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Indagine sull'impianto di riscaldamento esistente con serbatoio tampone:
Maggiore capacità del buffer con carico e scarico a due zone
L'Istituto per i sistemi edilizi ed energetici dell'Università di Scienze Applicate di Biberach, insieme al produttore HG Baunach, ha studiato come ottimizzare la capacità di accumulo effettiva di un sistema di riscaldamento esistente con accumulo tampone. L'oggetto dello studio era un sistema di riscaldamento in una casa di sei famiglie di proprietà di un appaltatore SHK. È stato analizzato l'effetto del comportamento di carico e scarico sulla quantità di calore utilizzabile. Il risultato è una capacità di stoccaggio significativamente più elevata dopo la conversione del serbatoio tampone a due zone di carico e scarico.
Immagine 1: Günther Muck, imprenditore del settore HVAC, nel locale caldaia della sua casa in affitto con sei famiglie. Dopo il passaggio al caricamento e allo scaricamento a due zone dell'accumulatore tampone, l'unità di cogenerazione funziona come generatore di calore monovalente fino a -10 °C di temperatura esterna.
Negli impianti di riscaldamento, gli accumulatori tampone hanno il compito di assorbire il calore, immagazzinarlo con la minor perdita possibile e rilasciarlo all'utenza al livello di temperatura richiesto. Ha senso immagazzinare temporaneamente il calore,
- quando l'offerta e la domanda di calore avvengono in momenti diversi,
- ridurre al minimo i cicli di commutazione dei generatori di calore, quali unità di cogenerazione, caldaie a biomassa o pompe di calore,
- ottimizzare l'uso dell'energia termica prodotta da impianti solari termici o il funzionamento di impianti di cogenerazione.
Tuttavia, se il calore solare si accende e si spegne di frequente o non viene utilizzato a sufficienza, la causa di solito non è la dimensione del bollitore tampone, ma la quantità di calore che può essere utilizzata da esso.
Il tampone ha accumulato troppo poco calore
Günther Muck, un appaltatore HVAC, ha seguito questa ipotesi quando ha assistito a una conferenza specialistica di HG Baunach sull'ottimizzazione idraulica dei sistemi di riscaldamento presso la HVAC guild di Schweinfurt. Il suo condominio in affitto a Dittelbrunn-Hambach, a nord di Schweinfurt, è riscaldato da una mini unità di cogenerazione (Fig. 1). Riscalda sei appartamenti in affitto e i magazzini della sua azienda HVAC.
Figura 2: I brevi cicli di commutazione del generatore di calore prima del passaggio al caricamento e scaricamento a due zone (a sinistra) indicano una bassa capacità di accumulo effettivo del buffer. Dopo la transizione, si verifica un solo avvio del cogeneratore al giorno (a destra).
Un serbatoio tampone con una capacità di 1000 litri è integrato come separatore idraulico tra i generatori di calore e il sistema di distribuzione del calore. Günther Muck ha calcolato un fabbisogno di riscaldamento (all'epoca ancora conforme alla norma DIN 4701) di 18,1 kW per l'edificio, costruito nel 1996. Il Senertec CHP eroga 12,5 kWthÈ stata inoltre installata una caldaia a gas a condensazione per coprire i picchi di carico. Le utenze di calore nell'edificio sono radiatori con una temperatura di progetto di 70/50 °C. Come di consueto, l'integrazione tampone è stata progettata in modo che la mandata sia collegata in alto e il ritorno in basso. Tuttavia, Günther Muck non era molto soddisfatto del funzionamento del sistema fino a quel momento, in quanto l'unità di cogenerazione aveva fino a cinque processi di start-stop nell'arco di 24 ore (Fig. 2).
Durante la conferenza a Schweinfurt, ha appreso da una conversazione con Hans-Georg Baunach che quest'ultimo era alla ricerca di sistemi esistenti adatti come oggetti di prova per il mixer multiporta "rendeMIX". Nell'ambito di una collaborazione tra HG Baunach e l'Istituto per i sistemi edilizi ed energetici dell'Università di Scienze Applicate di Biberach, Baunach ha quindi avviato un'indagine sul sistema di stoccaggio tampone. L'obiettivo era quello di ottenere un uso più efficiente del volume di stoccaggio e quindi di ottimizzare i tempi di funzionamento della cogenerazione.
