Гидравлика стала видимой
Без выравнивания - это как оркестр без дирижера - Семинар в Арнсберге
Потребность в информации в SHK-Сектор обучения огромен. Однако дальнейшее обучение не обязательно должно быть упаковано в роскошный светский вечер. Если темой является стандартная проблемная область - гидравлика - и приглашает организация, не ориентированная на продажи, например, ремесленная палата или сообщества новых источников энергии, зал для тренингов заполняется до отказа. Если эксперимент в тепловой лаборатории подтверждает теорию, то в конце слушатели почти ожидаемо спрашивают ведущего: "Какая у вас следующая тема?".
Проблемная область гидравлики. Эта проблема становится все более актуальной благодаря сетевой цифровизации и Интернету вещей. В будущем каждый, кто покупает у оптового продавца отдельные компоненты для сантехнических систем, систем отопления или кондиционирования воздуха, будет покупать кусочки головоломки. Как мы все знаем, они складываются в идеальную картину только в том случае, если находятся в правильном месте. В случае с гидравликой правильное место означает правильную настройку. Отдельные компоненты работают с максимальной эффективностью только тогда, когда они идеально согласованы друг с другом. Никто не сможет построить эффективную систему с неэффективными компонентами. Комбинирование эффективных компонентов для создания неэффективной системы, с другой стороны, не является правилом, но и не является исключением. "Хотя каждый музыкант - виртуоз, оркестровый концерт без дирижера не был бы праздником для ушей", - сказал в начале февраля докладчик на семинаре по гидравлике в центре профессионального обучения Ремесленной палаты Южной Вестфалии в Арнсберге, объясняя необходимость профессиональной балансировки.
Зарядка и разрядка буферных емкостей
Рисунок 1: Испытательная установка для двухзонной загрузки и разгрузки с многоходовым смесителем Ремесленная палата Арнсберга
Например, буферные накопители и их максимально эффективная зарядка и разрядка должны будут не только отвечать за снабжение зданий в будущем, но и за энергетический переход. И это не преувеличение. На данный момент теплоаккумуляторы также выступают в роли предохранительного клапана: ведь ветряные и солнечные электростанции растут быстрее, чем инфраструктура. Чем расширение дорог. По расчетам экспертов, переходный период для расширения составит добрых десять лет. Это означает, что в ближайшее десятилетие возобновляемые источники энергии придется убрать из сети, чтобы предотвратить ее полыхание. Это не отвечает интересам энергетического перехода. "Поэтому, - заявил недавно Штефан Капферер, председатель правления Немецкой ассоциации энергетической и водной промышленности, - мы должны использовать все возможные меры для облегчения текущей ситуации. Эти возможности включают в себя использование излишков в домашних хозяйствах, а именно преобразование их в тепло". Энергетический переход - это одно, а создание инфраструктуры, способной к такому переходу, - совсем другое. И это включает в себя, в частности, преобразование энергии в тепло. Немецкий мир энергетики и отопления становится все более электрическим за счет энергии ветра и фотоэлектричества. Естественное разделение спроса и предложения, которое это влечет за собой, должно быть системно компенсировано. Удобное и эффективное отопление при колебаниях энергии становится возможным благодаря технологии power-to-heat, т. е. объединению секторов с тепловыми насосами, солнечными тепловыми системами и буферными накопителями для временного сохранения тепла до вечерних часов или другого временного окна. Чем эффективнее система управления использует емкость такого накопителя, тем выше общая эффективность системы.
Кстати, это относится к любой интеграции буфера в отопительный контур, независимо от того, кто поставляет тепло: конденсационный котел, дрова или пеллеты, коллектор, ТЭЦ или тепловой насос. Но как приблизиться к оптимуму? Именно об этом шла речь в Арнсберге.
Рисунок 2: Силы плавучести: чем горячее вода, тем она легче
Как вы подходите к оптимальному варианту?
