Проблему вирішено
Гідравлічне балансування: трюк з обмеженням температури зворотного потоку
Неодноразово затребувана, але рідко виконувана професійно: Хоча гідравлічне балансування є, ймовірно, найефективнішим низькоінвестиційним заходом з енергоефективності, воно, як правило, здійснюється лише наполовину, особливо при реконструкції старих будівель, через різні невідомі фактори. Абсолютно новий метод, який вражає як своєю простотою, так і своєю ефективністю, тепер пройшов свої польові випробування для теплої підлоги. Зокрема, в будинку церковного консультанта з питань енергетики в Нижній Франконії.
Чи був християнський імператив "збереження створіння" вирішальним фактором у його прихильності до енергоефективних будівельних технологій, з'ясувалося під час візиту пастора до SHT. Крістоф Берхаузен у франконському містечку Майбах. Близько 30 років тому Вселенська Рада Церков вписала цей імператив, так би мовити, в програми політичних партій і таким чином апострофувала етику як потужний наріжний камінь для сталої екологічної політики. Однак під час розмови з південнонімецьким богословом здається, що не метафізика, а фізика спонукає його не лише проповідувати ефективність, але й компетентно демонструвати її своїм прихожанам: Він просто має сильну схильність до технологій. Схильність, яка не задовольняється рівнем обдарованого мирянина. Крістоф Бергаузен заглибився в предмет. Зрештою, він отримав високе посвячення від Ремісничої палати Нижньої Франконії, перед цим склавши "іспит з усіма принадами" (Bärhausen), щоб стати консультантом з питань енергетики (HWK). У цьому світлі в його роботі переплітаються фізика і метафізика: сьогодні священнослужитель робить практичний внесок у збереження творіння у власному будинку і через "будівельні послуги" працює в громаді.
Рис. 1: Загалом будинок забезпечується дев'ятьма опалювальними контурами: п'ять на першому поверсі та чотири на верхніх поверхах. Кожен опалювальний контур має власний обмежувач температури зворотної лінії (на нижньому патрубку зворотного колектора). Фітинги RTB також встановлені в стояках зліва до радіаторів на верхньому поверсі. Крім того, передбачається під'єднання радіаторів, які зараз є надмірно великими через енергоефективну реконструкцію верхнього поверху, безпосередньо до подачі та обратки підлогового контуру як низькотемпературні теплообмінники. Динамічно керовані регулятори RTB гідравлічно вирівнюють установку. Три сервомотори праворуч реагують на імпульси від електричних кімнатних термостатів.
Керуючись недовірою
Спочатку погляд у минуле: незадовільна інтеграція сонячної системи через буфер в систему масляних котлів його житлового будинку вперше зіштовхнула його з законами гідравліки і усвідомленням того, що саме вона, гідравліка, повинна бути найпершою відправною точкою для оптимізаційних заходів. Як слід структурувати температурну стратифікацію, зарядку і розрядку, щоб мінімізувати сонячне випромінювання?
Пасторальний консультант римо-католицької церкви вивчав шляхи руху потоків у багатоходовому змішувачі "rendeMIX", який з'явився на ринку близько 15 років тому і на який йому звернув увагу друг-інженер. Він встановив його. Розробка Baunach з внутрішніми байпасами врівноважує різні об'єми води, дозволяючи, наприклад, зворотний потік високотемпературного контуру (радіатора) використовувати як потік для теплої підлоги. Або ж він спочатку забирає незмішану воду з двозонного або багатозонного котла - таким чином зберігаючи цінну високотемпературну ексергію - перед тим, як змішати гарячу з холодною. Намагаючись стабілізувати розподіл у стратифікованому накопичувальному баку, він також збільшує вихід сонячної енергії, оскільки сам бак все ще поглинає тепло колектора на кілька градусів вище за холодний завдяки своїй холодній зоні.