Sistema di riscaldamento come laboratorio di prova
Figura 3: I grafici mostrano la distribuzione della temperatura in un serbatoio idealmente miscelato (l.), idealmente stratificato (m.) e linearmente stratificato (r.). Da un punto di vista teorico, la modalità di funzionamento reale è meglio descritta dal modello di accumulo a stratificazione lineare.
Presso l'Università di Scienze Applicate di Biberach, Christian Dietrich, futuro ingegnere laureato in climatologia degli edifici, ha affrontato il tema "Integrazione ottimizzata dei serbatoi tampone nei sistemi idraulici" come parte della sua tesi. Un primo approccio per studiare l'efficienza dell'accumulo è stato quello di determinare quanti kWh di calore potevano essere idealmente immagazzinati in un volume tampone di 1000 litri e quanti di questi potevano essere effettivamente utilizzati. In condizioni ideali, il volume di accumulo con una temperatura di mandata della cogenerazione di 90 °C e una temperatura di ritorno dal circuito di riscaldamento di 50 °C, avrebbe portato a una capacità di accumulo teorica di 47 kWh. Tuttavia, i cicli di commutazione dell'unità di cogenerazione nel condominio di Günther Muck non corrispondevano a queste considerazioni teoriche (Fig. 3). Ciò indica che la capacità di accumulo effettiva - l'energia termica effettivamente disponibile in relazione al contenuto dell'accumulatore tampone - deve essere significativamente ridotta. Per determinarlo, l'impianto di riscaldamento del proprietario dell'abitazione è diventato un laboratorio di prova per alcuni mesi: le valvole di miscelazione a tre vie esistenti sono state sostituite da collettori di miscelazione a più vie. Sull'accumulatore e sulle tubature sono stati installati sensori di temperatura e misuratori di portata.
Il diagramma dell'efficienza di stoccaggio rivela la debolezza
Fig. 4: Il locale caldaia come laboratorio di prova: durante l'indagine in corso sul funzionamento del sistema con due diversi metodi di caricamento del buffer, i dati di misura sono stati registrati continuamente e trasmessi in remoto all'Università di Scienze Applicate di Biberach per la valutazione.
Per una prima fase di test, i distributori miscelatori "rendeMIX" sono stati inizialmente impostati in modo che il processo di carica e scarica corrispondesse al precedente circuito con miscelatori a tre vie. Da metà ottobre 2007 a metà febbraio 2008, un PC installato nel locale caldaia ha registrato i dati di misura per studiare il comportamento di carica e scarica (Fig. 4a + 4b). Secondo le osservazioni di Günther Muck, in questo periodo si sono verificate quasi tutte le condizioni meteorologiche tipiche di un periodo di riscaldamento.
I dati di misurazione sono stati trasmessi all'Università di Scienze Applicate di Biberach tramite trasmissione dati a distanza e analizzati da Christian Dietrich. In questo modo lo studente laureato ha potuto risalire all'effettiva efficienza di stoccaggio. Dietrich ha sviluppato una forma speciale di visualizzazione chiamata diagramma di efficienza di stoccaggio. In questo diagramma, l'altezza del serbatoio di stoccaggio è tracciata sull'asse verticale Y e la temperatura è tracciata orizzontalmente sull'asse X. Diversi sensori di temperatura sono stati posizionati lungo l'altezza del cilindro tampone (Fig. 5). Dalle coordinate della temperatura e dell'altezza del serbatoio di stoccaggio, la capacità di stoccaggio può essere rappresentata graficamente come un'area quando viene inserita nel diagramma di efficienza del serbatoio di stoccaggio (Fig. 6).
Figura 5: Per studiare l'efficienza del serbatoio di stoccaggio, sono stati posizionati diversi sensori di temperatura sul serbatoio tampone da 1000 litri, distribuiti sull'altezza del serbatoio.
