解決した問題
油圧バランシング：戻り温度制限の仕掛け
繰り返し要求されるが、プロとして実行されることはほとんどない。水力バランシングは、おそらく最も効果的な低投資のエネルギー効率対策であるが、特に古い建物の改修では、様々な不明点があるため、通常、中途半端にしか実施されない。このたび、床暖房のフィールドテストに、簡便さと有効性を両立させた全く新しい方式が採用されました。中でも、ニーダーフランケンの教会のエネルギーコンサルタントの家では。
彼がエネルギー効率の高い建築技術に傾倒する決め手となったのは、「被造物を守る」というキリスト教の要請だったのかどうかは、牧師がSHTを訪れた際に明らかになった。 クリストフ・ベルハウゼン フランケン地方の町マイバッハで。30年ほど前、エキュメニカル教会協議会は、いわば政党の綱領にこの命題を書き入れ、持続可能な環境政策の強力な礎石として倫理を布教した。しかし、南ドイツの神学者と話していると、彼が効率性を説くだけでなく、信徒にそれを有能に実証する原動力となったのは、形而上学というよりむしろ物理学であったようだ：彼は単にテクノロジーに強い憧れを抱いているだけなのだ。才能ある素人のレベルでは満足できない傾倒である。クリストフ・ベルハウゼンはこの問題をさらに深く掘り下げた。彼はついにニーダーフランケンの工芸協会から高い聖別を受け、その前にエネルギー・コンサルタント（HWK）になるための「あらゆるものを備えた試験」（ベアハウゼン）に合格した。このように、彼の仕事には物理学と形而上学が絡み合っている。今日、彼は自分の家で、また地域社会での「建築サービス」の仕事を通じて、創造物の保全に実際的な貢献をしている。
図1：1階に5つ、上階に4つ、合計9つの暖房回路が住宅に供給されている。各暖房回路には、それぞれの戻り温度リミッターがある（下側の戻りマニホールドバーにある）。最上階のラジエーターに向かう左側のライザーにもRTB継手が設置されている。さらに、最上階の省エネ改修により大型化したラジエーターを、低温熱交換器としてフロア回路のフローとリターンに直接接続することを意図している。動的に制御されるRTBは、油圧式で設置を均一化します。右側の3つのサーボモーターは、電気式ルームサーモスタットからのパルスに反応する。
不信に導かれて
まず過去を振り返ってみよう。当時、彼が住んでいた住宅の石油ボイラーシステムに、バッファーを介してソーラーシステムを統合しても満足のいく結果が得られなかったことから、彼は初めて水力学の法則に直面し、水力学が最適化対策の最初の出発点でなければならないことを悟った。ソーラーゲインを最小化するために、温度成層、充放電をどのように構成すべきか？
このローマ・カトリック教会の司牧カウンセラーは、15年ほど前に発売されたマルチウェイミキサー "rendeMIX "の流路を研究していた。彼はそれを導入した。内部バイパスを備えたバウナッハの開発品は、異なる水量のバランスをとり、例えば、高温回路（ラジエーター）の戻り流を床暖房の流れとして使用することができる。あるいは、高温と低温を混合する前に、まず2ゾーンまたはマルチゾーンのボイラーから未混合の水を引き込み、貴重な高温エクセルギーを保持します。成層した貯蔵タンク内の広がりを安定させようとするため、太陽熱の収量も増加する。なぜなら、タンク自体が、コールドゾーンにより、コールドより数度上のコレクター熱をまだ吸収しているからである。
現在の問題
当時のミキサー改造の成功は、ベアハウゼンのシステムの熱量計によって実証された。運転速度が遅くなったのだ。このポジティブな経験から、エネルギーコンサルタントは、正しく繊細な油圧の重要性を確認した。しかし同時に、断熱材と石材の間に21cmの断熱材を入れた吊り下げ式木製ファサード、屋根の改修、断熱ガラス、熱橋の削減など、この戸建て住宅を最初の断熱条例以前からKfW55の基準まで引き上げることを目的とした他の対策による節約効果について、彼は疑念を抱くようになった。居間、寝室、子供部屋、書斎、台所、浴室、屋根の下の部屋、今では大型のラジエーター、居間の床暖房など、多数の回路を持つ古い建物で、どのように水の流れを調整し、需要の減少に対応するのですか？
図2：南ドイツ建築の典型：階下は床暖房、上階はラジエーター暖房。
図3：RTBでの戻り温度設定は約17～22 °Cの間で、部屋と熱交換器の大きさ、利用状況、希望温度によって異なります。微調整は使用者の責任で行ってください。