Поточна проблема
Успіх модернізації змішувача в той час був продемонстрований лічильником тепла на системі в Берхаузені. Він працював повільніше. Позитивний досвід підтвердив енергетичному консультанту важливість правильної та чутливої гідравліки. Водночас, однак, це змусило його засумніватися в ефектах економії від інших заходів, таких як підвісний дерев'яний фасад з 21 см ізоляції між облицюванням і каменем, ремонт даху, ізоляційне скління і зменшення теплового мосту, які мали на меті підняти приватний будинок з часів, що передували першому Постанові про теплоізоляцію, до рівня стандарту KfW 55. Як регулювати потоки води у старій будівлі з великою кількістю контурів для вітальні, спальні, дитячої кімнати та кабінету, для кухні та ванної кімнати, для приміщень під дахом з великими радіаторами, для теплої підлоги у вітальні, щоб задовольнити зменшений попит?
Рисунок 2: Типова південнонімецька архітектура: підлога з підігрівом внизу, радіаторне опалення на верхніх поверхах.
Рис. 3: Налаштування температури зворотного теплоносія на RTB в діапазоні від 17 до 22 °C, залежно від розміру приміщення та теплообмінника, використання та бажаної температури. За точне налаштування відповідає користувач.
Зі старими термостатичними клапанами без можливості попереднього налаштування витрати? Але навіть ті, що мають попереднє налаштування, реагували б відносно статично "відкрито" і "закрито" і не могли б ефективно і динамічно регулювати мінливі впливи та умови з точки зору об'єму води. Правила надання субсидій KfW передбачають гідравлічне балансування - і, як уже зазначалося, для Крістофа Берхаузена це було обов'язковою умовою.
Динамічний замість статичного
Так сталося, що слюсар-сантехнік і генеральний директор Ганс-Георг Баунах з компанії HG Baunach GmbH & Co. KG з міста Хюккельховен поблизу Аахена, вже деякий час думав у подібному напрямку. Його випробування та успіхи з "rendeMIX" навчили його, що ручне гідравлічне балансування залишається сумішшю спроб і помилок - якщо його взагалі намагаються застосовувати. Класичному методу також доводиться миритися з тим недоліком, що пристосування літрів до фіксованої швидкості потоку втрачає частину потенційного прибутку. Однак багатопортовий кран "rendeMIX" від Baunach не призначений для цього завдання. Він призначений для змішування води різної температури, а не для регулювання потоків води. Тому інженер шукав інше рішення проблеми регулювання. Воно мало бути одночасно оптимальним і простим.
"Простий" у двох відношеннях: торгівля повинна його прийняти, а ціна, скажімо так, повинна підвищити його прийняття. Розрахунок не повинен ґрунтуватися на економії робочого часу порівняно із зусиллями, необхідними для звичайного коригування. Навряд чи якась компанія зробить такий розрахунок. Це може бути лише однопарний європродукт. Ідея обмеження температури зворотної лінії як системи теплогідравлічного балансування виявилася успішною. Вже близько року працюють різні пілотні проекти, в тому числі і система Берхаузена. Це не що інше, як, як випливає з назви, обмежувач температури зворотної лінії: клапан RTB для встановлення на зворотному трубопроводі опалювального контуру після теплообмінника.
Рис. 4: Потенційні теплові містки біля вікон і балконних дверей мінімізовані за допомогою ізоляційного заповнення таким чином, щоб вони не порушували вимоги KfW 55.
Рисунок 5: Опалювальна житлова площа становить 160 м2з яких 120 м2 Підлога з підігрівом та радіатори на горищі. Вентиляційні клапани децентралізованих вентиляційних установок поруч з вікнами. На фото Крістоф Берхаузен.
Конструктивною змінною є лише номінальний діаметр зворотного потоку. Клапан працює термодинамічно. Іншими словами, він постійно підлаштовує витрату до заданого значення на регульованому датчику температури зворотної лінії: якщо температура підвищується, він зменшує витрату через нагрівальні спіралі в підлозі; якщо знижується, він забезпечує більшу циркуляційну витрату. Таким чином, він повністю самостійно виконує гідравлічне балансування контурів або регулювання потоку через низькотемпературний радіатор або підлоговий теплообмінник відповідно до температури в приміщенні. Орієнтований на кімнатну температуру: Як і раніше, можна налаштувати за допомогою термостатичного клапана на радіаторі або альтернативної системи індивідуального регулювання, але тепер об'єм потоку узгоджується з заданим значенням температури повітря в приміщенні за допомогою температури зворотного потоку. Без будь-якого фізичного з'єднання обидва клапани узгоджуються один з одним.
