Widoczna hydraulika
Bez wyrównania jest jak orkiestra bez dyrygenta - seminarium w Arnsbergu
Potrzeba informacji w SHK-Sektor szkoleniowy jest ogromny. Jednak dokształcanie nie musi być opakowane w wystawny wieczór towarzyski. Jeśli tematem jest standardowy obszar problemowy - hydraulika - a zaprasza instytucja nie nastawiona na sprzedaż, np. izba rzemieślnicza lub środowiska związane z nową energią, to sala szkoleniowa zapełnia się. Jeśli następnie eksperyment w laboratorium grzewczym potwierdza teorię, na koniec słuchacze pytają gospodarza niemal z oczekiwaniem: "Jaki jest twój następny temat?".
Obszar problemowy hydrauliki. Wraz z cyfryzacją sieciową i Internetem Rzeczy, obszar ten staje się coraz większy. W przyszłości każdy, kto kupuje poszczególne komponenty systemu sanitarnego, grzewczego lub klimatyzacyjnego od hurtownika, będzie kupował elementy układanki. Jak wszyscy wiemy, pasują one do siebie, tworząc idealny obraz tylko wtedy, gdy znajdują się we właściwym miejscu. W przypadku hydrauliki właściwe miejsce oznacza właściwą regulację. Poszczególne komponenty działają z pełną wydajnością tylko wtedy, gdy są ze sobą idealnie zharmonizowane. Nikt nie jest w stanie zbudować wydajnego systemu z nieefektywnych komponentów. Z drugiej strony, łączenie wydajnych komponentów w celu stworzenia nieefektywnego systemu nie jest regułą, ale nie jest też wyjątkiem. "Chociaż każdy muzyk jest wirtuozem, koncert orkiestrowy bez dyrygenta nie byłby ucztą dla uszu" - powiedział prelegent podczas seminarium hydraulicznego w centrum szkolenia zawodowego Izby Rzemieślniczej Południowej Westfalii w Arnsbergu na początku lutego, wyjaśniając potrzebę profesjonalnego równoważenia.
Ładowanie i rozładowywanie zbiorników buforowych
Rysunek 1: Konfiguracja testowa do dwustrefowego załadunku i rozładunku z mieszalnikiem wielodrogowym Arnsberg Chamber of Crafts
Na przykład zbiorniki buforowe i ich najbardziej wydajne ładowanie i rozładowywanie będą musiały nie tylko wziąć odpowiedzialność za zaopatrzenie budynków w przyszłości, ale także za transformację energetyczną. Nie jest to przesada. W tej chwili magazynowanie ciepła działa również jako zawór bezpieczeństwa: ponieważ farmy wiatrowe i słoneczne rosną szybciej niż infrastruktura. Niż rozbudowa dróg. Eksperci obliczają okres przejściowy na dobre dziesięć lat dla ekspansji. Oznacza to, że odnawialne źródła energii musiałyby zostać wyłączone z sieci w ciągu następnej dekady, aby zapobiec jej świeceniu. Nie leży to w interesie transformacji energetycznej. "Dlatego", powiedział niedawno Stefan Kapferer, prezes zarządu Niemieckiego Stowarzyszenia Przemysłu Energetycznego i Wodnego, "musimy wykorzystać każdy najmniejszy środek, który złagodzi obecną sytuację. Możliwości te obejmują wykorzystanie nadwyżek w gospodarstwach domowych, a mianowicie przekształcenie ich w ciepło". Transformacja energetyczna to jedno, a stworzenie infrastruktury zdolnej do transformacji to drugie. Obejmuje to między innymi zamianę energii elektrycznej na ciepło. Niemiecki świat energii i ogrzewania staje się coraz bardziej elektryczny dzięki energii wiatrowej i fotowoltaicznej. Naturalne rozdzielenie podaży i popytu, które się z tym wiąże, musi być systemowo kompensowane. Wygodne i wydajne ogrzewanie przy wahaniach energii jest możliwe dzięki power-to-heat, tj. sprzężeniu sektorowemu z pompami ciepła, systemami solarnymi i magazynowaniem buforowym w celu tymczasowego przechowywania ciepła do godzin wieczornych lub innego okna czasowego. Im bardziej efektywnie system sterowania wykorzystuje pojemność takiego zbiornika, tym wyższa jest ogólna wydajność systemu.