古いサーモスタットバルブで、流量をプリセットするオプションがない？しかし、プリセットのあるものでも、比較的静的に "開 "と "閉 "に反応し、変化する影響や条件を効率的かつ動的に水量調節することはできない。KfWの補助金規定では、水力バランシングが規定されている。
静的ではなく動的
アーヘン近郊のヒュッケルホーフェンにあるHG Baunach GmbH & Co.KG（アーヘン近郊ヒュッケルホーフェン）は、以前から同じようなことを考えていた。rendeMIX」のテストと成功は、手動によるハイドロニック・バランシングは試行錯誤の連続であることを教えてくれた。古典的な方法では、固定流量へのリットル調整によって利益の可能性が失われるという弱点もある。しかし、バウナックのマルチポート・タップ「rendeMIX」は、この作業のために設計されたものではない。異なる温度の水を混ぜるためのもので、水流を調整するためのものではない。そこでエンジニアは、調節問題に対する別の解決策を探した。それは、最適かつシンプルでなければならなかった。
「シンプル」とは、2つの点でシンプルでなければならない。すなわち、貿易がそれを受け入れなければならないことと、価格が、言ってみれば、その受け入れを拡大しなければならないことである。その計算は、通常の調整に必要な労力と比較して節約された労働時間に基づいてはならない。そんな計算をする企業はほとんどないだろう。シングルペアのユーロ製品しかありえない。熱水力バランシングシステムとしての戻り温度制限のアイデアは成功した。ベルハウゼンのシステムを含め、さまざまなパイロット・プロジェクトが1年ほど前から実施されている。これはその名の通り、戻り温度リミッターに他なりません。熱交換器の下流にある暖房回路の戻りに設置するRTBバルブです。
図4：窓やバルコニーのドアに潜在する熱橋は、KfW55を危険にさらすことのないよう、断熱充填によって最小限に抑えられている。
図5：暖房された居住空間は合計160m2うち120m2 屋根裏の床暖房とラジエーター。窓の横にある分散型換気ユニットの換気バルブ。写真はクリストフ・ベルハウゼン。
設計変数は戻り流の呼び径のみである。バルブは熱動的に作動します。つまり、調節可能な戻り温度センサーの設定値に合わせて、常に流量を調節します。温度が上昇すれば、床の暖房コイルを通る流量を減らし、下がれば、より高い循環流量を確保します。このように、回路の油圧バランス、低温ラジエーターまたはフロアコイルを通る流量制御を、室温に応じて完全に独立して行います。室温優先：これは、ラジエーター上のサーモスタットバルブで設定することも、別の個別室温制御システムで設定することもできますが、この場合、流量は戻り温度を通じて室内の空気設定値と調和します。物理的な接続なしに、2 つのバルブは互いに対応します。
画像6：この家の暖房は（旧式の）植物油CHPユニットで、当初は地域の暖房ネットワークに供給する予定だったが、実現しなかった。加圧されていないコンビネーション・バッファ・ボンベ（1,000リットル）は、ウォーターポケット付きの薪ストーブにも接続されており、全室を暖めることができる。シリンダー内の過圧は0.1バールを超えてはならない。そのため、熱交換器を介して暖房システムから油圧で切り離されている（左端）。下側の「rendeMIX」は、熱交換器内蔵のコンビバッファーシリンダーの2ゾーンローディングを担当する。成層化により、キッチンとバスルームに十分な温水が供給される。上部のマルチポート・ミキサーは、太陽熱システムと当時のピーク負荷ボイラーを効率的に統合するために使用された。
理想的だ。
どのように機能するのか？通常のサーモスタット弁と同様に、RTB の基本設定には部屋に関連した経験値も使用しなけれ ばなりません。例寝室は 18℃である。サーモスタット弁はレベル 3 に設定されていると仮定します。RTB の目盛りのレベル 5 または 23 °Cは、 流量側のこの 18 °Cに対して十分かもしれません。申し上げたように、設定は建物の熱特性によって異なります。夕方になると、外気温と室温が下がる。ラジエーターバルブが開く。RTBがなければ、公称流量はほぼ自然に暖房面を通過し、他の回路に影響を与えるでしょう。一方、RTBは待機します。
技術データ バルブ
