Тепло використовується кілька разів, а не просто спалюється
Модернізація опалення з гідравлічної сторони: поступове використання зворотної води в розподілі тепла та двозонне завантаження і розвантаження буферної ємності
Основний підхід до енергетичної оптимізації системи опалення у філії спеціалізованого оптового продавця SHK Richter + Frenzel у м. Швайнфурт був у системній гідравліці. В існуючій системі були надлишки тепла, які можна було б використати деінде. Питання, однак, полягало в тому, як туди повинні потрапляти потоки теплоносія. Оптимізація гідравліки системи була досягнута за рахунок взаємодії багатоходових змішувальних клапанів і спеціального розподільника з додатковою зворотною камерою. Таким чином, наявне надлишкове тепло можна використовувати поетапно. При цьому знайдена більш ефективна стратегія зарядки існуючого буферного накопичувача, а теплогенератори працюють безперервно в конденсаційному режимі.
Рис. 1: Для розподілу тепла опалювальних контурів використовуються багатоходові змішувальні клапани HG Baunach Gmbh & Co. KG разом з новим типом трикамерного розподільника від Маґра. використовується. Послідовність виходів колектора залежить від градієнта температури в зворотному потоці в напрямку потоку до котла.
Поєднання високотемпературних і низькотемпературних систем в системі опалення вже не є винятком, так само як і бівалентне виробництво тепла за допомогою когенераційних установок і конденсаційних котлів. Однак завдання забезпечення необхідних системних температур при розподілі тепла і постачання теплогенераторів необхідними низькими температурами на виході з системи є дещо складнішим. Оптимізація енергоспоживання була основною метою модернізації системи опалення у філії оптового продавця кліматичної техніки Richter + Frenzel у м. Швайнфурт. Хоча газовий котел також був замінений на новий конденсаційний котел, заходи з модернізації були зосереджені в першу чергу на гідравліці системи. З моменту повторного введення в експлуатацію на початку листопада 2006 року ТЕЦ працює безперервно, а конденсат безперервно витікає з конденсаційного котла. На всій установці підтримується задана температура, і це з мінімальними зусиллями з боку інженерів з управління.
Фокус на конденсаційних котлах та комбінованому виробництві тепла та електроенергії
Рис. 2: Базове теплове навантаження покривається когенераційною установкою Dachs від Senertec який працює на буферний резервуар (по центру ззаду). Допоміжне опалення забезпечується центральним газовим конденсаційним котлом потужністю 130 кВт від Технологія обігріву Wolf.
Погляд у минуле: Філія компанії Richter + Frenzel була побудована в 1984 році з виставковим залом для ванних кімнат, складом товарів та інвентарю і офісним крилом. Система опалення повинна забезпечувати три високотемпературних і два низькотемпературних контури: склад товарів та інвентарю площею 900 м² опалюється за допомогою повітряних нагрівачів VL/RL 75/50 °C, так само як і підлогові конвектори у виставковому залі для ванних кімнат і гаряче водопостачання в оазисі ванної кімнати, що забезпечується за допомогою пластинчастого теплообмінника. Підігрів підлоги у виставковій ванній кімнаті площею 600 м² та підігрів підлоги в офісних приміщеннях площею 200 м² були спроектовані як низькотемпературні системи (40/30 °C). Когенераційна установка Dachs від Senertec потужністю 15 кВтth згодом було модернізовано для збільшення зворотного потоку існуючого газового котла. Однак при потужності 210 кВт він був завеликим. В ході нещодавно завершеної модернізації його замінили на газовий конденсаційний котел Wolf Heiztechnik типу MGK потужністю 130 кВт, який завдяки широкому діапазону модуляції бере на себе допоміжне опалення і, таким чином, за потреби збільшує виробництво комбінованої теплової та електричної енергії. Завдяки своїм компактним розмірам (Ш x В x Г = 1350 x 1300 x 600 мм) настінний центральний котел, який був представлений як інновація на виставці IFH 2006, проходить у будь-які стандартні двері і тому може бути легко встановлений в існуючій котельні. Тепло, вироблене когенераційною установкою, зберігається в буферному резервуарі об'ємом 1000 літрів. Вироблена електрична енергія (приблизно 5 кВтel) живить зовнішнє освітлення будівлі та всіх споживачів у режимі очікування.
