Тепло используется несколько раз, а не просто сжигается
Модернизация отопления с гидравлической стороны: постепенное использование обратки в распределении тепла и двухзонная зарядка и разрядка для буферной емкости
Основной подход к оптимизации энергопотребления системы отопления в филиале специализированной оптовой компании SHK Richter + Frenzel в Швайнфурте лежал в области гидравлики системы. В существующей системе были тепловые излишки, которые можно было бы использовать с пользой в других местах. Однако вопрос заключался в том, каким образом потоки массы отопительной воды должны попасть туда. Оптимизация гидравлики системы была достигнута за счет взаимодействия многоходовых смесительных клапанов и специального распределителя с дополнительной камерой возврата. Таким образом, имеющиеся излишки тепла могут быть использованы поэтапно. В то же время была найдена более эффективная стратегия зарядки существующей буферной емкости, а теплогенераторы непрерывно работают в конденсационном режиме.
Рис. 1: Для распределения тепла в отопительных контурах используются многопортовые смесительные клапаны от HG Baunach Gmbh & Co. KG вместе с новым типом трехкамерного распределителя от Магра используется. Последовательность расположения выходов коллектора зависит от градиента температуры в обратном потоке по направлению к котлу.
Комбинация высоко- и низкотемпературных систем в системе отопления больше не является исключением, равно как и бивалентная выработка тепла с использованием когенерационных установок и конденсационных котлов. Однако задача обеспечения требуемых температур в системе распределения тепла и снабжения теплогенераторов необходимыми низкими температурами обратки является несколько более сложной. Оптимизация энергопотребления была основной целью модернизации системы отопления в филиале оптовой компании Richter + Frenzel, специализирующейся на системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, в городе Швайнфурт. Хотя газовый котел также был заменен новым конденсационным котлом, модернизационные мероприятия были направлены в первую очередь на гидравлику системы. С момента пуска в эксплуатацию в начале ноября 2006 года когенерационная установка работает непрерывно, а из конденсационного котла непрерывно поступает конденсат. На всей станции преобладают заданные температуры в системе, и это при минимальных затратах на управление.
Фокус на конденсационных котлах и комбинированной выработке тепла и электроэнергии
Рис. 2: Базовая тепловая нагрузка покрывается когенерационной установкой Dachs из Senertec который работает на буферной емкости (в центре сзади). Вспомогательное отопление обеспечивается газовым конденсационным центральным котлом мощностью 130 кВт от Отопительная техника Wolf.
Взгляд в прошлое: Филиал компании Richter + Frenzel был построен в 1984 году с выставкой ванных комнат, складом товаров и инкассации и офисным крылом. Система отопления должна обеспечивать три высокотемпературных и два низкотемпературных контура: склад товаров и инкассации площадью 900 м² отапливается воздухонагревателями VL/RL 75/50 °C, как и напольные конвекторы в выставке ванных комнат и подогрев горячей воды в оазисе ванных комнат, который обеспечивается пластинчатым теплообменником. Напольное отопление выставочной ванной комнаты площадью 600 м² и напольное отопление офисных помещений площадью 200 м² были спроектированы как низкотемпературные системы (40/30 °C). Когенерационная установка Dachs от Senertec мощностью 15 кВтth впоследствии был модернизирован для увеличения обратного потока существующего газового котла. Однако при мощности 210 кВт он был чрезмерно велик. В ходе недавно завершенной модернизации он был заменен на газовый конденсационный котел Wolf Heiztechnik мощностью 130 кВт типа MGK, который благодаря большому диапазону модуляции берет на себя вспомогательное отопление и при необходимости увеличивает выработку тепловой и электрической энергии. Благодаря своим компактным размерам (Ш x В x Г = 1350 x 1300 x 600 мм) настенный центральный котел, который был представлен на выставке IFH 2006 только в качестве новинки, проходит через любую стандартную дверь и поэтому может быть легко установлен в существующей котельной. Тепло, вырабатываемое когенерационной установкой, хранится в буферном резервуаре объемом 1000 литров. Вырабатываемая электрическая энергия (около 5 кВтel) питает внешнее освещение здания и все потребители в режиме ожидания.
