PL217972B1

PL217972B1 - Sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej dla podgrzewania wody

Info

Publication number: PL217972B1
Application number: PL393464A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Cypryś; Dariusz Płoch; Eugeniusz Szeregii
Original assignee: Univ Rzeszowski
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2014-09-30
Also published as: PL393464A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej dla podgrzewania wody w celu podwyższenia wydajności instalacji, instalacji poprzez wydłużenie czasu wymiany ciepła w zasobniku wody i zabezpieczeniu procesu izochorycznego podczas wymiany ciepła. Ważnym elementem tej instalacji jest kolektor (1) odbierający energię bezpośrednio z padającego promienia słonecznego i przekształcający ją w energię podgrzanej cieczy roboczej. Drugim ważnym elementem jest wymiennik ciepła (5) z wężownicą służący do przekazywania ciepła wodzie użytkowej. Układ zapewniający skuteczny sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej złożony jest z kolektora słonecznego (1), wymiennika ciepła z wężownicą (5), pompy obiegowej (2) kierowanej sterownikiem oraz przewodów wody zimnej i ciepłej, czujnika temperatury cieczy roboczej (9) w kolektorze i naczynia zbiorczego (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej dla podgrzewania wody w celu podwyższenia wydajności instalacji.

Z polskiego opisu wynalazku zgłoszonego za nr 356 349 znany jest sposób bezpiecznego transferu energii słonecznej oraz niskociśnieniowy układ urządzeń transportu energii słonecznej zgromadzonej przez kolektory do zbiornika magazynowego wody użytkowej, umożliwiający pracę obiegu kolektorów pod niskim ciśnieniem. Polega on na tym, że do zamkniętego obiegu płynu transferowego, transportującego energię słoneczną z kolektorów słonecznych do wymiennika ciepła jest wprowadzona zamknięta niskociśnieniowa przestrzeń gazowa. Niskociśnieniowy układ urządzeń transportu energii słonecznej wykorzystuje dwa niezależne obwody obiegu posiadające układ sterowania.

Według opisu polskiego wynalazku nr 203 807 sposób wykorzystania gorącego powietrza, rozprowadzonego za pośrednictwem rur i kanałów do ogrzewania wody użytkowej polega na tym, że na drodze ciepłego powietrza w dowolnym miejscu w rurze lub kanale instaluje się wymiennik powietrzno-wodny, który łączy się z instalacją wykorzystującą podgrzaną wodę. Wymiennik instaluje się w bliskiej odległości od miejsca wykorzystania ciepłej wody użytkowej.

Według opisu zgłoszonego wynalazku nr 386 991 pt „Zintegrowany system ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji oraz podgrzewania ciepłej wody użytkowej w budynku, system ten wyposażony jest w absorbery słoneczne, wymienniki ciepła i akumulatory ciepła. Składa się z dwóch obwodów solarów dachowych, płyty betonowej z zatopionym obwodem pętli umieszczonej w górnej warstwie akumulatora ziemnego pod budynkiem, obwodu pętli rur akumulatora do podgrzania ciepłej wody, obwodu pętli zimnych i obwodu pętli w ścianach zewnętrznych.

Według zgłoszonego wynalazku P-388 048 jego przedmiotem jest sposób odbioru, kumulowania i zwrotu energii cieplnej w obiektach naziemnych oraz moduły gruntowe akumulatora ciepła do pozyskiwania i gromadzenia w akumulatorach ciepłych i akumulatorach zimnych energii pozyskanej promieniowania cieplnego Słońca przez powierzchnie nasłonecznione budynku i urządzenia zewnętrzne oraz promieniowania cieplnego Ziemi przez powierzchnie robocze wnęk modułów, z których to następuje zwrot energii cieplnej do urządzeń budynku oraz zwrot bezpośredni do powierzchni grzewczo-chłodzącej budynku stanowiącej stałą barierę termiczną dla całości w ten sposób zorganizowanego systemu oraz obiektu.

Z opisów patentowych znanych jest wiele innych sposobów regulacji i sterowania instalacji cieplnych w postaci różnorodnych układów i urządzeń grzewczych.

Sposób sterowania reżimem temperaturowym według wynalazku dotyczy instalacji solarnych służących do podgrzewania wody i podwyższania wydajności instalacji poprzez wydłużenie czasu wymiany ciepła w zasobniku wody i zabezpieczenia procesu izochorycznego podczas wymiany ciepła.

Ważnym elementem tej instalacji jest kolektor odbierający energię bezpośrednio z padającego promienia słonecznego i przekształcający ją w energię podgrzanej cieczy roboczej. Drugim ważnym elementem jest wymiennik ciepła służący do przekazywania ciepła wodzie użytkowej.

