L'idraulica resa visibile
Senza allineamento è come un'orchestra senza direttore - Un seminario ad Arnsberg
La necessità di informazioni nel SHK-Il settore della formazione è enorme. Tuttavia, la formazione continua non deve essere necessariamente confezionata in una serata sociale riccamente progettata. Se l'argomento è l'area problematica standard - l'idraulica - e viene invitata un'istituzione non orientata alla vendita, come una camera dell'artigianato o le comunità delle nuove energie, la sala di formazione si riempie. Se poi un esperimento nel laboratorio di riscaldamento conferma la teoria, alla fine gli ascoltatori chiedono al conduttore quasi in attesa: "Qual è il prossimo argomento?".
L'area problematica dell'idraulica. Questo aspetto sta crescendo sempre di più con la digitalizzazione in rete e l'Internet delle cose. In futuro, chi acquisterà da un grossista i singoli componenti di un impianto sanitario, di riscaldamento o di condizionamento, acquisterà i pezzi di un puzzle. Come tutti sappiamo, i pezzi si incastrano per formare l'immagine perfetta solo se sono al posto giusto. In termini di idraulica, il posto giusto significa la giusta regolazione. I singoli componenti funzionano al massimo delle loro potenzialità solo se sono perfettamente armonizzati tra loro. Nessuno è in grado di costruire un sistema efficiente con componenti inefficienti. Combinare componenti efficienti per creare un sistema inefficiente, invece, non è la regola, ma nemmeno l'eccezione. "Anche se ogni musicista è un virtuoso, un concerto orchestrale senza un direttore d'orchestra non sarebbe una festa per le orecchie", ha detto il relatore del seminario sull'idraulica presso il centro di formazione professionale della Camera dell'Artigianato della Vestfalia Meridionale ad Arnsberg all'inizio di febbraio, spiegando la necessità di un bilanciamento professionale.
Carico e scarico dei serbatoi di accumulo
Figura 1: Configurazione di prova per carico e scarico a due zone con miscelatore a più vie Camera dell'Artigianato di Arnsberg
I serbatoi di accumulo e la loro carica e scarica più efficiente, ad esempio, non solo dovranno farsi carico dell'approvvigionamento degli edifici in futuro, ma anche della transizione energetica. Non è un'esagerazione. Al momento, l'accumulo di calore funge anche da valvola di sfogo: perché i parchi eolici e solari stanno crescendo più velocemente delle infrastrutture. Dell'espansione delle strade. Gli esperti calcolano un periodo di transizione di ben dieci anni per l'espansione. Ciò significa che le energie rinnovabili dovrebbero essere tolte dalla rete nel prossimo decennio per evitare che la rete sia incandescente. Questo non è nell'interesse della transizione energetica. "Per questo motivo", ha dichiarato di recente Stefan Kapferer, presidente del consiglio direttivo dell'Associazione tedesca delle industrie dell'energia e dell'acqua, "dobbiamo utilizzare ogni piccola misura che alleggerisca la situazione attuale. Tra queste possibilità c'è l'utilizzo dell'eccedenza nelle case, ovvero la conversione in calore". Una cosa è la transizione energetica, un'altra è rendere l'infrastruttura in grado di farlo. E questo include, tra le altre cose, la conversione di energia in calore. Il mondo dell'energia e del riscaldamento in Germania sta diventando sempre più elettrico grazie all'energia eolica e fotovoltaica. Il naturale disaccoppiamento tra domanda e offerta che ne consegue deve essere compensato a livello di sistema. Un riscaldamento conveniente ed efficiente con energia fluttuante è reso possibile dal power-to-heat, ovvero l'accoppiamento settoriale con pompe di calore, sistemi solari termici e accumuli tampone per immagazzinare temporaneamente il calore fino alle ore serali o a un'altra finestra temporale. Più il sistema di controllo utilizza in modo efficiente la capacità di tale accumulo, maggiore è l'efficienza complessiva del sistema.