Использование возврата в направлении диапазонов низких температур
Задача планирования заключалась в том, чтобы максимально увеличить время работы существующей малой ТЭЦ и обеспечить, чтобы новый газовый конденсационный котел действительно использовал теплотворную способность отходящих газов. Для этого на стороне распределения тепла должен быть реализован принцип утилизации обратного потока: Если температура обратного потока отопительного контура достаточна для снабжения другого отопительного контура с более низкой температурой, то это доступное тепло должно быть использовано для этого в первую очередь, прежде чем обращаться к потоку. При планировании модернизации сначала были записаны данные о производительности и массовых расходах существующей системы. Полученный расчет системы показал, что в обратном потоке высокотемпературных контуров все еще имеется большой избыток тепла, который не может быть эффективно использован в низкотемпературных контурах. Это также означало, что температура обратного потока была слишком высокой как для когенерационной установки, так и для планируемого конденсационного котла. "В этих условиях невозможно было добиться эффективного распределения в буферной емкости, чтобы максимально использовать объем буфера. С помощью существующей гидравлики также невозможно было добиться низкой температуры обратки и, следовательно, эффективного использования конденсационного котла - смешивание обратки из высоко- и низкотемпературных контуров привело бы к получению теплой отопительной воды", - сообщает Ханс-Георг Баунах, который занимался гидравлической оптимизацией системы с помощью разработанных им многопортовых смесительных клапанов и нового типа трехкамерного коллектора, изготовленного компанией Magra.
Рис. 3: Вольфганг Мика, менеджер по продажам компании Richter + Frenzel в Швайнфурте, ожидает значительной экономии энергии за счет оптимизации гидравлики системы.
Многопортовый смеситель и трехкамерный коллектор
Рис. 4: Система rendeMIX между блоком КУ и буферной емкостью обеспечивает зарядку емкости по двухзонному принципу.
Для гидравлики существующей системы отопления в компании Richter + Frenzel в Швайнфурте необходимо было реализовать два функциональных принципа:
- Утилизация обратного потока в два этапа: Избыток тепла из отопительных контуров с высокой температурой системы (75/50 °C) следует использовать для низкотемпературных отопительных контуров (40/30 °C) таким образом, чтобы обратный поток подавался непосредственно в соответствующий отопительный контур NT через многопортовый смесительный клапан и через распределитель или коллектор. Например, температура обратного потока воздухонагревателей в холле и напольных конвекторов в выставочном зале ванной комнаты достаточна для питания систем напольного отопления в выставочном зале и офисах со стороны потока. Обратные потоки из этих низкотемпературных контуров, в свою очередь, должны были отдельно направляться в нижнюю часть буферного накопителя. Цель заключалась в том, чтобы исключить возможность смешивания этих потоков с неиспользованными излишками из обратных потоков высокотемпературных контуров.
- Определенный температурный разброс и низкие температуры обратки: Максимально возможный разброс должен быть достигнут в существующей буферной емкости, которая, согласно расчетам Ханса-Георга Баунаха, довольно мала - 1000 литров. Это означает, что для высокотемпературных отопительных контуров всегда должен быть доступен максимально возможный объем буфера с полезной температурой. Вышеупомянутая утилизация обратки обеспечивает низкую температуру обратки для достижения максимально возможного времени работы когенерационной установки.
Многопортовые смесительные клапаны "rendeMIX" компании HG Baunach GmbH & Co. KG использовались для смешивания и перенаправления потоков отопительной воды в зависимости от потребности и подачи тепла. KG были использованы. Смесители выполнены в виде компактных монтажных блоков с изоляционными кожухами, в которые на заводе уже встроены запорные шаровые краны и термометры. Основное отличие многопортового смесителя "rendeMIX 3×2 VL 5", разработанного компанией HG Baunach, от обычных трех- и четырехходовых смесителей заключается в том, что он имеет три подключения к коллектору:
- Два входа для горячей и теплой воды,
- обратный выход для холодной воды.
Вход для горячей воды подключен к проточной камере коллектора, вход для горячей воды - к центральной камере коллектора. Еще теплый обратный поток из высокотемпературных контуров подается в центральную камеру, что соответствует принципу использования обратного потока. Однако обратный поток из низкотемпературных контуров подается в отдельную, третью камеру возврата. Это означает, что горячий избыточный возвратный поток поступает в буфер отдельно и без смешивания, что соответствует принципу двухзонной разгрузки. Трехкамерный коллектор является частью программы HG Baunach и производится компанией Magra.