Il risultato: la capacità di accumulo effettiva con scarico convenzionale è stata di circa 17 kWh, quindi 2,7 volte inferiore alla capacità di accumulo teoricamente utilizzabile di 47 kWh.
Ottenere più calore dalla stessa capacità del buffer
Figura 6: Il confronto tra il prima e il dopo mostra la rispettiva capacità di stoccaggio effettiva dell'accumulatore tampone con l'integrazione convenzionale (a sinistra) e dopo la conversione a due zone di carica e scarica (a destra).
Figura 7: Il diagramma di efficienza del serbatoio di accumulo, sviluppato appositamente dallo studente laureato Christian Dietrich, mostra la quantità di calore che può essere effettivamente utilizzata nel serbatoio di accumulo in base all'altezza del serbatoio stesso.
Il passo successivo dell'indagine è stato quello di analizzare quali parametri influenzano la capacità di stoccaggio effettivamente utilizzabile. Il carico e lo scarico effettivi illustrati nella Figura 7 (diagramma del serbatoio di accumulo a destra) portano inevitabilmente a una miscelazione nel serbatoio di accumulo, che limita notevolmente la quantità di calore che può essere effettivamente utilizzata. Nel sistema esistente, questo tipo di carico e scarico del tampone distruggeva regolarmente la stratificazione. La miscelazione durante il carico e lo scarico porta quindi a un aumento della temperatura nell'area inferiore del serbatoio di stoccaggio, ma a una diminuzione nell'area superiore. Ciò porta alla conclusione che l'efficienza di un tampone idraulico dipende in larga misura dalla distribuzione della temperatura nel cilindro del tampone. L'efficienza del serbatoio di stoccaggio è influenzata da
- la temperatura di mandata del generatore di calore, che deve essere la più alta possibile,
- la temperatura di ritorno del circuito di consumo, che deve essere la più bassa possibile,
- nonché le condizioni e le velocità del flusso all'ingresso del serbatoio tampone.
Carico e scarico distribuiti su due zone
Figura 8: per il carico e lo scarico a due zone del serbatoio di accumulo, i miscelatori a tre vie esistenti sono stati sostituiti da collettori di miscelazione multipli rendeMIX 3×4.
Al posto dei miscelatori a tre vie, un miscelatore a più vie è integrato sia nel circuito del generatore di calore che in quello dell'utenza. Per l'ulteriore parte del test, la strategia di carica è stata modificata in modalità di funzionamento "carica e scarica a due zone". A tal fine, i miscelatori a più vie già installati sono stati convertiti sostituendo gli attuatori in modo che, a seconda della specifica del setpoint, l'acqua calda venga ora miscelata con l'acqua calda o l'acqua calda con l'acqua fredda anziché l'acqua calda con l'acqua fredda. Ciò modifica il comportamento di carico e scarico del bollitore tampone: al momento del carico, viene caricata per prima la zona tampone superiore (calda), che di conseguenza si riscalda più rapidamente. La zona inferiore rimane fredda più a lungo. In fase di scarico, il calore viene rimosso prima dalla zona tampone inferiore attraverso il collegamento centrale (!) del cilindro, che di conseguenza si raffredda più rapidamente. La zona tampone superiore rimane quindi più a lungo a un livello di temperatura elevato.
I miscelatori a più vie (Fig. 8) sono controllati tramite un segnale a tre punti (230 V), proprio come i miscelatori a tre vie usati in precedenza. Mentre la temperatura di mandata del circuito di riscaldamento segue una curva di riscaldamento compensata dalle condizioni atmosferiche durante lo scarico, la temperatura di ritorno al generatore di calore è impostata su un setpoint fisso durante il carico. Il caricamento a due zone sostituisce quindi anche una spinta di ritorno altrimenti necessaria.
