Минимальное потребление тепла при максимальном комфорте
Как энергетическая лоскутная система "Alter Mühlhof" превратилась в эффективную систему
Исторический электрогенератор в районе Хаунштеттен в Аугсбурге уже не вполне соответствовал духу времени: Да, устойчивая, поскольку приводилась в движение гидроэлектроэнергией, но все же недостаточно производительная, поскольку часто отключалась из-за высоких температур. И большая часть тепла уходила впустую, хотя дом и бассейн нуждались в нем. Ремесленное предприятие из Бобинга реструктурировало использование тепла с помощью системы смешивания "rendeMIX". Успех превзошел все ожидания.
Рис. 1: Турбинный дом и вход Лохбаха в турбину "Alter Mühlenhof", Хаунштеттен. Гидроэлектростанция работает на одной и той же турбине с 1907 года. Турбина Фрэнсиса. До 1880 года он обеспечивал механическую энергию в течение многих сотен лет.
Альте Мюльхоф" в Хаунштеттене, Аугсбург, является одним из технических памятников в районе города Фуггер. Водяная мельница в Мюльхофе, вероятно, относится к XII или XIII веку. Она работает и по сей день. Конечно, ее приводит в движение уже не водяное колесо с верхним или нижним ходом - с верхним ходом: вода подается сверху на лопасти, с нижним ходом: вода подается снизу на лопасти, - а более современная технология, а именно турбина Френсиса. Она неустанно "перемалывает" электричество в генераторе с 1907 года. Оно поступает в общественную сеть. Такая экологическая выработка электроэнергии оплачивается государством в соответствии с Законом о возобновляемых источниках энергии по цене около 10 центов за кВт/ч в зависимости от количества. Точную цену Аугсбургская энергоснабжающая компания назовет позже. Это связано с тем, что она способствует амортизации инвестиций и имеет большое значение для оптимизации технологии строительства.
Памятник технологической культуре
Рис. 2: Профессор Вильгельм Рюкдешель описал, вероятно, 700-летнюю историю электростанции Лохбах в своей книге "Промышленная культура в Аугсбурге". Brigitte Settele Verlag, Augsburg, ISBN 3-932939-44-1.
В прошлом кинетическая энергия потока Лохбаха через трансмиссию приводила в движение циркулярную пилу во внутреннем дворе, а позже - художественную мельницу. Однако с 1880 года - турбина Френсиса появилась 27 лет спустя - маленькая речушка стала вызывать свет в салонах. На рубеже веков это, должно быть, казалось некоторым жителям волшебством.
Потери эффективности генератора мощностью 76 кВт и механической системы ощутимы в виде тепла. Когда генератор работает в интенсивном режиме, он превращает мельничный дом в сауну. Раньше избыточную температуру можно было выветривать, открывая окна и двери. Сегодня защита окружающей среды больше не приемлет этого по двум причинам. Во-первых, отдавать ценные тепловые калории не соответствует духу времени, а во-вторых, соседи, скорее всего, обратятся в суд, если им придется изо дня в день слушать скрип механики - около 60 дБ (А). С другой стороны, такое живое свидетельство высокоразвитой промышленной культуры позднесредневекового вольного имперского города Аугсбурга сегодня приобретает новое значение, поскольку до сих пор функционирующая "Wasserkunst", как уважительно называет ее технический историк Аугсбурга Вильгельм Рюкдешель, преобразует возобновляемую энергию в электричество.
Поэтому нынешний владелец "Alter Mühlhof", семья Вальтера Сеттела, обратилась в различные проектные бюро и монтажные компании, чтобы найти решение для рекуперации тепла. Схема должна была учитывать пять различных потребителей, а именно: во-первых, подготовку горячей воды, во-вторых, воду из бассейна в главном доме, в-третьих, радиаторный контур (высокая температура), в-четвертых, и в-пятых, два контура напольного отопления (низкая температура) в бассейне и в жилом доме.
Как тепло попадает в плавательный бассейн?
Рис. 3: Тепловой насос (слева, Vitocal/Viessmann) и буферная емкость объемом 300 литров (Vitocell/Viessmann) отвечают за рекуперацию тепла в турбинном доме.
В качестве первого этапа реконструкции заказчик согласился на установку в турбинном зале теплового насоса "воздух/вода" (Viessmann) и нового более тихого редуктора (Renk AG) для замены 80-летних зубчатых венцов. Однако дальнейшие предложения, некоторые из которых были реализованы, не принесли ожидаемого успеха, или их реализация не состоялась из-за проблем с затратами. В некоторых случаях стоимость решения составляла от 10 000 до 15 000 евро.