Per inciso, questo vale per ogni integrazione di un tampone in un circuito di riscaldamento, indipendentemente da chi fornisce il calore: una caldaia a condensazione, legna o pellet, il collettore, la cogenerazione o la pompa di calore. Ma come ci si avvicina all'optimum? È stato proprio questo il tema di Arnsberg.
Figura 2: forze di galleggiamento: più l'acqua è calda, più è leggera
Come si approccia all'optimum?
Cominciamo con una domanda: quanto sono grandi le forze di galleggiamento che stratificano l'acqua calda e quella bollente? L'escursione nell'idraulica di Hans-Georg Baunach di HG Baunach GmbH & Co. KG, ha presentato questi dati poco conosciuti. La galleggiabilità si basa sulle differenze di densità. L'acqua a 0 °C pesa 1.000 g per 1 litro, mentre l'acqua a 100 °C, direttamente al punto di ebollizione, pesa solo 950 g. La differenza di 50 grammi significa che in una vasca di 50 cm di diametro - e quindi con una superficie di circa 2.000 cm² - uno strato d'acqua di 1 cm di spessore con un volume di due litri salirà, grosso modo, con una forza di compressione di 100 grammi - la galleggiabilità dell'acqua bollente in acqua ghiacciata. Non è molto. Anche la minima perturbazione di questo basso momento può privare il contenuto della sua volontà di stratificarsi. Una modesta compensazione: la leggerezza dell'acqua aumenta in modo sproporzionato nell'intervallo di temperatura superiore, da circa 50 °C in su. Nell'intervallo freddo, invece, tra 0 °C e 20 °C, la differenza di densità è relativamente bassa. In altre parole: più calda è l'acqua, più stabile è la stratificazione: e quindi il contenuto di calore utilizzabile di un tampone o la sua capacità di accumulo utilizzabile. Con una miscelazione completa a 50°C, il calore fluisce per così dire all'indietro, contrastando il concetto di sistema. Vale a dire dal tampone alla salamoia a 45°C dell'impianto solare termico collegato, se questo non offre più di 45°C. Se, invece, il contenuto aumenta da 30 a 70 °C, il che significa la stessa quantità di calore del caso precedente, il collettore può trasferire il suo guadagno solare alla zona fredda dello scaldacqua.
Turbolenza distruttiva
Certo, tutto questo non è sconosciuto. Tuttavia, la maggior parte degli ascoltatori ha ammesso che le conseguenze di un errato carico e scarico dei serbatoi di stoccaggio non sono così drasticamente realizzate. O meglio, non traggono la conclusione che la temperatura di ritorno da un sistema di riscaldamento in particolare dovrebbe essere la più fredda possibile. È decisiva per il contenuto di calore utilizzabile. Pertanto, in primo luogo dovrebbe essere molto bassa, in secondo luogo il flusso di ritorno dovrebbe entrare nel tampone molto in basso e in terzo luogo a bassa velocità. In modo da non creare turbolenze. Idealmente, non più di dieci centimetri al secondo. Tuttavia, questo valore non è una variabile di controllo. Perché, ovviamente, qualsiasi turbolenza distrugge la stratificazione. Abbiamo già menzionato le forze di galleggiamento. Essa, la turbolenza, fa letteralmente oscillare il comportamento scorretto del serbatoio, perché la potenza termica del flusso dipende dalla portata e dalla temperatura. Se la portata è di 60 °C e l'acqua di accumulo è disponibile solo a 70 °C, deve circolare una quantità maggiore di acqua miscelata rispetto a un fluido a 80 °C. Un volume maggiore comporta un necessario aumento della velocità di circolazione. Una maggiore velocità di circolazione comporta un aumento della quantità di moto dell'acqua che scorre nel serbatoio e quindi un aumento della turbolenza. L'esperto di idraulica Baunach ha calcolato l'effetto: L'energia cinetica aumenta quadraticamente con la velocità del flusso, di conseguenza la turbolenza aumenta del 77% con un aumento della portata del 33%. Questo agisce come una grande frusta. Mescola tutte le zone di calore per creare solo un piccolo delta T tra la parte superiore e quella inferiore. La conseguenza pratica: "Se la temperatura miscelata nella caldaia, diciamo, non supera i 50 °C, la caldaia si avvia dopo pochi minuti quando si fa la doccia nonostante l'impianto solare. Con una ripartizione 90/30, invece, la caldaia rimane spenta durante le docce e il collettore può essere ancora caricato", spiega Hans-Georg Baunach.