Три камеры нагревательного коллектора сообщаются с двумя зонами буферного цилиндра:
- В проточный коллектор поступает отопительная вода с верхнего температурного уровня, которая при необходимости подогревается через промежуточный конденсационный котел.
- Хотя центральная распределительная камера выполняет в основном функцию возврата, она также работает в обратном направлении и соединена с буферной емкостью на половине высоты. Когда буфер полностью заполнен, можно использовать доступную температуру отопительной воды с центрального уровня. Преимущество отбора воды из центральной зоны хранения заключается в том, что в верхней зоне может поддерживаться достаточный запас. Многопортовые смесители высокотемпературных контуров подключены к центральному коллектору с подающим и обратным патрубками. В зависимости от температуры буфера и потребности в отоплении эти контуры либо получают греющую воду из накопительного бака, либо подают ее обратно в контуры напольного отопления или в буфер с "неиспользуемой" температурой обратки.
- В третью распределительную камеру поступают только низкотемпературные возвраты из систем напольного отопления в выставочном центре и офисном крыле. Эта вторая ступень утилизации возврата поступает на нижний уровень буферного хранилища, тем самым поддерживая целевое распределение и обеспечивая использование теплотворной способности.
ЧОП работает круглосуточно
Обратный поток из третьей распределительной камеры также проходит через теплообменник отработанных газов, который был установлен на ТЭЦ в рамках модернизации станции. Это повышает теплоотдачу сжигаемого газа и, следовательно, общую эффективность системы. Конденсационный котел подает газ непосредственно в поток, идущий к распределителю после буферной емкости, поэтому только комбинированная выработка тепловой и электрической энергии нагревает содержимое емкости. С диапазоном модуляции от 19 до 100 % или от 24 до 126 кВт (в режиме конденсации) конденсационный котел полностью выполняет свою задачу по подогреву. Это также соответствует техническому заданию по оптимизации использования конденсата, что подтвердил менеджер по продажам R + F Вольфганг Мика во время визита в IKZ-HAUSTECHNIK: "О том, что конденсационный котел действительно работает в диапазоне конденсации, можно судить по тому, что система подъема конденсата откачивалась несколько раз в течение получаса". В диапазоне 40/30 °C конденсационный котел достигает стандартизированного КПД 108 %.
Двухзонный принцип оптимизирует подачу тепла и использование энергии
Рис. 5: Система отопления в филиале оптовой компании Richter + Frenzel в Швайнфурте была оптимизирована с точки зрения энергоэффективности. Основное внимание было уделено гидравлике системы.
Ханс-Георг Баунах описывает систему как "откалиброванную по теплотворной способности" после модернизации. С точки зрения технологии управления энергооптимизированная система выглядит просто. Приводы смесителей управляются простым способом с помощью обычных погодозависимых регуляторов от принадлежностей котла Wolf (трехточечный сигнал 230 В). Подключения к воздухонагревателям в холлах были оснащены термостатическими клапанами и дистанционными датчиками, которые регулируют расход воздуха в зависимости от температуры воздуха и работы вентилятора. Клапаны RTL были установлены на обратной стороне для конвекторов теплого пола в ванной комнате, чтобы ограничить температуру обратной линии до разумного значения для подогрева пола. Система управления ТЭЦ также была дополнена релейной схемой, чтобы значительно увеличить количество циклов при низких нагрузках на отопление и полностью использовать буферный объем. На буферном цилиндре на разной высоте расположены два термовыключателя, которые обеспечивают прочную структуру стратификации. Еще один многопортовый смеситель rendeMIX используется в качестве связующего звена между блоком КУ и буферной емкостью. Благодаря встроенному контроллеру с фиксированным значением он выполняет функцию усилителя обратного потока для блока КУ. Он соединяет три точки подачи буфера с системой КУ Dachs и тем самым обеспечивает стратифицированную загрузку. Двухзонный принцип" был применен как в котловом контуре, так и между буфером и распределителем с помощью смесительных клапанов от HG Baunach. "Благодаря этому распределение в буфере всегда поддерживается на максимально возможном уровне. Только когда верхняя зона полностью заряжена, нижняя часть включается в процесс зарядки. Это означает, что верхняя зона имеет более быструю полезную температуру, а нижняя зона дольше остается холодной. Этот принцип особенно выгоден для использования солнечного тепла", - объясняет Баунах. Измерения на испытательной установке, установленной в Ремесленной палате Арнсберга, показали, что при разгрузке буферного баллона по "двухзонному принципу" может выделяться на 35 % больше тепловой энергии. "После модернизации наша система отопления имеет определенный температурный разброс, и в то же время имеется достаточный запас резервного тепла. С момента ввода в эксплуатацию теплоэлектроцентраль не останавливалась ни на минуту, а оба теплогенератора постоянно работают в диапазоне конденсации. Оптимизация гидравлики системы позволила добиться оптимального использования теплотворной способности и эффективного теплоснабжения", - резюмирует менеджер по продажам R+F Вольфганг Мика.