Використання повернення в напрямку низьких температурних діапазонів
Тепер завдання планування полягало в тому, щоб максимізувати час роботи існуючої малої ТЕЦ і забезпечити, щоб новий газоконденсатний котел фактично використовував теплоту згоряння димових газів. З цією метою на стороні розподілу тепла повинен бути реалізований принцип утилізації зворотного теплоносія: Якщо температура зворотного теплоносія опалювального контуру достатня для живлення іншого опалювального контуру з нижчим рівнем температури, то це доступне тепло слід використати для цього спочатку, перш ніж подавати його в потік. Для планування модернізації спочатку були записані дані про продуктивність і масові потоки існуючої системи. Розрахунок системи показав, що все ще існує великий надлишок тепла від зворотного потоку високотемпературних контурів, який не може бути ефективно використаний у низькотемпературних контурах. Це також означало, що температура зворотної води була занадто високою як для ТЕЦ, так і для запланованого конденсаційного котла. "За цих обставин неможливо було досягти ефективного розподілу в буферній ємності, щоб максимально використати буферний об'єм. Також неможливо було досягти низьких температур зворотної лінії за допомогою існуючої гідравліки і, відповідно, ефективного використання конденсаційного котла - змішування зворотної лінії з високотемпературного і низькотемпературного контурів призвело б до отримання теплої опалювальної води", - повідомляє Ганс-Георг Баунах, який спроектував гідравлічну оптимізацію системи за допомогою розроблених ним багатопортових змішувальних клапанів і нового типу трикамерного колектора, виготовленого компанією "Magra".
Рис. 3: Вольфганг Міка, менеджер з продажу компанії Richter + Frenzel у Швайнфурті, очікує значної економії витрат на електроенергію за рахунок оптимізації гідравліки системи.
Багатопортовий змішувач і трикамерний колектор
Рис. 4: rendeMIX між когенератором і буферним балоном забезпечує зарядку балона за двозонним принципом.
Для гідравліки існуючої системи опалення компанії Richter + Frenzel у Швайнфурті необхідно було реалізувати два функціональних принципи:
- Утилізація теплоносія у два етапи: Надлишок тепла з опалювальних контурів з високою температурою системи (75/50 °C) слід утилізувати для низькотемпературних опалювальних контурів (40/30 °C) шляхом подачі зворотного потоку безпосередньо до відповідного опалювального контуру NT через багатоходовий змішувальний клапан і через розподільник або колектор. Наприклад, температура зворотного теплоносія повітронагрівачів у холі та підлогових конвекторів у виставковому залі ванної кімнати є достатньою для живлення систем теплої підлоги у виставковому залі та офісах на стороні подачі. Зворотні потоки з цих низькотемпературних контурів, в свою чергу, повинні були направлятися окремо в нижню частину буферної ємності. Мета полягала в тому, щоб запобігти змішуванню з невикористаним надлишком теплоносія зі зворотних потоків високотемпературних контурів.
- Визначений температурний розкид і низькі температури зворотної лінії: існуючий буферний бак, який за розрахунками Ганса-Георга Баунаха є досить малим - 1000 літрів, повинен забезпечити максимально можливий розкид. Це означає, що для високотемпературних опалювальних контурів завжди повинен бути доступний якомога більший буферний об'єм з корисною температурою. Вищезгадане використання зворотної води забезпечує низьку температуру зворотної води для досягнення максимально тривалого часу роботи когенераційної установки.
Для змішування та розподілу потоків опалювальної води відповідно до попиту та пропозиції тепла були використані багатоходові змішувальні клапани "rendeMIX" від HG Baunach GmbH & Co. KG. Змішувачі виконані у вигляді компактних монтажних блоків з ізоляційною оболонкою, в які на заводі вже інтегровані запірні кульові крани та термометри. Основна відмінність багатоходового змішувача "rendeMIX 3×2 VL 5", розробленого компанією HG Baunach, від звичайних три- та чотириходових змішувачів полягає в тому, що він має три підключення до колектора:
- Два входи для подачі гарячої та теплої води,
- зворотний вихід для холодної води.
Вхід для гарячої води з'єднаний з проточною камерою колектора, вхід для холодної води - з центральною камерою колектора. Ще теплий зворотний потік з високотемпературних контурів подається вниз за течією в центральну камеру, що відповідає принципу утилізації зворотного потоку. Однак зворотний потік з низькотемпературних контурів подається в окрему, третю камеру зворотного потоку. Це означає, що гарячий надлишковий зворотний потік досягає буферної ємності окремо і без змішування, що відповідає принципу двозонного розвантаження. Трикамерний колектор є частиною програми HG Baunach і виготовляється компанією Magra.
Три камери нагрівального колектора сполучаються з двома зонами буферного циліндра:
- У колектор подачі надходить опалювальна вода з верхнього температурного рівня, яка при необхідності підігрівається за допомогою проміжного конденсаційного котла.
