Решенная проблема
Гидравлическая балансировка: хитрость с ограничением температуры обратного потока
Неоднократно требовали, но редко выполняли профессионально: Хотя гидравлическая балансировка, вероятно, является наиболее эффективной мерой энергоэффективности с малыми инвестициями, она обычно выполняется лишь наполовину, особенно при реконструкции старых зданий, из-за различных неизвестных факторов. Совершенно новый метод, поражающий своей простотой и эффективностью, прошел полевые испытания для напольного отопления. В том числе, в доме консультанта по энергетике церкви в Нижней Франконии.
Был ли христианский императив "сохранения творения" решающим фактором в его приверженности энергосберегающим технологиям строительства, выяснилось во время визита пастора в SHT. Кристоф Берхаузен во франконском городе Майбах. Около 30 лет назад Экуменический совет церквей, так сказать, вписал этот императив в программы политических партий и тем самым апострофировал этику как мощный фундамент для устойчивой экологической политики. Однако в разговоре с южногерманским теологом кажется, что не метафизика, а физика побудила его не только проповедовать эффективность, но и грамотно демонстрировать ее своим прихожанам: У него просто сильная склонность к технологиям. Склонность, которая не довольствуется уровнем одаренного мирянина. Кристоф Берхаузен углубился в тему. В конце концов он получил высокое посвящение от Ремесленной палаты Нижней Франконии, после чего сдал "экзамен со всеми почестями" (Берхаузен), чтобы стать консультантом по энергетике (HWK). В этом свете физика и метафизика переплетаются в его работе: сегодня церковник вносит практический вклад в сохранение творения в собственном доме и через "строительные услуги" в общине.
Рис. 1: Всего в доме девять отопительных контуров, пять на первом этаже и четыре на верхних. Каждый отопительный контур имеет свой ограничитель температуры обратки (на нижней планке обратного коллектора). Фитинги RTB также установлены в стояках слева к радиаторам на верхнем этаже. Кроме того, предполагается подключить радиаторы, которые теперь имеют большие размеры в результате энергоэффективной реконструкции верхнего этажа, непосредственно к подаче и обратке контура пола в качестве низкотемпературных теплообменников. Динамически управляемые RTB выравнивают установку гидравлически. Три сервомотора справа реагируют на импульсы от электрических комнатных термостатов.
Руководствуясь недоверием
Сначала взгляд в прошлое: неудовлетворительная интеграция солнечной системы через буфер в систему масляного котла его жилого дома в то время впервые столкнула его с законами гидравлики и осознанием того, что гидравлика должна быть первой отправной точкой для оптимизационных мер. Как должны быть организованы температурная стратификация, зарядка и разрядка, чтобы минимизировать солнечное излучение?
Римско-католический пастор изучил пути движения потоков в многополосном микшере "rendeMIX", который появился на рынке около 15 лет назад и на который обратил внимание его друг-инженер. Он установил его. Разработка Baunach с внутренними байпасами балансирует различные объемы воды, позволяя, например, использовать обратный поток высокотемпературного контура (радиатора) в качестве потока для подогрева пола. Или сначала забирает несмешанную воду из двухзонного или многозонного котла - таким образом сохраняя ценную высокотемпературную энергию - перед смешиванием горячей воды с холодной. Стремясь стабилизировать распределение в стратифицированном накопительном баке, он также увеличивает выход солнечной энергии, поскольку сам бак все еще поглощает тепло коллектора на несколько градусов выше холодного благодаря наличию холодной зоны.
