Кожен літр акумулюючої ємності - це корисне тепло
Гідравліка опалення з геліосистемою і великим буферним баком, ліфтом повернення котла і чотириконтурною системою з утилізацією зворотної води
Скільки палива можна ефективно заощадити, використовуючи сонячне тепло, багато в чому залежить від фактичного корисного об'єму бака-накопичувача. Він також стає вимогливим до гідравліки, якщо підключені опалювальні контури працюють при різних температурах системи і теплогенератору потрібне підсилення зворотного потоку.
Рис. 1: Фермер Фердинанд Шергубер (ліворуч) майже вдвічі скоротив споживання палива, використовуючи сонячне тепло. Гідравліку системи розробив його сусід Вальтер Грабнер (праворуч) за підтримки компанії HG Baunach.
Ілюстративним прикладом є Деревна тріска та сонячна система опалення на фермі в Нижній Австрії. Її особливістю є нетрадиційно сконструйований бак-накопичувач сонячної енергії. В основі системи лежать два багатопортових змішувальних колектора, які заряджають і розряджають буферний накопичувач об'ємом 22 000 літрів за двозонним принципом, а також дозволяють використовувати зворотний потік для низькотемпературної стабільної системи підігріву підлоги. Хоча тріска є екологічним і недорогим паливом, для фермера Фердинанда Шергубера з Вольфсбаха витрати на паливо є синонімом витрат на робочу силу і техніку. Свиноферма в регіоні Моствіртель також мала постійно високе споживання тріски влітку. Це пов'язано з тим, що поросятам потрібна підлога в свинарнику з підігрівом і постійною температурою цілий рік. Необхідність підтримувати вугілля в котлі на трісці також збільшувала потребу в паливі. За кілька сотень метрів знаходиться будинок його сусіда Вальтера Грабнера, який також опалюється дровами, але за допомогою сонячної енергії. Використання сонячного тепла для опалення захопило його ще 30 років тому: "Для мене сонячна енергія має сенс, якщо я можу обігріватися кілька днів без котла", - каже Вальтер Грабнер. Його сонячна система має відповідні розміри - 22 м² сонячних колекторів, встановлених на спеціально сконструйованій системі стеження, наповнюють два буферні баки загальним об'ємом близько 4500 літрів достатньою кількістю енергії у сонячні дні.
Рис. 2: Вся система розподілу та керування гідравлічним перемиканням системи опалення та геліосистеми з великим буферним накопичувачем складається з двох багатопортових змішувальних колекторів rendeMIX і розміщується на стіні площею близько 1 м².
Своїм ентузіазмом щодо ефективного використання сонячного тепла Грабнер заразив сусіднього фермера, який хотів зменшити споживання деревної тріски, а отже, і своє робоче навантаження.
Щедрий вибір розмірів виявляється правильним
Однак енергетичні потреби сільськогосподарської нерухомості набагато більші. Окрім житлового будинку з житловою площею 220 м², для корівника потрібно близько 300 м² площі для обігріву, а також додаткове опалення для сушіння тріски, яку фермер повинен переробляти і транспортувати тоннами. Раніше котел на деревній трісці потужністю 75 кВт покривав лише потребу в теплі. Загалом, це приблизно в чотири рази більше, ніж будинок Грабнера. Завдяки підтримці сусідів, нарешті, був розроблений план незвичайної системи опалення на сонячних батареях. Для визначення розмірів сонячної системи та об'єму буферного накопичувача Вальтер Грабнер екстраполював власну концепцію системи в чотири рази до потреб ферми. Результатом цього розрахунку став буферний накопичувач об'ємом близько 20 000 літрів і площа сонячного колектора 88 м². Те, що він мав рацію з цими розмірами, підтвердилося, як виявилося пізніше, скороченням споживання палива вдвічі. "Ми вимкнули котел наприкінці березня", - повідомляє фермер Фердинанд Шергубер восени 2009 року. До початку жовтня сонячна система була єдиним джерелом тепла для будинку, сараю та гарячої води.
