Гідравліка стала видимою
Без узгодження - як оркестр без диригента - семінар в Арнсберзі
Потреба в інформації в SHK-Сектор підготовки кадрів величезний. Проте підвищення кваліфікації не обов'язково має бути упаковане в розкішно оформлений світський вечір. Якщо темою є стандартна проблематика - гідравліка - і запрошує не комерційна установа, наприклад, реміснича палата або спільноти нової енергетики, то навчальна зала заповнюється вщент. Якщо потім експеримент у тепловій лабораторії підтверджує теорію, то наприкінці слухачі майже очікувано запитують ведучого: "Яка наступна тема?".
Проблемна область гідравліки. Вона стає дедалі актуальнішою з мережевою діджиталізацією та інтернетом речей. У майбутньому кожен, хто купуватиме окремі компоненти для санітарної, опалювальної або кондиціонерної системи у оптового продавця, купуватиме шматочки пазла. Як ми всі знаємо, вони підходять один до одного, щоб сформувати ідеальну картину, тільки якщо вони знаходяться в правильному місці. З точки зору гідравліки, правильне місце означає правильне регулювання. Окремі компоненти працюють з повною ефективністю лише тоді, коли вони ідеально узгоджені один з одним. Ніхто не в змозі побудувати ефективну систему з неефективних компонентів. З іншого боку, поєднання ефективних компонентів для створення неефективної системи не є правилом, але й не є винятком. "Хоча кожен музикант є віртуозом, оркестровий концерт без диригента не був би святом для вух", - сказав доповідач на семінарі з гідравліки в центрі професійного навчання Ремісничої палати Південної Вестфалії в Арнсберзі на початку лютого, пояснюючи необхідність професійного балансування.
Зарядка та розрядка буферних ємностей
Рисунок 1: Випробувальна установка для двозонного завантаження та розвантаження з багатоходовим змішувачем Арнсбергської ремісничої палати
Наприклад, буферні накопичувачі та їхнє найбільш ефективне заряджання і розряджання повинні будуть взяти на себе відповідальність не лише за енергопостачання будівель у майбутньому, але й за енергетичний перехід. І це не перебільшення. Наразі накопичення тепла також виконує роль запобіжного клапана: адже вітрові та сонячні електростанції зростають швидше, ніж інфраструктура. Швидше, ніж розширення доріг. Експерти підрахували, що для розширення доріг потрібен перехідний період у добрий десяток років. Це означає, що в наступному десятилітті відновлювані джерела енергії доведеться виводити з мережі, щоб не допустити перенапруги в енергосистемі. Це не в інтересах енергетичного переходу. "Ось чому, - сказав нещодавно Штефан Капферер, голова виконавчої ради Німецької асоціації енергетичної та водної промисловості, - ми повинні використовувати всі можливості, які полегшують поточну ситуацію. Ці можливості включають використання надлишків у домогосподарствах, а саме перетворення їх на тепло". Енергетичний перехід - це одне, а створення інфраструктури, здатної до переходу, - інше. І це стосується, серед іншого, перетворення енергії в тепло. Німецький світ енергетики та опалення стає все більш електричним завдяки вітровій та фотоелектричній енергії. Природне роз'єднання попиту та пропозиції, яке це тягне за собою, має бути системно компенсоване. Зручне та ефективне опалення за рахунок нестабільної енергії стає можливим завдяки використанню енергії з енергії, тобто поєднанню секторів з тепловими насосами, сонячними тепловими системами та буферними накопичувачами для тимчасового зберігання тепла до вечірніх годин або іншого часового проміжку. Чим ефективніше система керування використовує ємність такого накопичувача, тим вища загальна ефективність системи.
До речі, це стосується будь-якої інтеграції буфера в опалювальний контур, незалежно від того, хто постачає тепло: конденсаційний котел, дрова або пелети, колектор, ТЕЦ або тепловий насос. Але як наблизитися до оптимуму? Саме про це говорили в Арнсберзі.
Рисунок 2: Сили плавучості: чим гарячіша вода, тим легше
Як ви наближаєтеся до оптимуму?
