Важен не только объем хранилища
Исследование существующей системы отопления с буферной емкостью:
Большая вместимость буфера благодаря двухзонной загрузке и разгрузке
Институт строительных и энергетических систем при Университете прикладных наук Бибераха совместно с производителем HG Baunach исследовали, как можно оптимизировать эффективную емкость накопителя в существующей системе отопления с буферным накопителем. Объектом исследования была система отопления в шестиквартирном доме, принадлежащем подрядчику СХК. Было исследовано влияние режима загрузки и разгрузки на количество полезного тепла. В результате, после переоборудования буферного резервуара под двухзонную загрузку и разгрузку, емкость хранения значительно увеличилась.
Рисунок 1: Предприниматель СХК Гюнтер Мук в котельной арендованного им шестиквартирного дома. После перевода на двухзонный режим зарядки и разрядки буферной емкости блок КУ работает как моновалентный генератор тепла при температуре наружного воздуха до -10 °C.
Задача буферных накопителей в системах отопления - поглощать тепло, хранить его с минимально возможными потерями и отдавать потребителям при требуемом уровне температуры. Имеет смысл временно хранить тепло,
- когда теплоснабжение и теплопотребление происходят в разное время,
- поддерживать циклы переключения теплогенераторов, таких как ТЭЦ, котлы на биомассе или тепловые насосы, на как можно более низком уровне,
- для оптимального использования тепловой энергии, вырабатываемой солнечными тепловыми установками или работой теплоэлектростанций.
Однако в случае частого включения и выключения или недостаточного использования солнечного тепла, причина обычно заключается не в размере буферного накопителя, а в количестве тепла, которое может быть использовано из него.
Буфер хранился при слишком низком нагреве
Так считал и предприниматель компании SHK Гюнтер Мук, когда посетил лекцию специалиста компании HG Baunach о гидравлической оптимизации отопительных систем в Гильдии SHK в Швайнфурте. Его арендованный многоквартирный дом в Диттельбрунн-Хамбах, к северу от Швайнфурта, отапливается мини-ТЭЦ (рис. 1). Шесть арендованных квартир, а также складские помещения, принадлежащие его предприятию SHK, будут отапливаться.
Рисунок 2: Короткие циклы включения теплогенератора до перехода на двухзонную зарядку и разрядку (л.) указывают на низкую эффективную емкость буфера. После переоборудования производится только один запуск ТЭЦ в день (об.).
Буферный бак емкостью 1000 л встроен в качестве гидравлического переключателя между теплогенераторами и распределением тепла. Для здания, построенного в 1996 году, Гюнтер Мук рассчитал потребность в отоплении (в то время еще по DIN 4701) в 18,1 кВт. Сайт ТЭЦ Сенертек питание 12,5 кВтthТакже был установлен газовый конденсационный котел для покрытия пиковой нагрузки. Потребителями тепла в здании являются радиаторы с расчетной температурой 70/50 °C. Как обычно, буферная интеграция была спроектирована таким образом, что поток подключается сверху, а возврат - снизу. Однако Гюнтер Мук был не очень доволен работой системы до этого момента, так как в течение 24 часов на ТЭЦ происходило до пяти операций старт-стоп (рис. 2).
Во время лекции в Швайнфурте он узнал в разговоре с Хансом-Георгом Баунахом, что тот ищет существующие системы, подходящие в качестве тестовых объектов для многопортового смесителя "rendeMIX". В рамках сотрудничества между HG Baunach и Институтом строительных и энергетических систем Университета прикладных наук Бибераха, Баунах начал исследование системы буферного хранения. Цель состояла в том, чтобы добиться более эффективного использования объема хранилища и тем самым оптимизировать время работы ТЭЦ.
Система отопления как испытательная лаборатория
Рисунок 3: Графики показывают распределение температуры в идеально перемешанном (л.), идеально стратифицированном (м.) и линейно стратифицированном резервуаре (ж.). С теоретической точки зрения, реальная работа может быть лучше всего описана с помощью модели линейного стратифицированного резервуара.
