TEIL 1 FWE-Technik TZ 1-2010
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Beispiel Wärme clever geregelt varmeco varmeco wärme.nutzen wärme.nutzen weiter denken ... VDI – Karlsruher Bezirksverein Fachgruppe Technische Gebäudeausrüstung „Hygienische und energiesparende Trinkwassererwärmung“ “ Dipl.-Ing. Thomas Zimpel M.Sc. Planung und Vertrieb Innovationen in der Trinkwassererwärmung - Einführung in die Frischwassertechnik - Dimensionierung der Frischwassersysteme - Anwendungsbeispiele 1/53 varmeco wärme.nutzen > Umfirmierung Sandler wird zu „varmeco“ varmeco >> wird zu >> wärme.nutzen Bedeutung „varmeco“ in der Weltsprache Esperanto „Wärme“ Bezug zu den Kernkompetenzen „Frischwasser“, „Speichertechnik“, „Regeltechnik“ und „solares Heizen“ wird besser hergestellt. varmeco steht für Wärme – und Wärme ist und bleibt das Bindglied aller unser ingenieurtechnischen Leistungen. Für die Expansion unseres Leistungsangebotes war der alte Namen „Sandler“ nicht geeignet, denn „Sandler“ bedeutet in einigen deutschsprachigen Ländern „Landstreicher“ . Die Umfirmierung hat vertriebs- und marketingstrategische Gründe – die Struktur unseres Unternehmens und deren Gesellschafter bleibt bestehen. 2/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco steht für 3/53 > Systemtechnik > Frischwassertechnik > Regelungstechnik > solare Heiztechnik varmeco varmeco varmeco varmeco wärme.nutzen wärme.nutzen VARMECO - Firmenprofil 4/53 varmeco > bestehend seit 1983 -gegründet als Sandler Energietechnik GmbH & Co. KG -seit 2007 im Markt tätig als varmeco GmbH & Co. KG > Hersteller von heiztechnischen Komponenten -eigene Fertigung (Verwendung von Deutschen Komponenten) > eigenes bundesweites Vertriebsnetz > Technische Niederlassungen -Zur Planungsunterstützung und Systemintegration -Arnsberg und Kaufbeuren > Motivation: Nachhaltigkeit im Umfeld der hygienisch einwandfreien Trinkwarmwasserbereitung in energiesparenden, regenerativ unterstützten Heizsystemen. varmeco varmeco wärme.nutzen wärme.nutzen VARMECO STEHT FÜR INNOVATION 5/53 Historisches > Bundesinnovationspreis auf der IHM 1993 > Eröffnung des Forschungs- und Trainingslabors 1995 > Aufbau des Handwerkspartnernetzes > Bayerischer Innovationspreis 1998 > Bundesinnovationspreis 2000 > Umzug in das neue Firmengebäude 2001 > Umfirmierung in varmeco wärme.nutzen 2007 varmeco varmeco wärme.nutzen wärme.nutzen 6/53 varmeco varmeco wärme.nutzen > Historie 7/53 Kennen Sie den ersten Trinkwassererwärmer ? Es war der Kohlebadeofen varmeco wärme.nutzen > Historie Der Kohlebadeofen als erster Trinkwassererwärmer. – Patentiert im Jahre 1864 vom Franzosen Bizet – Brennstoff Kohle – direkt befeuert – Speicherbehälter 8/53 varmeco wärme.nutzen Warmwasser-Versorgungsanlagen > Einteilung der TWW-Versorgungsanlagen 9/53 Anlagenarten Warmwasser für Wohnungen, Gewerbe, Industrie, Sonderfälle Ausführungsarten Dezentrale Warmwassererwärmung Zentrale Warmwassererwärmung Durchflußsystem Speichersystem Direkte Beheizung (unmittelbare Erwärmung) Indirekte Beheizung (mittelbare Erwärmung) Anlagensysteme Energiearten Flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Feste Brennstoffe