Più efficiente quanto maggiore è la quantità di condensa
Per quasi ogni affermazione ha pronta una diapositiva corrispondente. Non si aspetta che tutto venga immediatamente compreso dal vivo. "In molti corsi di formazione di questo tipo, all'inizio registriamo occhi spalancati, sopracciglia aggrottate e stupore. Da qui la nostra parte pratica. Ciò che sembra molto complicato per una o due persone viene reso più chiaro dall'esperimento di laboratorio. Rende la teoria comprensibile", ha poi riassunto Hans-Stefan Albers il feedback del pubblico. Albers è responsabile del dipartimento di tecnologia idraulica e di riscaldamento presso la Camera dell'Artigianato della Vestfalia meridionale. I seminari sull'idraulica fanno parte del suo programma regolare. Anche se le installazioni vengono smontate di tanto in tanto per lasciare spazio ad altre dimostrazioni, sono di nuovo disponibili per il corso successivo una volta perfezionate. Perfezionato significa, ad esempio, che la telecamera termografica, che attualmente rende trasparente la stratificazione, sarà presto integrata da un data logger con dieci punti di misurazione sopra l'altezza del serbatoio. "Così saremo in grado di presentare ai partecipanti temperature precise", dice Albers.
Guadagno di carico e scarico a due zone
Figura 1: Principio di carico e scarico a due zone con miscelatore a più vie
Se la temperatura dello strato viola è superiore al valore target impostato di questo sensore, segnala "Basta" alla caldaia. Il bruciatore si spegne. Di conseguenza, in pratica, con il principio a zona singola, solo la corsa è disponibile per il sistema di riscaldamento. I due diagrammi per il principio a una zona a sinistra e per il principio a due zone a destra mostrano le condizioni di temperatura durante il riempimento e il consumo. I due quadrati tratteggiati ovunque - con le temperature dell'acqua sull'ascissa e tracciate sopra l'altezza della colonna d'acqua nel serbatoio sull'ordinata - rappresentano la capacità di accumulo teorica. Le sottozone indicate rappresentano il volume termico effettivamente utilizzabile.
Figura 2: Risultati Università di Scienze Applicate di Biberach
La spiegazione della loro geometria e dei singoli punti di misurazione T del test a lungo termine a Biberach viene qui omessa; il fattore decisivo è la diversa superficie: le strategie di carico e scarico con i due miscelatori multiporta nel diagramma di destra sono progettate per un'elevata diffusione nel bollitore. Ad esempio, in un progetto con radiatore e riscaldamento a pavimento, solo il flusso di ritorno a 30 °C del sistema di riscaldamento a bassa temperatura fluisce nella parte inferiore del serbatoio, mentre il flusso di ritorno del radiatore a 50 °C viene convogliato nella zona di miscelazione. Anche nel terzo superiore le temperature rimangono ben stratificate. Il miscelatore di flusso può anche non utilizzare la temperatura più alta, poiché la temperatura della zona centrale è sufficiente. L'unità di cogenerazione guidata dal calore rimane quindi spenta. Se il "Rendemix" preleva acqua di riscaldamento dalla zona centrale, si riduce e fa spazio all'acqua calda della "Dachs". Nel caso standard del miscelatore a tre vie, invece, il ritorno miscelato dei radiatori e del riscaldamento a pannelli ha già una temperatura di oltre 40 °C, a seconda della potenza dei due circuiti di riscaldamento. In primo luogo, ciò va a scapito della diffusione. Non è possibile prelevare nulla direttamente dalla zona calda viola. In secondo luogo, ciò limita lo spazio di stoccaggio dell'acqua calda. In terzo luogo, il miscelatore deve attingere alla preziosa riserva di acqua calda per ogni temperatura di mandata, che la macchina deve poi fornire durante il test.
