Instalacja do gromadzenia energii cieplnej z akumulatorem

INSTALACJA SŁONECZNA ZE ZBIORNIKIEM AKUMULACYJNYM
O ZMIENNEJ OBJĘTOŚCI I Z NASTAWIANĄ TEMPERATURĄ
ŁADOWANIA ENERGIĄ. CZ. I. OPIS KONCEPCJI I SYMULACJA
NUMERYCZNA
Autorzy: Paweł Stączek, Stanisław Płaska
("Rynek Energii" - październik 2016)
Słowa kluczowe: instalacja słoneczna, akumulacja ciepła, akumulator wodny, ciepła woda użytkowa, cwu
Streszczenie. W pracy przedstawiono nową koncepcję instalacji słonecznej z podstawowym przeznaczeniem do
podgrzewania wody do celów bytowych. Zaproponowano oryginalną konstrukcję zasobnika wody, w którego
wnętrzu umieszczono ruchomą przegrodę z materiału izolującego termicznie. Nowe rozwiązanie pozwala na
łatwe sterowanie i stabilizację temperatury ładowania zasobnika, uniemożliwia mieszanie cieczy ogrzanej z
zimną oraz minimalizuje strumień ciepła pomiędzy nimi. Scharakteryzowano model matematyczny instalacji
według opracowanej koncepcji oraz omówiono wyniki symulacji komputerowych. Nowe rozwiązanie pozwala
na zwiększenie przydatności zakumulowanej energii cieplnej szczególnie w okresach niedoboru energii ze
Słońca.
1. WSTĘP
Woda ma szereg właściwości, dzięki którym wykorzystywana jest jako medium do akumulowania energii cieplnej lub chłodu. Znajduje szerokie zastosowanie w układach gromadzenia
ciepła dla potrzeb ogrzewania budynków oraz podgrzewania wody do celów bytowych
(c.w.u.) [1,2,3,4]. Wysoka wartość ciepła przemiany fazowej wodalód (tzw. ciepło utajone)
umożliwia zastosowanie wody jako taniego i dostępnego medium do akumulacji chłodu w
systemach klimatyzacji budynków oraz w chłodnictwie.
Najprostszy, cieczowy akumulator energii cieplnej ma postać zbiornika (z reguły cylindrycznego) wypełnionego medium akumulacyjnym z izolowanymi termicznie od otoczenia ścianami. Jeżeli zbiornik akumulacyjny wykorzystywany jest jedynie w zakresie temperatur wykluczającym zmianę stanu skupienia cieczy, to dodatkowo należy zastosować prosty układ
kompensujący zmiany objętości medium (np. naczynie wzbiorcze).
Sposób dostarczania oraz pobierania energii termicznej z akumulatora ma wpływ nie tylko na
ilość zgromadzonej energii ale także na jej „przydatność” czy inaczej „użyteczność”. O ile
miarą ilości energii jest dżul, to kryteria „przydatności” energii zależą od sposobu jej dalszego
wykorzystania. Wyłączając zastosowania z akumulacją chłodu, wraz ze wzrostem potencjału
zgromadzonej energii (czyli temperatury) rośnie jej przydatność. Jednak podnoszenie wartości potencjału wiąże się nierozerwalnie ze zwiększeniem strat w przemianach cieplnych oraz
z rozpraszaniem energii do otoczenia, co z kolei zmniejsza sprawność energetyczną całego
systemu akumulującego ciepło [1,5].
W układach, w których ciepło wykorzystywane jest do wykonywania pracy (np. silniki cieplne), użyteczność zakumulowanej energii określana jest przez różnicę temperatury medium
akumulacyjnego oraz temperatury chłodnicy silnika (lub po prostu temperaturę otoczenia
układu cieplnego). W bardziej zaawansowanych analizach efektywności akumulacji energii
stosuje się pojęcie egzergii [6,7].
W warunkach klimatycznych Polski instalacje słoneczne stosuje się przede wszystkim do
podgrzewania wody do celów bytowych, przy czym ciepła woda użytkowa jest jednocześnie
medium akumulacyjnym. Kryterium przydatności zakumulowanej energii
w zasobniku
c.w.u. (akumulatorze cieplnym) wydaje się proste: temperatura wody powinna być nie mniejsza niż wymagana do komfortowego wykorzystania – tj. minimum 45OC (uwzględniając „rezerwę” na straty cieplne na dystrybucji do punktów czerpalnych oraz przez izolację termiczną
akumulatora).
Sezonowe a także losowe (dobowe) zmiany ilości energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi są przyczyną występowania okresów niedoboru energii (w stosunku do w
przybliżeniu stałego zapotrzebowania). Oznacza to, że instalacja słoneczna nie jest w stanie
samodzielnie podgrzać założonej masy wody do wymaganej temperatury. Właśnie w takich
sytuacjach warto przyjrzeć się metodom pozwalającym na zwiększenie przydatności zakumulowanej energii. Należy rozróżnić tutaj dwa przypadki:
 w rozpatrywanym systemie istnieje inne (poza instalacją słoneczną) źródło energii cieplnej, oraz:
 instalacja słoneczna jest jedynym źródłem ciepła, ewentualnie energia z innego źródła jest
droga.
