WODNO-POWIETRZNY UKŁAD OGRZEWANIA BUDYNKU Z
advertisement
WODNO-POWIETRZNY UKŁAD OGRZEWANIA BUDYNKU Z CERAMICZNYM AKUMULATOREM CIEPŁA Autorzy: Dawid Taler, Piotr Cisek, Jarosław Tokarczyk („Rynek Energii” – nr 6/2014) Słowa kluczowe: akumulacja ciepła, układy hybrydowe, ogrzewanie budynku, ogrzewanie elektryczne Streszczenie. Działania Unii Europejskiej dotyczące gospodarki energetycznej zmierzają do zmniejszenia emisji CO2 do atmosfery oraz do wzrostu udziału energii, uzyskiwanej ze źródeł odnawialnych, w całkowitym zużyciu energii. Jako konsekwencję tych działań planuje się w przyszłości ograniczenie, a w dalszej perspektywie wycofanie z użycia systemów ogrzewania gazowego, olejowego i węglowego w budownictwie. Alternatywą dla tego typu instalacji są rozwiązania wykorzystujące energię elektryczną. Artykuł przedstawia koncepcję budowy systemu hybrydowego, opartego o ceramiczny akumulator ciepła, jako sposób wykorzystania tej energii do celów ogrzewania dla budownictwa jednorodzinnego. Wypełnienie akumulatora ogrzewane jest w nocy za pomocą grzałek elektrycznych. Hybrydowa funkcja systemu realizowana jest przez powietrze chłodzące wypełnienie, kontaktujące się w wymienniku ciepła z wodą przepływającą w instalacji centralnego ogrzewania. W pracy zaprezentowano koncepcję instalacji badawczej. Pokazano wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych na opisywanym stanowisku. Ponadto wskazano cele i perspektywy planowanych prac badawczych. 1. WPROWADZENIE Plany gospodarki energetycznej Unii Europejskiej zakładają w najbliższych latach wzrost udziału energii ze źródeł odnawialnych w całościowym bilansie energii. Jako konsekwencję tych działań planuje się w przyszłości ograniczenie, a w dalszej perspektywie wycofanie z użycia systemów ogrzewania gazowego, olejowego i węglowego w budownictwie mieszkalnym [1]. Alternatywą dla tego typu instalacji są rozwiązania wykorzystujące tanią energię elektryczną dostarczaną przez elektrownie w ciągu nocy. Na chwilę obecną nie cieszą się one popularnością, głównie ze względów ekonomicznych. Z uwagi na zagrożenie dla zdrowia i życia (zaczadzenia, wybuchy kotłów, nieszczelności wyeksploatowanych instalacji gazowych w budynkach), jakie stwarzają kotły opalane węglem, olejem lub gazem w budynkach mieszkaniowych, a także ze względu na zanieczyszczenie środowiska, ogrzewanie przy użyciu energii elektrycznej będzie stanowić konkurencyjne rozwiązanie [2]. Już w chwili obecnej w okresie nocnym występuje duży nadmiar energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym. Jest to spowodowane nieopłacalnością wyłączania średnich i dużych bloków energetycznych w ciągu nocy, dużymi kosztami ich rozruchów oraz wzrostem popularności rozproszonych odnawialnych źródeł energii. Pomimo ograniczenia mocy bloków do minimum technicznego nadmiar wytwarzanej energii jest znaczny. Uwzględniając dynamiczny rozwój elektrowni wiatrowych, które najwięcej energii dostarczają w nocy, z uwagi na (w porównaniu z dniem) większą prędkość wiatru, problemy z nadmiarem energii w okresie nocnym nabiorą jeszcze większego znaczenia. Już w chwili obecnej w krajach o dużym udziale mocy wytwarzanej w farmach wiatrowych, np. w Niemczech, energia elektryczna przesyłana jest w okresie nocnym za darmo do innych krajów. 