moc do różnicy ciśnień. Christof Bärhausen zachwyca się: "Wcześniej nie mogliśmy sobie z tym poradzić. W górnych pomieszczeniach termostaty pokojowe były na przemian całkowicie otwarte i całkowicie zamknięte, a duże powierzchnie grzewcze zasysały wodę z innych lub przeciążały je. Nigdy nie byliśmy w stanie równomiernie ogrzać wszystkich pomieszczeń, pomimo prób równoważenia hydraulicznego.
W przypadku RTB ilość wody pozostaje ograniczona. Dokładną regulację przeprowadziliśmy sami. Górna część zaworu musi być wyregulowana tylko nieznacznie i tylko raz do ustawienia zapewniającego pożądaną temperaturę w pomieszczeniu. Z pewnością trzeba to poprawić. Ale trzeba to robić z każdym zaworem termostatycznym".
Słyszalny sukces
W przypadku innych planowanych działań remontowych w domu i w jego wnętrzu konsultant ds. energii zrezygnował z zaworów grzejnikowych z nastawą wstępną, "ponieważ przepuszczają one tylko stałą ilość ciepła. Nie działają dynamicznie. Musiałbym przeprowadzić obliczenia obciążenia grzewczego dla każdego pomieszczenia w celu ustawienia wstępnego. Z RTB nie muszę tego robić. Klasyczne termostaty grzejnikowe są teraz wystarczające". Właściciel domu jest pewien, że samo równoważenie termiczno-hydrauliczne spowoduje zauważalne zmniejszenie rachunków za olej roślinny dla jego jednostki kogeneracyjnej. Pierwotnie miał on zasilać niektórych sąsiadów z lokalnej sieci ciepłowniczej. Później jednak zrezygnowali, ale z pewnych powodów kocioł olejowy został zastąpiony jednostką kogeneracyjną. Już podczas pierwszej fazy programu ponownego zalesiania energetycznego, w ciągu sześciu miesięcy, kiedy początkowo zainstalowano tylko RTB, działał on zauważalnie mniej. "Przynajmniej coś się słyszalnie zmieniło.
Rysunek 7: Test ogranicznika temperatury powrotu w fabryce chemicznej w Limburgii, Belgia, z RTB za każdym z 30 wentylatorów zasilanych gorącą wodą. Termopara zapobiega wzrostowi temperatury powrotu do ponad 45°C z powodu niskiego poboru ciepła z wymiennika ciepła, ponieważ zwiększona różnica ciśnień dostosowuje szybkość dostarczania przez pompę cyrkulacyjną. Dzięki temu woda powrotna nadaje się do kondensacji.
Nie mogę wymyślić korekty stopniodni, ale sytuacja wygląda następująco: zgodnie z ogólnym doświadczeniem, lepsza dystrybucja ciepła pozwala zaoszczędzić średnio od 10 do 15 % energii grzewczej. Będzie to również prawdą w naszym przypadku, ponieważ elektrociepłownia uruchamiała się znacznie rzadziej natychmiast po dostosowaniu RTB. Nawiasem mówiąc, zauważyliśmy ten efekt po raz drugi. Zauważyliśmy to również w przypadku kotła olejowego, po zainstalowaniu złączki "rendeMIX" w obiegu solarnym. Objętość zasobnika buforowego combi została lepiej wykorzystana, oddawał on ciepło znacznie dłużej, a kocioł ładował się rzadziej."
Dopracowanie przez mieszkańców
Wyborczy Francuz zakasał rękawy. Ma pracę do wykonania. Rury w kotłowni muszą zostać zaizolowane. "To, co tu widzicie, naprawdę nie jest nowoczesnym systemem grzewczym w tym sensie. Wszystko zostało złożone i zmontowane, ale nadal działa doskonale". Wyjaśnia ustawienia na rozdzielaczu na pierwszym piętrze: "Widzimy teraz cztery pokoje: duży pokój, pokój południowy i łazienkę, pokój północny. Ten ostatni nigdy nie osiągnął żądanej temperatury pokojowej.
