Önemli olan sadece depolama hacmi değildir
Tampon tanklı mevcut ısıtma sisteminin incelenmesi:
İki bölgeli yükleme ve boşaltma ile daha fazla tampon kapasitesi
Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Bina ve Enerji Sistemleri Enstitüsü, üretici HG Baunach ile birlikte tampon depolamalı mevcut bir ısıtma sisteminde etkin depolama kapasitesinin nasıl optimize edilebileceğini araştırdı. Çalışmanın konusu, bir SHK yüklenicisine ait altı haneli bir evin ısıtma sistemiydi. Yükleme ve boşaltma davranışının kullanılabilir ısı miktarı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sonuç olarak, tampon depolama tankı iki bölgeli yükleme ve boşaltmaya dönüştürüldükten sonra önemli ölçüde daha yüksek bir depolama kapasitesi elde edilmiştir.
Resim 1: HVAC müteahhidi Günther Muck, kiraladığı altı haneli evin kazan dairesinde. Tampon depolama tankının iki bölgeli şarj ve deşarjına geçtikten sonra, CHP ünitesi -10 °C dış sıcaklığa kadar tek değerli bir ısı üreticisi olarak çalışmaktadır.
Isıtma sistemlerinde, tampon depolama tankları ısıyı emme, mümkün olduğunca az kayıpla depolama ve gerekli sıcaklık seviyesinde tüketiciye bırakma görevine sahiptir. Isıyı geçici olarak depolamak mantıklıdır,
- ısı arzı ve ısı talebi farklı zamanlarda gerçekleştiğinde,
- CHP üniteleri, biyokütle kazanları veya ısı pompaları gibi ısı jeneratörlerinin anahtarlama döngülerini en aza indirmek için,
- Güneş termal sistemlerinden üretilen termal enerjinin kullanımını veya birleşik ısı ve enerji santrallerinin işletimini optimize etmek.
Ancak, güneş ısısı sık sık açılıp kapanıyorsa veya yeterince kullanılmıyorsa, bunun nedeni genellikle tampon silindirin boyutu değil, ondan kullanılabilecek ısı miktarıdır.
Tampon çok az ısı depoladı
Bir HVAC müteahhidi olan Günther Muck, Schweinfurt'taki HVAC loncasında HG Baunach'ın ısıtma sistemlerinin hidrolik optimizasyonu üzerine verdiği uzmanlık dersine katıldığında bu varsayımı takip etti. Schweinfurt'un kuzeyindeki Dittelbrunn-Hambach'ta kiraladığı apartman bloğu, mini bir CHP ünitesi ile ısıtılmaktadır (Şekil 1). Bu ünite, HVAC işletmesine ait altı kiralık daireyi ve depo odalarını ısıtmaktadır.
Şekil 2: İki bölgeli şarj ve deşarja geçişten önce ısı jeneratörünün kısa anahtarlama döngüleri (solda) tamponun düşük etkin depolama kapasitesine işaret etmektedir. Değişimden sonra, günde yalnızca bir CHP çalıştırması vardır (sağda).
Isı jeneratörleri ile ısı dağıtım sistemi arasına hidrolik ayırıcı olarak 1000 litre kapasiteli bir tampon silindir entegre edilmiştir. Günther Muck, 1996 yılında inşa edilen bina için 18,1 kW'lık bir ısıtma ihtiyacı (o zamanlar hala DIN 4701'e göre) hesaplamıştır. Isıtma sistemi Senertec CHP 12,5 kW güç sağlarinciPik yükleri karşılamak için bir gaz yoğuşmalı kazan da kurulmuştur. Binadaki ısı tüketicileri 70/50 °C tasarımlı radyatörlerdir. Her zamanki gibi tampon entegrasyonu, akış üstten ve dönüş alttan bağlanacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak Günther Muck, CHP ünitesinin 24 saat içinde beş adede kadar start-stop işlemi gerçekleştirmesi nedeniyle sistemin bugüne kadarki işleyişinden pek memnun değildi (Şekil 2).
Schweinfurt'taki konferans etkinliği sırasında Hans-Georg Baunach ile yaptığı görüşmede, Baunach'ın "rendeMIX" çok portlu karıştırıcı için test nesnesi olarak uygun mevcut sistemleri aradığını öğrendi. HG Baunach ve Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Bina ve Enerji Sistemleri Enstitüsü arasındaki işbirliğinin bir parçası olarak Baunach daha sonra tampon depolama sistemi üzerine bir araştırma başlattı. Amaç, depolama hacminin daha verimli kullanılmasını sağlamak ve böylece CHP çalışma sürelerini optimize etmekti.