Nawiasem mówiąc, dotyczy to każdej integracji bufora z obiegiem grzewczym, niezależnie od tego, kto dostarcza ciepło: kocioł kondensacyjny, drewno lub pelety, kolektor, CHP lub pompa ciepła. Ale jak zbliżyć się do optimum? Właśnie ten temat był poruszany w Arnsbergu.
Rysunek 2: Siły wyporu: im cieplejsza woda, tym lżejsza
Jak podejść do optimum?
Zacznijmy od pytania: Jak duże są siły wyporu, które rozwarstwiają ciepłą i gorącą wodę? Wycieczka w hydraulikę Hansa-Georga Baunacha z HG Baunach GmbH & Co. KG, odkrył te mało znane dane. Wyporność opiera się na różnicach w gęstości. Woda o temperaturze 0°C waży 1000 g na 1 litr, woda o temperaturze 100°C, bezpośrednio w punkcie wrzenia, waży tylko 950 g. Różnica 50 gramów oznacza, że w zbiorniku o średnicy 50 cm - a zatem o powierzchni około 2000 cm² - warstwa wody o grubości 1 cm i objętości dwóch litrów będzie, z grubsza rzecz biorąc, unosić się z siłą ściskającą 100 gramów - wyporność wrzącej wody w lodowatej wodzie. To niewiele. Nawet najmniejsze zakłócenie tego niskiego pędu może pozbawić zawartość chęci do rozwarstwiania się. Skromna kompensacja: lekkość wody wzrasta nieproporcjonalnie w górnym zakresie temperatur, od około 50°C w górę. Z drugiej strony, w zimnym zakresie, między 0 °C a 20 °C, różnica w gęstości jest stosunkowo niewielka. Innymi słowy: im cieplejsza woda, tym bardziej stabilne rozwarstwienie, a tym samym użyteczna zawartość ciepła w buforze lub jego użyteczna pojemność magazynowa. Przy całkowitym wymieszaniu w temperaturze 50°C, ciepło przepływa wstecz, niejako przeciwdziałając koncepcji systemu. Mianowicie z bufora do solanki o temperaturze 45°C podłączonego systemu solarnego, jeśli nie oferuje on więcej niż 45°C. Z drugiej strony, jeśli zawartość wzrośnie z 30 do 70°C, co oznacza taką samą ilość ciepła jak w poprzednim przypadku, kolektor może przenieść zyski słoneczne do zimnej strefy podgrzewacza wody.
Niszczycielskie turbulencje
Trzeba przyznać, że wszystko to nie jest nieznane. Większość słuchaczy przyznała jednak, że nie zdaje sobie tak drastycznie sprawy z konsekwencji nieprawidłowego załadunku i rozładunku zbiorników magazynowych. A raczej nie wyciągają wniosku, że w szczególności temperatura powrotu z systemu grzewczego powinna być tak niska, jak to tylko możliwe. Ma ona decydujące znaczenie dla zawartości ciepła użytkowego. Dlatego po pierwsze powinna być bardzo niska, po drugie strumień powrotny powinien wpływać do bufora bardzo nisko i po trzecie z niską prędkością. Aby nie tworzyć żadnych turbulencji. W idealnym przypadku nie więcej niż dziesięć centymetrów na sekundę. Wartość ta nie jest jednak zmienną kontrolną. Ponieważ, oczywiście, wszelkie turbulencje niszczą stratyfikację. Wspomnieliśmy już o siłach wyporu. Turbulencje dosłownie zmieniają nieprawidłowe zachowanie zbiornika, ponieważ moc cieplna przepływu zależy od natężenia przepływu i temperatury. Jeśli przepływ powinien wynosić 60°C, a dostępna jest tylko woda o temperaturze 70°C, więcej zmieszanej wody musi krążyć w porównaniu z płynem o temperaturze 80°C. Większa objętość oznacza konieczny wzrost prędkości cyrkulacji. Wyższa prędkość cyrkulacji oznacza wzrost pędu wody wpływającej do zbiornika, a tym samym wzrost turbulencji. Ekspert ds. hydrauliki Baunach obliczył ten efekt: Energia kinetyczna wzrasta kwadratowo wraz z prędkością przepływu, w konsekwencji turbulencje wzrastają o 77 procent przy wzroście przepustowości o 33 procent. Działa to jak duża trzepaczka. Miesza wszystkie strefy cieplne, tworząc tylko niewielką deltę T między górą a dołem. Praktyczna konsekwencja: "Jeśli temperatura mieszania w bojlerze, powiedzmy, nie przekracza 50°C, bojler uruchamia się po kilku minutach podczas kąpieli pod prysznicem pomimo systemu solarnego. Z drugiej strony, przy rozkładzie 90/30, kocioł pozostaje wyłączony podczas prysznica, a kolektor może być nawet nadal ładowany", wyjaśnia Hans-Georg Baunach.