- Хоча центральна розподільна камера в основному виконує функцію повернення, вона також працює у зворотному напрямку і з'єднана з буферною ємністю на половині висоти. Коли буферна ємність повністю заповнена, можна використовувати наявну температуру опалювальної води з центрального рівня. Перевага відбору з центральної зони накопичувача полягає в тому, що у верхній зоні можна підтримувати достатній запас. Багатоходові змішувачі високотемпературних контурів з'єднані з центральною рейкою колектора подачею та обратною лінією. Залежно від температури буферної ємності та потреби в опаленні, ці контури або отримують опалювальну воду з накопичувального бака, або опалювальні контури повертаються в контури теплої підлоги чи буфер з "невикористаною" зворотною температурою.
- До третьої розподільчої камери надходить лише низькотемпературне тепло з систем теплої підлоги у виставковому центрі та офісному крилі. На цьому другому етапі теплоносій надходить до нижнього буферного накопичувача, підтримуючи таким чином заплановане розподілення, а також забезпечуючи використання теплоти згоряння.
ТЕЦ працює цілодобово
Зворотний потік з третьої розподільчої камери також проходить через теплообмінник відпрацьованих газів, який був встановлений на ТЕЦ в рамках модернізації станції. Це підвищує тепловіддачу спалюваного газу і, таким чином, загальну ефективність системи. Конденсаційний котел подає тепло безпосередньо в потік, що веде до розподільника після буферної ємності, так що тільки комбіноване виробництво тепла та електроенергії нагріває вміст ємності. З діапазоном модуляції від 19 до 100 % або від 24 до 126 кВт (в режимі конденсації) конденсаційний котел повністю виконує своє завдання з підігріву. Це також відповідає специфікації планування оптимізованого використання теплоти конденсації, як підтвердив менеджер з продажу R + F Вольфганг Міка під час візиту на об'єкт IKZ-HAUSTECHNIK: "Те, що конденсаційний котел дійсно працює в режимі конденсації, видно з того, що система відкачування конденсату кілька разів відкачувала його протягом півгодини". У діапазоні 40/30 °C конденсаційний котел досягає стандартизованого ККД 108 %.
Двозонний принцип оптимізує теплопостачання та використання енергії
Рис. 5: Система опалення у філії оптового продавця кліматичної техніки Richter + Frenzel у Швайнфурті була оптимізована з точки зору енергоефективності. Основна увага була приділена гідравліці системи.
Ганс-Георг Баунах описує систему як "відкалібровану за теплотворною здатністю" після модернізації. З точки зору технології управління, енергооптимізована система виглядає нескладною. Приводи змішувачів керуються простим способом за допомогою звичайних погодно-компенсованих регуляторів з приладдя для котлів Wolf (триточковий сигнал 230 В). Підключення до повітронагрівачів у залах були обладнані термостатичними клапанами та дистанційними датчиками, які регулюють витрату повітря в залежності від температури повітря та роботи вентилятора. Клапани RTL були встановлені на зворотному трубопроводі підлогових конвекторів у ванній кімнаті виставки, щоб обмежити температуру зворотного теплоносія до розумного значення для підлогового опалення. Система управління для ТЕЦ також була доповнена релейним контуром, щоб значно збільшити тривалість циклу при низьких теплових навантаженнях і повністю використати буферний об'єм. На буферній ємності встановлено два перемикачі термостатів на різній висоті, які забезпечують міцну структуру стратифікації. Ще один багатопортовий змішувач rendeMIX використовується як сполучна ланка між когенераційною установкою та буферною ємністю. Завдяки вбудованому регулятору з фіксованим значенням він діє як підсилювач зворотного потоку для когенераційної установки. Це з'єднує три точки подачі буферної ємності з когенераційною установкою Dachs і, таким чином, забезпечує стратифіковане завантаження. "Двозонний принцип" був застосований як в контурі котла, так і між буфером і розподільником за допомогою змішувальних клапанів від HG Baunach. "Це гарантує, що розподіл в буфері завжди підтримується на максимально високому рівні. Тільки коли верхня зона повністю заряджена, нижня частина включається в процес зарядки. Це означає, що верхня зона має більш швидку температуру використання, а нижня зона довше залишається холодною. Цей принцип особливо вигідний для використання сонячного тепла", - пояснює Баунах. На тестовій установці, встановленій в ремісничій палаті Арнсберга, вимірювання показали, що буферний бак може вивільнити на 35 % більше теплової енергії, якщо його розряджати за "двозонним принципом". "Після модернізації наша система опалення має певний температурний розкид, в той же час є достатній запас резервного тепла. З моменту перезапуску теплоелектростанція не зупинялася ні на хвилину, обидва теплогенератори постійно працюють в режимі конденсації. Завдяки оптимізації гідравліки системи вдалося досягти оптимального використання теплоти згоряння та ефективного теплопостачання", - підсумовує менеджер з продажу R+F Вольфганг Міка.