Текущая проблема
Об успехе модернизации смесителя в то время свидетельствовал теплосчетчик на системе Берхаузена. Он работал медленнее. Положительный опыт подтвердил консультанту по энергетике важность правильной и чувствительной гидравлики. В то же время, однако, это заставило его с подозрением отнестись к эффекту экономии от других мер, таких как подвесной деревянный фасад с 21 см изоляции между облицовкой и камнем, ремонт крыши, изоляционное остекление и уменьшение тепловых мостов, которые должны были поднять отдельно стоящий дом со времен до первого Постановления о теплоизоляции до стандарта KfW 55. Как регулировать потоки воды в старом здании с большим количеством контуров для гостиной, спальни, детской и кабинета, для кухни и ванной, для помещений под крышей с теперь уже большими радиаторами, для полов с подогревом в жилой зоне, чтобы удовлетворить сниженный спрос?
Рисунок 2: Типичная для южной Германии архитектура: полы с подогревом внизу, радиаторное отопление на верхних этажах.
Рис. 3: Настройка температуры обратного потока на RTB в диапазоне примерно от 17 до 22 °C, в зависимости от размера помещения и теплообменника, использования и желаемой температуры. Точная регулировка возлагается на пользователя.
Со старыми термостатическими клапанами без возможности предварительной настройки расхода? Но даже те, которые имеют предварительную настройку, реагировали бы относительно статично "открыто" и "закрыто" и не могли бы эффективно и динамично регулировать изменяющиеся воздействия и условия в отношении объема воды. Правила субсидирования KfW предусматривают гидравлическую балансировку - и, как уже говорилось, для Кристофа Берхаузена она была просто необходима.
Динамические, а не статические
Как это иногда бывает, специалист по фурнитуре и управляющий директор Ханс-Георг Баунах из компании HG Baunach GmbH & Co. KG из Хюккельховена под Аахеном, уже некоторое время размышлял на подобную тему. Испытания и успехи с "rendeMIX" научили его тому, что ручная балансировка гидросистем остается смесью проб и ошибок - если ее вообще пытаются использовать. Классическому методу также приходится мириться с тем недостатком, что литровая регулировка при фиксированном расходе дает некоторый потенциальный выигрыш. Однако многопортовый кран Baunach "rendeMIX" не предназначен для этой задачи. Он предназначен для смешивания воды разной температуры, а не для регулирования расхода воды. Поэтому инженер искал другое решение проблемы регулирования. Оно должно было быть одновременно оптимальным и простым.
"Простой" в двух отношениях: торговля должна принять его, а цена, скажем так, должна увеличить его принятие. Расчет не должен основываться на экономии рабочего времени по сравнению с усилиями, необходимыми для обычной корректировки. Вряд ли какая-либо компания будет делать такой расчет. Это может быть только однопарный европродукт. Идея ограничения температуры обратки как системы термогидравлической балансировки оказалась успешной. Уже около года реализуются различные пилотные проекты, в том числе система Bärhausen. Это не что иное, как ограничитель температуры обратки, как следует из названия: клапан RTB для установки на обратке отопительного контура ниже теплообменника.
Рисунок 4: Потенциальные тепловые мосты на окнах и балконных дверях минимизированы с помощью изоляционного заполнения таким образом, чтобы не подвергать риску KfW 55.
Рисунок 5: Отапливаемая жилая площадь составляет 160 м2из которых 120 м2 Полы с подогревом и радиаторы в мансарде. Вентиляционные клапаны децентрализованных вентиляционных установок рядом с окнами. На фото Кристоф Берхаузен.
Расчетной переменной является исключительно номинальный диаметр обратного потока. Клапан работает в термодинамическом режиме. Другими словами, он постоянно регулирует расход в соответствии с заданным значением на регулируемом датчике температуры обратного потока: если температура повышается, он уменьшает расход через нагревательные змеевики в полу; если понижается, он обеспечивает более высокий циркуляционный поток. Таким образом, он берет на себя гидравлическую балансировку контуров или регулирование расхода через низкотемпературный радиатор или напольные змеевики совершенно независимо и в зависимости от температуры в помещении. Ориентирован на комнатную температуру: Этот параметр по-прежнему можно задать с помощью термостатического клапана на радиаторе или с помощью альтернативной индивидуальной системы управления помещением, но теперь объем потока согласовывается с заданным значением температуры воздуха в помещении через температуру обратного потока. Без какого-либо физического соединения оба клапана соответствуют друг другу.