Im większa wydajność, tym więcej kondensatu
Do prawie każdej wypowiedzi ma przygotowany odpowiedni slajd. Nie oczekuje, że wszystko zostanie natychmiast zrozumiane na żywo. "Na wielu tego typu szkoleniach na początku widzimy szeroko otwarte oczy, zmarszczone brwi i zdziwienie. Stąd nasza część praktyczna. To, co brzmi bardzo skomplikowanie dla jednej lub dwóch osób, staje się jaśniejsze dzięki eksperymentowi laboratoryjnemu. To sprawia, że teoria staje się zrozumiała" - Hans-Stefan Albers podsumował później opinie publiczności. Albers jest kierownikiem działu hydrauliki i techniki grzewczej w Izbie Rzemieślniczej Południowej Westfalii. Seminaria z hydrauliki są częścią jego regularnego programu. Chociaż instalacje są od czasu do czasu demontowane, aby zrobić miejsce dla innych demonstracji, są one ponownie dostępne na następny kurs, gdy zostaną dopracowane. Udoskonalenie oznacza na przykład, że kamera termowizyjna, która obecnie sprawia, że rozwarstwienie jest przezroczyste, zostanie wkrótce uzupełniona o rejestrator danych z dziesięcioma punktami pomiarowymi powyżej wysokości zbiornika. "Wtedy będziemy w stanie przedstawić uczestnikom precyzyjne temperatury", mówi Albers.
Zysk z dwustrefowego załadunku i rozładunku
Rysunek 1: Zasada dwustrefowego załadunku i rozładunku za pomocą mieszalnika wielodrożnego
Jeśli temperatura warstwy fioletowej jest wyższa od ustawionej wartości docelowej tego czujnika, sygnalizuje on kotłowi "Wystarczy". Palnik wyłącza się. W związku z tym, w praktyce z zasadą jednostrefową, tylko skok jest dostępny dla systemu grzewczego. Dwa wykresy dla zasady jednostrefowej po lewej i dwustrefowej po prawej stronie pokazują warunki temperaturowe podczas napełniania i zużycia. Dwa przerywane kwadraty - z temperaturami wody na osi odciętych i wykreślonymi powyżej wysokości słupa wody w zbiorniku na osi rzędnych - reprezentują teoretyczną pojemność zbiornika. Pokazane podobszary reprezentują rzeczywistą objętość ciepła użytkowego.
Rysunek 2: Wyniki Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biberach
Wyjaśnienie ich geometrii i poszczególnych punktów pomiarowych T testu długoterminowego w Biberach zostało tutaj pominięte; decydującym czynnikiem jest różna powierzchnia: strategie ładowania i rozładowywania z dwoma mieszaczami wieloportowymi na prawym wykresie są zaprojektowane dla dużego rozrzutu w cylindrze. Na przykład, w projekcie z grzejnikiem i ogrzewaniem podłogowym, tylko strumień powrotny o temperaturze 30°C z niskotemperaturowego systemu grzewczego przepływa do dolnej części zbiornika, podczas gdy strumień powrotny z grzejnika o temperaturze 50°C jest kierowany do strefy mieszania. Temperatury w górnej jednej trzeciej pozostają podobnie dobrze uwarstwione. Mieszacz przepływowy może nawet nie wykorzystywać najwyższej temperatury, ponieważ temperatura strefy środkowej jest wystarczająca. Jednostka kogeneracyjna zasilana ciepłem pozostaje zatem wyłączona. Jeśli "Rendemix" pobiera wodę grzewczą ze strefy środkowej, zmniejsza się i robi miejsce dla ciepłej wody z "Dachs". Z drugiej strony, w standardowym przypadku mieszacza trójdrożnego, zmieszany powrót z grzejników i ogrzewania panelowego ma już temperaturę ponad 40°C, w zależności od mocy dwóch obiegów grzewczych. Po pierwsze, odbywa się to kosztem rozrzutu. Nic nie może być pobierane bezpośrednio z fioletowej strefy gorącej. Po drugie, ogranicza to przestrzeń do przechowywania ciepłej wody. Po trzecie, mieszalnik musi pobierać cenny zapas gorącej wody dla każdej temperatury zasilania, którą maszyna musi następnie dostarczyć podczas testu.