Принцип работы многоходового смесителя
Корпус клапана rendeMIX соединяет только два из трех входов с одним выходом, так что либо горячая вода смешивается с теплой, либо теплая - с холодной. Таким образом, используется максимально возможное количество горячей воды, а подмешивается лишь небольшое количество горячей или холодной воды. Это позволяет максимально повысить температуру воды в сети отопления и снизить температуру обратной воды в теплогенератор. Привод может управляться любым погодозависимым контроллером (230 В, трехточечный сигнал) из принадлежностей котла. В качестве альтернативы можно приобрести привод со встроенным контроллером с фиксированным значением.
В Гидравлика отопления огромные потоки Потенциал экономии
Опыт одного года после гидравлической оптимизации: показатели потребления подтверждают высокое снижение энергозатрат
Рис. 6: "После гидравлической оптимизации системы когенерационная установка работает без перебоев", - сообщает Норберт Рёснер из отдела технических продаж компании Richter + Frenzel в Швайнфурте. Дополнительный эффект экономии был достигнут за счет снижения потребляемой насосом мощности.
Год назад, в выпуске 5/2007, мы рассказали об оптимизации энергопотребления системы отопления в филиале оптовой компании Richter + Frenzel в Швайнфурте. Анализ данных о потреблении показал, что экономия энергии после одного года эксплуатации может исчисляться четырехзначными суммами в евро. По данным оператора системы и производителя HG Baunach, который сыграл ключевую роль в гидравлической оптимизации, через год оператор системы окупил около четверти инвестиций.
Рис. 7: В конце 2006 года была оптимизирована система отопления в филиале оптовой компании Richter + Frenzel в Швайнфурте. Например, для низкотемпературных контуров, таких как полы с подогревом в ванной комнате, используется высокая температура обратки.
В течение двенадцати месяцев с момента ввода в эксплуатацию после энергетической модернизации в филиале оптовой компании Richter + Frenzel в Швайнфурте с большим интересом отслеживались показатели потребления газа и электроэнергии. Причиной тому послужила оптимизация гидравлики отопления, которая была завершена в конце 2006 года. Одной из целей было использование избыточного тепла из высокотемпературных контуров (воздухонагреватели, напольные конвекторы) для подогрева полов в выставочных залах и офисах. Благодаря высокой температуре обратки, высокотемпературные контуры (70/50 °C) все же обеспечивали достаточное количество тепловой энергии для питания низкотемпературных отопительных контуров (40/30 °C). Для планирования модернизации сначала были записаны данные о производительности и массовых расходах существующей системы. Расчет системы показал, что в высокотемпературных контурах имеются большие тепловые излишки. В результате температура обратки теплогенераторов также была слишком высокой.
Реакция делится на два этапа
Рис. 8: Многопортовые смесительные клапаны rendeMIX от HG Baunach распределяют тепло по контурам отопления с высокой и низкой температурой. Обратный поток используется в направлении более низких температур. Вместе с трехкамерным коллектором Magra обеспечивается низкая температура обратного потока для когенерационной установки и конденсационного котла.
Бивалентная система производства тепла состоит из небольшой когенерационной установки от Senertec и конденсационного центрального котла типа MGK от Wolf Heiztechnik. Низкая температура обратки является необходимым условием для энергоэффективной работы этого дуэта, чтобы достичь длительного времени работы когенерационной установки и непрерывного использования конденсата в центральном котле мощностью 130 кВт. "С существующей гидравликой невозможно было достичь низких температур возврата и, следовательно, эффективного использования теплотворной способности. Смешивание обратных потоков из высокотемпературного и низкотемпературного контуров привело бы к получению теплой отопительной воды", - объясняет Ханс-Георг Баунах, который консультировал по вопросам планирования модернизации. Преобладающие условия эксплуатации также не позволяли эффективно распределять воду в существующем буферном резервуаре. Однако встал вопрос о том, как реализовать принцип возвратной утилизации. Эта задача была решена путем полной реорганизации системы распределения отопительной воды с помощью многопортовых смесительных клапанов "rendeMIX", разработанных компанией HG Baunach, и специального распределителя Magra с дополнительной камерой возврата (подробный отчет о проекте в IKZ-HAUSTECHNIK 5/2007, стр. 186 и далее, "Тепло используется многократно, а не просто сжигается").
