Лучшая система обжига бревен
Больший комфорт для пользователя с многоходовыми смесителями - от резервуара для масла до стратифицированного резервуара для хранения
Устойчивость тройного рода: Михаэль Шмитц, владелец Компания Sanitär M. SchmitzРемаген, разрезал ненужный масляный бак, сварил его заново в другом месте котельной и соединил его с бревенчатым котлом для его новой функции в качестве буферного резервуара. Во-первых, он сэкономил ценные ресурсы. Кроме того, он установил два многоходовых смесительных устройства между буфером и теплогенератором, которые позволяют эксплуатировать резервуар как безнапорный стратифицированный накопитель. Во-вторых, это экономит энергию операторов, а в-третьих, двухзонная система погрузки и разгрузки обеспечивает им высокий уровень комфорта при загрузке. Им больше не нужно каждый день ходить в котельную.
Рис. 1: При сжигании лиственных пород древесины киловатт-час тепла стоит в среднем около 3,7 цента. Нефтяное топливо стоит как минимум на 50 процентов дороже. Поэтому Михаэль Шмитц из компании Sanitär M. Schmitz, Бонн, рекомендовал своим клиентам эту современную систему отопления на биомассе.
Трехквартирный дом в Альфтере под Бонном площадью 400 м2 жилой площади делят между собой три владельца. Когда сообщество из трех человек получило в собственность здание 1950-х годов, оно еще отражало современное состояние строительных и отопительных технологий того времени - то есть плохую изоляцию и высокотемпературный котел, работающий на масле. В качестве первого шага новые владельцы обложили здание полистирольной изоляцией толщиной 14 сантиметров, утеплили перекрытия и покрыли крышу полиуретановой подложкой толщиной 12 сантиметров.
В бомбоубежище
Было решено переоборудовать дом, чтобы сделать его более энергоэффективным. Это означало лишь замену масляного котла на экологичный вариант. Раньше дом принадлежал высокопоставленному государственному служащему. Он или государство построили в подвале бомбоубежище. В дополнение к остальным складским помещениям. Однако жители дома уже давно использовали бункер для более современных целей, поэтому в нем было достаточно места для склада бревен.
Рис. 2: Многоходовой смеситель (черный) для загрузки и выгрузки стратифицированного резервуара (слева). Пластинчатый теплообменник (крайний слева) отделяет открытый резервуар от системы отопления. Стандартные циркуляционные насосы позже были заменены на насосы с повышенной производительностью. (Все фотографии сделаны вскоре после переоборудования. Трубопроводы еще предстоит изолировать.
Инженер по отоплению Михаэль Шмитц посоветовал именно такой котел, а именно котел для газификации древесины с большой загрузочной камерой для длительного горения и относительно удобной системой заправки, которая могла бы использоваться совместно тремя жильцами. Котел "Logano S 151" от Buderus с тепловой мощностью 25 кВт оказался именно тем, что они искали. Согласно брошюре, она отличается высоким КПД (86 процентов) и технологией пламени с низким уровнем выбросов и рециркуляцией дымовых газов.
Однако удобство загрузки полуметровыми поленьями по-настоящему ощущается только при достаточном объеме буфера отопительной воды. 1 000 или 2 000 литров недостаточно для того, чтобы пережить выходные. Михаэль Шмитц подсчитал, что 5 000 литров позволят оставить дом в покое на целую неделю во время переходного периода. При полезной дельте T в 50 K - между 90 и 40 °C - доступно почти 300 киловатт-часов. Это гарантирует базовую температуру в жилых комнатах в течение праздничной недели. При условии, что техника управления не жалеет ни одной калории.
Рис. 3: Загрузка и выгрузка буфера объемом 5 000 литров с помощью двух многоходовых смесителей rendeMIX. Подробности см. в разделе "Принципиальная схема".
Масляный бак как буферная емкость без давления
5 000 литров обеспечивал старый масляный бак. Монтажники демонтировали его с помощью резака, очистили, собрали в котельной, изолировали внешней изоляцией и отделили буфер - поскольку он работает в открытом режиме и поэтому поглощает кислород - от контуров отопления с помощью коррозионностойкого пластинчатого теплообменника. Однако теплообменник в первую очередь выполняет другую функцию: Он поглощает статическое давление в 10-метровом здании перед накопительным баком. Давление не менее 1 бара, вероятно, привело бы к опасному выпучиванию резервуара.