Принцип роботи багатоходового змішувача
Корпус клапана rendeMIX з'єднує лише два з трьох входів з одним виходом, таким чином, гаряча вода змішується з теплою водою або тепла вода змішується з холодною водою. Таким чином, використовується якомога більше наявної гарячої води, і лише невелика кількість гарячої або холодної води змішується. Це максимізує температуру, доступну в мережі опалення, і знижує температуру на виході з теплогенератора. Приводом можна керувати за допомогою будь-якого погодозалежного контролера (230 В, триточковий сигнал) з комплекту постачання котла. Альтернативно доступний привід з вбудованим контролером з фіксованим значенням.
У Гідравліка опалення потоки величезні Потенціал економії
Досвід через рік після гідравлічної оптимізації: показники споживання свідчать про значне скорочення витрат на електроенергію
Рис. 6: "Когенераційна установка працює без перебоїв з моменту гідравлічної оптимізації системи", - повідомляє Норберт Рьоснер з відділу технічних продажів компанії Richter + Frenzel у Швайнфурті. Додатковий ефект економії був досягнутий завдяки зменшенню енергоспоживання насосів.
Рік тому, у випуску 5/2007, ми повідомляли про енергетичну оптимізацію системи опалення у філії оптового продавця кліматичної техніки Richter + Frenzel у Швайнфурті. Аналіз даних споживання показав, що економія енергії після одного року експлуатації може бути оцінена в чотиризначних сумах в євро. Згідно з інформацією від оператора системи та виробника HG Baunach, який відіграв ключову роль у гідравлічній оптимізації, оператор системи окупив близько чверті інвестицій вже через рік.
Рис. 7: Наприкінці 2006 року було оптимізовано систему опалення у філії оптового продавця кліматичної техніки Richter + Frenzel у м. Швайнфурт. Наприклад, високі температури зворотного теплоносія використовуються для низькотемпературних контурів, таких як тепла підлога на виставці у ванній кімнаті.
Протягом дванадцяти місяців з моменту введення в експлуатацію після енергомодернізації у філії оптового продавця кліматичної техніки Richter + Frenzel у Швайнфурті з великим інтересом спостерігали за показниками споживання газу та електроенергії. Причиною цього була оптимізація опалювальної гідравліки, яка була завершена наприкінці 2006 року. Однією з цілей було використання надлишкового тепла з високотемпературних контурів (повітронагрівачі, конвектори для теплої підлоги) для підігріву підлоги в демонстраційних залах та офісах. Завдяки високій зворотній температурі високотемпературні контури (70/50 °C) все ще забезпечували достатню кількість теплової енергії для живлення низькотемпературних опалювальних контурів (40/30 °C). Для планування модернізації спочатку були зібрані дані про продуктивність і масові потоки існуючої системи. Розрахунок системи показав, що високотемпературні контури мають великі надлишки тепла. Як наслідок, температура на виході з теплогенераторів також була надто високою.
Реагування розділене на два етапи
Рис. 8: Багатоходові змішувальні клапани rendeMIX від HG Baunach розподіляють тепло в контури опалення високої та низької температури. Зворотний потік використовується в напрямку нижчих температурних діапазонів. Разом з трикамерним колектором Magra забезпечуються низькі температури зворотної лінії для ТЕЦ та конденсаційного котла.
Бівалентна система виробництва тепла складається з невеликої когенераційної установки компанії Senertec та конденсаційного центрального котла типу MGK компанії Wolf Heiztechnik. Низькі температури на виході є необхідною умовою для енергоефективної роботи цього дуету, щоб забезпечити тривалий час роботи когенераційної установки та безперервне використання конденсату в центральному котлі потужністю 130 кВт. "За допомогою існуючої гідравліки неможливо було досягти низьких температур зворотної лінії і, відповідно, ефективного використання теплоти згоряння. Змішування теплоносія з високотемпературного та низькотемпературного контурів призвело б до отримання теплої опалювальної води", - пояснює Ганс-Георг Баунах, який консультував з питань планування модернізації. Переважаючі умови експлуатації також не дозволяли ефективно розподіляти воду в існуючому буферному резервуарі. Однак питання полягало в тому, як реалізувати принцип зворотного використання. Ця проблема була вирішена шляхом повної реорганізації системи розподілу опалювальної води за допомогою багатопортових змішувальних клапанів "rendeMIX", розроблених HG Baunach, та спеціального розподільника Magra з додатковою камерою повернення (детальний звіт про проект в IKZ-HAUSTECHNIK 5/2007, стор. 186 і далі, "Тепло використовується кілька разів замість того, щоб просто спалюватися").
