Каждый литр хранилища - это полезное тепло
Гидравлика отопления с солнечной батареей и большим буферным баком, подъемник обратки котла и четырехконтурная система с утилизацией обратки
Сколько топлива можно эффективно сэкономить за счет использования солнечного тепла, в значительной степени зависит от фактического полезного объема резервуара для хранения солнечной энергии. Он также становится гидравлически сложным, если подключенные отопительные контуры работают при разных температурах системы и теплогенератору требуется подпитка обратного потока.
Рис. 1: Фермер Фердинанд Шергубер (слева) почти вдвое сократил потребление топлива за счет использования солнечного тепла. Гидравлика системы была разработана его соседом Вальтером Грабнером (справа) при поддержке компании HG Baunach.
В качестве иллюстрации можно привести пример с Древесные опилки и солнечного тепла для системы отопления на сельскохозяйственном предприятии в Нижней Австрии. Его достопримечательностью является бак для хранения солнечной энергии, изготовленный нетрадиционным способом. В основе системы лежат два многоходовых смесительных коллектора, которые загружают и разгружают буферную емкость объемом 22 000 литров по двухзонному принципу, а также позволяют использовать обратный поток для низкотемпературного стабильного подогрева пола. Древесные опилки - экологичное и недорогое топливо, но для фермера Фердинанда Шергубера из Вольфсбаха затраты на топливо являются синонимом затрат труда и использования техники. Свиноводческая ферма в регионе Моствиертель имела постоянно высокое потребление древесной щепы, даже летом. Это связано с тем, что поросятам необходим отапливаемый пол хлева с постоянной температурой круглый год. Необходимость поддерживать постоянную температуру щепы в котле еще больше увеличила потребность в топливе. В нескольких сотнях метров находится дом его соседа Вальтера Грабнера, который также отапливается дровами, но с помощью солнечной энергии. Использование солнечного тепла для отопления увлекло его 30 лет назад: "Солнечная энергия имеет смысл для меня, когда я могу обогреваться в течение нескольких дней без бойлера", - говорит Вальтер Грабнер. Его солнечная система имеет соответствующий размер - 22 м² солнечных коллекторов, установленных на специально сконструированном устройстве слежения, наполняют две буферные емкости с общим объемом хранения около 4 500 л большим количеством энергии в солнечные дни.
Рис. 2: Вся система распределения и управления для гидравлического переключения системы отопления и гелиоустановки с большим буферным резервуаром состоит из двух многоходовых смесительных коллекторов rendeMIX и размещается на площади около 1 м².
Своим энтузиазмом в отношении эффективного использования солнечного тепла Грабнер заразил соседнего фермера, который хотел сократить потребление древесной стружки и тем самым уменьшить объем работы.
Широкое определение размеров оказалось правильным
Однако потребность в энергии для сельскохозяйственной собственности гораздо больше. Помимо жилого дома с жилой площадью 220 м², для сарая необходимо около 300 м², плюс дополнительная система обогрева пола для сушки щепы, которую фермеру приходится перерабатывать и перевозить тоннами. До сих пор потребность в тепле покрывал только котел на щепе мощностью 75 кВт. Все вместе было примерно в четыре раза больше, чем дом Грабнера. При поддержке соседей план в конце концов превратился в необычную систему отопления на основе солнечной энергии. Для определения размеров солнечной системы и объема буферного хранилища Вальтер Грабнер экстраполировал свою собственную концепцию системы в четыре раза на потребности фермы. В результате этого расчета было получено около 20 000 л объема буферного накопителя и 88 м² площади солнечного коллектора. То, что он был прав с этим расчетом, подтвердилось, как выяснилось позже, снижением расхода топлива вдвое. "Мы отключили котел в конце марта", - сообщает фермер Фердинанд Шергхубер осенью 2009 г. До начала октября только солнечная система обеспечивала теплом дом, сарай и горячую воду.