Rysunek 3: Skrócone cykle start-stop jednostki kogeneracyjnej przy tym samym czasie pracy
Rezultat: użyteczna objętość magazynowa dwustrefowego systemu załadunku i rozładunku z mieszalnikiem wielodrogowym w konfiguracji systemu takiej jak w pracy dyplomowej jest dokładnie 2,4 razy większa niż w wersji jednostrefowej. Zamiast "dachu", który był dostępny w Biberach, można było również zastosować kocioł. Współczynniki wyglądają dokładnie tak samo dla kombinacji kocioł/zasobnik. Nawiasem mówiąc, cykle start-stop "dachu" również zostały zmniejszone o współczynnik 2,4.
Bardzo imponujące jest "zobaczyć ilość kondensatu i móc go wykorzystać do obliczenia, jak niskie temperatury powrotu zwiększają wydajność systemu kotła kondensacyjnego, a w połączeniu z dwustrefową strategią ładowania i rozładowywania zamiast systemów jednostrefowych, pojemność bufora ciepłej wody" - przyznaje kierownik działu. Jego uczniowie w centrum szkolenia zawodowego to przede wszystkim mistrzowie rzemiosła. Za praktyczny dowód skuteczności specjalnej hydrauliki wykorzystującej metodę Baunacha - "Prawie wystarczy położyć ręce na rurach. Wtedy można poczuć, co się dzieje" - zaprosił również Wspólnotę Energetyczną Południowej Westfalii, która jest przyjacielem Izby Rzemieślniczej. Kierownicy i właściciele zakładów, choć w połowie swojej kariery zawodowej i w związku z tym w dużej mierze zaznajomieni z hydrauliką, byli pod takim samym wrażeniem wyników, jak mistrzowie.
Rysunek 3: Obraz termograficzny zbiornika magazynowego: początek stratyfikacji
Zbyt uciążliwe w użyciu ręcznym
Jak już wspomniano, projekt Baunacha wykorzystuje pojedynczą armaturę do realizacji trzech zadań optymalizacji hydraulicznej, po pierwsze wydajności systemu w zakresie wykorzystania ciepła, po drugie wydajności systemu w zakresie dystrybucji ciepła i po trzecie wydajności systemu w zakresie magazynowania ciepła. Ręczny montaż tej architektury z poszczególnych komponentów wymaga dużego wysiłku i wiedzy. W przypadku "rendeMIX" wystarczy jedynie przykręcić rury zasilające i powrotne. Początkiem bloku mieszacza był pomysł przekształcenia dominujących złożonych i energochłonnych systemów dwuobwodowych, które wysyłają wysokotemperaturowy strumień powrotny z grzejników do kotła zamiast do wężownic podłogowych, w oszczędzający paliwo system jednoobwodowy. Wymaga to wyrównania różnych objętości wody w armaturze. Następnie firma rozszerzyła aplikację, aby zoptymalizować ładowanie i rozładowywanie dwustrefowych zasobników buforowych oraz podłączyć systemy solarne. Uniwersytet Nauk Stosowanych w Biberach określił korzyści płynące ze zoptymalizowanego połączenia w ramach pracy dyplomowej z buforem i elektrociepłownią: Dwustrefowe ładowanie i rozładowywanie, każde z mieszaczem, zwiększa użyteczną zawartość ciepła w zasobniku o 240% w porównaniu z zasadą jednostrefową (patrz ramka). Naturalnie, krótki test laboratoryjny w Arnsbergu nie był w stanie osiągnąć tak zdumiewającej wartości. Ani sprzęt, ani czas nie były do tego wystarczające. Jednak zmierzone temperatury i wydajność cieplna potwierdzają wyniki uzyskane w Biberach.
Rysunek 4: Pomiar kondensatu (dolny środek) po obniżeniu temperatury powrotu kotła kondensacyjnego. Kierownik testów Hans-Stefan Albers.
Pobierz artykuł techniczny w formacie PDF