Рис. 4: Эта петля безопасности продолжается в виде лирообразной арки в задней части стены (см. фото внизу слева). Она опускается в резервуар. Вода в бойлере может расширяться примерно до высоты руки Майкла Шмитца. Лирообразный изгиб предназначен для предотвращения обратного сифонирования.
Похоже, это потребует немалых усилий. Однако, по словам Шмитца, эта переделка обошлась не так дорого, как стоила бы буферная батарея, тем более что бак не должен был оставаться в доме, а подлежал утилизации. Расходы на демонтаж были бы понесены в любом случае. Шмитц подсчитал, что сварка и изоляция бака обошлись бы "как минимум на 2 000 евро дешевле, чем установка нового буферного аккумулятора объемом 5 000 литров". А он состоял бы из нескольких резервуаров. Соединить их таким образом, чтобы вода могла расслаиваться, было бы проблематично. Мы изолировали металлический лист с помощью изоляционных кирпичей, оставшихся после утепления фасада. Так что нам даже не пришлось тратиться на теплоизоляцию".
Рис. 5: Буфер объемом 5 000 литров построен в виде стратифицированного резервуара. Зарядка и разрядка распределены по трем зонам. Во время записи в середине ноября 2009 года температура около 25 °C у пола (холодная), 36,5 °C в нижней теплой зоне и 52,5 °C в верхней теплой зоне.
Владельцы здания оставили в комнатах существующие высокотемпературные чугунные радиаторы. Однако благодаря теплоизоляции дома система отопления работает в низкотемпературном режиме, при максимальной температуре 70/50 вместо прежних 90/70 °C. Поверхность нагрева чугунных ребер большого размера более чем достаточна для передачи тепла в комнаты.
Предписаны высокие температуры
Буферная емкость, с другой стороны, требует специальной гидравлики из-за низких температур потока, которые стали возможны в последнее время. Система не должна выдавать температуру, то есть не должна постоянно подмешивать горячую котловую воду к отопительной воде, температура которой может составлять 35 или 45 градусов в зависимости от погоды. Она также должна обеспечивать высокую температуру обратной воды в котле, чтобы свести к минимуму риск загнивания: Максимальная температура котлового контура 95 °C не должна опускаться ниже 65 °C обратной воды. В "Руководстве по проектированию котла для газификации древесины Logano S 151" указано, что эти температуры являются частью гарантийных условий и "должны быть обеспечены с помощью соответствующего контура и управления контуром котла".
Электрическая схема Weidenstraße 7, Alfter
В доме Alfter объединены две технологии: двухзонный принцип зарядки и разрядки с помощью двух блоков rendeMIX и разделение системы между отопительными контурами и накопительным баком (крайний правый теплообменник ST). Разделение было необходимо, так как прежний бак для печного топлива не выдерживал дополнительного статического давления в системе около 1 бар. Многопортовый смесительный узел слева, такой же, как на твердотопливном котле "Logano", обеспечивает двухзонную загрузку, а справа, в направлении радиаторов или разделительного теплообменника, - двухзонную разгрузку. Две зоны в буфере расположены между верхним (85 °C) и центральным (45 °C) патрубками и между центральным и нижним патрубками (30 °C). Вне периода полной нагрузки этот 5-метровый3Дровяной котел является фактическим генератором тепла по отношению к радиаторам и по отношению к системе управления. Дровяной котел обеспечивает относительно постоянную высокую температуру 85 °C только в течение нескольких часов каждый день, два дня или три дня. Основная идея заключается в том, чтобы во время работы с частичной нагрузкой как можно меньше высококачественного тепла 85 °C смешивать с более низкой температурой для отопительных контуров. Необратимое смешивание, т.е. больше не обратимое. 