Зображення 6: Будинок опалюється (старою) когенераційною установкою на рослинній олії, яка спочатку планувалася для підключення до місцевої тепломережі, але це не було реалізовано. Безнапірний комбінований буферний балон (1000 л) також з'єднаний з дров'яною піччю з водяним контуром, яка також могла б обігрівати всі кімнати. Надлишковий тиск у балоні не повинен перевищувати 0,1 бар. З цієї причини він гідравлічно від'єднаний від системи опалення через теплообмінник (крайній зліва). Нижній "rendeMIX" відповідає за двозонне завантаження комбінованого буферного накопичувача з вбудованими теплообмінниками. Стратифікація гарантує достатню кількість гарячої води для кухні та ванної кімнати. Верхній багатопортовий змішувач був використаний для ефективної інтеграції сонячної теплової системи в поєднанні з котлом пікового навантаження на той час.
Ідеально, тому що без жодних розрахунків
Як це працює? Емпіричні значення, пов'язані з приміщенням, також повинні використовуватися для базового налаштування на RTB, як це зазвичай відбувається з термостатичними клапанами. Приклад: У спальні має бути 18 °C. Вважається, що термостатичний клапан встановлений на рівень 3. Рівень 5 або 23 °C на шкалі на RTB може бути достатнім для цих 18 °C на стороні подачі. Як я вже казав, налаштування залежить від теплових властивостей будівлі. Ближче до вечора зовнішня температура та температура в приміщенні знижуються. Клапан радіатора відкривається. Без RTB повний номінальний потік майже спонтанно протікав би через поверхню нагріву і, таким чином, впливав би на інші контури. З іншого боку, RTB чекає.
Технічні характеристики клапанів
Наразі на ринку представлені обмежувачі температури обратки для контурів теплої підлоги (RTB-Fbh) та версія для теплогідравлічного балансування теплообмінників на побутових накопичувачах гарячої води, повітронагрівачах, теплообмінниках басейнів та вентиляційних системах (набір для балансування RTB). Наразі проходять випробування фітинги виключно для радіаторних систем опалення. Варіант для теплої підлоги, як у будинку в Берхаузені, складається з латунної основи та термостатичної головки з інтегрованим датчиком температури. Як і у випадку з термостатичними клапанами, задане значення обратки, яке синхронізується з температурою повітря в приміщенні, встановлюється за допомогою ковпачка, що обертається у верхній частині. RTB підтримує і прискорює ефект саморегулювання теплої підлоги. Його зворотна температура підвищується при підвищенні температури в приміщенні, тобто надлишкова температура нагрівальної поверхні в порівнянні з температурою в приміщенні зменшується. Звичайний двоточковий індивідуальний кімнатний регулятор, який може тільки вмикати і вимикати контур, в цьому випадку блокує потік. Якщо контролер відкривається, він пропускає весь об'єм води через контур, тобто не перешкоджає об'ємному потоку. Ось чому всі контури теплої підлоги повинні бути складно розраховані, а розраховані об'єми води потім регулюються за допомогою електроприводу. Це дуже трудомісткий метод. І, звичайно, всі налаштування впливають одне на одного: як тільки запалюються останні три контури, струм, який повинен протікати через перший контур, гарантовано змінився. Процес нагадує рівняння з багатьма невідомими. Точка оптимуму - справа випадку.
З іншого боку, завдяки обмеженню температури обратки у вигляді пропорційного клапана RTB, через часткові зони завжди циркулює саме та потужність, яку повинна забезпечувати дана ділянка. Температура зворотного потоку як регулююча змінна динамічно регулює витрату теплоносія. Для практичного застосування компанія Baunach рекомендує встановлювати RTB безпосередньо на зворотному колекторі колектора. Номінальний розмір клапана DN 15, втрата тиску 100 мбар при витраті 0,40 м3/год, значення Kvs 1,3 м3/год, діапазон налаштування температури зворотної лінії від 0 до 40 °C, допустимий робочий надлишковий тиск 10 бар. Друга модель, балансувальний комплект RTB для автоматичного теплогідравлічного балансування витрат теплообмінників в резервуарах для зберігання питної води, повітронагрівачах, теплообмінниках плавальних басейнів і вентиляційних системах, доступна в трьох розмірах: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 і 6,7, потужність при 20 K Delta T 18, 42 і 49 кВт. Діапазон температур обратки від 20 до 70 °C.