現在、床暖房回路用の戻り温度リミッター（RTB-Fbh）と、家庭用貯湯タンク、空気加熱器、プール熱交換器、換気システムの熱交換器の熱水力バランシング用バージョン（RTBバランシングセット）が発売されています。ラジエーター暖房システム専用のフィッティングは、現在テスト中です。床暖房用は、ベルハウゼンの物件と同様、真鍮製のベースと温度センサー内蔵のサーモスタットヘッドで構成されています。サーモスタット弁の常として、室温と同期した戻り設定値は、上部のねじれるキャップで設定する。RTB は床暖房の自己調整効果をサポートし、促進します。室温が上昇すると戻り温度が上昇し、室温に対する暖房面の過剰温度が低下します。回路をオン・オフすることしかできない通常の2点式個別ルーム・コントローラーは、この場合の流れを遮断する。コントローラーが開けば、回路を通して全量の水を流すことができる。このため、すべての床暖房回路は複雑な方法で計算され、計算された水量をアクチュエーターで調節しなければなりません。これは非常に時間のかかる方法だ。そしてもちろん、すべての設定は互いに影響し合う。最後の3つのループが点灯すれば、最初の回路に流れるべき電流は確実に変化する。このプロセスは、多くの未知数を含む方程式に似ている。最適点は偶然の産物なのだ。
一方、比例RTBバルブによる戻り温度制限では、パーシャルエリアが供給すべき電力が常にパーシャルエリアを循環する。制御変数としての戻り温度は、流量を動的に調整します。実用的なアプリケーションのために、バウナッハは、マニホールドの戻りコレクタに直接RTBをインストールすることをお勧めします。バルブの呼び径DN15、流量0.40m3/hでの圧力損失100mbar、Kvs値1.3m3/h、設定範囲戻り側設定温度0～40℃、許容作動過圧10bar。2番目のモデルは、飲料水貯蔵タンク、空気ヒーター、スイミングプールの熱交換器や換気システムの熱交換器の流量の自動熱油圧バランシング用のRTBバランシングセットで、3つのサイズがあります：DN 20、25、32、Kvs 2.5、5.7、6.7、20 KデルタTでの出力18、42、49 kW。戻り温度範囲20～70℃。
RTB-Fbhとは対照的に、キャピラリーチューブ付きリモートセンサーがサーモスタットヘッドに取り付けられているため、センサーを熱交換器の戻り流のどこにでも設置することができます。RTB-Fbhは床暖房用と各種熱交換器・空気加熱器用があり、いずれも外部エネルギーを必要とせず、熱水力のみで作動します。完全に閉じることはありません。公称値の1 %の最小流量が保証されているため、センサーは常に戻り水に浸っています。
外気温の低下により戻り温度が低下する傾向にある場合はわずかに開き、ルームサーモスタットが完全に開いた場合、つまりRTBセンサーの測定値が設定値以上に上昇したい場合は流量を絞ります。これは、他の暖房回路から暖房水が供給されないことを意味する。そのRTBも当然クロスセクションを開いて反応します。システム全体が自動的に安定する。高効率の自己調整型循環ポンプの出力制御原理は変わりません。差圧に応じて自動的にワット数を調整します。クリストフ・ベルハウゼンは、「以前は、このシステムを使いこなすことができませんでした。上の部屋では、サーモスタットが全開と全閉を交互に繰り返し、大きな暖房面が他の部屋から水を吸い上げたり、過負荷をかけたりしていました。油圧バランスを試みても、すべての部屋を均等に暖めることはできませんでした。
RTBでは、水の量は制限されたままだ。微調整は自分たちで行いました。バルブの上部をわずかに調整するだけで、希望の室温が得られる設定に1回で済む。確かに微調整は必要です。しかし、どのサーモスタットバルブでもそうしなければならないのです」。
オーディブルの成功
そのため、エネルギー・コンサルタントは、家屋内外のその他の改修計画について、あらかじめ設定可能なラジエーター・バルブは使わないことにしている。なぜなら、一定の量しか通さないからです。プリセットのために各部屋の暖房負荷計算をしなければなりません。RTBならその必要はありません。従来のラジエーターサーモスタットで十分です」。この住宅所有者は、熱水力バランシングだけで、CHPユニットの植物油代が顕著に削減されることを確信しています。これは当初、地域の暖房ネットワークで近隣に供給する予定でした。しかし、後にキャンセルされましたが、ある理由から石油ボイラーがコージェネレーション・ユニットに置き換えられました。エネルギー再生プログラムの最初の段階、つまりRTBだけを設置した6ヶ月の間に、すでに稼働は著しく低下していた。少なくとも、目に見えて何かが変わったのです」。