5 000 литров воды температурой 50 °C имеют более высокое теплосодержание, чем 1 000 литров воды температурой 85 °C, но в первом случае котел все равно придется перегревать, если расход требует 65 °C. Во втором случае он, возможно, сможет нагревать в течение дня. Во втором случае он мог бы оставаться выключенным на день дольше, в зависимости от требуемой частичной нагрузки. Это означает, что зональная загрузка и разгрузка баллона с помощью многопортового смесителя и соответствующей конфигурации подключения позволяет избежать недостатков обычного трехходового смесителя. Если, например, наружная температура требует разброса только 40/35 °C, то нагрев выполняет только бывший масляный бак: rendeMIX справа набирает, например, 45 °C (в центре цилиндра) и с помощью регулятора потока в теплообменник точно регулирует температуру до температуры потока радиатора. Первоначальное значение 85 °C остается нетронутым. Если средняя температура опускается ниже целевой температуры потока, блок управления автоматически переключается на верхнюю точку отвода, основываясь на результатах измерений температуры. Когда "Logano" наконец запускается, он просто нагревает горячую воду из центрального патрубка до значения, установленного на регуляторе фиксированного значения, и подает ее в квартиры. Благодаря относительно высокой начальной температуре этот процесс происходит быстро, так что оставшиеся в камере сгорания поленья используются для полного заполнения цилиндра. Система управления также самостоятельно решает, как обеспечить возврат котла на 60 °C. Если, например, в центральной зоне температура достигла 70 °C, она использует среднее и нижнее подключение. Система rendeMIX смешивает только горячее с теплым или теплое с холодным. Это звучит как сложная установка, но это не так. Многоходовому смесителю нужна только одна дополнительная труба между станцией загрузки и разгрузки. В остальном технология управления остается обычной: трехточечный регулятор с датчиком подачи или возврата, с погодным датчиком для разгрузки и регулятором фиксированного значения для загрузки. Этого достаточно, чтобы поддерживать стабильную стратификацию и не терять коэффициент использования накопленного тепла. Компания HG Baunach GmbH & Co. KG, Хюккельховен, разработчик патента на rendeMIX, естественно, помогает с планированием. Она создает схему установки. Таким образом, успех гарантирован: максимальное использование сохраненных температур в пользу чрезвычайно длительного цикла загрузки. Слева: rendeMIX 2×3 RR 5 FWR = 2 подключения к источнику тепла (дровяной котел), 3 подключения к радиатору (отопительные контуры, накопительный бак), RR с правым вращением (подключения), 5 с фланцем насоса, регулятор фиксированного значения FWR для установки заданной температуры обратки котла встроен в серводвигатель. Справа: rendeMIX 3×2 RR 5-sys = 3 подключения к источнику тепла, 2 подключения к радиатору, sys = оптимальное регулирование расхода для низких температур обратки перед разделением системы. В чем разница между типом для разделения системы (с суффиксом sys, правая сборка) и обычным rendeMIX? Возьмем температуры хранения 85 и 45 °C, которые сборка смешивает с потоком 70 °C при полной нагрузке. При, скажем, частичной нагрузке 25 % - в контуре радиатора это будет подача 33 °C и обратка 28 °C - "sys" не снижает 45 °C, подаваемых цилиндром, до 33 °C с помощью обратки, а направляет 45 °C непосредственно в теплообменник. Однако при этом снижается количество и, соответственно, тепловая мощность. Если обычный rendeMIX в основном работает как два трехходовых смесителя в одном корпусе, то есть смешивает горячее с теплым и теплое с холодным, то версия "sys" соответствует трехходовому смесителю плюс двухходовой клапан с задачами смешивания и дросселирования. Как уже говорилось, энергетическое преимущество реализуется в первую очередь в режиме частичной нагрузки, когда буфер берет на себя роль теплогенератора. Как выглядит это преимущество? Рассмотрим на примере частичной нагрузки 25 %. Температура цилиндра 45 °C достаточна в качестве источника тепла, исходя из распределения на вторичной стороне 33/28 °C. В теплообменнике 45 °C остывает до 30 °C. Поэтому дельта T на первичной стороне составляет 15 K. Это означает, что из-за большой дельты T и, следовательно, высокой утилизации тепла, смеситель должен взять 60 литров воды с температурой 45 °C из буфера для одного киловатт-часа тепловой мощности, которую он возвращает при "холодной" температуре 30 °C. Модель "sys" дросселирует циркуляцию на первичной стороне именно до этих 60 литров (60 x 15 K = 900 ккал = около 1 кВт-ч). Теоретическая альтернатива: обратный поток вторичного потока и