Изображение 6: Дом отапливается (старой) когенерационной установкой на растительном масле, которую первоначально предполагалось подключить к местной теплосети, но это не было реализовано. Комбинированный буферный баллон без давления (1 000 л) подключен к дровяной печи с водяным карманом, которая также может обогревать все комнаты. Избыточное давление в баллоне не должно превышать 0,1 бар. Поэтому он гидравлически отсоединен от системы отопления через теплообменник (крайний слева). Нижний "rendeMIX" отвечает за двухзонную загрузку комби-буферного цилиндра со встроенными теплообменниками. Стратификация гарантирует достаточное количество горячей воды для кухни и ванной комнаты. Верхний многопортовый смеситель использовался для эффективной интеграции солнечной тепловой системы в сочетании с котлом с пиковой нагрузкой в то время.
Идеально, потому что без всяких расчетов
Как это работает? Для базовой настройки RTB, как и в случае с термостатическими клапанами, необходимо использовать эмпирические значения, зависящие от помещения. Пример: В спальне должно быть 18 °C. Предполагается, что термостатический клапан настроен на уровень 3. Уровень 5 или 23 °C на шкале RTB может быть достаточным для этих 18 °C на стороне потока. Как я уже говорил, настройка зависит от тепловых свойств здания. Ближе к вечеру наружная и комнатная температура падают. Радиаторный клапан открывается. Без RTB полный номинальный расход почти самопроизвольно прорвался бы через поверхность нагрева и тем самым повлиял бы на другие контуры. RTB, с другой стороны, выжидает.
Технические данные клапанов
В настоящее время на рынке представлены ограничители обратной температуры для контуров напольного отопления (RTB-Fbh) и версия для термогидравлической балансировки теплообменников накопительных баков для горячей воды, воздухонагревателей, теплообменников бассейнов и вентиляционных систем (балансировочный комплект RTB). В настоящее время проходят испытания фитинги, предназначенные исключительно для систем радиаторного отопления. Вариант для напольного отопления, как в доме в Берхаузене, состоит из латунного основания и термостатической головки со встроенным датчиком температуры. Как обычно в термостатических клапанах, уставка возврата, синхронизированная с температурой воздуха в помещении, устанавливается с помощью закручивающегося колпачка на верхней части. RTB поддерживает и ускоряет саморегулирующийся эффект напольного отопления. Его обратная температура повышается при повышении температуры в помещении, т.е. избыточная температура поверхности нагрева по сравнению с температурой в помещении снижается. Обычный двухпозиционный индивидуальный комнатный регулятор, который может только включать и выключать контур, в этом случае блокирует поток. Если регулятор открывается, он пропускает через контур весь объем воды, т. е. не препятствует объемному потоку. По этой причине все контуры напольного отопления должны быть сложным образом рассчитаны, а рассчитанные объемы воды должны регулироваться с помощью электропривода. Это очень трудоемкий метод. И, конечно, все настройки влияют друг на друга: как только три последних контура зажгутся, ток, который должен течь через первый контур, гарантированно изменится. Процесс напоминает уравнение со многими неизвестными. Оптимальная точка - дело случая.
С другой стороны, при ограничении температуры обратки в виде пропорционального клапана RTB через частичные зоны всегда циркулирует именно та мощность, которую должна выдавать частичная зона. Температура обратки как управляющая переменная динамически регулирует расход. Для практического применения компания Baunach рекомендует устанавливать RTB непосредственно на обратном коллекторе коллектора. Номинальный размер клапана DN 15, потеря давления 100 мбар при расходе 0,40 м3/ч, значение Kvs 1,3 м3/ч, диапазон настройки обратной уставки от 0 до 40 °C, допустимое рабочее избыточное давление 10 бар. Вторая модель, балансировочный комплект RTB для автоматической термогидравлической балансировки расхода теплообменников в резервуарах для хранения питьевой воды, воздухонагревателях, теплообменниках бассейнов и вентиляционных системах, выпускается в трех типоразмерах: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 и 6,7, мощность при 20 K Delta T 18, 42 и 49 кВт. Диапазон температур обратного потока от 20 до 70 °C.