Утилізований вагон-котел стає сонячним накопичувачем
Однак перед Грабнером і Шергхубером постало питання, як реалізувати необхідний буферний об'єм у 20 000 літрів - причому з найменшими витратами. Конструктивні умови прибудови до свинарника не пропонували надто багато місця для встановлення резервуара, особливо з точки зору висоти. Як колишній бригадир ÖBB (Австрійської федеральної залізниці), Вальтер Грабнер вже мав на думці рішення, яке на той час знаходилося на шляху до залізничних колій: він планував переобладнати цистерну списаного вагона-цистерни в резервуар для зберігання сонячної енергії. Через деякий час великий контейнер, відокремлений від шасі та очищений зсередини, стояв на подвір'ї фермера з Вольфсбаха. Маючи пристрасть до нетрадиційних рішень у поєднанні з ґрунтовними знаннями в галузі проектування та досвідом металообробки, Грабнер вкоротив колишню цистерну товарного вагона приблизно на третину, щоб створити вертикальний резервуар для зберігання. Теплообмінник виготовлений з 28-міліметрової мідної труби, яку він замовив у рулонах, щоб намотати на спіральні теплообмінники за допомогою сільськогосподарської техніки. Два спіральних трубчастих теплообмінники, кожен з яких має поверхню теплопередачі 7 м², були використані в нижній частині накопичувача, кожен для однієї половини колекторного масиву розміром 2 x 44 м².
Двозонна зарядка та зворотна утилізація
Рис. 3: Сонячний буферний бак має висоту 4,5 м і вміщує близько 22 м³ води для нагріву.
Окрім будівництва бака для зберігання сонячної енергії, Вальтер Грабнер також інтенсивно працював над тим, як налаштувати гідравлічний контур для всієї системи опалення. Виникли два виклики: перше питання полягало в тому, як постійно отримувати корисне тепло з буферної ємності без необхідності попередньо нагрівати кілька тисяч літрів води для опалення. Зрештою, великий об'єм накопичувача не принесе користі, якщо весь його вміст матиме лише теплу змішану температуру. Друга проблема полягала в різній температурі систем: тоді як контури радіаторного опалення в житловому будинку розраховані на 70/50 °C, система підігріву підлоги в корівнику працює при 40/30 °C. Однак котел на деревній трісці забезпечує температуру подачі 80 °C, тоді як температура на виході не повинна бути нижчою за 60 °C. Тому потрібна була система розподілу та керування, яка б надійно забезпечувала відповідні контури необхідною температурою. Пошуки Вальтера Грабнера привели його до багатопортового змішувального колектора rendeMIX через каталог опалювальної техніки. Його переконав принцип двозонного завантаження і розвантаження буфера і можливість зворотного використання. Крім того, принцип завантаження і розвантаження, розподілений на дві буферні зони, дозволив одночасно реалізувати необхідне збільшення зворотного потоку. Виробник HG Baunach, що базується в німецькій землі Північний Рейн-Вестфалія (www.baunach.net) обмінявся ідеями з Грабнером і розробив системну схему гідравліки системи сонячного опалення з великим буферним баком і різними температурними вимогами. Було заплановано два багатопортових змішувальних колектора rendeMIX, які використовуються одночасно для створення стратифікації в накопичувальному баку і для температурного змішування:
Гідравліка системи між теплогенератором і буферним циліндром, двозонне завантаження буферного циліндра
- Подача тепла, виробленого котлом на трісці, у верхню буферну зону (температура потоку 80 °C).
- Зниження температури обратки для твердопаливного котла шляхом змішування обратки з опалювальною водою з буферної ємності і, за необхідності, з подачі. За допомогою системи rendeMIX "2×3", температура зворотної води, задана регулятором з фіксованим значенням, підвищується шляхом підмішування з верхньої третини або з центру буферної ємності. Якщо температура в буфері недостатня, змішувач перемикається на змішування з потоку.
Гідравліка системи між буферним резервуаром і чотириконтурною системою, двозонний злив буфера
- Змішування температури подачі для контурів радіаторного опалення та ГВП з опалювальною водою з верхньої та центральної буферних зон.
- Змішування температури подачі для низькотемпературного опалення (стабільна тепла підлога). Особливістю є утилізація зворотної води, яку забезпечує конструкція rendeMIX "3×4": Якщо температура обратки з радіаторних контурів опалення все ще достатня для забезпечення потоку панельного опалення, багатопортовий змішувальний колектор перемикається на утилізацію обратки. Якщо цього теплопостачання немає, змішувальний колектор забирає необхідне тепло з центральної буферної зони і додає опалювальну воду з верхньої частини буфера в міру необхідності.