Figura 3: Riduzione dei cicli di avvio e arresto dell'unità di cogenerazione a parità di tempo di funzionamento
Il risultato: il volume di stoccaggio utilizzabile di un sistema di carico e scarico a due zone con un miscelatore a più vie in una configurazione di sistema come quella della tesi è esattamente 2,4 volte quello della versione a una zona. Al posto del "tetto", che era disponibile a Biberach, si sarebbe potuta utilizzare anche una caldaia. I rapporti sono esattamente gli stessi per una combinazione di caldaia e serbatoio di stoccaggio. Tra l'altro, anche i cicli di avvio e arresto del "tetto" sono stati ridotti di 2,4 volte.
È molto impressionante "vedere la quantità di condensa e poterla utilizzare per calcolare come le basse temperature di ritorno aumentino l'efficienza di un sistema di caldaie a condensazione e, in combinazione con una strategia di carico e scarico a due zone invece che a una zona, la capacità di accumulo di un buffer di acqua calda", ammette il capo dipartimento. I suoi studenti del centro di formazione professionale sono principalmente maestri artigiani. Per avere una prova pratica dell'efficienza dell'impianto idraulico speciale con il metodo Baunach: "È quasi sufficiente mettere le mani sui tubi. Così si può sentire cosa succede" - ha invitato anche la Comunità Energetica del Sud Westfalia, amica della Camera dell'Artigianato. I direttori e i proprietari degli impianti, anche se a metà della loro carriera e quindi con una grande familiarità con l'idraulica, sono rimasti impressionati dai risultati proprio come gli studenti del master.
Figura 3: Immagine termografica del serbatoio di stoccaggio: inizio della stratificazione
Troppo ingombrante a mano
Come già accennato, lo sviluppo di Baunach utilizza un unico raccordo per svolgere i tre compiti dell'ottimizzazione idraulica, in primo luogo l'efficienza del sistema nello sfruttamento del calore, in secondo luogo l'efficienza del sistema nella distribuzione del calore e in terzo luogo l'efficienza del sistema nell'accumulo di calore. L'assemblaggio manuale di questa architettura a partire dai singoli componenti richiede un grande sforzo e una grande esperienza. Con il "rendeMIX" è sufficiente avvitare i tubi di mandata e di ritorno. All'origine del blocco miscelatore c'è l'idea di convertire i sistemi a doppio circuito, complessi e dispendiosi dal punto di vista energetico, che inviano il flusso di ritorno ad alta temperatura dai radiatori alla caldaia anziché alle serpentine del pavimento, in un sistema a singolo circuito che consente di risparmiare carburante. Ciò richiede l'equalizzazione dei diversi volumi d'acqua nel raccordo. L'azienda ha poi esteso l'applicazione per ottimizzare il caricamento e lo scaricamento dei bollitori tampone a due zone e per collegare i sistemi solari. L'Università di Scienze Applicate di Biberach ha determinato i vantaggi di un collegamento ottimizzato nell'ambito di una tesi di laurea con un accumulo e un impianto di cogenerazione: Il caricamento e lo scaricamento a due zone, ciascuna con un miscelatore, aumenta il contenuto di calore utilizzabile di un serbatoio di accumulo di 240% rispetto al principio a una zona (vedi riquadro). Naturalmente, il breve test di laboratorio di Arnsberg non è riuscito a raggiungere questo valore sorprendente. Né le attrezzature né il tempo erano sufficienti per farlo. Tuttavia, le temperature misurate e le prestazioni termiche tendevano a confermare i risultati di Biberach.
Figura 4: Misura della condensa (in basso al centro) dopo l'abbassamento della temperatura di ritorno della caldaia a condensazione. Responsabile del test Hans-Stefan Albers.
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