Почнемо з питання: наскільки великі сили плавучості, які розшаровують теплу і гарячу воду? Екскурс у гідравліку від Ганса-Георга Баунаха з компанії HG Baunach GmbH & Co. KG, представив такі маловідомі цифри. Плавучість ґрунтується на різниці в густині. Вода при 0 °C важить 1000 г на 1 літр, вода при 100 °C, безпосередньо в точці кипіння, важить лише 950 г. Різниця в 50 грамів означає, що в резервуарі діаметром 50 см - а отже, площею близько 2 000 см² - шар води товщиною 1 см об'ємом два літри, грубо кажучи, підніметься з силою стиснення 100 грамів - плавучість окропу в крижаній воді. Це зовсім небагато. Навіть найменше порушення цього низького імпульсу може позбавити вміст бажання розшаровуватися. Скромна компенсація: легкість води непропорційно зростає у верхньому температурному діапазоні, приблизно від 50 °C і вище. З іншого боку, в холодному діапазоні, від 0 °C до 20 °C, різниця в щільності є відносно невеликою. Іншими словами, чим гарячіша вода, тим стабільніша стратифікація, а отже, і корисний вміст тепла в буфері або його корисна ємність: Давайте подивимося на навантаження. При повному перемішуванні при 50°C тепло тече в зворотному напрямку, так би мовити, всупереч концепції системи. А саме, з буфера в 45°C розсіл підключеної геліосистеми, якщо вона не пропонує більше 45°C. Якщо, з іншого боку, вміст збільшується з 30 до 70 °C, що означає таку ж кількість тепла, як і в попередньому випадку, колектор може передати свій сонячний приріст в холодну зону водонагрівача.
Руйнівна турбулентність
Слід визнати, що все це не є чимось новим. Але, як зізналася більшість слухачів, наслідки неправильного завантаження і розвантаження накопичувальних баків не усвідомлюють так гостро. Точніше, вони не роблять висновку, що температура на виході з системи опалення, зокрема, повинна бути якомога нижчою. Вона має вирішальне значення для вмісту корисного тепла. Тому вона повинна бути, по-перше, дуже низькою, по-друге, зворотний потік повинен входити в буфер дуже низько і, по-третє, з низькою швидкістю. Щоб не створювати турбулентності. В ідеалі - не більше десяти сантиметрів на секунду. Але ця величина не є керуючою змінною. Тому що, звичайно, будь-яка турбулентність руйнує стратифікацію. Ми вже згадували про виштовхувальні сили. Вона, турбулентність, буквально розгойдує неправильну поведінку резервуара, оскільки тепловіддача потоку залежить від швидкості і температури. Якщо потік повинен становити 60 °C, а накопичувальна вода має температуру лише 70 °C, має циркулювати більше змішаної води, ніж рідина з температурою 80 °C. Більший об'єм означає необхідне збільшення швидкості циркуляції. Вища швидкість циркуляції означає збільшення імпульсу води, що надходить у бак, а отже, збільшення турбулентності. Експерт з гідравліки Баунах розрахував цей ефект: Кінетична енергія квадратично зростає зі швидкістю потоку, отже, турбулентність зростає на 77% при збільшенні пропускної здатності на 33%. Це діє як великий віночок. Він змішує всі теплові зони, створюючи лише невелику дельту T між верхньою і нижньою частинами. Практичний наслідок: "Якщо змішана температура в бойлері, скажімо, не перевищує 50 °C, бойлер запускається через кілька хвилин після прийняття душу, незважаючи на сонячну систему. З іншого боку, при розподілі 90/30 котел не вмикається під час прийняття душу, а колектор може бути навіть завантажений", - пояснює Ганс-Георг Баунах.
Ефективність тим вища, чим більше конденсату
Майже на кожну заяву у нього готовий відповідний слайд. Він не очікує, що наживо все буде одразу зрозуміло. "На багатьох подібних тренінгах ми фіксуємо великі очі, насуплені брови і здивування на початку. Тому ми переходимо до практичної частини. Те, що для однієї-двох людей звучить дуже складно, стає зрозумілим завдяки лабораторному експерименту. Він робить теорію зрозумілою", - підсумував пізніше Ганс-Штефан Альберс відгуки аудиторії. Альберс очолює відділ сантехніки та опалювальної техніки в Ремісничій палаті Південної Вестфалії. Семінари з гідравліки є частиною його регулярної програми. Хоча установки час від часу демонтуються, щоб звільнити місце для інших демонстрацій, вони знову стають доступними для наступного курсу після доопрацювання. Удосконалення означає, наприклад, що термографічна камера, яка зараз робить стратифікацію прозорою, незабаром буде доповнена реєстратором даних з десятьма точками вимірювання на висоті резервуару. "Тоді ми зможемо показувати учасникам точні температури", - каже Альберс.
Переваги двозонного завантаження та розвантаження
Рисунок 1: Принцип двозонного завантаження і розвантаження з багатоходовим змішувачем
Якщо температура фіолетового шару перевищує встановлене цільове значення цього датчика, він подає сигнал "Досить" на котел. Таким чином, пальник вимикається. Отже, на практиці при однозонному принципі опалення в системі опалення доступний тільки хід. Дві діаграми для однозонного принципу зліва та двозонного принципу справа показують температурні умови під час заповнення та споживання. Два пунктирні квадрати з температурою води на осі абсцис і висотою стовпа води в баку на осі ординат представляють теоретичну ємність накопичувача. Показані підзони представляють фактичний корисний об'єм тепла.