обратный поток 28 °C - модель "sys" не снижает 45 °C, подаваемых цилиндром, до 33 °C с помощью обратного потока, а направляет 45 °C непосредственно в теплообменник. Однако это снижает количество и, соответственно, теплоотдачу. Если обычный rendeMIX в основном работает как два трехходовых смесителя в одном корпусе, то есть смешивает горячее с теплым и теплое с холодным, то версия "sys" соответствует трехходовому смесителю плюс двухходовой клапан с задачами смешивания и дросселирования. Как уже говорилось, энергетическое преимущество реализуется в первую очередь в режиме частичной нагрузки, когда буфер берет на себя роль теплогенератора. Как выглядит это преимущество? Рассмотрим на примере частичной нагрузки 25 %. Температура цилиндра 45 °C достаточна в качестве источника тепла, исходя из распределения на вторичной стороне 33/28 °C. В теплообменнике 45 °C остывает до 30 °C. Поэтому дельта T на первичной стороне составляет 15 K. Это означает, что из-за большой дельты T и, следовательно, высокой утилизации тепла, смеситель должен взять 60 литров воды с температурой 45 °C из буфера для одного киловатт-часа тепловой мощности, которую он возвращает при "холодной" температуре 30 °C. Модель "sys" дросселирует циркуляцию на первичной стороне именно до этих 60 литров (60 x 15 K = 900 ккал = около 1 кВт-ч). Теоретическая альтернатива: обратный поток вторичного контура (радиаторы) температурой 28 °C снижает температуру первичного контура (из цилиндра) 45 °C до того же потока 33 °C в смесителе и, нагревшись до 35 °C, поступает обратно в цилиндр. При такой архитектуре дельта Т составляет всего 10 К. Таким образом, на 1 кВт-ч тепловой мощности система управления должна забирать на 50 % больше воды с температурой 45 °C, а именно 90 литров. Результат: хотя в цилиндр поступает более теплая обратная вода, расслоение в целом уменьшается при том же теплосодержании. Дополнительные калории в зоне пола теперь отсутствуют в зоне высоких температур. Можно было бы обогреться за счет потерянного объема в верхней части, но не за счет осадка в нижней части. Другими словами, второй rendeMIX, расположенный на сливной стороне бака, дает жителям дома по адресу Вайденштрассе, 7, Альфтер, еще больше времени для обогрева жилья.
не беспокоиться о своем дровяном котле.
Поэтому в системе Realo "Logano" вода в регистрах сначала циркулирует не менее чем до 65 °C. Только при превышении этой предельной температуры она подает тепло в буфер или радиаторы. Только при превышении этой предельной температуры тепло подается в буфер или радиаторы. Но как превратить высокотемпературный котел в низкотемпературную систему отопления? С помощью описанного выше буфера и двух многопортовых смесителей "rendeMIX" от HG Baunach GmbH Co KG, Hückelhoven. Они позволяют экономить горячую воду, подаваемую котлом. Однако изобретатель Шмитц сначала должен был соответствующим образом оборудовать свой накопительный бак: перфорированными погружными трубами, которые специально нагнетают и отводят воду из соответствующих температурных зон накопительного бака и таким образом предотвращают тепловое смешивание.
Отработанное тепло для нагрева воды
Позднее к счету за переоборудование было добавлено 18 000 евро. Эта цена включает в себя полный комплекс мероприятий по модернизации, включая установку котла, включая переоборудование бака, включая новые медные трубопроводы. Цена не включает тепловой насос для горячей воды и систему вентиляции для контролируемой вентиляции комнат в каждой квартире.
Тепловой насос и система воздуховодов образуют единый блок. Как известно, управляемая бытовая вентиляция производит богатый энергией нагретый вытяжной воздух в качестве отработанного продукта. Он либо выводится наружу без дальнейшего использования, либо подогревает приточный воздух через теплообменник. Или - как в описанном случае - он служит источником энергии для теплового насоса бытовой горячей воды. В этой комбинации тепловой насос как компактная модель заменяет традиционный бак для горячей воды и систему рекуперации тепла:
Рис. 6: Тепловой насос "воздух-вода" для нагрева горячей воды для бытовых нужд (тип WPL 5030 EW) получает энергию от потоков вытяжного воздуха управляемой системы бытовой вентиляции.