В Университете прикладных наук Бибераха Кристиан Дитрих, будущий дипломированный инженер в области строительной климатологии, в рамках своей дипломной работы занимался темой "Оптимизированная интеграция буферных накопителей в гидравлические системы". Первоначальный подход к изучению эффективности хранения заключался в определении того, сколько кВт/ч тепла в идеале можно хранить в буферном объеме 1000 литров и сколько из этого объема может быть использовано в действительности. В идеальных условиях объем хранилища при температуре потока ТЭЦ 90 °C и температуре возврата из отопительного контура 50 °C теоретически мог бы составить 47 кВт-ч. Однако циклы переключения КУ в жилом доме Гюнтера Мука не соответствовали этим теоретическим расчетам (рис. 3). Это свидетельствовало о том, что эффективная аккумулирующая способность - эффективно доступная тепловая энергия по отношению к содержимому буферной емкости - должна быть значительно уменьшена. Чтобы определить это, система отопления домовладельца на несколько месяцев превратилась в тестовую лабораторию: существующие трехходовые смесительные клапаны были заменены на многоходовые смесительные коллекторы. На накопительном баке и трубопроводах были установлены датчики температуры и расходомеры.
Диаграмма эффективности хранения выявляет слабые места
Рис. 4: Котельная как испытательная лаборатория: Во время исследования работы системы с двумя различными методами зарядки буфера, измеренные данные постоянно записывались и передавались в Университет прикладных наук Бибераха через дистанционную передачу данных для оценки.
На начальном этапе испытаний смесительные распределители "rendeMIX" были настроены таким образом, чтобы процесс зарядки и разрядки соответствовал предыдущей схеме с использованием трехходовых смесителей. С середины октября 2007 года по середину февраля 2008 года компьютер, установленный в котельной, регистрировал данные измерений, чтобы исследовать поведение зарядки и разрядки (рис. 4a + 4b). По наблюдениям Гюнтера Мука, в это время преобладали почти все типичные погодные условия отопительного периода.
Данные измерений были переданы в Университет прикладных наук Бибераха посредством дистанционной передачи данных и оценены там Кристианом Дитрихом. Дипломник использовал эти данные для отслеживания фактической эффективности хранения. Для этой цели Дитрих разработал графическое представление, называемое диаграммой эффективности хранения. В нем высота резервуара откладывается по вертикальной оси Y, а температура - по горизонтальной оси X. Несколько температурных датчиков были расположены по высоте буферного резервуара (Рисунок 5). Исходя из координат температуры и высоты резервуара, емкость хранилища может быть представлена графически в виде площади при внесении в диаграмму эффективности хранилища (рис. 6).
Рисунок 5: Для исследования эффективности хранения на 1000-литровой буферной емкости было установлено несколько температурных датчиков, распределенных по высоте емкости.
Результат: эффективная емкость аккумулятора составила около 17 кВтч при обычной разрядке, что в 2,7 раза меньше теоретически пригодной емкости аккумулятора в 47 кВтч.
Получите больше тепла из той же емкости буфера
Рисунок 6: Сравнение "до/после" показывает соответствующую эффективную емкость буферной емкости с обычной интеграцией (л.) и после преобразования в двухзонную зарядку и разрядку (р.).
Рисунок 7: Диаграмма эффективности хранения, специально разработанная дипломником Кристианом Дитрихом, показывает количество тепла, которое может быть эффективно использовано в буферном накопителе по высоте накопителя.
Следующим этапом исследования было рассмотрение того, какие параметры влияют на эффективно используемую емкость хранилища. Реальная загрузка и выгрузка, как показано на рис. 7 (график хранения справа), неизбежно приводит к перемешиванию в буферном хранилище, что значительно ограничивает эффективно используемое количество тепла. В существующей системе такой тип загрузки и выгрузки буфера регулярно разрушал стратификацию. Поэтому перемешивание во время загрузки и выгрузки приводит к повышению температуры в нижней части резервуара, но снижению в верхней части. Из этого можно сделать вывод, что эффективность гидравлического буфера существенно зависит от распределения температуры в буферном хранилище. На эффективность хранения влияют
- температура потока теплогенератора, которая должна быть как можно выше,
- температура обратного тока в контуре потребителя, которая должна быть как можно ниже,
- а также условия и скорости потока при входе в буферный резервуар.
Погрузка и разгрузка распределены по двум зонам
Рисунок 8: Для двухзонной загрузки и разгрузки буферной емкости существующие трехходовые смесители были заменены многоходовыми смесительными коллекторами типа rendeMIX 3×4.