Układ zapewniający skuteczny sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji złożony jest z kolektora słonecznego, wymiennika ciepła, pompy obiegowej kierowanej sterownikiem oraz przewodów wody zimnej i ciepłej, czujnika temperatury cieczy roboczej w kolektorze i naczynia wzbiorczego. Układ ten włącza pompę obiegową przy temperaturze cieczy roboczej o 3° wyższej od temperatury wody w zasobniku wody i wyłącza ją przy temperaturze cieczy roboczej o 1° niższej od temperatury wody w tym zasobniku.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ instalacji solarnej zapewniający realizację celu wynalazku, fig. 2, fig. 3, fig. 4 i fig. 5 przedstawiają pracę instalacji solarnej w funkcji temperatury i czasu w przykładach realizacji wynalazku.

Przekazywanie ciepła od cieczy roboczej w kolektorze (1) do wymiennika ciepła (5), który stanowią zasobnik wody i wężownica, zachodzi w czasie cyrkulacji cieczy roboczej w układzie. Wykonuje ją pompa obiegowa (2) kierowana sterownikiem (8). Proces wymiany ciepła zależy od masy ogrzewanej wody, temperatury cieczy roboczej T1 i temperatury wody T2 w wymienniku ciepła (5) według zależności:

PL 217 972 B1 gdzie:

Cw = 4189 J/kg * K - ciepło właściwe wody, m - masa ogrzewanej wody,

T1 (t) - funkcja temperatury glikolu w kolektorze (1) w okresie t1-t2,

T2 (t) - funkcja temperatury wody w wymienniku ciepła (5) w okresie t1-t2.

Dla zabezpieczenia faktu wymiany ciepła pomiędzy cieczą roboczą a wodą w zasobniku, temperatura T2 musi być wyższa od T1, dlatego w istniejących na rynku instalacjach solarnych wartość temperatury krytycznej T1k, przy której włącza się pompa obiegowa jest wyższa od T2:T1k = T2+ ΔΤ, gdzie ΔΤ = T1-T2. Jeżeli temperatura T1 spadnie poniżej określonej wartości, która również jest wyższa od T2 (jest to ΔΤ minimalne), to pompa obiegowa wyłącza się. Wartości T1 i ΔΤ nazywane są reżimem temperaturowym instalacji. Obserwacje procesu wymiany ciepła pomiędzy cieczą roboczą ogrzaną przez absorber w kolektorze (1) a wodą w zasobniku (5) wskazują, że w jego przebiegu można zauważyć liczne oscylacje temperatury cieczy roboczej w okresach korzystnych warunków pod względem wykorzystania procesu wymiany ciepła w instalacji solarnej.

W tym czasie temperatura cieczy roboczej T1 wzrasta powyżej wartości T1k ustawionej na sterowniku pompy (8), która jest o ΔΤ wyższa od temperatury wody T2 w wymienniku ciepła (5). Po jej przekroczeniu sterownik włącza pompę obiegową (2), ogrzany czynnik roboczy z kolektora (1) kierowany jest do wymiennika ciepła (5), gdzie oddaje ciepło znajdującej się tam wodzie użytkowej, a na jego miejsce napływa ciecz robocza z instalacji i kolektora (1). Na skutek tego temperatura T1 cieczy roboczej w kolektorze (1) gwałtownie spada i jeśli różnica temperatur ΔΤ będzie mniejsza od wartości minimalnej ΔΤγπ, to pompa (2) znowu się wyłącza nie dopuszczając do zbytniego ochłodzenia się cieczy roboczej z instalacji. Na skutek wyłączenia pompy obiegowej temperatura T1 znowu szybko wzrasta pod wpływem padającego promieniowania słonecznego i cykl się powtarza.

Okres takich oscylacji temperatury T1 trwa kilka minut i w ciągu dni bezchmurnych powtarza się przez cały czas padania na kolektor promieniowania słonecznego, jak na fig. 2, gdzie zostały pokazane krzywe zależności od czasu T1 (t) oraz T2 (t).

Natomiast czas ΔΤ w ciągu jednego okresu oscylacji, gdy ma miejsce bezpośrednia wymiana ciepła w wymienniku ciepła (5) jest krótki, a to: ΔΤ = 30 + 10 s i proces wymiany ciepła ma charakter adiabatyczny, czyli wymiana ciepła nie jest efektywna.

Jak wynika z obliczeń dla przykładu zilustrowanego na fig. 2, który przedstawia tryb pracy instalacji, służącej prototypem, wydajność solarnej instalacji dla podgrzewania wody jest równa η = 20,5%. Jest jednym z najwyższych wskaźników dla tej przykładowej instalacji.