Nel corso dell'indagine, è emerso anche che il posizionamento dei sensori di temperatura sull'accumulatore ha un'influenza significativa sull'efficienza dell'accumulo. L'unità di cogenerazione Senertec del sistema ha due sensori di temperatura separati, che devono essere installati ad altezze diverse sul tampone. L'unità si avvia quando la temperatura scende al di sotto del setpoint sul sensore superiore. Se la temperatura scende al di sotto del setpoint sul sensore inferiore, la macchina si spegne. Come hanno dimostrato le analisi di Christian Dietrich, la carica e la scarica a due zone ha aumentato la capacità di stoccaggio effettiva di circa 60 %, passando da 17 kWh a 27,4 kWh. Se anche il sensore inferiore del serbatoio di stoccaggio fosse spostato più in basso, l'efficienza del buffer utilizzabile potrebbe essere aumentata di altri 30-50 % in questo caso.
Principio a due zone applicabile a qualsiasi sistema idraulico
Fig. 9 + 10: se la temperatura al centro del bollitore è superiore alla temperatura di mandata dell'utenza durante lo scarico a due zone di un bollitore tampone, l'acqua viene rimossa dal raccordo centrale del bollitore e quindi miscelata con l'acqua di ritorno dall'utenza fino al livello di temperatura desiderato. Se durante lo scarico la temperatura all'attacco del bollitore centrale scende al di sotto della temperatura di mandata, la temperatura viene aumentata miscelando l'acqua più calda proveniente dalla zona superiore del bollitore. In questo modo, la zona inferiore del bollitore può essere scaricata quasi completamente alla temperatura di ritorno.
L'imprenditore HVAC e proprietario di casa Günther Muck ha notato gli effetti della maggiore capacità di accumulo nei cicli di commutazione dell'unità mini-CHP: da quando si è passati alla carica e alla scarica a due zone (Fig. 9), l'unità si avvia solo una volta al giorno, ma ciò è dovuto allo spegnimento forzato del motore a intervalli di 24 ore. Secondo le sue osservazioni, l'unità di cogenerazione funziona ora in gran parte come un generatore di calore monovalente. La caldaia a gas a condensazione utilizzata per il carico di punta si accende solo a partire da una temperatura esterna di circa -10 °C, anche se è stata in funzione solo per quattro giorni nel gennaio 2009. Anche la modifica della modalità di funzionamento dell'accumulo tampone ha avuto un effetto positivo sull'efficienza energetica dell'edificio: Günther Muck ha fatto redigere un certificato energetico per la casa di sei famiglie, che attesta che l'edificio ha migliorato significativamente l'efficienza energetica.
Tuttavia, il sistema di riscaldamento analizzato con unità di cogenerazione, caldaia a gas a condensazione e circuito di riscaldamento a radiatori è solo un esempio delle possibili applicazioni del principio delle due zone. Ad esempio, è possibile ottenere temperature di ritorno ancora più basse con i sistemi di riscaldamento a pannelli, poiché la temperatura di ritorno più bassa dal circuito di consumo di calore raggiunge il ritorno del generatore di calore e non viene mescolata con l'acqua di ritorno più calda durante il percorso. Il caricamento e lo scaricamento a due zone può essere trasferito anche a qualsiasi altro sistema idraulico che funzioni con l'accumulo tampone, ad esempio l'integrazione di energie rinnovabili o i sistemi di raffreddamento.
Il nostro autore, il Prof. Dr.-Ing. Alexander Floß, ha fondato nel 1995 il proprio ufficio di progettazione TGA, che oggi si occupa di perizie, consulenze e sviluppo di prodotti. Dal 1999 è responsabile dei dipartimenti di sistemi di energia termica e di progettazione di sistemi del corso di laurea in Climatologia degli edifici e sistemi energetici dell'Università di Scienze Applicate di Biberach. Floß dirige anche l'Istituto per i sistemi edilizi ed energetici, telefono (0 73 51) 58 22 56, e-mail floss@hochschule-bc.de.
Il nostro autore Wolfgang Heinl è un giornalista di settore freelance e PR manager e gestisce una redazione specializzata nel settore HVAC e nell'ingegneria dei servizi edili, 88239 Wangen, Germania, Tel. (0 75 22) 90 94 31, e-mail wolfgang.heinl@t-online.de.
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