Molto di più di un accessorio color canna di fucile
Il mixer a quattro vie come integratore di sistema decisivo
È sul mercato da oltre un decennio, i suoi vantaggi e la sua efficienza economica sono indiscussi, ma manca ancora un'accettazione diffusa. Forse perché la sofisticata logica di controllo e la tecnologia di miscelazione del mixer a quattro vie "rendeMIX" sono un punto di forza unico. E per questo riceve poca attenzione nella formazione e nella letteratura. Il produttore deve occuparsi personalmente della penetrazione nel mercato attraverso corsi e seminari. DKZ si è seduto al banco della scuola.
"Il problema principale del caricamento e dello scaricamento convenzionale dei serbatoi di accumulo, cioè il consueto caricamento e scaricamento a zona singola, è la miscelazione. Questo limita notevolmente la quantità di calore che può essere efficacemente utilizzata.
Immagine 1: Würzburg, estate 2013
Non si può evitare che l'acqua che entra ed esce dal contenitore provochi una circolazione che riduce la temperatura nella zona calda e la aumenta nella zona fredda sul fondo. Il vantaggio del caricamento e dello scaricamento a due zone con il "rendeMIX" è che l'acqua calda, fredda e miscelata - acqua miscelata attraverso l'utilizzo del ritorno - fluisce solo all'interno e all'esterno delle rispettive zone. Al centro del tampone si forma una sorta di scudo di sicurezza. Questo stabilizza la separazione tra la metà superiore calda e la metà inferiore fredda della caldaia. La stratificazione viene mantenuta".
Hans-Georg Baunach spiega i vantaggi energetici e idraulici del miscelatore multiplo "rendeMIX". Luogo: Würzburg, fine estate dello scorso anno. Occasione: seminario sull'idraulica organizzato da HG Baunach GmbH & Co. KG. Argomento: aumentare l'efficienza dei sistemi di riscaldamento. "L'efficienza è il risultato di diversi componenti che lavorano insieme in modo armonioso all'interno di un sistema. Il principio "rendeMIX" vi aiuta a realizzare sistemi di riscaldamento efficienti. Il seminario svela il potenziale di efficienza latente nei sistemi dei vostri clienti - e come potete dargli vita".
Uso versatile
Proprio per questo motivo i 16 maestri artigiani hanno accettato l'invito e sono venuti a Würzburg. Circa 15 anni fa, il La compagnia Baunach di Hückelhoven, sulla sponda sinistra del Reno ha attirato l'attenzione per la prima volta con la sua speciale tecnologia di controllo.
Figura 2: Accumulo di calore del 240 percento anziché del 100 percento nel tampone da 100 litri, risultato del test Università di Scienze Applicate di Biberach
All'epoca, l'attenzione era rivolta al collegamento di un circuito ad alta temperatura (radiatori) in serie con un circuito a bassa temperatura (riscaldamento a pavimento). Questo schema è standard nelle case unifamiliari in molte regioni della Germania. Il processo brevettato trasforma il ritorno del circuito ad alta temperatura nel flusso del riscaldamento a pavimento, anche se circolano quantità d'acqua completamente diverse. Le sezioni interne di equalizzazione nel miscelatore a quattro vie e la struttura di miscelazione - la tecnologia utilizza diversi livelli di temperatura per una miscelazione precisa e a risparmio energetico della temperatura di mandata - risolvono questo compito di commutazione, quasi impossibile da realizzare manualmente (Fig. 2).
"Ma questo non significa che si debba seguire un corso avanzato di termodinamica per capire l'apparecchio. La maggior parte del lavoro la fa da solo. Si controlla automaticamente utilizzando solo le temperature. Non è necessario regolare alcun flusso di volume. Tutto ciò che dovete fare in questo corso è capire la filosofia", dice il relatore, fugando ogni timore di troppa teoria.
Nel frattempo, la gamma di applicazioni si è notevolmente ampliata, soprattutto per quanto riguarda le vendite della rubinetteria. Le aziende di installazione innovative utilizzano il componente in vari sistemi. In primo luogo, naturalmente, per accoppiare un circuito ad alta e a bassa temperatura. In secondo luogo, per il caricamento di bombole tampone a due zone. In questo caso, il rendeMIX garantisce il mantenimento della stratificazione nel bollitore il più a lungo possibile. In terzo luogo, carica e scarica i serbatoi in modo altrettanto abile rispetto allo sviluppo di Baunach, con il risultato di prolungare economicamente il tempo di funzionamento (ore di utilizzo annuale) degli impianti solari e delle piccole unità di cogenerazione.