Вместо трехходовых смесителей многоходовой смеситель встроен как в контур теплогенератора, так и в контур потребителя. Для дальнейшей части испытаний стратегия зарядки была изменена на режим работы "двухзонной зарядки и разрядки". Для этого уже установленные многоходовые смесители были переоборудованы путем замены исполнительных механизмов таким образом, чтобы в зависимости от заданной уставки горячая вода смешивалась с теплой или теплая с холодной, а не горячая с холодной. Это изменяет поведение загрузки и выгрузки буферной емкости: при загрузке сначала загружается верхняя буферная зона (горячая), которая в результате нагревается быстрее. Нижняя зона дольше остается холодной. При разгрузке тепло сначала отводится от нижней буферной зоны через центральный (!) патрубок цилиндра, который в результате быстрее остывает. Поэтому верхняя буферная зона дольше остается на высоком температурном уровне.
Многополосные микшеры (рис. 8) управляются с помощью трехточечного сигнала (230 В), как и трехполосные микшеры, использовавшиеся ранее. В то время как температура подачи в отопительном контуре следует кривой отопления с погодной компенсацией во время разгрузки, температура обратного потока в теплогенератор устанавливается на фиксированное заданное значение во время загрузки. Таким образом, двухзонная зарядка также заменяет необходимое в противном случае увеличение обратного потока.
В ходе проведенного исследования также выяснилось, что расположение температурных датчиков на резервуаре-накопителе оказывает значительное влияние на эффективность хранения. Блок ТЭЦ Senertec в системе имеет два отдельных температурных датчика, которые должны быть установлены на буфере на разной высоте. Когда уставка на верхнем датчике занижена, устройство запускается. Если температура падает ниже заданного значения на нижнем датчике, машина отключается. Как показали оценки Кристиана Дитриха, двухзонная зарядка и разрядка увеличила эффективную емкость аккумулятора примерно на 60 % с 17 кВтч до 27,4 кВтч. Если бы, кроме того, нижний датчик на накопительной емкости был перемещен еще дальше вниз, полезная эффективность буфера могла бы быть увеличена еще примерно на 30-50 % в данном случае.
Двухзонный принцип применим к любой гидравлической системе
Рис. 9 + 10: Если температура в середине накопительной емкости выше температуры подачи потребителю во время двухзонного сброса буферной накопительной емкости, вода забирается из среднего буферного соединения и затем смешивается с обратной водой от потребителя до желаемого уровня температуры. Если во время сброса температура в среднем патрубке хранилища опускается ниже температуры потока, температура повышается путем подмешивания более теплой воды из верхнего хранилища. Таким образом, нижняя зона хранения может быть почти полностью разгружена до температуры возврата.
Предприниматель и домовладелец СХК Гюнтер Мук заметил эффект от увеличения емкости аккумулятора в циклах переключения мини-ТЭЦ: После перехода на двухзонный режим зарядки и разрядки (рис. 9) агрегат запускается только один раз в день, но это происходит благодаря принудительному отключению двигателя с интервалом в 24 часа. По его наблюдениям, ТЭЦ сейчас работает в основном как генератор моновалентного тепла. Газовый конденсационный котел, используемый для пиковой нагрузки, включается только тогда, когда температура наружного воздуха достигает примерно -10 °C, хотя в январе 2009 года он работал всего четыре дня. Переход на режим буферного хранения также оказал положительное влияние на энергетический статус здания: После этого Гюнтер Мук оформил энергетический сертификат на шестиквартирный дом, который подтверждает, что в здании значительно повышена энергоэффективность.
Однако исследованная система отопления с ТЭЦ, газовым конденсационным котлом и радиаторным отопительным контуром является лишь одним из примеров возможного применения двухзонного принципа. Например, в системах панельного отопления можно достичь еще более низких температур обратки, так как самая низкая температура обратки из контура потребителя тепла достигает обратки теплогенератора и не смешивается по пути с более теплой обратной водой. Двухзонная зарядка и разрядка также может быть перенесена на любую другую гидравлическую систему, работающую с буферным накопителем, например, интеграция регенеративной энергии или холодильных систем.
Наш автор проф. д.-инж. Александр Флосс стал индивидуальным предпринимателем в 1995 году, имея офис планирования TGA, который в настоящее время занимается экспертными заключениями, консалтингом и разработкой продукции. С 1999 года он отвечает за области теплоэнергетических систем и планирования установок в программе обучения по специальности "Климат-контроль зданий и энергетические системы" в Университете прикладных наук Бибераха. Флосс также возглавляет там Институт строительства и энергетических систем, телефон (0 73 51) 58 22 56, электронная почта floss@hochschule-bc.de.
Наш автор Вольфганг Хайнль руководит редакцией в качестве внештатного торгового журналиста и PR-менеджера, специализирующегося на секторе SHK и инженерном обеспечении зданий, 88239 Ванген, тел. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
Скачать техническую статью в формате PDF