Визначення економії витрат на електроенергію на основі порівняння 2007 / 2005 операційних років
Пояснення:
1 Енергетична оптимізація системи була завершена наприкінці 2006 року; таким чином, 2007 рік став першим роком експлуатації після модернізації. Для порівняння витрат використовувався 2005 календарний рік, оскільки погодні умови в опалювальний період 2005 та 2007 років були більш схожими, ніж у 2006 та 2007 роках.
2 Скорочення споживання газу було досягнуто за рахунок
a) гідравлічне балансування всієї системи опалення (частина теплової енергії раніше не використовувалася)
б) Заміна одноступеневого котла пікового навантаження на модулюючий газоконденсатний котел
3 – 6Збільшення часу роботи ТЕЦ і, як наслідок, збільшення виробництва електроенергії на ТЕЦ було досягнуто завдяки наступним заходам:
I. Оптимізоване управління буферним сховищем за рахунок
a) гідравлічне балансування
б) Утилізація повернення шляхом використання багатопортових змішувальних колекторів і трикамерних колекторів
c) Двозонне завантаження та розвантаження буферної ємності за допомогою багатопортового змішувального колектора
II. інтеграція котла пікового навантаження таким чином, щоб він подавав воду безпосередньо в розподільчу мережу на стороні подачі, а не в буферний накопичувальний резервуар
7 Споживання газу на опалення = загальне споживання газу - споживання газу на ТЕЦ для виробництва електроенергії
8 Споживання котельного газу = споживання опалювального газу - споживання газу ТЕЦ для виробництва теплової енергії
9 Збільшення часу роботи ТЕЦ для покриття базового теплового навантаження зменшило час роботи газового конденсаційного котла, що використовується як котел пікового навантаження.
10 – 12 Збільшення виробництва електроенергії на ТЕЦ зменшило витрати на закупівлю електроенергії.
13 – 16 Розрахунок базується на цінах на енергоносії за 2007 рік.
17 Гідравлічна оптимізація всієї системи знизила експлуатаційні витрати на газ та електроенергію на 5 613,67 євро на рік
Менше споживання газу, але більше виробництва електроенергії
Той факт, що основна увага була зосереджена на лічильнику електроенергії, а також на споживанні газу, пояснюється встановленою невеликою когенераційною установкою, яка покриває як базове теплове навантаження, так і виробляє електроенергію: за умови достатньо низьких температур зворотної води досягається довший час роботи когенераційної установки, а отже, і більший обсяг виробництва електроенергії. Значення споживання газу та електроенергії, час роботи когенераційної установки та котла (пікове навантаження), а також вироблена когенераційною установкою електроенергія показують, який ефект дала оптимізація енергоспоживання. Вольфганг Міка, менеджер зі збуту філії компанії Richter + Frenzel, оцінює загальну економію за 2007 рік споживання приблизно в 5 600 євро. "З моменту введення в експлуатацію після модернізації в листопаді 2006 року когенераційна установка працює безперервно, а конденсаційний котел безперервно відводить конденсат. В усій системі підтримується задана температура, і це за мінімальних зусиль з боку інженерів з управління", - говорить Вольфганг Міка про результат гідравлічної оптимізації. Порівняльні дані щодо споживання енергії та часу роботи (таблиця) показують, наскільки збільшилося використання енергії в системі і, як наслідок, зменшилися витрати. "Заходи, впроваджені для зменшення витрат на електроенергію, були зосереджені виключно на гідравліці системи, за винятком заміненого котла для пікових навантажень. Вони включали гідравлічне балансування системи, реалізацію використання зворотного потоку та двозонне завантаження і розвантаження буферного накопичувача. Тепер теплоелектростанція забезпечує більше половини виробництва тепла завдяки безперервній роботі; крім того, виробляється більше електроенергії. Утилізація зворотної води та ефективне управління буферною ємністю забезпечують оптимальні умови для роботи когенераційної установки та конденсаційного котла", - підсумовує Ганс-Георг Баунах.
Завантажити технічну статтю у форматі PDF