Tempo di funzionamento della caldaia raddoppiato
Figura 3: Principio di miscelazione nei sistemi a doppio circuito
Domanda al pubblico: "Ogni quanto tempo è necessario rabboccare una caldaia a legna?". "Al massimo dopo due giorni". "Sì, ed è per questo che i vostri clienti non possono andare via per il fine settimana. Il miscelatore qui raddoppia più o meno la convenienza di una caldaia a legna. Il generatore di calore non si esaurisce in due giorni, come accadeva in passato, ma il 'rendeMIX' utilizza il volume di accumulo del tampone in modo così abile che i sensori di controllo dell'aria primaria segnalano 'non c'è ancora bisogno di calore'. La caldaia riscalda per quattro giorni in modalità economica. La famiglia può andare a sciare nel fine settimana in inverno senza dover tornare in un appartamento freddo la domenica sera o dover chiamare i vicini. Questo è stato confermato più volte". (Immagine 3)
Il capo dell'azienda spiega in modo convincente il guadagno di due giorni utilizzando il diagramma di flusso all'interno dell'involucro color canna di fucile.
Figura 4: Quantità di condensa ed efficienza delle caldaie a condensazione a gas in funzione della temperatura di ritorno (Immagine: Ruhrgas AG)
Il suo pubblico ascolta con attenzione. Hans-Georg Baunach sa come presentare l'arido e complicato argomento dell'"idraulica" in modo vivace, divertente e comprensibile. Gesti e dizione rendono la teoria quasi visibile.
E, naturalmente, i punti deboli della tecnologia di installazione convenzionale: "Non importa la quantità di calore contenuta nel cilindro tampone, ma il beneficio che ne deriva. Distinguiamo tra exergia preziosa e anergia meno preziosa.
Un bollitore misto non solo è troppo freddo per fornire acqua potabile o per il bagno in modo soddisfacente, con il risultato che la caldaia è costretta a fare cicli inutili, ma è anche troppo caldo per poter assorbire il calore solare, ad esempio - una doppia perdita". Il danno consiste nello sprecare il calore e la capacità (solare) disponibili.
La fisica decisiva
Una regola empirica che si applica all'evento di cinque ore in variazioni:
Figura 5: Utilizzo del ritorno nella tecnologia delle caldaie a condensazione: risparmio del separatore idraulico e della pompa del radiatore, oltre a un'efficienza superiore dell'8 per cento (secondo la figura 4)
"Ricordate: 1 kWh corrisponde all'incirca a 1 m3 Acqua di conservazione x 1 Kelvin Delta T". Un delta T di 10 Kelvin o gradi Celsius consente a un tampone con 1 m3 volume di 10 kWh. "Maggiore è il delta T, maggiore è la capacità in una direzione o nell'altra. Pertanto, più bassa è la temperatura di ritorno, più piccolo può essere il serbatoio di accumulo. Nella tabella si può vedere quanto deve essere grande un accumulo che deve fornire 15 kW per 8 ore, a seconda del delta T". Con "rendeMIX", il bollitore dell'esempio può essere di due dimensioni inferiori.
Il raccordo cerca di ottenere un'elevata diffusione della temperatura per realizzare progetti più compatti o per aumentare la capacità di accumulo della capacità installata. L'Università di Scienze Applicate di Biberach ha calcolato in che misura il caricamento e lo scaricamento a due zone con utilizzo del ritorno, reso possibile dal principio di miscelazione, genera un rendimento aggiuntivo. È stato messo alla prova un buffer da 1.000 litri. Questo serviva un'unità di cogenerazione con una temperatura di mandata di 90°C. Con una temperatura di ritorno dal circuito ad alta temperatura di 50 °C, è stata calcolata una capacità di stoccaggio teorica di 47 kWh. In realtà, però, con il collegamento standard del raccordo di estrazione (scarico monozona) è stato possibile estrarre solo 17 kWh: In questo caso, la capacità teorica si riduce di 2,7 volte.
Risultati dell'Università di Scienze Applicate di Biberach
Figura 6: Aumento quasi nullo del potere calorifico con temperatura di ritorno di 43 °C della tecnologia di miscelazione convenzionale
L'Università di Scienze Applicate di Biberach ha dimostrato che la ragione di questa bassa efficienza è l'inevitabile miscelazione nell'accumulatore tampone con il caricamento convenzionale. Questo riduce notevolmente la quantità di calore utilizzabile, poiché distrugge la stratificazione. Nella seconda parte del test, i supervisori hanno cambiato la strategia di carica passando alla modalità di funzionamento a due zone di carica e scarica con il rendeMIX. Gli attuatori ora non mescolavano l'acqua calda con quella fredda, ma quella calda con quella calda e, a seconda delle specifiche del setpoint, quella calda con quella fredda. Il lato di carico era tale che la zona tampone superiore riceveva solo acqua calda e quindi si riscaldava più rapidamente, mentre la zona inferiore rimaneva fredda più a lungo. Per lo scarico, il sistema di controllo prelevava prima il calore dalla zona tampone inferiore dal collegamento del cilindro centrale. Questo ha fatto sì che si raffreddasse più rapidamente. Di conseguenza, la zona tampone superiore rimaneva a un livello di temperatura elevato.