В отличие от RTB-Fbh, выносной датчик с капиллярной трубкой крепится к термостатической головке, что позволяет расположить датчик в любом месте обратного потока теплообменника. Оба варианта, как для напольного отопления, так и для различных теплообменников и воздухонагревателей, работают исключительно термогидравлически без использования внешней энергии. Они не закрываются полностью. Гарантируется минимальный расход 1 % от номинального значения, чтобы датчик всегда был погружен в обратную воду.
Он слегка приоткрывается, если температура обратной воды падает из-за снижения наружной температуры, и уменьшает расход, если комнатный термостат полностью открылся, т.е. измеренное значение на датчике RTB теперь хочет подняться выше заданного значения. Это означает, что из других отопительных контуров вода не уходит. Их RTB, естественно, также реагируют, открывая проходные сечения. Вся система стабилизируется автоматически. Принцип регулирования мощности высокоэффективных саморегулирующихся циркуляционных насосов остается неизменным. Они автоматически регулируют свою мощность в зависимости от перепада давления. Кристоф Берхаузен в восторге: "Раньше мы не могли с этим справиться. В верхних помещениях комнатные термостаты чередовались между полностью открытыми и полностью закрытыми, а большие нагревательные поверхности отсасывали воду от остальных или перегружали их. Мы никогда не могли добиться равномерного прогрева всех помещений, несмотря на попытки гидравлической балансировки".
При использовании RTB количество воды остается ограниченным. Мы сами выполнили тонкую настройку. Верхнюю часть клапана нужно отрегулировать лишь слегка и только один раз, чтобы получить желаемую температуру в помещении. Конечно, вам придется подстроить его. Но это нужно делать с каждым термостатическим клапаном".
Успех на слуху
Поэтому для других запланированных мероприятий по переоборудованию дома консультант по энергетике отказался от предварительно настраиваемых радиаторных клапанов, "потому что они пропускают только постоянное количество воздуха. Они не работают динамически. Для предварительной настройки мне пришлось бы проводить расчет отопительной нагрузки для каждой комнаты. С RTB этого делать не нужно". Теперь достаточно классических радиаторных термостатов". Владелец дома уверен, что только благодаря термогидравлической балансировке он будет заметно меньше платить за растительное масло для своей когенерационной установки. Изначально предполагалось, что она будет снабжать соседей по местной теплосети. Однако впоследствии они отказались от этой идеи, но по определенным причинам котел на растительном масле был заменен на когенерационную установку. Уже на первом этапе программы энерговосстановления, в течение шести месяцев, когда первоначально были установлены только ТЭНы, он работал заметно меньше. "По крайней мере, что-то заметно изменилось.
Рисунок 7: Испытание ограничителя температуры обратки на химическом заводе в Лимбурге, Бельгия, с RTB, установленным ниже по потоку от каждого из 30 вентиляторов, снабжаемых горячей водой. Термопара предотвращает повышение температуры обратной воды до более 45 °C из-за низкого отбора тепла из теплообменника, поскольку повышенный перепад давления регулирует скорость подачи циркуляционного насоса. Таким образом, обратная вода становится пригодной для конденсации.
Я не могу придумать поправку на градусо-день, но ситуация выглядит так: согласно общему опыту, лучшее распределение тепла экономит от 10 до 15 % тепловой энергии в среднем по статистике. Это будет справедливо и для нас, поскольку сразу после корректировки РТБ ТЭЦ стала включаться гораздо реже. Кстати, мы заметили этот эффект уже во второй раз. Мы также заметили его во время работы масляного котла, после установки фитинга "rendeMIX" в контур солнечной батареи. Объем буферной емкости комбинированного котла использовался лучше, он гораздо дольше отдавал тепло, и котел реже перезаряжался".