Выброшенный вагон-котел становится резервуаром для хранения солнечной энергии
Однако перед Грабнером и Шергхубером встал вопрос о том, как реализовать требуемый объем буфера в 20 000 л - и при этом с наименьшими затратами. Конструктивные условия во флигеле свинарника не предлагали слишком много места с точки зрения площади поверхности для установки склада, но тем более с точки зрения высоты. Как бывший мастер ÖBB (Австрийских федеральных железных дорог), Вальтер Грабнер уже имел на примете решение, которое в то время катилось по рельсам в сторону подъездного пути: его план заключался в том, чтобы превратить контейнер списанного вагона-котла в резервуар для хранения солнечной энергии. Через некоторое время большой контейнер, отделенный от шасси и очищенный внутри, стоял на ферме фермера Вольфсбаха. Имея страсть к нестандартным решениям, в сочетании с солидными строительными знаниями и навыками металлообработки, Грабнер укоротил бывший резервуар грузового вагона примерно на треть, чтобы превратить его в вертикально стоящий резервуар для хранения. Теплообменник изготовлен из медной трубы диаметром 28 мм, которую он специально заказал в рулонах, чтобы с помощью сельскохозяйственной техники намотать из нее спиралевидные теплообменники. В нижней части накопительного бака были использованы два спиральных трубчатых теплообменника с поверхностью теплообмена 7 м² каждый, каждый для одной половины коллекторного поля 2 x 44 м².
Двухзонная зарядка и возвратное использование
Рис. 3: Солнечный буферный бак высотой 4,5 м вмещает около 22 м³ отопительной воды.
Помимо создания солнечного накопителя, Вальтер Грабнер интенсивно занимался вопросами настройки гидравлического контура всей отопительной системы. Возникли две проблемы: первый вопрос - как получить полезное тепло от буфера в любое время, не нагревая сначала несколько тысяч литров отопительной воды. В конце концов, большой объем хранилища не имеет смысла, если все содержимое имеет лишь тепловатую смешанную температуру. Второй проблемой была разная температура системы: в то время как контуры радиаторного отопления жилого дома рассчитаны на 70/50 °C, система напольного отопления коровника работает при 40/30 °C. Котел на древесной стружке подает воду для отопления при постоянной температуре. Однако котел на древесной щепе обеспечивает температуру подачи 80 °C, в то время как температура обратки не должна быть ниже 60 °C. Необходима была система распределения и управления, которая могла бы надежно обеспечить соответствующие контуры требуемой температурой. Поиск Вальтера Грабнера привел его к многоходовому смесительному коллектору rendeMIX через каталог товаров для отопительной техники. Его убедил принцип двухзонной зарядки и разрядки буфера и возможность использования обратного потока. Кроме того, принцип загрузки и разгрузки, распределенный по двум буферным зонам, позволил одновременно реализовать требуемый прирост обратного потока. Производитель HG Baunach, расположенный в немецкой земле Северный Рейн-Вестфалия (www.baunach.net) обменялся идеями с Грабнером и нарисовал системную схему гидравлики системы отопления с использованием солнечной энергии с большим буферным резервуаром и различными температурными требованиями. Было запланировано два распределителя многоходового смешивания rendeMIX, которые одновременно служат для создания стратификации в резервуаре для хранения и для смешивания температур:
Гидравлика системы между теплогенератором и буферной емкостью, двухзонная загрузка буфера
- Подача тепла, вырабатываемого котлом на древесной щепе, в верхнюю буферную зону (температура потока 80 °C).
- Повышение температуры обратной воды для твердотопливного котла путем смешивания обратной воды с отопительной водой из буфера и, при необходимости, из протока. С помощью рендемикса "2×3"температура возврата, заданная с помощью регулятора с фиксированным значением, повышается путем добавления примеси из верхней трети или из середины буферной емкости. Если температура в буфере недостаточна, смеситель переключается на смешивание из потока.
Гидравлика системы между буферным резервуаром и четырехконтурной системой, двухзонная разгрузка буфера
- Смешивание температуры потока для контуров радиаторного отопления и бытового горячего водоснабжения с отопительной водой из верхней и средней буферных зон.