2. ZASTOSOWANIE UKŁADU OGRZEWANIA BUDYNKÓW AKUMULACJI CIEPŁA DLA POTRZEB Wykorzystanie na szeroką skalę systemów ogrzewania opartych o akumulatory ciepła znacznie złagodzi problemy z nadmiarem energii w systemie elektroenergetycznym. W okresie nocy akumulator ciepła (z wypełnieniem ceramicznym, magnetytowym lub innym) będzie nagrzewany tanią energią elektryczną. W ciągu dnia przepływające przez akumulator powietrze będzie go schładzać. Strumień nagrzanego powietrza przepływał będzie następnie przez wymiennik ciepła powietrze-woda ogrzewając tym samym wodę w instalacji centralnego ogrzewania. Zaletą proponowanego układu, w porównaniu z akumulatorami klasycznymi lub z akumulatorami z dynamicznym rozładowaniem, które zajmują dużo miejsca i wywołują hałas (praca wentylatora), akumulator i wymiennik ciepła powietrze-woda znajdować się będą w oddzielnym pomieszczeniu (kotłowni), a nie w pomieszczeniach mieszkalnych. Ten sposób ogrzewania zachowa wszystkie zalety centralnego ogrzewania wodnego. Wykorzystanie przedstawionej instalacji akumulacyjnego ogrzewania elektrycznego z dynamicznym rozładowaniem akumulatora ciepła do ogrzewania budynków niesie ze sobą szereg korzyści: - obniżenie kosztów ogrzewania elektrycznego budynków, - w przypadku szerszego stosowania tego rodzaju ogrzewania jest to sposób akumulowania nadmiaru energii elektrycznej wytwarzanej w nocy i wyrównania obciążenia cieplnego przez całą dobę, - zmniejszenie emisji substancji szkodliwych i gazów cieplarnianych, - bezpieczeństwo eksploatacji, - bezobsługowa praca instalacji. 3. STANOWISKO BADAWCZE Cechą charakterystyczną hybrydowych systemów ogrzewania jest połączenie w obrębie instalacji urządzeń grzewczych zasilanych różnymi źródłami energii. Zasada ich pracy polega na współdziałaniu i wspólnym sterowaniu. Urządzenia, o które oparto opisywany wodno-powietrzny system ogrzewania, to walcowy akumulator ciepła z wypełnieniem ceramicznym nagrzewany energią elektryczną oraz grzejniki centralnego ogrzewania połączone z instalacją wodną. Źródłem ciepła w walcowym akumulatorze są elektryczne elementy grzejne (grzałki rurkowe), natomiast czynnikiem przekazującym ciepło od nagrzanego wypełnienia do wody grzewczej jest powietrze przetłaczane przez zamontowany w obiegu wentylator. Głównymi elementami instalacji są: - akumulator ciepła z dynamicznym rozładowaniem wypełniony walcami ceramicznymi i nagrzewany energią elektryczną, wymiennik ciepła typu powietrze-woda podłączony do wodnej instalacji centralnego ogrzewania, - zamknięta instalacja obiegu powietrza, - szafa zasilająco - sterująca wraz z systemem akwizycji danych, Badawcze stanowisko laboratoryjne z opisywanym akumulacyjnym systemem ogrzewania powstało jako część nowo otwartego laboratorium Instytutu Maszyn i Urządzeń Energetycznych. Na rys.1 przedstawiono fotografię instalacji, a na rys.2 jej schemat. 4. CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA 4.1. Ceramiczny akumulator ciepła Akumulator ciepła zbudowany jest z stanowiącej płaszcz, stalowej rury zewnętrznej o przekroju 355,6mm oraz ośmiu ułożonych koncentrycznie rur ø101,6mm tworzących zasadniczą część akumulatora – rdzeń. W jego skład wchodzą rury ze stali nierdzewnej wypełnione walcowymi elementami ceramicznymi oraz usytuowane w wolnych przestrzeniach grzałki elektryczne. Materiał akumulacyjny stanowią walcowe wkładki ceramiczne o średnicy ø30mm i wysokości 30mm, które ułożone są w rurach w sposób uporządkowany. Wypełnienie rozmieszczone jest równomiernie na całej długości rur rdzenia, przy czym, w jednym przekroju poprzecznym znajduje się siedem walcowych elementów. Źródło ciepła w instalacji stanowią grzałki rurowe o mocy 500W i średnicy płaszcza