- Повернення до буферного накопичувача: повернення контурів радіаторного опалення через змішувальний колектор до центральної буферної зони (якщо не використовується для повернення для панельного опалення); повернення панельного опалення до нижньої буферної зони.
Ефективне використання буфера
Рис. 4: Вальтер Грабнер вбудував три термометри на висоті огляду в дерев'яну обшивку закритого та ізольованого буферного резервуару для того, щоб контролювати температуру у верхній, середній та нижній буферних зонах.
Рис. 5: Вальтер Грабнер спроектував і побудував систему стеження з гідравлічним приводом для сонячної системи опалення, яка забезпечує його будинок.
Рис. 6: Врятований від металобрухту: списаний вагон-цистерна ÖBB був перетворений на сонячний накопичувач.
Зарядка та розрядка буферної ємності відбувається за принципом "довше гаряча вода вгорі - швидше холодна внизу". Під час візиту на об'єкт у жовтневий день із зовнішньою температурою +9 °C термометри на багатопортовому змішувальному колекторі показують, як поводяться потреба в опаленні та наявне в буфері теплопостачання:
- Верхня температура буфера: 68 °C
- Температура в центрі буфера: 45 °C
- Нижня температура буфера: 45 °C.
Сонячна система постачає тепло знизу, яке використовується для опалення корівника через центральну буферну зону. Положення виконавчого механізму показує, що в цей момент rendeMIX отримує приблизно 1/3 тепла з верхньої буферної зони і 2/3 - з центральної зони. Бойлеру потужністю 75 кВт потрібно близько 12 годин, щоб нагріти буферний вміст до рівня сонячного теплообмінника. "Зараз для всієї ферми було б достатньо котла потужністю 20 кВт", - оцінює Вальтер Грабнер. Фермер Фердинанд Шергубер особливо задоволений тим, що його трудовитрати на виробництво, транспортування та зберігання тріски скоротилися майже вдвічі.
Принцип роботи не залежить від розміру резервуара
Рис. 7: ... теплообмінник вставили в укорочений приблизно на третину бак, а основу приварили назад.
На етапі планування Г. Г. Баунах провів додатковий розрахунок, щоб проілюструвати розміри буферного бака: якщо 4,5 м висоти бака (спрощено у вигляді циліндра) вміщує 22 000 літрів, то 15 см висоти бака відповідає ємності 750 літрів - середньому розміру звичайного сонячного бака для дому на одну сім'ю. Іншими словами, з гідравлічної точки зору розмір буферного бака менш важливий, ніж кількість тепла, яку можна з нього отримати. Приклад цієї системи показує, що по-справжньому ефективне використання вмісту буферної ємності можливе лише завдяки принципу двозонного заряджання та розряджання. За таким же принципом працює rendeMIX, який використовується для розвантаження двох буферних накопичувачів загальним об'ємом 4 500 літрів у будинку Вальтера Грабнера. З його досвіду, великий буферний об'єм має значну перевагу: "При використанні сонячної енергії завжди може статися так, що котел тільки-но нагріє буфер, а погода раптово зміниться на сонячну.
Рис. 8: rendeMIX у будинку Вальтера Грабнера є точкою перемикання між буферними резервуарами для зберігання та двоконтурною системою з радіаторами та теплою підлогою.
Тоді в нижній буферній зоні залишається ще достатньо місця для заряду сонячного тепла", - каже Вальтер Грабнер. rendeMIX гарантує, що нижня буферна зона завжди залишається холодною. Приводи багатопортових змішувальних колекторів керуються за допомогою простого триточкового сигналу від звичайної системи управління опаленням. "Інноваційні інженери-теплотехніки просто зобов'язані ознайомитися з принципом роботи rendeMIX", - рекомендує Вальтер Грабнер.
Рис. 9: Сонячний колектор площею 88 м² забезпечує потреби в опаленні з квітня по жовтень.
Вольфганг Хайнль
Завантажити технічну статтю у форматі PDF