Elektrizität Abwärme Solartechnik Wärmepumpe (Elektro, Gas, Öl) Quelle: Recknagel: TB für Heizung und Klimatechnik varmeco wärme.nutzen > Speichersysteme Speicher-Trinkwassererwärmer – Speicherbehälter – indirekt erwärmt 10/53 varmeco wärme.nutzen > Speichersysteme Speicherladesystem – – – – Speicherbehälter indirekt erwärmt externer Tauscher schnellere Verfügbarkeit 11/53 varmeco wärme.nutzen > Vorteile der Speicherung 12/53 Senkenleistungsdynamik ungleich Quellenleistungsdynamik – geringe Anforderung an die Regelung der Beladung max. Senkenleistung ungleich max. Quellenleistung – verschärft im NEH od. PH Angebot und Nachfrage zeitlich unabhängig – – – – WP im Niedertarifbetrieb E-Wärme im Niedertarifbetrieb Solarwärme KWK-Anlagen TWW-Verbrauchsmessung in einem Wohnhaus mit 90 Wohneinheiten (1-Minuten-Spitzenwerte) 3500 WW Maximum: 3.200 l/h - Zeitpunkt: 12:48 Uhr TWW-Volumenstrom [l/h] 3000 ZWW VL KW 2000 1500 1000 500 Wärmespeicher Uhrzeit 0:00 23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 9:00 10:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 0:00 Wärmequelle 1:00 0 RL Wärmesenke 166 l/min = 406 kW 2500 varmeco wärme.nutzen > Durchflußsysteme 13/53 Durchflußerwärmer (= Durchlauferhitzer) Vorteile: – – – – – – kein Speicherbehälter Brennstoff Gas oder Strom direkt erwärmt meist dezentral eingesetzt verlustarm und bedarfsgerecht hygienisch vorteilhaft TWW Nachteile: – begrenzter Leistungsbereich – begrenzte Regelgüte – Angebot + Nachfrage zeitlich abhängig TWK Wärmestrom varmeco wärme.nutzen > Energiesparen versus Hygiene Energiesparen Minimierung der Speicher- und Verteilverluste – geringe Systemtemperaturen (Speicher, TWW-Temperatur) – kurze Zirkulationsintervalle => Temperaturen zwischen 35 und 65 °C, je nach Anwe ndung Hygieneproblematik – Legionellenwachstum zwischen 25°C und 50 °C => Temperaturen unter 25 °C oder über 60 °C Konflikt Energiesparen <-> Hygiene 14/53 varmeco wärme.nutzen Warmwasser-Versorgungsanlagen > Einteilung der TWW-Versorgungsanlagen 15/53 Anlagenarten Warmwasser für Wohnungen, Gewerbe, Industrie, Sonderfälle Ausführungsarten Dezentrale Warmwassererwärmung Zentrale Warmwassererwärmung Durchfluss-System Speicher-System Direkte Beheizung (unmittelbare Erwärmung) Indirekte Beheizung (mittelbare Erwärmung) Anlagensysteme Energiearten Flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Feste Brennstoffe Elektrizität Abwärme Solartechnik Wärmepumpe (Elektro, Gas, Öl) Quelle: Recknagel: TB für Heizung und Klimatechnik varmeco wärme.nutzen > Alternativsystem: varmeco Frischwassertechnik 16/53 Wasser-Wasser-Durchfluss-Trinkwassererwärmer TWW TWZ VL TWK RL Wärmesenke Sekundärseite hygienerelevant TWW-Verteilnetz Plattenwärmetauscher Wärmespeicher Primärseite hygienisch unrelevant Heizungsnetz Wärmequelle varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik 17/53 Aufbau TWZ-Netz: 55°C > SYSTEM 014-2 Speicherladegruppe max. 90°c M Frischwassererwärmer Regelung Puffer-Speicher Speicherladegruppe TWW-Netz: 60°C – – – – TWK-Netz: 10°C ? Wasservorlage TWE 60-40°C min. 20°C Verteilung/Wärmequelle Leitwerkschichtspeicher MAG SG varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Aufbau im Detail – Pufferspeicher – – – – – Plattenwärmetauscher leistungsgeregelte Ladepumpe schnelles Motorventil Temperatursensoren elektronischer Durchflußmesser – Regelungssystem (neuronalselbsteinstellender Regler) – Zirkulationspumpe (optional) 18/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Funktion Sobald ein Warmwasserhahn geöffnet wird, strömt frisches Leitungswasser durch den Wärmetauscher. 