На відміну від RTB-Fbh, дистанційний датчик з капілярною трубкою прикріплений до термостатичної головки, що дозволяє розміщувати датчик в будь-якому місці зворотного потоку теплообмінника. Обидва варіанти, як для теплої підлоги, так і для різних теплообмінників і повітронагрівачів, працюють виключно термогідравлічно, без зовнішньої енергії. Вони не закриваються повністю. Мінімальна витрата 1 % від номінального значення гарантується таким чином, щоб датчик завжди був занурений у зворотну воду.
Він злегка відкривається, якщо температура обратки має тенденцію до зниження через падіння зовнішньої температури, і зменшує витрату, якщо кімнатний термостат відкрився повністю, тобто виміряне значення на датчику RTB тепер прагне піднятися вище заданого значення. Це означає, що опалювальна вода не відбирається з інших опалювальних контурів. Їхні датчики RTB, природно, також реагують на це, відкриваючи перерізи. Вся система стабілізується автоматично. Принцип регулювання потужності високоефективних саморегульованих циркуляційних насосів залишається незмінним. Вони автоматично пристосовують свою потужність до перепаду тиску. Крістоф Берхаузен у захваті: "Раніше ми не могли з цим впоратися. У верхніх кімнатах кімнатні терморегулятори чергувалися між повністю відкритими та повністю закритими, а великі опалювальні поверхні висмоктували воду з інших або перевантажували їх. Ми так і не змогли рівномірно прогріти всі кімнати, незважаючи на спроби гідравлічного балансування.
З RTB кількість води залишається обмеженою. Ми самі виконали точне регулювання. Верхню частину клапана потрібно лише злегка і лише один раз відрегулювати до налаштування, яке забезпечує бажану температуру в приміщенні. Безумовно, вам доведеться його підкручувати. Але це потрібно робити з кожним термостатичним клапаном".
Успіх на слух
Для інших запланованих заходів з модернізації будинку консультант з енергозбереження відмовляється від попередньо встановлених радіаторних клапанів, "тому що вони пропускають лише постійну кількість теплоти. Вони не працюють динамічно. Для попереднього налаштування мені довелося б провести розрахунок опалювального навантаження для кожної кімнати. З RTB мені не потрібно цього робити. Зараз достатньо класичних радіаторних термостатів". Домовласник впевнений, що лише теплогідравлічне балансування призведе до помітного скорочення витрат на рослинну олію для його когенераційної установки. Спочатку планувалося, що ця установка постачатиме тепло деяким сусідам з місцевої тепломережі. Однак згодом вони відмовилися, але з певних причин масляний котел був замінений на когенераційну установку. Вже під час першого етапу програми енергетичного лісовідновлення, протягом шести місяців, коли були встановлені лише RTB, котел працював помітно менше. "Принаймні щось змінилося на слух.
Рисунок 7: Випробування обмежувача температури зворотної води на хімічному заводі в Лімбурзі, Бельгія, з термопарою RTB після кожного з 30 вентиляторів, що подають гарячу воду. Термопара запобігає підвищенню температури зворотної води понад 45 °C через низький відбір тепла з теплообмінника, оскільки збільшений перепад тиску регулює швидкість подачі циркуляційного насоса. Це робить зворотну воду придатною для конденсації.
Я не можу придумати поправку на градусо-години, але ситуація виглядає наступним чином: відповідно до загального досвіду, кращий розподіл тепла економить в середньому від 10 до 15 1ТП3Т теплової енергії. Це буде справедливо і для нас, оскільки ТЕЦ запускалася набагато рідше одразу після того, як були скориговані температурні графіки. До речі, ми помітили цей ефект вже вдруге. Ми також помітили це під час роботи масляного котла, після встановлення арматури "rendeMIX" в сонячному контурі. Об'єм комбінованого буферного накопичувача використовувався краще, він віддавав тепло набагато довше, а котел перезаряджався рідше".