Risultato: la capacità di accumulo effettiva è aumentata di circa il 60%, passando da 17 kWh a 27,4 kWh. Se si ottimizzasse la posizione dei sensori sul serbatoio di stoccaggio che accendono e spengono l'unità di cogenerazione, l'efficienza del buffer utilizzabile nel caso di Biberach potrebbe essere aumentata di un ulteriore 30-50% (Figura 4).
Hans-Georg Baunach riassume le conclusioni del Rapporto Biberach con le seguenti parole: "Il principio di miscelazione si spiega in modo molto semplice. Immaginate di avere un secchio di acqua a 55 gradi e un secchio di acqua a 45 gradi. Potete versarli insieme per ottenere due secchi d'acqua a 50 °C. Ora prendete due secchi di acqua a 30 °C e a 70 °C e mischiateli per ottenere due secchi di acqua a 50 °C. Da questo punto di vista non si guadagna nulla. Ma: nel primo caso si ha a disposizione un massimo di 55 °C, nel secondo caso di 70 °C. Se in inverno avete bisogno di una temperatura di mandata di 65 °C da qualche parte, il Delta T basso o i 45 °C nel bollitore vi servono a poco. La caldaia deve riscaldarsi. A 70 °C, si può ripiegare sul bollitore. Questo è il 'pensiero' alla base del rendeMIX".
La differenza rispetto all'accumulatore a strati
Come ci si aspetta dal docente, a un certo punto viene posta la solita domanda: "In cosa differisce un sistema di stoccaggio a strati dal suo processo, signor Baunach?".
Risposta semplice: "Il mio funziona". Secondo lo sviluppatore, il serbatoio a strati ideale è altrettanto valido in linea di principio. L'unica differenza è che l'accento è posto sulla stratificazione ideale, cioè pulita. Tuttavia, questo è difficilmente realizzabile con i controlli a lamelle e altri trucchi. "Il 'rendeMIX', invece, preleva l'acqua calda di accumulo dal centro dello scarico monozona tra il caldo in alto e il fresco in basso e la miscela con il flusso o il ritorno. A seconda della situazione, è più sensato dal punto di vista energetico raffreddare l'acqua calda invece di quella calda o riscaldare l'acqua calda invece di quella fredda (di ritorno)". Inoltre, questa forma di scarico dal centro del tampone stabilizza le zone calde e fredde.
Descrizione funzionale
Il brevetto rJET 3×4 con i suoi tre attacchi assicura una stratificazione ottimale nel bollitore tampone durante lo scarico, facendo confluire il flusso di ritorno dai radiatori nella separazione del sistema di riscaldamento a pavimento prima di accedere al flusso della caldaia calda. Ciò significa che non sono necessari né un separatore idraulico né una pompa aggiuntiva a monte della separazione dell'impianto. La valvola di troppopieno incorporata mantiene costante la pressione differenziale attraverso la separazione del sistema a circa 60 mbar. L'eccedenza più calda del ritorno del radiatore viene reimmessa nel centro del buffer separatamente dal ritorno freddo del circuito a pavimento. Il buffer rimane caldo più a lungo nella parte superiore e si raffredda più rapidamente in quella inferiore, aumentando così sia il rendimento solare che il comfort dell'acqua calda. I vantaggi in sintesi:
- Installazione semplice grazie al montaggio compatto
- Fino al 100% in più di resa solare grazie alla zona fredda nel bollitore tampone
- Fino al 100 per cento di comfort in più per l'acqua calda grazie alla zona calda nel bollitore tampone
- Non è necessario alcun interruttore e nessuna pompa aggiuntiva nel circuito di riscaldamento e a monte della separazione dell'impianto.
Il classico utilizzo del ritorno non è vantaggioso solo quando si collega un circuito a bassa temperatura a un circuito ad alta temperatura. I ritorni freddi e i flussi di volume ridotto ottimizzano l'efficienza di caldaie a condensazione, impianti solari, pompe di calore, stazioni di trasferimento e reti di distribuzione. La condensazione produce anche "acqua di lavaggio": ciò riduce lo sporco e la corrosione sul lato fumi dello scambiatore di calore a condensazione, aumentandone la durata. Anche questo è stato dimostrato.
Quando inizia la formazione di condensa?