Приточный воздух поступает децентрализованно в отдельные помещения; вентиляторная установка забирает его из кухни и ванной комнаты через систему вытяжных воздуховодов и подает в тепловой насос. Охлажденный отработанный воздух выходит наружу. При очень высокой потребности в горячей воде включается электронагреватель мощностью 1,5 кВт. Объем воды в накопительном баке составляет 300 литров, а производитель указывает время нагрева при температуре отработанного тепла 20 °C, относительной влажности 40 % и температуре около 200 м3/ч объемного расхода в течение примерно 10 часов при температуре резервуара 55 °C. Это дает 4,1 кВт-ч на полную заправку при потребляемой мощности 410 Вт.
Что означает "эффективное хранение тепла"?
Как может выглядеть оптимальное хранение тепла в бывшем нефтяном резервуаре? Во-первых, необходимо добиться стабильной стратификации, поскольку только так можно гарантировать высокую степень использования накопленного тепла. Пример: партия и бутылки: О пользе недопитого пива можно судить по его распределению между бутылками. Оставшиеся четверть- и наполовину полные бутылки обычно выбрасывают. Разумнее сначала разлить по полным бутылкам, а полные убрать. То же самое относится и к теплу в емкости. Чем более концентрированно оно хранится в буфере, тем ценнее.
Рис. 7: Твердотопливный котел "Logano S 151" расположен в бывшем бомбоубежище. Поскольку дымохода не было, инженерам пришлось установить дымовую трубу из нержавеющей стали. На переднем плане - предохранительное устройство теплового сброса на случай перегрева котла.
Вместо того чтобы распределять ее равномерно и со средней температурой по всему объему баллона, необходимо как можно более четко определить зоны горячей и, соответственно, холодной воды. Если же горячая вода из верхнего подключения постоянно смешивается с холодным обратным потоком системы с помощью трехходового смесителя, как это происходит при обычном однозонном водоразборе, то не только горячее водоснабжение неоправданно быстро уменьшается, но и лишь небольшое количество холодной воды достигает обратного потока в буфер. Если холодная зона отсутствует, буфер не может, например, сохранять низкотемпературное тепло окружающей среды.
При двухзонной разводке, напротив, сначала забирается горячая вода из центрального патрубка, а затем отводится холодная. В результате подушка горячей воды в верхней части остается нетронутой, а в нижний буферный патрубок поступает больше холодной воды. Если подача из среднего патрубка ниже желаемой температуры, достаточно поднять температуру до заданной несколькими литрами горячей воды из верхнего патрубка и направить весь обратный поток в буфер. В обоих случаях вода дольше остается горячей в верхней части и быстрее остывает в нижней.
Наряду с разгрузкой решающее значение имеет и погрузка
Теперь рассмотрим необходимое повышение температуры обратного потока (RLA) дровяного котла. Buderus устанавливает минимальную температуру 60 °C. Сначала котел поднимает внутренний контур котла до этого уровня обратного потока. Только при температуре выше 60 °C он открывает поток для потребителей. В сочетании с буферной емкостью контур, в котором горячая вода из котла смешивается с холодной водой из нижнего буферного патрубка для RLA, был бы равносилен растрате энергии. Logano" сможет нагнетать в буфер лишь небольшое количество горячей воды, поскольку большую ее часть придется использовать для RLA.
Рис. 8: Блоки из полистирола остались после утепления дома. Теперь они используются для изоляции бывшего стального резервуара для нефти. Perifekt 035" - это полистирольные элементы для изоляции внешних поверхностей, известные как плиты для изоляции периметра (периметр = ограждение).
Двухзонное управление, напротив, умеренно использует горячий поток котла плюс горячую воду из центрального подключения для RLA, пока она ниже желаемой температуры возврата котла. В результате в верхнюю буферную зону поступает больше горячей воды. Если температура центрального патрубка превышает желаемую температуру обратки котла, то частичное количество горячей воды из центрального патрубка плюс частичное количество холодной воды из нижнего патрубка будут поддерживать обратку на требуемом уровне 60 °C с точностью до градуса. Горячая вода из котла остается нетронутой. Система "rMIX 2×3" с двумя подключениями к источнику тепла и тремя подключениями для отбора тепла направляет его полностью в самую верхнюю буферную зону. Благодаря параллельной двухзонной разгрузке и двухзонной загрузке буфер даже становится одновременно горячее вверху и холоднее внизу, что автоматически приводит к идеальной постепенной стратификации.