Начнем с вопроса: насколько велики силы плавучести, разделяющие теплую и горячую воду? Экскурс в гидравлику, проведенный Хансом-Георгом Баунахом из компании HG Baunach GmbH & Co. KG, представил такие малоизвестные цифры. Плавучесть основана на разнице в плотности. Вода при 0 °C весит 1 000 г на 1 литр, а вода при 100 °C, непосредственно в точке кипения, весит всего 950 г. Разница в 50 граммов означает, что в емкости диаметром 50 см - а значит, площадью около 2 000 см² - слой воды толщиной 1 см и объемом 2 литра будет, грубо говоря, подниматься с силой сжатия в 100 граммов - плавучесть кипящей воды в ледяной воде. Это не так уж и много. Даже малейшее нарушение этого слабого импульса может лишить содержимое воли к расслоению. Скромная компенсация: легкость воды непропорционально возрастает в верхнем диапазоне температур, начиная примерно с 50 °C и выше. Однако в холодном диапазоне, от 0 °C до 20 °C, разница в плотности относительно невелика. Другими словами, чем горячее вода, тем стабильнее расслоение: и, следовательно, полезное теплосодержание буфера или его полезная емкость: Давайте посмотрим на загрузку. При полном перемешивании при 50°C тепло течет в обратном направлении, так сказать, противодействуя концепции системы. А именно, из буфера в 45°C рассол подключенной солнечной тепловой системы, если он не предлагает более 45°C. Если же содержание увеличивается с 30 до 70 °C, что означает такое же количество тепла, как и в предыдущем случае, коллектор может передать свой солнечный прирост в холодную зону водонагревателя.
Разрушительная турбулентность
Признаться, все это небезызвестно. Но, как призналось большинство слушателей, последствия неправильной загрузки и разгрузки баков-аккумуляторов они осознают не столь радикально. Вернее, они не делают вывод о том, что температура обратки из системы отопления, в частности, должна быть как можно более холодной. Она имеет решающее значение для полезного теплосодержания. Поэтому, во-первых, она должна быть очень низкой, во-вторых, обратный поток должен поступать в буфер очень низко и, в-третьих, с небольшой скоростью. Чтобы не создавать турбулентности. В идеале - не более десяти сантиметров в секунду. Однако это значение не является управляющей переменной. Потому что, конечно, любая турбулентность разрушает стратификацию. Мы уже упоминали о силах плавучести. Она, турбулентность, буквально подтачивает неправильное поведение резервуара, потому что теплоотдача потока зависит от скорости потока и температуры. Если расход должен быть 60 °C, а в наличии имеется только вода для хранения 70 °C, то должно циркулировать больше смешанной воды по сравнению с жидкостью 80 °C. Больший объем означает необходимое увеличение скорости циркуляции. Более высокая скорость циркуляции означает увеличение импульса воды, поступающей в резервуар, и, следовательно, увеличение турбулентности. Эксперт по гидравлике Баунах рассчитал этот эффект: Кинетическая энергия возрастает квадратично со скоростью потока, следовательно, турбулентность увеличивается на 77 процентов при увеличении производительности на 33 процента. Это действует как большой венчик. Он смешивает все зоны нагрева, создавая лишь небольшую дельту Т между верхней и нижней частями. Практическое следствие: "Если температура смешивания в котле, допустим, не превышает 50 °C, то при принятии душа, несмотря на солнечную систему, котел запускается через несколько минут. При распределении 90/30, напротив, котел остается выключенным во время принятия душа, а коллектор может быть даже загружен", - объясняет Ханс-Георг Баунах.
Эффективность тем выше, чем больше конденсата
Почти к каждому высказыванию у него готов соответствующий слайд. Он не ожидает, что все будет сразу понято вживую. "На многих подобных тренингах в самом начале мы фиксируем расширенные глаза, нахмуренные брови и удивление. Отсюда и наша практическая часть. То, что для одного-двух человек звучит очень сложно, становится понятнее благодаря лабораторному эксперименту. Это делает теорию понятной", - резюмировал позже отзывы слушателей Ханс-Штефан Альберс. Альберс возглавляет отдел сантехники и отопительной техники в Ремесленной палате Южной Вестфалии. Семинары по гидравлике входят в его регулярную программу. Хотя время от времени установки демонтируются, чтобы освободить место для других демонстраций, после доработки они снова становятся доступными для следующего курса. Доработка означает, например, что термографическая камера, которая в настоящее время делает стратификацию прозрачной, вскоре будет дополнена регистратором данных с десятью точками измерения над высотой резервуара. "Тогда мы сможем представить участникам точные данные о температуре", - говорит Альберс.
Получение двухзонной загрузки и разгрузки
Рисунок 1: Принцип двухзонной загрузки и выгрузки с многоходовым смесителем
Если температура фиолетового слоя превышает заданное значение этого датчика, он подает сигнал "Достаточно" в котел. Таким образом, горелка выключается. Следовательно, при однозонном принципе в системе отопления доступен только ход. На двух диаграммах для однозонного принципа слева и двухзонного принципа справа показаны температурные условия во время заполнения и потребления. Два пунктирных квадрата, где по оси абсцисс указана температура воды, а по оси ординат - высота столба воды в резервуаре, представляют собой теоретическую емкость. Показанные подзоны представляют собой фактический полезный объем тепла.