W następnych przykładach (fig. 3 i 4) zostały pokazane krzywe T1 (t) oraz T2 (t) dla tej samej instalacji w innych dniach. Widocznym jest, że przy innych warunkach nasłonecznienia i wykorzystania instalacji niezmienne są ww. oscylacje temperatury T i, negatywnie wpływające na wydajność instalacji, gdyż ogranicza się różnica temperatur T1-T2, a także jest dalekim od optymalnego reżim temperaturowy instalacji solarnej.

Gdy temperatura wody w zasobniku spada na skutek jej wykorzystywania do celów użytkowych, odpowiednio sterownik pompy (8) obniża również temperaturę ogólną cieczy roboczej w instalacji poprzez ciągłe włączenie obiegu tak, aby jej temperatura nie przekraczała T1k. W ciągu dnia ze zmiennym zachmurzeniem w czasie, gdy na powierzchnię czynną kolektora (1) nie pada promieniowanie bezpośrednie, ciecz robocza oddaje swoje ciepło do otoczenia przez kolektor (1) i instalację, pompa obiegowa (2) jest wyłączona, aż do momentu ponownego jej podgrzania do temperatury krytycznej T1k. Zanim ogólna temperatura cieczy roboczej wzrośnie, cykl pracy pompy (2) powtórzy się kilka razy. Pompa włącza obieg, gdy temperatura cieczy roboczej w kolektorze (1) wynosi T1k oraz wyłącza, gdy różnica tych temperatur spada poniżej ΔΤτη. Taki tryb pracy pompy obiegowej (2) powoduje powstawanie szeregu oscylacji. Czas wyłączonego obiegu zależy od szybkości nagrzewania się cieczy roboczej w obrębie kolektora. Zależy ona w głównej mierze od ilości padającego promieniowania, jak również od temperatury otoczenia z uwagi na wysokie straty cieplne kolektora w dniach chłodnych. Oscylacje sprawiają, że proces wymiany ciepła pomiędzy cieczą roboczą w kolektorze, a wodą w wymienniku ciepła (5) jest bardzo krótki, wręcz adiabatyczny i trwa zwykle kilkadziesiąt sekund. Skutkiem takiego przekazywania ciepła jest nieefektywne działanie instalacji solarnej.

Cel wynalazku, a więc poprawę działania instalacji osiągnięto w wyniku badań przeprowadzonych w różnych warunkach promieniowania słonecznego, a zobrazowanych na rysunku w fig. 2, 3, 4 i fig. 5 (osiągnięcie celu).

PL 217 972 B1

W przykładzie wykonania według fig. 2, w dniu charakteryzującym się stałą wysoką ilością padającego na kolektor promieniowania słonecznego bezpośredniego można zauważyć tryb pracy pompy obiegowej (2). Reżim temperaturowy: T_1k = T₂ + 5°C, ΔΤγπ = 5°C. W ciągu całego dnia pompa włączała się i wyłączała kilkadziesiąt razy. Proces podnoszenia temperatury cieczy roboczej (oscylacje) do wysokości T1k trwał zwykle kilka minut, po czym następowała kilkudziesięciosekundowa wymiana ciepła. Oscylacje występują w niejednakowych odstępach czasu. W okresach najkorzystniejszych pod względem wykorzystania promieniowania słonecznego w ciągu dnia można wyróżnić przerwy w oscylacjach trwające często kilkanaście, a nawet ponad dwadzieścia minut.

W tym czasie temperatura ogólna cieczy roboczej w całym układzie wyrównuje się i pompa obiegowa (2) pracuje nieprzerwanie. Dopiero, gdy temperatura spadnie do wartości ΔΤγπ pompa znowu się wyłącza i ponownie następują oscylacje.

W przykładzie wykonania na rysunku fig. 3 przedstawiono sytuację, kiedy w ciągu słonecznego dnia o godzinie 13:54 spuszczono nieco wody z wymiennika ciepła (5). Temperatura ogólna wody obniżyła się w nim o 3°C. Reżim temperaturowy: T_1k = T₂ + 5°C, ΔΤτη = 5°C.

Zgodnie z trybem pracy pompy obiegowej, obniżył się poziom oscylacji cieczy podgrzewanej w kolektorze (1). Gdyby tych oscylacji nie było, temperatura cieczy roboczej wzrastałaby liniowo w trybie ciągłej pracy pompy, temperatura wody w wymienniku ciepła (5) powróciłaby szybciej do stanu sprzed obniżenia temperatury wody. Aktualny tryb pracy pompy (2) jest w tym wypadku wyraźnym ograniczeniem w osiągnięciu wysokiej sprawności instalacji. W tym przykładzie wyraźnie widać jak zachowuje się instalacja po obniżeniu temperatury wody. Aby reżim temperaturowy dyktowany przez sterownik pompy obiegowej (8) był zachowany, ogólna temperatura glikolu została obniżona do wartości zgodnych z ustawieniami sterownika.