Принцип погрузки и разгрузки
При однозонной разгрузке блок управления смешивает одну четверть буферной воды 90°C с тремя четвертями обратной воды 30°C для распределения 45/30°C. Четверть обратной воды температурой 30 °C поступает обратно в цилиндр. Несмотря на температуру потока всего 45 °C, горячая вода в верхней части буфера поступает в буфер. Расслоение в буфере ослабевает до 60/45/30. Поглощение низкотемпературного тепла затрудняется.
При двухзонной разгрузке вода в верхней части буфера остается горячей до 30 % дольше. Зонирование сохраняется. Это облегчает поглощение низкотемпературного тепла.
Для однозонной загрузки с усилением обратного потока. Относительно небольшое количество горячей воды поступает в буфер очень поздно. Процесс загрузки задерживается. Затрудняется поглощение низкотемпературного тепла.
Время загрузки горячей воды сокращается благодаря двухзонной загрузке с усилением обратного потока. 30-градусная зона дольше остается холодной. Облегчается поглощение низкотемпературного тепла.
Арматура rendeMIX обеспечивает идеальную ступенчатую стратификацию и тем самым оптимизирует использование тепла буферной воды.
Высокое удобство как доказательство эффективности хранения
Рис. 9: В переходный период котел может оставаться выключенным. В каждом из трех жилых блоков по-прежнему есть открытый камин, которого достаточно для обогрева помещений при умеренных внешних температурах.
Что означает эффективность хранения для оператора, можно описать в нескольких словах: вместо того, чтобы чаще добавлять меньшее количество дров в переходный период, т.е. во время работы с частичной нагрузкой, оператор может ограничиться ожиданием, пока буфер полностью опустеет, и затем реже добавлять полную порцию дров. И в этом случае единственным решающим фактором является хорошая стратификация, так как котел должен быть растоплен, когда требуемая температура потока больше не доступна на верхнем соединении буфера.
Однако, как уже говорилось, это в принципе ничего не говорит о том, сколько тепла (возможно, уже не используемого) еще находится под водой. Буфер полностью опустошается только при хорошей стратификации и стратифицированной разгрузке - абсолютной предпосылке для того, чтобы снова накопить максимальное количество тепла. Постоянно стабильная горячая зона также является гарантией хорошо развитой холодной зоны. Это особенно важно для систем с поддержкой солнечного отопления. Ведь слишком высокая температура в нижней буферной зоне - это то препятствие, которое солнце с трудом преодолевает зимой, чтобы сохранить умеренный уровень температуры.
Бревна также стоят
Рис. 10: В трехквартирном доме в Альфтере около 400 квадратных метров жилой площади распределены между тремя жилыми помещениями.
Компания Schmitz реализовала "многоуровневую" зарядку и разрядку воды в доме Alfter. Без многопортового смесителя rendeMIX системе Buderus "Logamatic" пришлось бы постоянно смешивать горячую воду из котла или накопительного бака с холодной обратной водой, чтобы добиться точного регулирования температуры потока. В более мягких погодных условиях система отопления не смогла бы получить доступ к среднетемпературной подаче. Неизбежно, что теплогенератор должен будет работать чаще. С одной стороны, цикличность - это нагрузка на комфорт пользователей. Оператору приходится несколько раз закладывать, разжигать и сжигать небольшое количество дров в котле вместо того, чтобы один раз заполнить камеру сгорания и затем целый день жить в тишине и покое. С физической точки зрения, цикличность создает нагрузку на сам теплогенератор, а также на эффективность и окружающую среду: на этапе запуска увеличиваются потери.
В соседнем блоке "Схема подключения Weidenstraße 7, Alfter" подробно описано, как работает система управления в доме. Кстати: Текущие цены на дрова (среднее значение февраля 2010 года) составляют около 80 евро за кубический метр и, следовательно, около 3,8 центов за кВт/ч. Для сравнения: при использовании мазута и природного газа затраты на электроэнергию были бы по меньшей мере на 55 процентов выше при цене 6 центов за 1 кВт/ч.
Бернд Генат
Скачать техническую статью в формате PDF