図7：ベルギーのリンブルグにある化学工場での戻り温度リミッター試験（温水を供給する30台の各ファンの下流にRTBを設置）。熱電対は、差圧の増加により循環ポンプの吐出量が調整されるため、熱交換器からの熱抽出量が低下して戻り温度が45℃以上に上昇するのを防ぎます。このため、戻り湯は凝縮に適しています。
一般的な経験によれば、熱分配を改善することで、統計平均で10～15 %の暖房エネルギーを節約できる。RTBを調整した直後は、CHPの起動頻度が大幅に減ったので、これは私たちにも当てはまります。ちなみに、この効果には2度目も気づきました。太陽熱回路に「rendeMIX」継手を取り付けた後、石油ボイラーの時にも気づいた。コンバイ・バッファー・シリンダーの容積が有効利用され、ずっと長い時間熱を放出し、ボイラーの充電頻度も減りました。"
住民による微調整
選出されたフランス人は袖をまくった。彼には仕事がある。ボイラー室のパイプを断熱する必要がある。「ここにあるのは、近代的な暖房システムではない。すべてが組み合わされ、いじくり回され、それでいてすべてが完璧に機能する。彼は1階の分配器の設定についてこう説明する。「今、ここに4つの部屋が見えます。大きな部屋、南の部屋とバスルーム、北の部屋です。最後の部屋は、私たちが望む室温にはなりませんでした。
マニホールド・キャビネットにある電動アクチュエーターは、3つの部屋にあるルームサーモスタットと連動している。バスルームは常に少し暖かくしておく必要があるため、流れが完全に遮断されている。RTBの設定オプションのおかげで、最終的に室温を正確に設定できるようになりました。広い部屋を寝室として使っていたため、床の暖房パイプは比較的離れている。そのため、リターンを20度に調整した。他の2部屋は15度か16度で十分で、バスルームは戻り温度を22度から23度にしています。全室の流水温度は30℃です。浴室の平均還流温度を26℃に上げることで、24℃前後に保っている。平均温度に関する同様の考慮は、「大部屋」にも当てはまります。
ほんの少しの忍耐
ベルハウゼンさん、あなたの経験では、プランナーやシステムメーカーに戻り温度の制限について何を伝える必要がありますか？「特にありません。申し上げたように、このシステムはセルフレベリングです。この形式にはプリセットはありません。部屋やその利用状況、南北の位置、熱交換器やラジエーターを見て、ある値に事前調整する必要があります。
図8：セラミック熱回収ユニットを備えた2台の分散型単一部屋換気システムが各部屋に設置されている。70秒ごとに排気モードから給気モードに切り替わり、給気と排気を交互に行う。Vento-Expertタイプについて、メーカーのブラウベルグ社は、最大流量50 m3/h、熱回収効率97 %を指定している。 www.blaubergventilatoren.de
各ユーザーや住宅所有者は、自分で温度を調整することができる。床暖房の場合は少し注意が必要です。動きが鈍いシステムなので、少し時間がかかります。RTBをおそらく2度調整するのであれば、1日か2日我慢して、それから効果を見るべきです。しかし、計算する必要はない。私の知る限り、このようなシステムはこれだけです。他のすべてのハイドロニック・バランス調整法では、ラジエーターのサイズやその他の要素を考慮に入れて、それらを相互作用させ、それに応じて事前に設定可能なバルブやゾーンバルブを調整しなければならない。そして、ほぼ設定される。うまくいくかどうかは保証できない。ここで、オペレーターは再調整を行いますが、温度設定値に設定するのであって、断面積や流量設定値に設定するのではありません。RTBはこれを自分で探します。"
KfWへのサンプル確認
KfWは、ビル・サービス・エンジニアリングの統括組織であるVDZとの間で、水力バランシングの手順について合意している。しかし、KfWは技術革新に反対しているわけではない。KfWは、暖房効率対策を担当するリーフレット（KfW発行600 000 3140）の5.25「革新的技術のための開放条項」に該当するものであれば、指定された手順から逸脱することも可能であるとしている。バウナッハは、顧客がKfW/Bafaの資金調達を希望し、ハイドロニック・バランシングの確認を求める暖房技術者向けに、対応するサンプルを用意した。
ベルント・ゲナート
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