Ponadto, w godzinach silnego promieniowania bezpośredniego dochodzącego do powierzchni czynnej kolektora, okres trwania poszczególnych oscylacji jest wyraźnie krótszy niż w przypadku niskiej jego wartości. Wskazuje to na fakt, że temperatura cieczy roboczej w tym czasie mogłaby być wyraźnie wyższa od osiągniętej. Ograniczeniem w tym przypadku jest również sterownik pompy obiegowej (8).

W przykładzie wykonania jak na fig. 4 rysunek prezentuje dzień, w którym nastąpiło kilkugodzinne zachmurzenie nieba, wskutek czego do powierzchni czynnej kolektora (1) dochodziło jedynie promieniowanie dyfuzyjnie rozproszone, niezdolne do wystarczającego podgrzania cieczy roboczej, aby ta mogła podwyższyć temperaturę wody w wymienniku ciepła (5). Reżim temperaturowy: T1k = T2 + 5°C, Δ^ = 5°C.

Gdy promieniowanie bezpośrednie ponownie zaczęło dochodzić do absorbera umieszczonego w kolektorze (1) proces wymiany ciepła między kolektorem a wymiennikiem ciepła (5) został wznowiony. Po pierwszej oscylacji ogólna temperatura cieczy roboczej w instalacji podniosła się powyżej temperatury wody w wymienniku i proces dalej zachodził według schematu pracy sterownika pompy obiegowej (8). Zarówno na początku dnia, jak i na koniec zachmurzenia, temperatury krytyczne cieczy roboczej w stosunku do wody w zasobniku ciepła (5) nie zmieniały się. Instalacja każdorazowo wchodziła w swój stały tryb pracy. Ze względu na temperaturę wody w zasobniku oraz ilość docierającego promieniowania słonecznego związaną z pozycją Słońca na horyzoncie ogólne temperatury cieczy roboczej po przerwie związanej z zachmurzeniem były naturalnie wyższe.

Poprawę działania instalacji można osiągnąć poprzez zmianę sposobu sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej dla podgrzewania wody według wynalazku. Przykład wykonania jak na fig. 5 rysunku pokazuje efekt wyrównania temperatury cieczy roboczej w układzie instalacji solarnej. Osiągnięto to za pomocą manipulacji sterownikiem pompy obiegowej (8). Reżim temperaturowy: T_1k = T₂ + 3°C, ΔΤτη = -1°C. Porównując dni o podobnej ilości promieniowania słonecznego widać, że temperatura cieczy roboczej w układzie wzrosła w godzinach: 8:43-10:38 o 123°C w danym przykładzie w stosunku do 103°C dnia 08.07.2010 r, a temperatura wody w wymienniku ciepła (5) w tych samych ramach czasowych o 8,5°C w stosunku do 7,4°C dnia 08.07.2010 r. Taka sytuacja pozwoliła osiągnąć sprawność instalacji wyższą od notowanych do tej pory. W czterogodzinnym okresie pracy sprawność układu wyniosła 25%, co jest wartością o 1/5 wyższą od najlepszej zanotowanej dotychczas w badanej instalacji. Proces ogrzewania rozpoczął się tak jak w pozostałych przykładach.

Na rysunku fig. 5 widać początkowe oscylacje. Temperatura po pierwszej spadła o 5,5°C poniżej temperatury wody w wymienniku, co jest związane z bezwładnością cieplną. Temperatura ogólna cieczy roboczej w układzie, po okresie nocnym, nie zdążyła podnieść się od razu do wartości -1°C będącej ustalonym reżimem temperaturowym. Po czwartym okresie oscylacje wygasły.

Claims

Sposób sterowania reżimem temperaturowym instalacji solarnej dla podgrzewania wody polegający na podwyższaniu wydajności instalacji poprzez wydłużenie czasu wymiany ciepła w zasobniku wody i zabezpieczeniu procesu izochorycznego podczas wymiany ciepła, znamienny tym, że układ złożony z kolektora słonecznego (1), wymiennika ciepła (5) z wężownicą, pompy obiegowej (2) kierowanej sterownikiem (8) oraz przewodów wody zimnej (4) i ciepłej (7), czujnika temperatury cieczy roboczej w kolektorze (9) i naczynia wzbiorczego (3) włącza pompę obiegową (2) przy temperaturze cieczy roboczej o 3° wyższej od temperatury wody w wymienniku ciepła (5) i wyłączają przy temperaturze cieczy roboczej o 1° niższej od temperatury wody w tym zasobniku.