ø8,3mm wykonane z drutu oporowego. W każdej z rur rdzenia akumulatora zamontowano po trzy grzałki elektryczne. Sumarycznie w rdzeniu znajdują się 24 elementy grzejne o łącznej mocy 12 kW. Rozmieszczenie elementów grzejnych w przekroju poprzecznym akumulatora przedstawiono na rys. 3. Konstrukcyjnym elementem podtrzymującym rury są dwa dna stalowe, umieszczone na obu końcach akumulatora, do których przyspawano rury stanowiące rdzeń. W dnach znajduje się czternaście otworów umożliwiających przepływ powietrza w przestrzeni międzyrurowej. W odróżnieniu od tradycyjnych akumulatorów ciepła, w których elementami akumulującymi ciepło są duże bloki szamotowe, narażone na duże naprężenia cieplne i ulegające szybkim uszkodzeniom, walcowe elementy ceramiczne mogą się swobodnie przesuwać, a zatem złoże jest bardziej odporne na naprężenia termiczne. Dzięki niewielkim wymiarom gabarytowym rozkład temperatury wewnątrz tych kształtek jest równomierny. Należy zauważyć, że wolne przestrzenie między ułożonymi elementami wypełnienia są niewielkie. Z uwagi na laminarny przepływ powietrza, zapewnia to równomierne i powolne chłodzenie wypełnienia akumulatora. Charakterystyka akumulatora została zestawiona w tabeli 2. Wygląd elementów ceramicznych i sposób ułożenia wypełnienia w akumulatorze pokazano na rys. 4. 4.2. Obieg powietrzny i wodny Przepływ powietrza przez warstwę wypełnienia wymuszany jest za pomocą wentylatora promieniowego. Konstrukcja akumulatora pozwala na bezpośrednie skierowanie strumienia powietrza na wymiennik ciepła. Podgrzane w akumulatorze powietrze schładzane jest w wymienniku przez przepływającą w rurkach wodę. Ciepła woda zostaje skierowana do instalacji centralnego ogrzewania. Konstrukcja wentylatora daje możliwość regulacji prędkości obrotowej w szerokim zakresie [5]. Płynna regulacja realizowana jest poprzez zmianę częstotliwości oraz napięcia prądu dzięki zastosowaniu przekształtnika częstotliwości. Na instalację obiegu powietrza, oprócz wspomnianego wentylatora składają się również elementy rurociągu: odcinki proste rur, kolana, redukcje średnicy rurociągu. Wchodząca w skład stanowiska badawczego wodna instalacja grzewcza, zbudowana jest z wymiennika ciepła typu powietrze-woda, przewodów hydraulicznych oraz pompy wirowej pełniącej rolę pompy obiegowej. Odbiornikiem ciepła są dwa grzejniki płytowe, o wymiarach 1200x600mm, zamontowane w sąsiednim pomieszczeniu. Obieg wody jest wymuszany i kontrolowany przez wyposażoną w przetwornicę częstotliwości pompę wirową [6]. Dzięki zainstalowanemu, krzyżowo-prądowemu wymiennikowi ciepła z żebrami płytowymi, w którym ma miejsce kontakt dwóch nośników ciepła: powietrza i wody, realizowana jest hybrydowa funkcja systemu. Wymiennik ciepła, wraz z jego podstawowymi gabarytami, przedstawiono na rys. 5. W prezentowanym stanowisku badawczym moc całego układu, a tym samym temperatura wody krążącej w obiegu centralnego ogrzewania, może być regulowana poprzez zmianę parametrów pracy grzałek elektrycznych, wentylatora w obiegu powietrznym oraz pompy obiegowej w instalacji c.o. Regulacja mocy grzałek odbywa się przy pomocy przekształtnika częstotliwości. Tym samym sterowanie odbywa się w sposób płynny. W przyszłości planuje się opracowanie i stworzenie regulatora PLC, którego zadaniem będzie sterowanie prędkością obrotów wentylatora i pompy obiegowej. System ten będzie miał na celu utrzymanie stałej temperatury w ogrzewanym pomieszczeniu pomimo zmiany warunków zewnętrznych. 