Bir test laboratuvarı olarak ısıtma sistemi
Şekil 3: Grafikler ideal olarak karıştırılmış (l.), ideal olarak tabakalandırılmış (m.) ve doğrusal olarak tabakalandırılmış bir depolama tankındaki (r.) sıcaklık dağılımını göstermektedir. Teorik açıdan bakıldığında, gerçek çalışma modu en iyi doğrusal tabakalı depolama tankı modeli ile tanımlanmaktadır.
Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'nde, bina klimatolojisi alanında yüksek mühendis adayı olan Christian Dietrich, tezinin bir parçası olarak "Hidrolik sistemlerde tampon depolama tanklarının optimize edilmiş entegrasyonu" konusunu ele aldı. Depolama verimliliğini araştırmaya yönelik ilk yaklaşım, 1000 litrelik tampon hacminde ideal olarak kaç kWh ısı depolanabileceğini ve bunun ne kadarının gerçekten kullanılabileceğini belirlemekti. İdeal koşullar altında, 90 °C'lik bir CHP akış sıcaklığı ve 50 °C'lik bir ısıtma devresi dönüş sıcaklığındaki depolama hacmi, 47 kWh'lik teorik bir depolama kapasitesi ile sonuçlanacaktır. Ancak Günther Muck'un apartman bloğundaki CHP ünitesinin anahtarlama döngüleri bu teorik değerlendirmelerle uyuşmamaktadır (Şekil 3). Bu durum, etkin depolama kapasitesinin - tampon depolama tankının içeriğine göre etkin olarak kullanılabilir termal enerji - önemli ölçüde azaltılması gerektiğini göstermiştir. Bunu belirlemek için ev sahibinin ısıtma sistemi birkaç ay boyunca bir test laboratuvarı haline geldi: mevcut üç yollu karıştırma vanaları çok yollu karıştırma manifoldları ile değiştirildi. Depolama tankına ve boru tesisatına sıcaklık sensörleri ve hacimsel akış ölçerler yerleştirildi.
Depolama verimliliği diyagramı zayıflığı ortaya koymaktadır
Şekil 4: Test laboratuvarı olarak kazan dairesi: Sistemin iki farklı tampon yükleme yöntemiyle çalışmasının devam eden araştırması sırasında, ölçüm verileri sürekli olarak kaydedildi ve değerlendirilmek üzere uzaktan veri aktarımı yoluyla Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'ne iletildi.
İlk test aşaması için, "rendeMIX" karıştırma dağıtıcıları başlangıçta şarj ve boşaltma işlemi üç yollu karıştırıcıların kullanıldığı önceki devreye karşılık gelecek şekilde ayarlanmıştır. Ekim 2007 ortasından Şubat 2008 ortasına kadar kazan dairesine kurulan bir bilgisayar, şarj ve deşarj davranışını incelemek için ölçüm verilerini kaydetmiştir (Şekil 4a + 4b). Günther Muck'un gözlemlerine göre, bu süre zarfında bir ısıtma döneminin neredeyse tüm tipik hava koşulları hüküm sürmüştür.
Ölçüm verileri uzaktan veri aktarımı yoluyla Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'ne iletildi ve orada Christian Dietrich tarafından analiz edildi. Bu sayede yüksek lisans öğrencisi gerçek depolama verimliliğinin izini sürebildi. Dietrich, depolama verimliliği diyagramı adı verilen özel bir görselleştirme biçimi geliştirdi. Bu diyagramda, depolama tankının yüksekliği dikey Y ekseninde, sıcaklık ise yatay olarak X ekseninde gösteriliyor. Tampon silindirin yüksekliği boyunca birkaç sıcaklık sensörü yerleştirilmiştir (Şekil 5). Sıcaklık ve depolama tankı yüksekliği koordinatlarından depolama kapasitesi, depolama tankı verimlilik diyagramına girildiğinde bir alan olarak grafiksel olarak gösterilebilir (Şekil 6).
Şekil 5: Depolama tankı verimliliğini araştırmak için 1000 litrelik tampon tankına, tankın yüksekliği boyunca dağıtılmış birkaç sıcaklık sensörü yerleştirilmiştir.