A proposito di condensa. Domanda: "Quanta condensa si produce a una temperatura di ritorno di 50 °C, cosa intendete?". L'auditorio è restio a fornire una cifra millimetrica. Ma probabilmente è parecchia, visto che il punto di rugiada dei gas di scarico del gas naturale è di poco inferiore a 60 °C. "Niente, zero, gocciola appena a 47 °C circa. La temperatura teorica del punto di rugiada di 58 °C non tiene conto dell'aria in eccesso, che noi utilizziamo regolarmente, e bisogna anche considerare il delta T necessario nello scambiatore di calore di condensazione tra i fumi e il flusso di ritorno".
I diagrammi di Ruhrgas AG si accendono sullo schermo tramite Power Point. Il primo mostra che il punto zero di condensazione è a 48 °C di temperatura di ritorno. Inoltre, mostra che a 45 °C, su un flusso di ritorno di 20 grammi di acqua, ne fuoriescono solo 30 grammi per kilowattora, su un totale di 110 grammi. Con "rendeMIX", la temperatura del ritorno del riscaldamento dovrebbe stabilizzarsi a 30 °C o a 90 grammi di condensa per 1 kWh. "E questo aumenta l'efficienza della caldaia dell'8% rispetto a 50 °C. Non l'ho calcolato io, lo dice Ruhrgas", afferma il relatore Hans-Georg Baunach.
Figura 7: Test a lungo termine. Caricamento e scaricamento del tampone secondo il principio delle due zone
I diagrammi della Ruhrgas
Figura 8: Sistema solare termico combinato con caldaia a gas
Il diagramma successivo della presentazione mostra la dipendenza del punto di rugiada dal numero dell'aria. "Non si possono escludere fluttuazioni nell'alimentazione dell'aria per vari motivi. Il forno non deve produrre fuliggine, per cui il bruciatore funziona con aria in eccesso, per così dire come riserva. In questo modo si riduce anche il punto di rugiada, come mostrato nella figura, e di conseguenza l'aumento del potere calorifico. La differenza tra i numeri dell'aria lambda 1 e lambda 2 è di 10 K, tanto per dare i valori chiave, quindi il punto di rugiada si riduce da 58 °C a 48 °C. E bisogna ancora sottrarre i gradi di diffusione necessari nel condensatore. È quindi meglio utilizzare bruciatori con un basso rapporto d'aria, ad esempio bruciatori a premiscelazione, per ottenere lo sfruttamento del potere calorifico anche a temperature di ritorno leggermente più elevate."
Figura 9: L'hardware
Metà del seminario è un corso di revisione. Riporta alla luce cose che sono andate perdute e rende di nuovo chiare le connessioni. La spiegazione della tecnologia delle spine nel miscelatore a quattro vie di Baunach occupa pochissimo tempo; l'attenzione si concentra sui problemi degli attuali sistemi di riscaldamento. La loro convenienza economica è sempre più messa in discussione, perché il rapporto tra costi e guadagno di efficienza è a malapena giustificabile. "Tuttavia, non è colpa della tecnologia o del prezzo dei componenti. La causa dello squilibrio è la mancanza di una visione sistemica complessiva. Non c'è altro modo per dirlo: mettere semplicemente insieme i pezzi senza pensare alle interrelazioni significa eliminare molti punti percentuali di guadagno di efficienza".
Obiettivo per l'unità di sistema
Il principio della miscelazione a quattro vie contribuisce in modo significativo e proficuo a migliorare l'efficienza del sistema nella generazione di calore (utilizzo della caldaia a condensazione), nella distribuzione del calore (accoppiamento dei circuiti ad alta e bassa temperatura) e nell'accumulo di calore (caricamento e scaricamento a due zone con utilizzo del ritorno). Le caldaie e i sistemi termici a gas e a gasolio ne traggono vantaggio tanto quanto i generatori di calore a biomassa, i sistemi a pompa di calore e i collettori solari o le loro combinazioni. Il raggiungimento del livello di efficienza ottimale si decide fondamentalmente a livello di sistema. Gli schemi di circuito e i diagrammi di flusso di calore presentati nel seminario ne illustrano i motivi.
Hans-Georg Baunach riassume: "Uno degli errori del passato è stato quello di collegare i ritorni freddo e caldo e reimmetterli nella caldaia insieme come un'unica linea, pensando che il bruciatore non avrebbe dovuto alimentare così tanto. Purtroppo, un circuito di questo tipo blocca l'opzione più efficace di utilizzare un fluido più freddo per recuperare molto calore residuo da un fluido più caldo, magari sufficiente a riscaldare un'intera sezione. E viceversa: se a mezzogiorno è sufficiente un flusso di 50 gradi e il miscelatore a più vie preleva effettivamente solo questi 50 gradi, la sera sono ancora disponibili 80 gradi nell'edificio dalla zona superiore. Se invece il sistema di controllo avesse prelevato gli 80 gradi e li avesse abbassati a 50 gradi con l'acqua fredda, la sera la caldaia avrebbe dovuto riscaldare nuovamente".
www.baunach.net
Bernd Genath
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