- Смешивание температуры потока для низкотемпературного отопления (стабильный теплый пол). Особенностью здесь является использование обратного потока, который конструкция rendeMIX "3×4"Если температура обратного потока из контуров радиаторного отопления все еще достаточна для обеспечения потока панельного отопления, многоходовой смесительный коллектор переключается на использование обратного потока. При отсутствии такого теплоснабжения смесительный коллектор забирает необходимое тепло из средней буферной зоны и, при необходимости, подмешивает греющую воду из верхней части буфера.
- Возврат в буферную емкость: возврат контуров радиаторного отопления через смесительный коллектор в среднюю буферную зону (если не используется для возврата, то для панельного отопления); возврат панельного отопления в нижнюю буферную зону.
Эффективное использование буферов
Рис. 4: Вальтер Грабнер встроил три термометра в деревянную обшивку переоборудованной и изолированной буферной емкости на высоте обзора, чтобы проверять температуру в верхней, средней и нижней буферных зонах.
Рис. 5: Вальтер Грабнер разработал и построил следящую систему с гидравлическим приводом для системы солнечного отопления, снабжающей его дом.
Рис. 6: Спасение от утилизации: списанный вагон-цистерна ÖBB был переоборудован в резервуар для хранения солнечной энергии.
Зарядка и разрядка буферной емкости происходит по принципу "горячее дольше вверху - холодное быстрее внизу". Во время посещения объекта в октябрьский день с температурой наружного воздуха +9 °C термометры на многоходовом смесительном коллекторе показывают, как ведут себя спрос на отопление и подача тепла в буфере:
- Верхняя температура буфера: 68 °C
- Средняя температура буфера: 45 °C
- Температура буфера ниже: 45 °C.
Снизу солнечная система подает тепло, которое используется для стабильного отопления через среднюю буферную зону. Положение привода показывает, что в данный момент rendeMIX отводит около 1/3 тепла из верхней буферной зоны и 2/3 из средней зоны. Котлу мощностью 75 кВт требуется около 12 часов, чтобы нагреть буферное содержимое до уровня солнечного теплообменника. "Сейчас котла мощностью 20 кВт хватило бы на всю ферму", - считает Вальтер Грабнер. Фермер Фердинанд Шергхубер особенно доволен тем, что объем работы по производству, транспортировке и хранению щепы сократился почти вдвое.
Принцип работы не зависит от размера накопительного бака
Рис. 7: ... теплообменник можно было вставить в накопительный бак, который был укорочен примерно на треть, и приварить дно.
На этапе планирования компания HG Baunach сделала побочный расчет, который иллюстрирует размеры буферного накопителя: если 4,5 м высоты накопителя (упрощенно - цилиндр) вмещает 22 000 литров, то 15 см высоты накопителя соответствует содержанию 750 литров - средний размер обычного солнечного накопителя для дома на одну семью. Другими словами, размер буферной емкости менее важен с гидравлической точки зрения, чем количество тепла, которое может быть использовано из нее. Пример этой системы показывает, что действительно эффективное использование буферного содержимого возможно только благодаря принципу двухзонной зарядки и разрядки. По такому же принципу работает rendeMIX, который разгружает два буферных бака общей емкостью 4500 литров в доме Вальтера Грабнера. По его опыту, большой объем буфера имеет значительное преимущество: "При использовании солнечной энергии всегда может случиться так, что котел только что нагрел буфер, и вдруг погода меняется на солнечную.
Рис. 8: rendeMIX в доме Вальтера Грабнера является точкой переключения между буферными накопителями и двухконтурной системой с радиаторами и теплым полом.
Тогда в нижней буферной зоне остается еще много места для зарядки солнечного тепла", - говорит Вальтер Грабнер. rendeMIX гарантирует, что нижняя буферная область всегда остается холодной. Приводы многоходовых смесительных коллекторов управляются простым трехточечным сигналом, который поступает от обычной системы управления отоплением. "Инновационные инженеры по отоплению просто обязаны освоить принцип работы rendeMIX", - рекомендует Вальтер Грабнер.
Рис. 9: Поверхность солнечного коллектора площадью 88 м² покрывает потребность в тепле с апреля по октябрь.
Вольфганг Хайнль
Скачать техническую статью в формате PDF