Определение экономии затрат на электроэнергию на основе сравнения 2007 / 2005 операционных годов
Объяснения:
1 Энергетическая оптимизация системы была завершена в конце 2006 года, поэтому 2007 год стал первым годом эксплуатации после модернизации. Для сравнения затрат использовался 2005 календарный год, так как погодные условия в отопительный период в 2005 и 2007 годах были более схожи, чем в 2006 и 2007 годах.
2 Снижение потребления газа было достигнуто за счет
a) гидравлическая балансировка всей системы отопления (часть тепловой энергии ранее не использовалась)
b) Замена одноступенчатого котла с пиковой нагрузкой на модулируемый газовый конденсационный котел
3 – 6Увеличение времени работы ТЭЦ и, как следствие, увеличение производства электроэнергии на ТЭЦ было достигнуто за счет следующих мер:
I. Оптимизация управления буферным хранением с помощью
a) гидравлическая балансировка
b) Утилизация возврата за счет использования многопортовых смесительных коллекторов и трехкамерных коллекторов
c) Двухзонная загрузка и разгрузка буферной емкости с помощью многопортового смесительного коллектора
II. интеграция бойлера пиковой нагрузки таким образом, чтобы он подавался непосредственно в распределительную сеть со стороны потока, а не в буферный резервуар
7 Расход газа на отопление = общее потребление газа - расход газа ТЭЦ на производство электроэнергии
8 Расход котельного газа = расход газа на отопление - расход газа на производство тепла на ТЭЦ
9 Увеличение времени работы ТЭЦ для покрытия базовой отопительной нагрузки сократило время работы газового конденсационного котла, используемого в качестве котла пиковой нагрузки.
10 – 12 Увеличение производства электроэнергии на ТЭЦ сократило расходы на закупку электроэнергии.
13 – 16 Расчет основан на ценах на энергоносители за 2007 год.
17 Гидравлическая оптимизация всей системы позволила снизить эксплуатационные расходы на газ и электроэнергию на 5 613,67 евро в год
Меньше потребление газа, но больше производство электроэнергии
Тот факт, что основное внимание уделялось счетчику электроэнергии, а также потреблению газа, объясняется наличием небольшой когенерационной установки, которая покрывает как основную тепловую нагрузку, так и производит электроэнергию: при наличии достаточно низких температур обратки достигается более длительное время работы когенерационной установки и, соответственно, более высокая выработка электроэнергии. Значения потребления газа и электроэнергии, время работы когенерационной установки и отопительного котла (пиковая нагрузка), а также выработанная когенерационной установкой электроэнергия показывают, какой эффект дала оптимизация энергопотребления. Вольфганг Мика, менеджер по продажам филиала Richter + Frenzel, считает, что экономия за 2007 год составила в общей сложности около 5 600 евро. "С момента повторного ввода в эксплуатацию после модернизации в ноябре 2006 года когенерационная установка работает непрерывно, а конденсационный котел постоянно сбрасывает конденсат. Во всей системе преобладают заданные температуры, и это при минимальных затратах на управление", - говорит Вольфганг Мика о результатах гидравлической оптимизации. Сравнительные данные по потреблению энергии и времени работы (таблица) показывают, как повысилась эффективность использования энергии в системе и, как следствие, снизились затраты. "Меры, принятые для снижения энергозатрат, были направлены исключительно на гидравлику системы, за исключением замененного котла пиковой нагрузки. Они включали в себя гидравлическую балансировку системы, реализацию утилизации обратного потока и двухзонную загрузку и разгрузку буферного накопителя. Теперь теплоэлектроцентраль обеспечивает более половины производства тепла за счет непрерывной работы; кроме того, вырабатывается больше электроэнергии. Утилизация обратного потока и эффективное управление буфером обеспечивают оптимальные условия для работы когенерационной установки и конденсационного котла", - резюмирует Ханс-Георг Баунах.
Скачать техническую статью в формате PDF