19/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Funktion Der Durchflusssensor ermittelt sofort den exakten Wert der momentanen Strömung und leitet ihn an das Regelungssystem weiter. Dieses errechnet blitzschnell die erforderliche Pumpenleistung, setzt die Ladepumpe mit der richtigen Drehzahl in Gang und öffnet das Motorventil. 20/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Funktion Die Ladepumpe holt sich genau die richtige Menge heißes Heizungswasser aus dem Speicher und drückt es durch den Wärmetauscher. Dabei kühlt es sich ab und fließt anschließend wieder zurück zum Speicher. 21/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Funktion Das kalte Leitungswasser fließt in entgegengesetzter Richtung durch den Plattenwärmetauscher, erhitzt sich dabei auf die gewünschte Warmwassertemperatur und gelangt über das Leitungsnetz zum Verbraucher. 22/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik Funktion Es kann solange Warmwasser gezapft werden, bis der Vorrat des Speichers erschöpft ist. 23/53 varmeco wärme.nutzen > Funktion Frischwassertechnik - Speichertechnik 24/53 Trinkwarmwasser 60°C 65° varmeco wärme.nutzen > Funktion Frischwassertechnik – unterschiedliche Durchflüsse Solltemperatur: Trinkwarmwasser 60°C Je mehr Zapfstellen gleichzeitig in Betrieb genommen werde, Desto höher wird die Drehzahl der Leistungsgeregelten FWE LadePumpe. Impulspaketsteurung Neuronale Netzwerktechnik 25/53 varmeco wärme.nutzen Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers Warum wurde ein Frischwassererwärmer entwickelt? – Es wurde sehr früh erkannt, dass ein innenliegender Wärmetauscher keine Schichtung im Speicher zulässt. – Deshalb wurde versucht, mit einem externen Wärmetauscher zu arbeiten. – Das war der Beginn der Entwicklung des Frischwassererwärmers! Kein Wärmetauscher im Speicher, da sonst keine Schichtung möglich. 26/53 varmeco wärme.nutzen > Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers 27/53 Mechanisch geregelter Frischwassererwärmer – mit nachgeschaltetem Trinkwasser-Zwischenspeicher. Mit der hydraulischen Anordnung und der mechanischen Regelung konnte die gewünschte Regelgüte und damit stabile TWW-Temperatur nicht erzielt werden. Steuerung TrinkwasserZwischenspeicher Pufferspeicher varmeco wärme.nutzen > 1. Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers Einsatz des ersten elektronischen Reglers als Proportional-Regler Bei einer bestimmten Temperaturabweichung wurde die Pumpendrehzahl in bestimmten Schritten verändert. Regelung über die Leistung Der Regler errechnet die Energiemenge und die Pumpendrehzahl als Grundlast. Nachgeregelt wird mit einem PID-Regler. Einsatz im System 010 und teilweise im System 020 bis 1992. Regelgüte Zum Teil konnte auch mit dieser Regelung gerade bei schnell wechselnden Zapfmengen, die erforderliche Temperaturstabilität nicht erreicht werden 28/53 varmeco wärme.nutzen > 2. Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers Frischwassererwärmer als Einzelgerät PWT waagerecht Bauform 29/53 varmeco wärme.nutzen > 3. Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers Frischwassererwärmer als Einzelgerät PWT senkrechte Bauform 30/53 varmeco wärme.nutzen > Entwicklungsstufen des Frischwassererwärmers Regelungsverfahren mit neuronalem Netz – sehr hohe Regelgüte (stabile TWW-Temperatur) – weit besser als klassische Methoden bzw. Regler (wie P-Regler, PID-Regler etc.) aktuelle Arbeiten am Regler – Veränderung des Langzeitlernverhaltens – Gezielte Abstimmung der Kenndaten von Plattenwärmetauscher und der Pumpe auf das neuronale Netzwerk – Veränderung der Lernschritte – Einführung eines virtuellen Primärmassenstroms – Veränderungsmöglichkeit des virtuellen Primärmassenstroms zur Anpassung an unterschiedliche hydraulische Aufbauten, Speicher, Frischwassererwärmer und Trinkwassernetze. 31/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik der 4. Generation – Aktueller Stand VARIO fresh-nova FWEEinzelgerät FWEKaskadengerät VARIO fresh-pur FWE-Kompakteinheit FWE-Module FWE am Speicher Regler integriert komplett verdrahtet Modulbauweise gestufte Tauschergröße gestufte Pumpenleistung gedämmte Verkleidung 32/53 gestufte Tauschergrößen gestufte Pumpenleistung gestufte Speichergrößen gedämmte Verkleidung varmeco wärme.nutzen Frischwassertechnik – konstruktiver Verkalkungsschutz 33/53 Waagerechte Bauform – neigt zur Verkalkung senkrechte Bauform – bringt Vorteile bei Verkalkung varmeco wärme.nutzen Frischwassertechnik – konstruktiver Verkalkungsschutz 34/53 TWZ HVL TWW TKW FWE - Abkühlverhalten 90 80 HVL- Eintrittstemperatur [°C] HRL TKW Temperatur in °C 70 PWT- Temperatur Trinkwarmwasser 60 50 40 30 20 1,20 min HVL TWW HRL Bauform seit 8 Jahren In Zapfpause schnelles Auskühlen des PWT um 20 K Von ca. 60°C unterhalb des kritischen Bereiches auf 40 °C 00:08:19 00:07:53 00:07:27 00:07:01 00:06:34 00:06:08 00:05:42 00:05:15 00:04:49 00:04:23 00:03:57 00:03:30 00:03:04 00:02:38 00:02:12 00:01:45 00:01:20 00:00:53 00:00:27 00:00:00 10 Zeit varmeco wärme.nutzen > Verkalkungsschutz - FWE TWW-Anlage Lebenshilfe Augsfeld (nahe Würzburg) Inbetriebnahme 2003 Betrieb für Küche und Duschen Einsatz im BHKW-Betrieb Gesamthärtegrade von 28,6 ° dH Bis heute einwandfreier Betrieb 35/53 varmeco wärme.nutzen > Verkalkungsschutz – FWE TWZ HVL TWW TKW HRL TKW HVL TWW HRL PWT seit 4 Jahren in Betrieb bei 28,6°dH 36/53 varmeco wärme.nutzen > Verkalkung – FWE statistik FWE von 1992 seit 2010 37/53 Anzahl seit 1992 ca. 5.300 Stck. 6000 5300 Bauform Anzahl 1992 - Verminderung der Leistung Prozentual [%] Waagerecht Senkrecht 950 4350 Gesamt 5300 5000 4350 4000 3000 23 2,42% 14 0,32% Anzahl 32 0,60% 2000 950 1000 0 Waagerecht 35 Senkrecht Gesamt 32 30 25 23 20 Waagerecht 15 10 Senkrecht 9 Gesamt 5 2,42% 0,21% 0,60% 0 2007 - Verminderung der Trinkwassertemperatur Prozentual [%] varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik - Systemaufbau 38/53 Wohnungsstation >>Dezentralversorgung<< – Zentraler Puffer – Reihenduschanlagen – Dezentraler FWE – Wohnungsstation T T VAR IO fre sh -e co VARIO fresh-eco T T T 2. OG Reihenduschanlagen T T VAR IO fre sh -e co VARIO fresh-eco T T T 1. OG K1 K1 K1 K1 T T M VAR IO fre sh -e co VARIO fresh-eco T T T EG TKW- Trinkkaltwasser HVL- Heizungs-Vorlauf HRL- Heizungs-Rücklauf varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik – Systemaufbau >>Dezentralversorgung<< – Dezentraler Puffer – Dezentraler FWE 39/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik - Systemaufbau >>Zentralversorgung<< – Zentraler Puffer – Zentraler FWE 40/53 varmeco wärme.nutzen > varmeco Frischwassertechnik - Systemaufbau >>Kaskadierung<< 41/53 varmeco wärme.nutzen > Funktion Frischwassertechnik - Kaskade -Gruppe 42/53 varmeco wärme.nutzen > Auszug aus den Leistungsdaten für varmeco Durchflußgeräte: Bezeichnung Speichertemperatur ZVSN[l/min] 55°C 43/53 ZVSmax[l/min] ZVSmin[l/min] ZLN[kW] 82°C 55°C NL[-] 82°C FWE 20 22 42 2,2 53 6 FWE 30 32 62 3,2 79 12 FWE 40 38 74 3,5 94 28 FWE 50 47 100 9 118 47 Kaskade 2x FWE 40 76 148 3,5 188 85 Kaskade 3x FWE 40 114 222 3,5 282 153 Kaskade 4x FWE 40 152 296 3,5 376 228 Kaskade 2x FWE 50 94 200 9 236 132 Kaskade 4x FWE 50 188 400 9 472 339 • ZVSN : Nenn-Zapfvolumenstrom (bei SP=55 °C und TWW=45°C ) • ZVSmax: Maximal-Zapfvolumenstrom (bei SP=82 °C und TWW=45°C ) •ZVSmin : Minimal-Zapfvolumenstrom • ZLN: Nenn-Zapfleistung varmeco wärme.nutzen Speicher- und Systemtechnik Zur letzten Folie 44/53 varmeco wärme.nutzen >> SPEICHER // Welcher ist der Richtige? Aufgaben: – Überschussenergie vollständig aufnehmen – Energie gewisse Zeit, möglichst ohne Verluste aufbewahren – Gespeicherte Energie bei Bedarf wieder abgeben – Die Ladetemperatur entsprechend schichten – Durchmischungen vermeiden – Lange und zuverlässig funktionieren varmeco wärme.nutzen DER LEITWERKSCHICHTSPEICHER // patentiert 46/53 varmeco wärme.nutzen > DER LEITWERKSCHICHTSPEICHER // patentiert; Aufbau Unter dem Laderohr führt das „innere Leitrohr“ senkrecht nach unten. Es wird von dem „äußeren Leitrohr“ umgeben. Oben befinden sich Ladeöffnungen für die TopLadung des Speichers. 47/53 varmeco wärme.nutzen Funktionsweise des Leitwerkschichtspeichers 48/53 varmeco wärme.nutzen > DER LEITWERKSCHICHTSPEICHER // Film 49/53 Und so sieht die Praxis aus. varmeco wärme.nutzen > DER LEITWERKSCHICHTSPEICHER // Film 50/53 Und so sieht die Praxis aus. varmeco wärme.nutzen >> STANDARD Heizung 2 -7 Minuten EIN / AUS – Heizung 30.000 mal pro Jahr 82 mal am Tag Bedeuten unnötige Energieverluste Bis zu 60% der Starts sind vermeidbar bei einer Ölheizung varmeco wärme.nutzen >> BESSER MIT PUFFER 30 -40 Minuten ? system 014 1. Vorteil Der Brenner läuft länger ---> und hat längere Stillstandszeiten varmeco wärme.nutzen >> BESSER MIT PUFFER Heizen aus dem Speicher. Der Brenner steht in dieser Zeit. varmeco wärme.nutzen >> Funktionsablauf während des Tagesverlauf varmeco wärme.nutzen Nächster Programmpunkt Einführung in die Frischwassertechnik Hygieneaspekte Dimensionierung von Frischwassersystemen Ausgeführte Anlagen 55/53