Sonuç: geleneksel deşarj ile etkin depolama kapasitesi yaklaşık 17 kWh idi ve bu nedenle teorik olarak kullanılabilir depolama kapasitesi olan 47 kWh'den 2,7 kat daha düşüktü.
Aynı tampon kapasitesinden daha fazla ısı elde edin
Şekil 6: Önce ve sonra karşılaştırması, tampon depolama tankının geleneksel entegrasyonla (solda) ve iki bölgeli şarj ve boşaltmaya dönüştürüldükten sonra (sağda) ilgili etkin depolama kapasitesini göstermektedir.
Şekil 7: Yüksek lisans öğrencisi Christian Dietrich tarafından özel olarak geliştirilen depolama tankı verimlilik diyagramı, depolama tankının yüksekliği boyunca tampon depolama tankında etkin bir şekilde kullanılabilecek ısı miktarını göstermektedir.
Araştırmadaki bir sonraki adım, hangi parametrelerin etkin bir şekilde kullanılabilir depolama kapasitesini etkilediğini analiz etmekti. Şekil 7'de gösterilen gerçek yükleme ve boşaltma (sağdaki depolama tankı şeması) kaçınılmaz olarak tampon depolama tankında karışmaya yol açar ve bu da etkin bir şekilde kullanılabilecek ısı miktarını önemli ölçüde sınırlar. Mevcut sistemde, bu tür tampon yükleme ve boşaltma düzenli olarak tabakalaşmayı bozmuştur. Bu nedenle yükleme ve boşaltma sırasındaki karıştırma, sıcaklığın alt depolama tankı alanında yükselmesine, ancak üst alanda düşmesine neden olur. Bu da bir hidrolik tamponun verimliliğinin büyük ölçüde tampon silindirindeki sıcaklık dağılımına bağlı olduğu sonucuna götürmektedir. Depolama tankı verimliliği aşağıdakilerden etkilenir
- mümkün olduğunca yüksek olması gereken ısı jeneratörünün akış sıcaklığı,
- Tüketici devresinin dönüş sıcaklığı mümkün olduğunca düşük olmalıdır,
- yanı sıra tampon tankın girişindeki akış koşulları ve hızları.
İki bölgeye dağıtılmış yükleme ve boşaltma
Şekil 8: Tampon depolama tankının iki bölgeli doldurulması ve boşaltılması için mevcut üç yollu karıştırıcılar rendeMIX 3×4 çok yollu karıştırma manifoldları ile değiştirildi.
Üç yollu karıştırıcılar yerine, hem ısı üreteci devresine hem de tüketici devresine çok yollu bir karıştırıcı entegre edilmiştir. Testin devamında, şarj stratejisi "iki bölgeli şarj ve deşarj" çalışma moduna değiştirilmiştir. Bu amaçla, halihazırda kurulu olan çok yollu karıştırıcılar, ayar noktası spesifikasyonuna bağlı olarak sıcak suyun soğuk suyla karıştırılması yerine sıcak suyun ılık suyla veya ılık suyun soğuk suyla karıştırılması için aktüatörler değiştirilerek dönüştürülmüştür. Bu, tampon silindirinin yükleme ve boşaltma davranışını değiştirir: yükleme sırasında, önce üst tampon bölgesi (sıcak) yüklenir ve sonuç olarak daha hızlı ısınır. Alt bölge daha uzun süre soğuk kalır. Boşaltma sırasında, ısı ilk olarak orta (!) silindir bağlantısı aracılığıyla alt tampon bölgesinden uzaklaştırılır ve sonuç olarak daha hızlı soğur. Bu nedenle üst tampon bölgesi daha uzun süre yüksek sıcaklık seviyesinde kalır.
Çok yollu karıştırıcılar (Şekil 8), daha önce kullanılan üç yollu karıştırıcılar gibi üç noktalı bir sinyal (230 V) ile kontrol edilir. Boşaltma sırasında ısıtma devresinin akış sıcaklığı hava durumuna göre dengelenmiş bir ısıtma eğrisini takip ederken, yükleme sırasında ısı üreticisine dönüş sıcaklığı sabit bir ayar noktasına ayarlanır. Böylece iki bölgeli yükleme, aksi takdirde gerekli olan dönüş akışı takviyesinin de yerini alır.