Рисунок 2: Результаты Университет прикладных наук Бибераха
Объяснение их геометрии и отдельных точек измерения T в ходе длительных испытаний в Биберахе здесь не приводится; решающим фактором является разная площадь поверхности: стратегии загрузки и разгрузки с двумя многопортовыми смесителями на правой схеме рассчитаны на большое распределение в баллоне. Например, в конструкции с радиаторным и напольным отоплением только обратный поток 30 °C из низкотемпературной системы отопления поступает в нижнюю часть бака, а обратный поток 50 °C из радиатора направляется в зону смешивания. Температура в верхней трети остается столь же хорошо стратифицированной. Смеситель потока может даже не использовать самую высокую температуру, поскольку достаточно температуры центральной зоны. Таким образом, тепловая когенерационная установка остается выключенной. Если "Rendemix" потребляет отопительную воду из центральной зоны, он снижает температуру и освобождает место для горячей воды из "Dachs". В стандартном случае трехходового смесителя, напротив, смешанная обратка от радиаторов и панельного отопления уже имеет температуру более 40 °C, в зависимости от мощности двух отопительных контуров. Во-первых, это происходит за счет распределения. Из фиолетовой горячей зоны ничего нельзя взять напрямую. Во-вторых, это ограничивает пространство для хранения горячей воды. И в-третьих, для каждой температуры потока смесителю приходится использовать ценный запас горячей воды, который машина должна подавать во время теста.
Рисунок 3: Сокращение количества циклов пуск-остановка когенерационной установки при том же времени работы
Результат: полезный объем склада двухзонной системы загрузки и разгрузки с многоходовым смесителем в такой конфигурации, как в диссертации, ровно в 2,4 раза больше, чем в однозонном варианте. Вместо "крыши", которая имелась в Биберахе, можно было бы использовать и бойлер. Для комбинации бойлера и накопительного бака соотношения выглядят точно так же. Кстати, циклы старт-стоп "крыши" также сократились в 2,4 раза.
Очень впечатляет, когда "видишь количество конденсата и можешь с его помощью рассчитать, как низкая температура обратки повышает эффективность системы конденсационного котла, а в сочетании с двухзонной стратегией загрузки и разгрузки вместо однозонных систем - емкость буфера горячей воды", - признается начальник отдела. Его ученики в центре профессионального обучения - в основном мастера своего дела. Для практического подтверждения эффективности специальной гидравлики по методу Баунача - "Практически достаточно положить руки на трубы. Тогда вы сможете почувствовать, что происходит", - он также пригласил представителей Энергетического сообщества Южной Вестфалии, которое является другом Ремесленной палаты. Руководители и владельцы предприятий, хотя и находятся в середине своей карьеры и поэтому в основном знакомы с гидравликой, были так же впечатлены результатами, как и студенты-магистранты.
Рисунок 3: Термографическое изображение резервуара: начало стратификации
Слишком громоздкая ручная работа
Как уже упоминалось, в разработке Baunach используется один фитинг для выполнения трех задач гидравлической оптимизации: во-первых, эффективности использования тепла, во-вторых, эффективности распределения тепла и, в-третьих, эффективности аккумулирования тепла. Ручная сборка такой архитектуры из отдельных компонентов требует больших усилий и опыта. С "rendeMIX" все, что вам нужно сделать, - это прикрутить подающий и обратный трубопроводы. В основе создания смесительного блока лежит идея преобразования преобладающих сложных и энергозатратных двухконтурных систем, которые направляют высокотемпературный обратный поток от радиаторов в котел, а не в напольные змеевики, в экономичную одноконтурную систему. Это требует выравнивания различных объемов воды в арматуре. Затем компания расширила применение системы, чтобы оптимизировать зарядку и разрядку двухзонных буферных баллонов и подключить солнечные системы. Университет прикладных наук Бибераха в рамках дипломной работы определил преимущества оптимизированного подключения с помощью буферной и теплоэлектроцентрали: Двухзонная зарядка и разрядка, каждая со смесителем, увеличивает полезное теплосодержание бака-аккумулятора на 240% по сравнению с однозонным принципом (см. врезку). Естественно, в ходе коротких лабораторных испытаний в Арнсберге не удалось получить это поразительное значение. Для этого не хватило ни оборудования, ни времени. Однако измеренные температуры и тепловые характеристики, как правило, подтверждают результаты, полученные в Биберахе.
Рисунок 4: Измерение конденсата (внизу по центру) после снижения температуры обратного потока конденсационного котла. Руководитель испытаний Ханс-Стефан Альберс.
Скачать техническую статью в формате PDF