Доопрацювання резидентами
Виборчий француз засукав рукава. У нього є робота. Труби в котельні треба ізолювати. "Те, що ви тут бачите, насправді не є сучасною системою опалення в повному розумінні цього слова. Все було зібрано, перероблено, але при цьому все чудово працює". Біля розподільчого щитка на першому поверсі він пояснює налаштування: "Зараз ми бачимо чотири кімнати: велику кімнату, південну кімнату і ванну, північну кімнату. Остання ніколи не досягала потрібної нам температури.
Електричні приводи в шафі колектора з'єднані з кімнатними термостатами в трьох кімнатах. У ванній кімнаті завжди має бути трохи тепліше, тому вона повністю відкрита від потоку. Завдяки можливостям налаштування на регуляторах RTB ми можемо нарешті точно регулювати температуру в кімнатах. Оскільки раніше ми використовували велику кімнату як спальню, труби опалення в підлозі знаходяться відносно далеко одна від одної. Тому я відрегулював подачу до 20 градусів. Для двох інших кімнат достатньо 15 або 16 градусів, а у ванній кімнаті я встановив температуру обратки 22-23 градуси. Температура подачі для всіх приміщень становить 30 °C. Підвищивши середню температуру між подачею та обраткою у ванній кімнаті до 26 °C, я утримую її на рівні близько 24 °C. Аналогічне міркування щодо середньої температури стосується і "великої кімнати".
Трохи терпіння
Пане Берхаузен, виходячи з вашого досвіду, що ви повинні сказати проектувальникам або виробникам систем про обмеження температури зворотного трубопроводу? "Насправді нічого. Як я вже сказав, система самовирівнюється. У такому вигляді не існує попередніх налаштувань. Ви повинні підійти до цього з певною чутливістю і подивитися на приміщення, його використання, розташування з півночі/півдня, теплообмінники/радіатори і попередньо налаштувати значення.
Рисунок 8: Дві децентралізовані однокімнатні вентиляційні системи з керамічними рекуператорами тепла встановлені в кожній кімнаті. Вони працюють по черзі як припливні та витяжні, перемикаючись з режиму витяжного повітря на режим припливного кожні 70 секунд. Для типу Vento-Expert виробник Blauberg вказує витрату повітря до 50 м3/год і ефективність рекуперації тепла 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Кожен користувач або власник будинку може самостійно регулювати температуру. Трохи обережніше з підігрівом підлоги. Це повільна система, тому вона потребує трохи більше часу. Якщо ви регулюєте RTB, можливо, на два градуси, вам слід набратися терпіння на день-два і лише потім подивитися на ефект. Але вам не потрібен розрахунок. Наскільки я знаю, це єдина система, яка так працює. З усіма іншими методами гідравлічного балансування мені доводиться враховувати розмір радіатора та інші фактори і приводити їх у взаємодію, щоб відповідно відрегулювати попередньо встановлені клапани або зональні клапани. І тоді вони майже налаштовані. Чи буде це працювати - не гарантується. Тут оператор виконує перенастроювання, але встановлює його на задане значення температури, а не на перетин і, отже, на задане значення витрати. RTB шукає це сам".
Зразок підтвердження для KfW
KfW погодив процедуру гідравлічного балансування з VDZ, головною організацією з інжинірингу інженерних систем будівель, яка має бути задокументована у відповідній формі. Втім, KfW не заперечує проти нововведень. Він заявляє, що можна відхилитися від зазначеної процедури, якщо альтернативою може бути пункт 5.25 "Вступне застереження для інноваційних технологій" брошури, що відповідає за заходи з енергоефективності (публікація KfW 600 000 3140). Компанія Baunach підготувала відповідний зразок для інженерів-теплотехніків, клієнти яких бажають отримати фінансування KfW/Bafa і які вимагають підтвердження гідравлічного балансування.
Бернд Генат
Завантажити технічну статтю у форматі PDF