Araştırma sırasında, sıcaklık sensörlerinin depolama tankı üzerindeki konumunun depolama verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu da ortaya çıkmıştır. Sistemdeki Senertec CHP ünitesi, tampon üzerinde farklı yüksekliklere monte edilmesi gereken iki ayrı sıcaklık sensörüne sahiptir. Sıcaklık üst sensördeki ayar noktasının altına düşerse ünite çalışır. Sıcaklık alt sensördeki ayar noktasının altına düşerse makine kapanır. Christian Dietrich'in analizlerinin gösterdiği gibi, iki bölgeli şarj ve boşaltma, etkin depolama kapasitesini yaklaşık 60 % artırarak 17 kWh'den 27,4 kWh'ye çıkarmıştır. Depolama tankındaki alt sensör de daha aşağıya taşınırsa, bu durumda kullanılabilir tampon verimliliği 30 ila 50 % daha artırılabilir.
Herhangi bir hidrolik sisteme uygulanabilen iki bölge prensibi
Şekil 9 + 10: Bir tampon silindirin iki bölgeli deşarjı sırasında silindirin merkezindeki sıcaklık tüketicinin akış sıcaklığının üzerindeyse, su merkezi tampon bağlantısından çıkarılır ve daha sonra tüketiciden gelen dönüş suyu ile karıştırılarak istenen sıcaklık seviyesine getirilir. Deşarj sırasında orta silindir bağlantısındaki sıcaklık akış sıcaklığının altına düşerse, üst silindir alanından daha sıcak su karıştırılarak sıcaklık yükseltilir. Böylece alt silindir alanı neredeyse tamamen dönüş sıcaklığına kadar deşarj edilebilir.
HVAC müteahhidi ve ev sahibi Günther Muck, mini-CHP ünitesinin anahtarlama döngülerinde artan depolama kapasitesinin etkilerini fark etti: iki bölgeli şarj ve deşarj sistemine geçildiğinden beri (Şekil 9), ünite günde sadece bir kez çalışıyor, ancak bunun nedeni motorun 24 saatlik aralıklarla zorunlu olarak kapatılması. Gözlemlerine göre, CHP ünitesi artık büyük ölçüde tek değerli bir ısı üreticisi olarak çalışmaktadır. Pik yük için kullanılan gaz yoğuşmalı kazan, Ocak 2009'da sadece dört gün çalışmasına rağmen, sadece -10 °C civarında bir dış sıcaklıkta devreye girmektedir. Tampon depolama çalışma modunun değiştirilmesi de binanın enerji verimliliği üzerinde olumlu bir etki yaratmıştır: Günther Muck o zamandan beri altı ailelik ev için binanın enerji verimliliğini önemli ölçüde artırdığını belgeleyen bir enerji sertifikası hazırlattı.
Bununla birlikte, CHP ünitesi, gaz yoğuşmalı kazan ve radyatör ısıtma devresi ile analiz edilen ısıtma sistemi, iki bölge prensibinin olası uygulamalarına sadece bir örnektir. Örneğin, ısı tüketici devresinden gelen en düşük dönüş sıcaklığı ısı üreticisinin dönüşüne ulaştığından ve yolda daha sıcak dönüş suyu ile karışmadığından, panel ısıtma sistemlerinde daha da düşük dönüş sıcaklıkları elde edilebilir. İki bölgeli şarj ve deşarj, örneğin yenilenebilir enerjilerin veya soğutma sistemlerinin entegrasyonu gibi tampon depolama ile çalışan diğer hidrolik sistemlere de aktarılabilir.
Yazarımız Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß 1995 yılında kendi TGA planlama ofisini kurdu ve şu anda uzman raporları, danışmanlık ve ürün geliştirme alanlarına adanmıştır. Floß, 1999 yılından bu yana Biberach Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'nde Bina Klimatolojisi ve Enerji Sistemleri lisans programının termal enerji sistemleri ve sistem planlama bölümlerinden sorumludur. Floß aynı zamanda Bina ve Enerji Sistemleri Enstitüsü'nün de başkanlığını yürütmektedir, telefon (0 73 51) 58 22 56, e-posta floss@hochschule-bc.de.
Yazarımız Wolfgang Heinl, serbest çalışan bir ticari gazeteci ve halkla ilişkiler yöneticisidir ve HVAC sektörü ve bina hizmetleri mühendisliği konusunda uzmanlaşmış bir editörlük ofisi işletmektedir, 88239 Wangen, Almanya, Tel. (0 75 22) 90 94 31, e-posta wolfgang.heinl@t-online.de.
Teknik makaleyi PDF olarak indirin