Siłowniki elektryczne w szafce rozdzielacza są połączone z termostatami pokojowymi w trzech pomieszczeniach. W łazience zawsze powinno być trochę cieplej, więc jest ona całkowicie otwarta od przepływu. Dzięki opcjom ustawień na siłownikach RTB możemy w końcu ustawić temperaturę w pomieszczeniu z dokładnością co do stopnia. Ponieważ używaliśmy dużego pokoju jako sypialni, rury grzewcze w podłodze są stosunkowo daleko od siebie. Dlatego ustawiłem powrót na 20 stopni. W pozostałych dwóch pokojach wystarczy 15 lub 16 stopni, a w łazience ustawiłem temperaturę powrotu na 22-23 stopnie. Temperatura zasilania dla wszystkich pomieszczeń wynosi 30°C. Podnosząc średnią temperaturę zasilania i powrotu w łazience do 26°C, utrzymuję ją na poziomie około 24°C. Podobne rozważania w odniesieniu do średniej temperatury dotyczą również "dużego pokoju".
Wystarczy trochę cierpliwości
Panie Bärhausen, z Pana doświadczenia wynika, co powinien Pan powiedzieć projektantowi lub producentowi systemu na temat ograniczenia temperatury powrotu? "Tak naprawdę nic. Jak już powiedziałem, system jest samopoziomujący. W tej formie nie ma żadnych ustawień wstępnych. Trzeba podejść do tego z pewną wrażliwością i spojrzeć na pomieszczenie, jego wykorzystanie, lokalizację północ/południe, wymienniki ciepła/radiatory i wstępnie dostosować do wartości.
Rysunek 8: W każdym pomieszczeniu zainstalowano dwa zdecentralizowane systemy wentylacji pojedynczych pomieszczeń z ceramicznymi jednostkami odzysku ciepła. Działają one naprzemiennie jako jednostki nawiewne i wywiewne, przełączając się z trybu powietrza wywiewanego na nawiewane co 70 sekund. Dla typu Vento-Expert producent Blauberg określa natężenie przepływu do 50 m3/h i sprawność odzysku ciepła 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Każdy użytkownik lub właściciel domu może następnie samodzielnie dostosować temperaturę. Nieco ostrożniej jest w przypadku ogrzewania podłogowego. Jest to powolny system, więc trwa to nieco dłużej. Jeśli wyregulujesz RTB być może o dwa stopnie, powinieneś uzbroić się w cierpliwość przez dzień lub dwa, a dopiero potem przyjrzeć się efektowi. Ale nie potrzebujesz obliczeń. Z tego co wiem, to jedyny system, który tak działa. W przypadku wszystkich innych metod równoważenia hydraulicznego muszę wziąć pod uwagę rozmiar grzejnika i inne czynniki i wprowadzić je w interakcję, aby odpowiednio wyregulować wstępnie ustawione zawory lub zawory strefowe. A potem są prawie ustawione. To, czy zadziała, nie jest gwarantowane. W tym przypadku operator przeprowadza ponowną regulację, ale ustawia ją na wartość zadaną temperatury, a nie na przekrój, a zatem na wartość zadaną natężenia przepływu. RTB sam tego szuka."
Przykładowe potwierdzenie dla KfW
KfW uzgodnił procedurę równoważenia hydraulicznego z VDZ, organizacją parasolową zajmującą się inżynierią usług budowlanych, która musi być udokumentowana w odpowiednim formularzu. KfW nie sprzeciwia się jednak innowacjom. Stwierdza, że możliwe jest odejście od określonej procedury, jeśli alternatywę można przypisać do punktu 5.25 "Klauzula otwierająca dla innowacyjnych technologii" ulotki odpowiedzialnej za środki efektywności grzewczej (publikacja KfW 600 000 3140). Baunach przygotował odpowiedni wzór dla inżynierów grzewczych, których klienci chcą ubiegać się o dofinansowanie KfW/Bafa i którzy proszą o potwierdzenie równoważenia hydraulicznego.
Bernd Genath
Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF
