Важливий не лише обсяг сховища
Дослідження існуючої системи опалення з буферною ємністю:
Більша буферна ємність з двозонним завантаженням і розвантаженням
Інститут будівельних та енергетичних систем Університету прикладних наук м. Біберах спільно з виробником HG Baunach дослідили, як можна оптимізувати ефективну ємність накопичувача на існуючій системі опалення з буферним накопичувачем. Об'єктом дослідження була система опалення в шестиквартирному будинку, що належить підрядній організації SHK. Досліджено вплив режиму завантаження та розвантаження на кількість корисного тепла. Результат - значно більша ємність зберігання після переобладнання буферного резервуару на двозонне завантаження та вивантаження.
Зображення 1: Підрядник з опалення, вентиляції та кондиціонування Гюнтер Мук у котельні орендованого ним шестисімейного будинку. Після переходу на двозонне завантаження та розвантаження буферного накопичувача когенераційна установка працює як моновалентний теплогенератор при температурі зовнішнього повітря до -10 °C.
У системах опалення буферні накопичувачі мають завдання поглинати тепло, зберігати його з якомога меншими втратами і віддавати споживачеві на необхідному температурному рівні. Має сенс тимчасово зберігати тепло,
- коли теплопостачання та попит на тепло виникають у різний час,
- мінімізувати цикли перемикання теплогенераторів, таких як ТЕЦ, котли на біомасі або теплові насоси,
- для оптимізації використання теплової енергії, виробленої сонячними тепловими системами або роботою теплоелектроцентралей.
Однак, якщо сонячне тепло часто вмикається і вимикається або використовується недостатньо, причиною, як правило, є не розмір буферного бака, а кількість тепла, яку можна з нього отримати.
Буфер зберігає занадто мало тепла
Гюнтер Мук, підрядник з ОВіК, дотримувався цього припущення, коли відвідував спеціалізовану лекцію Г. Г. Баунаха про гідравлічну оптимізацію систем опалення в гільдії ОВіК у Швайнфурті. Його орендований багатоквартирний будинок у Діттельбрунн-Гамбах, на північ від Швайнфурта, опалюється за допомогою міні-ТЕЦ (рис. 1). Вона опалює шість орендованих квартир і складські приміщення, що належать до його бізнесу в галузі опалення, вентиляції та кондиціонування.
Рисунок 2: Короткі цикли вмикання теплогенератора до переходу на двозонне заряджання та розряджання (ліворуч) свідчать про низьку ефективну акумулюючу здатність буферу. Після переходу на двозонне завантаження та розвантаження відбувається лише один запуск ТЕЦ на добу (праворуч).
Буферний бак об'ємом 1000 літрів інтегрований як гідравлічний роздільник між теплогенераторами та системою розподілу тепла. Гюнтер Мук розрахував потребу в опаленні (на той час ще відповідно до DIN 4701) у 18,1 кВт для будівлі, яка була побудована в 1996 році. У результаті розрахунків було обрано ТЕЦ Senertec видає 12,5 кВтthТакож було встановлено газовий конденсаційний котел для покриття пікових навантажень. Споживачами тепла в будівлі є радіатори з конструкцією 70/50 °C. Як завжди, буферна інтеграція була спроектована таким чином, щоб подача була підключена зверху, а обратка - знизу. Однак Гюнтер Мук не був задоволений роботою системи на сьогоднішній день, оскільки когенераційна установка мала до п'яти процесів запуску-зупинки протягом 24 годин (рис. 2).
Під час лекційного заходу в Швайнфурті він дізнався з розмови з Гансом-Георгом Баунахом, що той шукає існуючі системи, які підходять в якості тестових об'єктів для багатопортового змішувача "rendeMIX". В рамках співпраці між ХГ Баунах та Інститутом будівельних та енергетичних систем Університету прикладних наук Бібераха, Баунах ініціював дослідження системи буферного накопичувача. Метою було досягти більш ефективного використання об'єму накопичувача і, таким чином, оптимізувати час роботи ТЕЦ.
Система опалення як випробувальна лабораторія
Рисунок 3: Графіки показують розподіл температури в ідеально перемішаному (л.), ідеально стратифікованому (м.) та лінійно стратифікованому резервуарі (р.). З теоретичної точки зору, реальний режим роботи найкраще описується моделлю лінійно-стратифікованого резервуара.
В Університеті прикладних наук Бібераха Крістіан Дітріх, майбутній дипломований інженер з будівельної кліматології, працював над темою "Оптимізована інтеграція буферних накопичувачів в гідравлічні системи" в рамках своєї дипломної роботи. Початковий підхід до дослідження ефективності акумулювання полягав у тому, щоб визначити, скільки кВт-год тепла в ідеалі може бути збережено в буферному об'ємі 1000 літрів і скільки з них може бути реально використано. За ідеальних умов об'єм накопичувача при температурі теплоносія на вході в ТЕЦ 90 °C і температурі теплоносія на виході з опалювального контуру 50 °C давав би теоретичну ємність накопичувача 47 кВт-год. Однак цикли вмикання когенераційної установки в багатоквартирному будинку Гюнтера Мука не відповідали цим теоретичним міркуванням (рис. 3). Це вказувало на те, що ефективна накопичувальна ємність - ефективно доступна теплова енергія по відношенню до вмісту буферного накопичувача - повинна бути значно зменшена. Щоб визначити це, система опалення власника будинку на кілька місяців стала випробувальною лабораторією: існуючі триходові змішувальні клапани були замінені на багатоходові змішувальні колектори. На накопичувальному баку та трубопроводах були встановлені датчики температури та об'ємні витратоміри.
Діаграма ефективності зберігання виявляє слабкі місця
Рис. 4: Котельня як випробувальна лабораторія: Під час поточного дослідження роботи системи з двома різними методами завантаження буферу, дані вимірювань безперервно записувалися і передавалися за допомогою дистанційної передачі даних в Університет прикладних наук Бібераха для оцінки.
На початковому етапі випробувань розподільники змішування "rendeMIX" були спочатку налаштовані таким чином, щоб процес завантаження і розвантаження відповідав попередній схемі з використанням триходових змішувачів. З середини жовтня 2007 року до середини лютого 2008 року комп'ютер, встановлений у котельні, реєстрував дані вимірювань, щоб дослідити поведінку завантаження та розвантаження (рис. 4а + 4б). За спостереженнями Гюнтера Мука, протягом цього часу переважали майже всі типові погодні умови опалювального періоду.
Дані вимірювань були передані до Університету прикладних наук Бібераха за допомогою дистанційної передачі даних і проаналізовані там Крістіаном Дітріхом. Це дозволило аспіранту відстежити фактичну ефективність зберігання. Дітріх розробив спеціальну форму візуалізації, яка називається діаграмою ефективності зберігання. На цій діаграмі висота резервуара відкладається на вертикальній осі Y, а температура - на горизонтальній осі X. Кілька датчиків температури були розміщені по висоті буферного циліндра (рис. 5). На основі координат температури та висоти буферного резервуару можна графічно представити ємність буферного резервуару у вигляді площі при введенні в діаграму ефективності буферного резервуару (рис. 6).
Рисунок 5: Щоб дослідити ефективність накопичувального резервуару, на 1000-літровому буферному резервуарі було розміщено кілька температурних датчиків, розподілених по висоті резервуару.
Результат: ефективна ємність сховища при звичайному розряді становила близько 17 кВт-год і, таким чином, була в 2,7 рази нижчою за теоретично корисну ємність сховища в 47 кВт-год.
Отримайте більше тепла з тієї самої буферної ємності
Рисунок 6: Порівняння до і після показує відповідну ефективну ємність буферного накопичувача зі звичайною інтеграцією (ліворуч) і після переобладнання на двозонну зарядку і розрядку (праворуч).
Рисунок 7: Діаграма ефективності накопичувача, спеціально розроблена аспірантом Крістіаном Дітріхом, показує кількість тепла, яка може бути ефективно використана в буферному накопичувачі по висоті накопичувача.
Наступним кроком у дослідженні було проаналізувати, які параметри впливають на ефективне використання ємності сховища. Фактичне завантаження і розвантаження, показане на рисунку 7 (схема резервуара праворуч), неминуче призводить до перемішування в буферному резервуарі, що значно обмежує кількість тепла, яке може бути ефективно використане. В існуючій системі такий тип завантаження та розвантаження буферного резервуару регулярно руйнував стратифікацію. Перемішування під час завантаження та розвантаження призводить до того, що температура в нижній частині буферного резервуару підвищується, а у верхній - знижується. Це дозволяє зробити висновок, що ефективність гідравлічного буфера значною мірою залежить від розподілу температури в буферному циліндрі. На ефективність накопичувального бака впливають
- температура потоку теплогенератора, яка повинна бути якомога вищою,
- температура зворотного контуру споживача, яка повинна бути якомога нижчою,
- а також умови і швидкості потоку на вході в буферний резервуар.
Завантаження і розвантаження розподілені на дві зони
Рисунок 8: Для двозонного завантаження і вивантаження буферного резервуара існуючі триходові змішувачі були замінені на багатоходові змішувальні колектори rendeMIX 3×4.
Замість триходових змішувачів, багатоходовий змішувач інтегрований як в контур теплогенератора, так і в контур споживача. Для подальшої частини випробувань стратегія заряджання була змінена на режим роботи "двозонного заряджання та розряджання". Для цього вже встановлені багатоходові змішувачі були переобладнані шляхом заміни приводів таким чином, що в залежності від заданих параметрів гаряча вода тепер змішується з теплою водою або тепла вода з холодною водою замість гарячої води з холодною водою. Це змінює поведінку завантаження і розвантаження буферної ємності: при завантаженні спочатку завантажується верхня буферна зона (гаряча), яка в результаті нагрівається швидше. Нижня зона довше залишається холодною. При розвантаженні тепло спочатку відводиться з нижньої буферної зони через центральне (!) з'єднання циліндра, яка в результаті швидше охолоджується. Таким чином, верхня буферна зона довше залишається на високому температурному рівні.
Багатоходові змішувачі (рис. 8) керуються за допомогою триточкового сигналу (230 В), так само, як і раніше використовувані триходові змішувачі. У той час як температура подачі в опалювальному контурі під час розвантаження змінюється відповідно до погодних умов, температура зворотної лінії в теплогенераторі під час завантаження встановлюється на фіксоване задане значення. Таким чином, двозонне завантаження замінює необхідне в іншому випадку підвищення температури зворотного потоку.
В ході дослідження також з'ясувалося, що розташування температурних датчиків на накопичувальному баку має значний вплив на ефективність зберігання. Когенераційна установка Senertec в системі має два окремі температурні датчики, які повинні бути встановлені на різній висоті на буфері. Якщо температура падає нижче заданого значення на верхньому датчику, установка запускається. Якщо температура падає нижче заданого значення на нижньому датчику, машина вимикається. Як показав аналіз Крістіана Дітріха, двозонне заряджання та розряджання збільшило ефективну ємність зберігання приблизно на 60 % з 17 кВт-год до 27,4 кВт-год. Якби нижній датчик на накопичувачі також був переміщений нижче, корисна ефективність буферу в цьому випадку могла б бути збільшена ще на 30-50 %.
Двозонний принцип застосовується до будь-якої гідравлічної системи
Рис. 9 + 10: Якщо під час двозонного розвантаження буферного баку температура в центрі баку вища за температуру потоку від споживача, вода видаляється з центрального з'єднання буферної ємності, а потім змішується з зворотною водою від споживача до потрібного рівня температури. Якщо температура в центральному патрубку буферної ємності падає нижче температури потоку під час розвантаження, температура підвищується шляхом підмішування більш теплої води з верхньої частини ємності. Таким чином, нижня частина баку може бути майже повністю розвантажена до температури зворотної води.
Підрядник з ОВіК та домовласник Гюнтер Мук помітив вплив збільшеної ємності акумулятора на цикли перемикання міні-ТЕЦ: після переходу на двозонне заряджання та розряджання (рис. 9) установка запускається лише один раз на добу, але це відбувається за рахунок примусового вимкнення двигуна з 24-годинним інтервалом. За його спостереженнями, ТЕЦ зараз працює переважно як одновалентний теплогенератор. Газовий конденсаційний котел, який використовується для пікового навантаження, вмикається лише за температури зовнішнього повітря близько -10 °C, хоча в січні 2009 року він працював лише чотири дні. Зміна режиму роботи буферного накопичувача також позитивно вплинула на енергоефективність будівлі: Відтоді Гюнтер Мук отримав енергетичний сертифікат для шестисімейного будинку, який засвідчує, що будівля значно покращила свою енергоефективність.
Однак проаналізована система опалення з когенераційною установкою, газовим конденсаційним котлом і радіаторним контуром опалення є лише одним із прикладів можливого застосування двозонного принципу. Наприклад, у системах панельного опалення можна досягти ще нижчих температур зворотної води, оскільки найнижча температура зворотної води з контуру споживача тепла потрапляє у зворотну лінію теплогенератора і не змішується з більш теплою зворотною водою по дорозі. Двозонне заряджання і розряджання можна також перенести на будь-яку іншу гідравлічну систему, яка працює з буферним накопичувачем, наприклад, для інтеграції відновлюваних джерел енергії або систем охолодження.
Наш автор, професор, д.т.н. Александер Флосс, заснував у 1995 році власне бюро з проектування систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, яке зараз займається експертними звітами, консалтингом та розробкою продуктів. З 1999 року він очолює кафедри теплоенергетичних систем та системного планування на програмі "Будівельна кліматологія та енергетичні системи" в Університеті прикладних наук м. Біберах. Флосс також очолює тамтешній Інститут будівельних та енергетичних систем, телефон (0 73 51) 58 22 56, електронна пошта floss@hochschule-bc.de.
Наш автор Вольфганг Хайнль - позаштатний журналіст і PR-менеджер, керує редакцією, що спеціалізується на секторі HVAC та інжинірингу будівельних послуг, 88239 Ванген, Німеччина, тел. (0 75 22) 90 94 31, e-mail: wolfgang.heinl@t-online.de.
Завантажити технічну статтю у форматі PDF