Однако Вальтер Сеттеле не сдавался, ведь у него есть круглогодичный пользователь в виде плавательного бассейна. Поэтапно несколько компаний в конце концов собрали для него концепт, который не заслуживал названия "концепт". Он все равно тратил слишком много. Если выражаться цифрами, то в 2006/2007 году, до реконструкции, потребление газа составило 150 000 киловатт-часов. Настоящий парадокс: даже летом Сеттелам приходилось подогревать воду в бассейне с помощью дорогостоящего газового нагревателя, потому что турбина останавливалась или отключалась, когда генератор работал при температуре более 35 oC. Раньше он превышал этот порог в несколько раз. Только тепловой насос воздух/вода в непосредственной близости от генератора делал то, что от него требовалось. Он охлаждал температуру в помещении генераторной станции до приемлемого уровня. Это означало, что здание можно было использовать практически открыто для проведения демонстраций, дней рождения, семинаров и других мероприятий.
Рис. 4: Фильтр для воды в плавательном бассейне. Черный цилиндр слева - это теплообменник для воды в бассейне.
При превышении температуры на станции примерно на 5 °C тепловой насос включается и накапливает тепловую энергию в буферном резервуаре. По местному теплопроводу полученные таким образом калории поступают в два резервных котла (конденсационные, 2 x 40 кВт, Vaillant) и в распределитель в жилом доме. При отсутствии спроса на тепло генератор отключается - см. комментарий о перегреве. И в то время спрос покрывался относительно быстро, потому что схема переключения не могла управлять различными температурными уровнями на стороне потребителя. Приходилось обходиться тем или иным потребителем.
Новый процесс многоходового смешивания
Рис. 5: Главный дом "Alter Mühlhof". Около 500 м2 жилой площади, зал с бассейном и подогрев воды в бассейне.
Это привело к вышеупомянутому дорогостоящему потреблению газа в объеме 150 000 киловатт-часов в мягкую зиму 2006/2007 года, поэтому Вальтер Зеттеле решил попробовать еще раз. Он обратился в свою компанию по установке систем отопления, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH из Бобингена. Компания, в которой работает 28 человек, специализируется на отопительной технике, солнечной технике и фотовольтаике и имеет все шансы на будущее. Компания пообещала исправить ситуацию:
Благодаря публикациям в журнале "Sanitär- und Heizungstechnik" мастера много лет назад познакомились с арматурой, которая представляет собой не продукт, а систему, - смесителем Baunach. Результат можно было предвидеть сразу: Производитель системы перепроектировал распределение и управление, разместил три "rendeMIX" между источником и потребителем тепла, и относительно суровая зима 2008/2009 года преподнесла Сеттелам результат: 55 000 сэкономленных киловатт-часов. Потребление газа снизилось со 150 000 до 95 0000 киловатт-часов. Эта сумма не учитывает климатические условия, но спрос в 2008/2009 году, скорее всего, был гораздо выше, чем в теплую зиму контрольного 2006/2007 года. В этом отношении экономия еще больше говорит в пользу процесса.
Рис. 6: Свободно программируемая система управления от Technische Alternative, Амалиендорф/Австрия
Смеситель "rendeMIX" представляет собой новый метод распределения тепла, а также зарядки и разрядки буферных емкостей. Он гарантирует самые низкие температуры возврата и, следовательно, самые высокие теплопоступления от конденсации за счет подключения низкотемпературного контура к высокотемпературному контуру, превращая таким образом возврат первого контура в поток второго контура. Использование теплотворной способности при такой архитектуре - это одно, а уменьшение объема циркуляции в два раза и, соответственно, вспомогательной энергии для циркуляционных насосов - совсем другое. Кроме того, при таком последовательном соединении можно обойтись одним циркуляционным насосом.
Самые низкие температуры возврата
Рис. 7: Отопительные контуры с субраспределителем.
Патент компании H.G. Baunach GmbH & Co. KG, Хюккельховен, состоит прежде всего в том, что поток воды в арматуре учитывает различные гидравлические условия радиаторного отопления и напольного отопления, а также температурные требования. Без устройства "rendeMIX" монтажная организация должна была бы предпринять множество обходных путей и установить множество фитингов, чтобы достичь аналогичного результата - минимально возможной температуры обратки. Не только конденсационные котлы работают более эффективно благодаря смесителю. Стратифицированные резервуары, солнечные системы, тепловые насосы, перекачивающие станции и распределительные сети также выигрывают от большой Delta T.
Рис. 8: Группа смесителей. Три блока слева - многоходовые смесители "rendeMIX", два блока справа - кран-буксы для неконтролируемой подачи тепла в теплообменник воды бассейна и приготовления горячей воды (на фото Йоханнес Якоб, Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH).
Йоханнес Якоб из компании Albert Kohl объясняет принцип работы на примере Хаунштеттена: "В принципе, многопортовый смеситель делится на горячую, теплую и холодную зоны. Поскольку мы устанавливаем его после высокотемпературного контура, горячей зоной является 60-градусный обратный поток от теплообменника плавательного бассейна или водонагревателя. Эти два потребителя управляются непосредственно горячей водой с турбинной станции или газовыми котлами".