Рисунок 2: Результати Біберахського університету прикладних наук
Пояснення їхньої геометрії та окремих точок вимірювання T довготривалого випробування в Біберачі тут опущено; вирішальним фактором є різна площа поверхні: стратегії завантаження та вивантаження з двома багатопортовими змішувачами на правій діаграмі розраховані на великий розкид в баку. Наприклад, в конструкції з радіаторним та підлоговим опаленням тільки 30 °C зворотний потік з низькотемпературної системи опалення надходить в нижню частину бака, тоді як 50 °C зворотний потік радіатора спрямовується в зону змішування. Температури у верхній третині залишаються так само добре стратифікованими. Змішувач потоку може навіть не використовувати найвищу температуру, оскільки температура центральної зони є достатньою. Таким чином, когенераційна установка з тепловим нагріву залишається вимкненою. Якщо "Rendemix" забирає опалювальну воду з центральної зони, він зменшується і звільняє місце для гарячої води з "Дач". З іншого боку, у стандартному випадку триходового змішувача змішана подача з радіаторів і панельного опалення вже має температуру понад 40 °C, залежно від потужності двох опалювальних контурів. По-перше, це відбувається за рахунок розсіювання. Ніщо не може бути взято безпосередньо з фіолетової гарячої зони. По-друге, це обмежує простір для зберігання гарячої води. І по-третє, змішувач повинен використовувати цінний запас гарячої води для кожної температури потоку, яку машина потім повинна подавати під час тесту.
Рисунок 3: Скорочення циклів пуску-зупинки ТЕЦ при однаковій тривалості роботи
Результат: корисний об'єм зберігання двозонної системи завантаження та розвантаження з багатоходовим змішувачем у такій конфігурації системи, як у дипломній роботі, рівно в 2,4 рази більший, ніж у однозонної версії. Замість "даху", який був доступний у Біберачі, також можна було б використовувати бойлер. Співвідношення виглядають точно так само для комбінації котел/аккумулюючий бак. До речі, цикли запуску-зупинки "даху" також скоротилися в 2,4 рази.
Це дуже вражає, "бачити кількість конденсату і мати можливість використовувати його для розрахунку того, як низькі температури зворотної води підвищують ефективність конденсаційної котельні, а в поєднанні з двозонною стратегією завантаження і розвантаження замість однозонної системи - ємність буферної ємності гарячої води", - зізнається завідувач кафедри. Його учні в центрі професійно-технічної освіти - це переважно майстри-ремісники. Для практичного доказу ефективності спеціальної гідравліки використовують метод Баунаха - "Майже достатньо покласти руки на труби. Тоді ви відчуєте, що відбувається" - він також запросив Енергетичне співтовариство Південної Вестфалії, яке є другом Ремісничої палати. Керівники та власники заводів, хоча й перебувають у середині своєї кар'єри, а отже, добре знайомі з гідравлікою, були вражені результатами так само, як і студенти-магістранти.
Рисунок 3: Термографічне зображення резервуара для зберігання: початок стратифікації
Занадто громіздко вручну
Як уже згадувалося, розробка Baunach використовує один фітінг для виконання трьох завдань гідравлічної оптимізації: по-перше, ефективність системи в утилізації тепла, по-друге, ефективність системи в розподілі тепла і, по-третє, ефективність системи в накопиченні тепла. Ручна збірка такої архітектури з окремих компонентів вимагає значних зусиль і досвіду. З "rendeMIX" все, що вам потрібно зробити, це прикрутити труби подачі та повернення. Ідея створення змішувального блоку полягала в тому, щоб перетворити домінуючі складні та енерговитратні двоконтурні системи, в яких високотемпературний зворотний потік від радіаторів направляється в котел, а не в підлогові теплообмінники, в одноконтурну систему, що заощаджує паливо. Це вимагає вирівнювання різних об'ємів води в арматурі. Потім компанія розширила застосування для оптимізації зарядки і розрядки двозонних буферних баків і підключення сонячних систем. Університет прикладних наук Бібераха визначив переваги оптимізованого з'єднання в рамках дипломної дисертації з буферною та комбінованою теплоелектростанцією: Двозонна зарядка і розрядка, кожна з яких має змішувач, збільшує вміст корисного тепла в накопичувальному баку на 240% порівняно з однозонним принципом (див. вставку). Звичайно, коротке лабораторне випробування в Арнсберзі не змогло виявити цю дивовижну величину. Для цього не вистачило ні обладнання, ні часу. Однак виміряні температури і теплові характеристики, як правило, підтверджували результати Бібераха.
Рисунок 4: Вимірювання конденсату (внизу в центрі) після зниження температури зворотної лінії конденсаційного котла. Керівник випробувань Ганс-Штефан Альберс.
Завантажити технічну статтю у форматі PDF