Тонкая настройка жителями
Электоральный француз засучил рукава. У него есть работа. Трубы в котельной нужно изолировать. "То, что вы видите здесь, на самом деле не является современной системой отопления. Все было собрано вместе, со всем возились, но все равно все работает идеально". Он объясняет настройки распределителя на втором этаже: "Теперь мы видим четыре комнаты: большую комнату, южную комнату и ванную, северную комнату. В последней никогда не достигалась нужная нам комнатная температура.
Электроприводы, расположенные здесь, в распределительном шкафу, связаны с комнатными термостатами в трех комнатах. В ванной комнате всегда должно быть немного теплее, поэтому она полностью открыта для потока. Благодаря опциям настройки на RTB мы наконец-то можем установить температуру в комнате с точностью до градуса. Поскольку большую комнату мы использовали как спальню, трубы отопления в полу находятся на довольно большом расстоянии друг от друга. Поэтому я настроил возврат на 20 градусов. Для двух других комнат достаточно 15 или 16 градусов, и я установил температуру обратки в ванной комнате на 22-23 градуса. Температура подачи во всех комнатах составляет 30 °C. Повысив среднюю температуру между подачей и обраткой в ванной комнате до 26 °C, я поддерживаю ее на уровне около 24 °C. Аналогичное соображение относительно средней температуры применимо и к "большой комнате".
Немного терпения
Г-н Берхаузен, по вашему опыту, что вы можете сказать проектировщику или производителю систем об ограничении температуры обратного потока? "На самом деле, ничего. Как я уже сказал, система самовыравнивается. Никаких предварительных настроек в этом виде нет. Вы должны подойти к этому с некоторой чувствительностью и посмотреть на помещение, его использование, расположение с севера на юг, теплообменники/радиаторы и предварительно настроить на определенное значение.
Рисунок 8: В каждом помещении установлены две децентрализованные однокомнатные системы вентиляции с керамическими рекуператорами тепла. Они работают попеременно как приточные и вытяжные установки, переключаясь из режима вытяжки в режим притока каждые 70 секунд. Для типа Vento-Expert производитель Blauberg указывает расход воздуха до 50 м3/ч и эффективность рекуперации тепла 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Каждый пользователь или владелец дома может самостоятельно регулировать температуру. С подогревом пола следует быть немного осторожнее. Это медлительная система, поэтому она требует немного больше времени. Если вы отрегулируете RTB, возможно, на два градуса, вам следует потерпеть день или два и только потом посмотреть на эффект. Но вам не нужен расчет. Насколько я знаю, это единственная система, которая работает подобным образом. При всех других методах балансировки гидросистемы мне приходится учитывать размер радиатора и другие факторы и приводить их во взаимодействие, чтобы соответствующим образом отрегулировать предварительно настроенные клапаны или зональные клапаны. И тогда они почти настроены. Работает ли это - не гарантировано. Здесь оператор выполняет перенастройку, но настраивает ее на заданную температуру, а не на проходное сечение и, следовательно, на заданный расход. RTB ищет это сам".
Образец подтверждения для KfW
KfW согласовал с VDZ, головной организацией по инженерному обеспечению зданий, процедуру гидравлической балансировки, которая должна быть задокументирована в соответствующей форме. Однако KfW не против нововведений. Он заявляет, что можно отклониться от указанной процедуры, если альтернатива может быть отнесена к пункту 5.25 "Открывающая оговорка для инновационных технологий" памятки, отвечающей за меры по повышению эффективности отопления (публикация KfW 600 000 3140). Компания Baunach подготовила соответствующий образец для инженеров-теплотехников, чьи клиенты желают получить финансирование KfW/Bafa и просят подтвердить гидравлическую балансировку.
Бернд Генат
Скачать техническую статью в формате PDF