Тепловой насос в турбинном или генераторном доме генерирует поток к потребителям, который может достигать 80 градусов, при этом годовой коэффициент полезного действия остается вполне приемлемым, так как забираемый в помещение воздух может достигать 40 градусов. oC. "Теперь мы направляем 60-градусный обратный поток из теплообменника плавательного бассейна в контур радиаторов на верхних этажах жилого дома и в две системы напольного отопления. Три блока "rendeMIX" контролируют расход и температуру. Что происходит в блоке rendeMIX 1, который отвечает за радиаторы? Прежде всего, они устанавливаются в режим 60/40 oC разработан. 60 oC, однако он нужен только в самый холодный период года. В большинстве случаев смеситель питается либо от возвратного потока плавательного бассейна, температура которого на уровне rendeMIX 1 может составлять 55 °C. oC, или добавить более холодную воду из обратного контура радиатора, температура которой составляет всего 40 oСи".
Три раза "rendeMIX
Хотя обратка радиатора сливается с обраткой бассейна/горячей воды и с обратками двух систем напольного отопления в единую линию, по всей длине линии, конечно же, существует градиент температуры в сторону котла, в том числе из-за обратного потока от отдельных контуров.
Возвращаясь к Йоханнесу Якобу. "rendeMIX 2 использует обратный радиатор в качестве потока для контура пола бассейна. Гидравлика здесь аналогична только что описанной, но с одним изменением. Если обратный радиатор недостаточен для обогрева зала бассейна при низких температурах, rendeMIX 2 добавляет горячую воду из потока местной отопительной трубы. Если погодные условия позволяют снизить температуру отопительной воды, rendeMIX 2 забирает холодную воду из обратной линии".
MIX 3 для "жилых" систем напольного отопления на верхних этажах работает по той же схеме; Йоханнес Якоб подключил два контура напольного отопления параллельно. Он разделил низкотемпературное отопление на два основных контура, поскольку круглогодичное отопление бани и полугодовое отопление жилых помещений имеют совершенно разные отопительные сезоны, а расчетные объемы воды также значительно отличаются. Благодаря параллельному подключению можно оптимизировать подачу тепла.
Не совсем параллельно
Таким образом, "параллельное подключение" неверно отражает реальность. Если работают обе системы напольного отопления, температура потока последнего rendeMIX, rendeMIX 3, ниже температуры потока rendeMIX 2, потому что обратный поток предыдущей системы напольного отопления (rendeMIX 2) оттеснил общий обратный поток на несколько градусов. Именно это и является целью - подать в конденсационный теплообменник самую холодную воду. Поэтому для достижения заданного значения rendeMIX 3 должен забирать больше воды из более высокотемпературных секций и смешивать ее с водой, чем rendeMIX 2.
Здесь описаны процессы и функции станций "rendeMIX". Разумеется, на все это должна быть наложена эффективная техника управления и разумная стратегия управления. Компания Albert Kohl Wasser und Wärme GmbH опиралась на опыт отдела планирования компании H.G. Baunach GmbH & Co. KG, который с помощью своего программного обеспечения оказал поддержку в проектировании и настройке смесительных узлов. Конфигурированием сети занималась австрийская компания Technische Alternative, Амалиендорф. Ассортимент их продукции простирается от простых дифференциальных контроллеров до многоконтурных контроллеров для управления солнечными батареями и насосами, а также свободно программируемых мультитаблеток практически для всех областей применения. Это именно то, что искала компания Albert Kohl GmbH: система управления, не перегруженная незаданными функциями и, следовательно, склонная к сбоям, а адаптированная к конкретным условиям применения.
Вознаграждение от коммунальной компании Аугсбурга
Их датчики решают, например, поступает ли буферная вода непосредственно в змеевики напольных труб и радиаторы или необходимо добавить тепла котлу или котлам. Буферная вода в 300-литровом баллоне не постоянно имеет температуру 70 или 80 oC. Зимой отработанного тепла генератора недостаточно для обеспечения комфорта в доме. Тогда котел может работать только на 30 или 40 oC on. Таким образом, местная теплотрасса обычно проходит через один из двух котлов, независимо от того, должен ли он запускаться или нет.
Благодаря рекуперации тепла, обновленному редуктору, интеллектуальной схеме переключения и инвестициям, которые составили более 50 процентов от стоимости новой системы, компания Stadtwerke Augsburg скорректировала специальный льготный тариф. Теперь "Альте Мюле" подпадает под действие закона EEG о возобновляемых источниках энергии, а также закона EEWG о возобновляемых источниках тепла. В результате вознаграждение выросло с 7,65 до 9,67 цт/кВт-ч. Теперь, когда в год вырабатывается около 400 000 киловатт-часов электроэнергии, в оборот поступает около 40 000 евро, что на 8 000 евро больше, чем два года назад. Частично это можно отнести на счет миксера Baunach, но в любом случае - это 55 000 кВт/ч сэкономленного газа.
Рис. 9: Хозяин дома Вальтер Сеттеле перед генератором турбины Френсиса мощностью 76 кВт.
Йоханнес Якоб: "Мы обнаружили минимальный комфорт при высоком потреблении. С помощью новой стратегии управления и блоков 'rendeMIX' мы смогли перевести систему в режим "минимальное потребление тепла при максимальном комфорте". Пожалуй, нет лучшего и, главное, более безопасного способа инвестировать свои деньги".
Бернд Генат
Скачать техническую статью в формате PDF