4.3. System akwizycji danych W górnej części układu, w instalacji obiegu powietrza zainstalowano przepływomierz termiczny do pomiaru objętościowego strumienia przepływu gazu. W instalacji obiegu wody zainstalowano przepływomierz turbinowy, służący do pomiaru objętościowego strumienia przepływu wody. Ponadto, układ wyposażono w czujniki do pomiaru temperatury (termoelementy typu „K”), mierzące temperaturę wody i powietrza w różnych częściach instalacji. Dzięki połączeniu układu akwizycji danych z komputerem możliwe jest śledzenie w trybie online wszystkich mierzonych wielkości na specjalnie do tego celu zaprojektowanej aplikacji. Na rys. 6. przedstawiono zrzut ekranu wizualizacji stanowiska badawczego wraz z zaznaczonymi lokalizacjami zainstalowanych urządzeń pomiarowych. Zastosowane oprogramowanie pozwala na automatyczne opracowanie wyników pomiarów i przedstawienie ich w postaci tworzonych w czasie rzeczywistym wykresów. Tym samym, możliwe jest monitorowanie na bieżąco przebiegu krzywych temperatury oraz natężenia przepływu powietrza i wody grzewczej. 5. METODYKA I WYNIKI POMIARÓW Przeprowadzone na opisywanej instalacji wstępne badania eksperymentalne mają na celu wyznaczenie temperatury powietrza wypływającego z wypełnienia akumulatora ciepła oraz wody grzewczej w instalacji wodnej. Procedura przeprowadzania pomiarów w trakcie pracy instalacji była następująca: - ogrzanie złoża akumulatora - wykorzystując do tego celu zainstalowane grzałki elektryczne (pomiaru zużytej przez grzałki energii elektrycznej), - pozostawienie złoża do momentu wyrównania się temperatury w jego wnętrzu (przyjęto czas ok. 4 godzin), - włączenie pompy obiegowej w instalacji wody grzewczej oraz wentylatora w obiegu powietrza i ustawienie początkowego, żądanego, strumienia przepływu, - pomiar i zapis mierzonych wielkości w funkcji czasu od momentu włączenia wentylatora, - za punkt zakończenia pomiarów przyjmuje się osiągnięcie przez wodę obiegową temperatury, dostatecznie bliskiej temperaturze otoczenia. Na podstawie zebranych danych eksperymentalnych sporządzono szereg wykresów obrazujących przebieg procesu chłodzenia wypełnienia ceramicznego akumulatora przepływającym powietrzem. Zostały one sporządzone dla parametrów: początkowy strumień przepływu wody grzewczej i ogrzewanego powietrza, odpowiednio: 24,7 dm3/h i 510 m3/h. Moc elektryczna elementów grzejnych została ustalona na poziomie 10,11 kW. Pomiaru temperatury powietrza dokonuje się w przekroju wlotowym i wylotowym akumulatora. Jako, że w obiegu powietrznym nie występują znaczące straty ciepła, a sam obieg jest stosunkowo krótki, temperatura powietrza wlotowego do akumulatora może być uznana za temperaturę wylotową z chłodnicy. Temperatura powietrza wylotowego z akumulatora mierzona jest bezpośrednio za nim w pięciu punktach przekroju. Przebieg temperatury w przekroju wlotowym i wylotowym w funkcji czasu przedstawiony jest na rys. 7. Podczas przepływu przez wentylator następuje wymieszanie gazu i wyrównanie jego temperatury w przekroju, a zatem mierzona temperatura powietrza w przekroju wylotowym wentylatora (równa temperaturze wlotowej do akumulatora) jest jego średnią temperaturą masową. Od strony wody mierzona jest temperatura cieczy wpływającej i wypływającej z wymiennika ciepła. Wartości tych temperatur przedstawiono na rys. 8. Punkt pomiaru natężenia przepływu znajduje się na wylocie z chłodnicy, na odcinku rurociągu łączącym ją z pompą obiegową. 6. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono instalację do badania hybrydowego układu ogrzewania budynku. Ponadto zawarto wyniki badań eksperymentalnych. Planowane są dalsze prace badawcze zmierzające do opracowania modelu matematycznego hybrydowego układu ogrzewania z uwzględnieniem akumulatora oraz ożebrowanego wymiennika ciepła powietrze-woda. Celem weryfikacji modelu przeprowadzone zostaną obliczenia CFD obejmujące symulacje przepływowe i cieplne rzeczywistej pracy układu [7,8]. Proponowany system hybrydowy ogrzewania budynku jest zasilany energią elektryczną w okresie nocy, gdy w systemie energetycznym występuje nadmiar energii. Obniża to znacznie koszty ogrzewania elektrycznego w porównaniu z układem klasycznym, w którym stosuje się elektryczny podgrzewacz wody. W takim układzie do ogrzewania wody zużywa się drogą energię elektryczną. LITERATURA [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE [2] Taler J., Mysza J.: Ogrzewanie elektryczne - rozdział w książce pt.: Termomodernizacja budynków dla popraw jakości środowiska: poradnik dla audytorów energetycznych, inspektorów środowiska, projektantów oraz zarządców budynków i obiektów budowlanych, pod redakcją Jana Norwisza, Narodowa Agencja Poszanowania Energii, oddział Gliwice, Gliwice 2002 [3] Zakład Materiałów Ogniotrwałych GÓRBET: Katalog – BEK-SiC-1. Dostępny online: www.gorbet.com.pl. [4] Valeo Service: Fiat Palio Weekend (178DX) 1.6 16V (178DXD1A) - chłodnica. Dostępny online: www.valeoservice.com. [5] Venture Industries: Wentylatory promieniowe – HPB-F-030-150T. Dostępny online: www.venture.com. [6] Grundfos: Katalog produktów – pompa TPE 40-270/2 A-F-A-BUBE]. Dostępny online: www.grundfos.com. [7] Łopata S., Ocłoń P.: Modelling and Optimizing Operating Conditions of Heat Exchanger with Finned Elliptical Tubes, Fluid Dynamics, Computational Modeling and Applications, Dr. L. Hector Juarez (Ed.), ISBN: 978-953-51-0052-2, InTech, 2012 [8] Łopata S., Ocłoń P.: Analysis of operating conditions for high performance heat exchanger with the finned elliptical tube, Rynek Energii 102 (5) , strony 112-124, 2012 WATER-AIR CERAMIC HEAT ACCUMULATOR HEATING SYSTEM FOR BUILDING Key words: heat accumulator, hybrid systems, building heating, electrical heating Summary. The European Union energy management tends to reduce CO 2 emission and to increase the share of energy obtained from renewable energy sources in total energy consumption. As a consequence of these ac-tions there are plans of reduction and eventually elimination of natural gas, oil and coal usage in building heating. The paper presents accumulative systems with ceramic bed as an alternative method of heating. Moreover the experimental setup of this system is explained in details. The measurement technology, data acquisition and visualization is also discussed in this paper. The sample measurement results are shown and the possibility of extending the functionality of experimental setup is discussed. Dawid Taler, dr hab. inż. pracuje na stanowisku profesora w Instytucie Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej. Specjalizuje się w modelowaniu wymienników ciepła oraz maszyn i urządzeń energetycznych. Autor kilku książek i ponad stu artykułów. e-mail: [email protected] Piotr Cisek, mgr inż. pracuje na stanowisku asystenta naukowo-dydaktycznego w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. e-mail: [email protected] Jarosław Tokarczyk, mgr inż. doktorant w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej. e-mail: [email protected]