W pierwszym przypadku dąży się z reguły do maksymalizacji ilości energii pozyskanej ze
Słońca, nawet kosztem mniejszej od wymaganej wartości potencjału energii zakumulowanej
w zasobniku c.w.u. Dzięki zmniejszeniu wartości średniej temperatury kolektora słonecznego
zwiększana jest sprawność energetyczna konwersji energii. Dalsze podniesienie temperatury
c.w.u. do wymaganej wartości odbywa się z udziałem innego źródła ciepła – np. elektrycznego ogrzewacza przepływowego.
W drugim przypadku, deficyt energii pozyskanej ze Słońca może skutkować sytuacją, w której zakumulowana w ciągu dnia energia cieplna w zasobniku c.w.u. jest zupełnie nieprzydatna
(cała masa wody ma temperaturę mniejszą od wymaganej).
W obu dyskutowanych przypadkach przydatność akumulowanej energii cieplnej można
zwiększyć przez wytworzenie lub zintensyfikowanie zachodzącego naturalnie procesu uwarstwienia termicznego wody.
2. STRATYFIKACJA
AKUMULACYJNYCH
TERMICZNA
WODY
W
ZBIORNIKACH
Stratyfikacja termiczna w zbiorniku z wodą (inaczej uwarstwienie termiczne) jest wywołana
miejscowym zróżnicowaniem gęstości wody o różnej temperaturze. W wyniku niejednorodnej temperatury występujące lokalnie siły wyporu powodują przemieszczanie mas wody o
wyższej temperaturze ku górze. W zbiorniku, w którym samoistny przepływ cieczy w jego
wnętrzu nie jest istotnie zaburzany czynnikami zewnętrznymi, wytwarzają się trzy zasadnicze
strefy (od góry do dołu) [1,2,3,4]:
 woda o najwyższej temperaturze gromadzi się u góry,
 poniżej występuje strefa tzw. termokliny, charakteryzująca się dużą wartością pionowego
gradientu temperatury,
 u dołu zbiornika zalega woda o najniższej temperaturze.
Uwarstwienie termiczne medium w akumulatorach cieczowych jest zjawiskiem korzystnym,
gdyż:
 skraca się istotnie czas potrzebny do osiągnięcia wymaganej temperatury cieczy na wyjściu z zasobnika (w stosunku do akumulatora bez uwarstwienia termicznego),
 im wyższy stopień stratyfikacji termicznej cieczy w zasobniku tym większa ilość energii
cieplnej może zostać pobrana z zasobnika przy minimalnym wymaganym potencjale
(temperaturze).
Wytworzeniu oraz utrzymaniu w czasie uwarstwienia termicznego wody w zasobniku może
sprzyjać jego budowa. Badania symulacyjne oraz eksperymentalne wykazały, że najkorzystniej jest gdy zbiornik ma kształt cylindryczny o smukłości (stosunek wysokości do średnicy
podstawy) z zakresu 2,53,5 [8,9]. Stratyfikacja termiczna umożliwia wzrost sprawności
energetycznej instalacji słonecznej od 5% do 20% [1] w stosunku do instalacji z zasobnikiem
o jednorodnej temperaturze wody.
Rys. 1. Uproszczony schemat instalacji słonecznej
z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy spiralnej
Rys. 2. Uproszczony schemat instalacji słonecznej
z płytowym wymiennikiem ciepła
W popularnych instalacjach do ogrzewania c.w.u. energią Słońca stosuje się wymiennik ciepła pomiędzy cieczą w obiegu kolektorów a wodą użytkową wykonany w postaci wężownicy
spiralnej umieszczonej wewnątrz zasobnika na ogrzewaną wodę w jego dolnej części (rys. 1.).
Zasobnik na wodę, najczęściej o kształcie walca zorientowanego pionowo, posiada dopływ
zimnej wody w pobliżu dennicy dolnej a odpływ wody gorącej spod dennicy górnej. Rozwiązanie takie jest proste, względnie tanie w budowie oraz niezawodne [1,2,5].
Jednak w praktyce stopień stratyfikacji termicznej uzyskiwany z zasobnikach z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy jest niewielki z następujących przyczyn:
a) mieszania cieczy spowodowanego ładowaniem zasobnika energią cieplną (konwekcja),
b) mieszania cieczy spowodowanego rozładowywaniem zasobnika,
c) samoistną konwekcją cieczy w zasobniku wynikającą z różnicy gęstości (temperatury),
d) przewodzeniem ciepła w cieczy,
e) przewodzeniem ciepła „wzdłuż” ściany (płaszcza) zbiornika.
3. ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE WSPOMAGAJĄCE STRATYFIKACJĘ
TERMICZNĄ
Negatywny wpływ mieszania cieczy w trakcie ładowania zasobnika energią cieplną – przyczyna a) może być zredukowany dzięki zastosowaniu cieczowego akumulatora ciepła ładowanego warstwowo [1,4].
W rozwiązaniu tym, wymiennik pomiędzy źródłem ciepła a cieczą magazynującą energię
umieszczony jest na zewnątrz zasobnika (rys. 2.). Ciecz z dna zasobnika przepompowywana
jest przez wymiennik ciepła i wpływa do jego górnej części. Podobnie jak
w zasobnikach z wężownicą odpływ cieczy gorącej następuje przez dennicę górną a dopływ
wody zimnej (ochłodzonej) przez dennicę dolną.
W zasobnikach ładowanych warstwowo uzyskuje się wyższy stopień stratyfikacji termicznej
niż w zasobnikach z wężownicą, dzięki zredukowaniu mieszania cieczy ogrzanej z zimną w
fazie ładowania. Jednak nadal zachodzą niekorzystne zjawiska wymienione
w punktach b)  e).
Zjawisko mieszania cieczy w zasobniku w trakcie jego rozładowywania – przyczyna b) może
być ograniczone przez ukierunkowanie strugi zimnej cieczy napływającej do zbiornika za
pomocą dyfuzorów – rys. 3. [2,10,11,12]. Jednak rozwiązania te mają ograniczoną skuteczność w przypadku intensywnego rozładowywania akumulatora – np. w trakcie napełniania
wanny wodą do kąpieli.
Stosując układ poprzecznych przegród wewnątrz zasobnika [13,14] można zredukować prędkość zanikania uwarstwienia termicznego spowodowanego samoistną konwekcją oraz przewodzeniem w cieczy – tj. z przyczyn c) oraz d).
Przewodzenie ciepła wzdłuż ścian zbiornika można ograniczyć stosując np. stal nierdzewną,
tworzywa sztuczne czy materiały kompozytowe.
Znane są także konstrukcje zasobników cieczowych o zmiennej efektywnej pojemności
[15,16,17,18]. Istotą tych rozwiązań jest to, że zasobnik całkowicie rozładowany nie zawiera
cieczy, a jego ładowanie polega na stopniowym wypełnianiu go ogrzaną cieczą, przy czym
powietrze jest wypierane ze zbiornika (rys. 4.) albo ulega w nim sprężeniu. Wyeliminowano
w ten sposób możliwość mieszania się cieczy ogrzanej z zimną a także wymianę ciepła pomiędzy nimi. Jednak w odmianach ciśnieniowych tych instalacji do ich funkcjonowania potrzebne jest sprężone powietrze (sprężarka) lub urządzenia napędowe wytwarzające stosunkowo duże siły równoważące parcie cieczy na membranę lub tłok oddzielające ciecz od powietrza.
Rys. 3. Dyfuzory wlotowe wody zimnej [10]
Rys. 4. Schemat instalacji słonecznej ze zbiornikiem
akumulacyjnym o zmiennej objętości [17]
4. INSTALACJA SŁONECZNA – OPRACOWANE ROZWIĄZANIE
Autorzy pracy prowadzą badania zmierzające do opracowania metod i urządzeń podnoszących efektywność pozyskiwania oraz akumulowania energii cieplnej ze źródeł odnawialnych.
Opracowano m.in. oryginalną koncepcję budowy instalacji do gromadzenia energii cieplnej w
akumulatorze cieczowym.
Schemat budowy instalacji według nowego rozwiązania pokazano na rys. 5. Instalacja składa
się z: kolektora słonecznego (1) lub innego źródła energii cieplnej, wymiennika ciepła (3) o
budowie rurowo-płaszczowej oraz cieczowego zbiornika akumulacyjnego (2), w którym
umieszczono poprzecznie ruchomą przegrodę (10) wykonaną z materiału izolującego termicznie. Wysokość wymiennika ciepła jest równa wysokości zbiornika oraz oba urządzenia
usytuowane są blisko siebie na tym samym poziomie. Zbiornik połączony jest z płaszczem
wymiennika przewodami rurowymi (4) oraz (5). Odbiór ogrzanej cieczy ze zbiornika następuje przez przewód rurowy (6) w dennicy górnej, a dopływ cieczy zimnej lub ochłodzonej następuje przez przewód rurowy (7) w dnie zbiornika.
Ruchoma przegroda (10) we wnętrzu zbiornika akumulacyjnego (2) wydziela dwie przestrzenie wypełnione cieczą: górną (9) oraz dolną (8). Przegroda (10) może przemieszczać się
wzdłuż osi pionowej zbiornika pod wpływem siły wypadkowej sił składowych: ciężaru przegrody, parcia cieczy od góry, parcia cieczy od dołu, tarcia o płaszcz zbiornika oraz siły F wytwarzanej przez urządzenie sterujące (13).
Zastosowanie izolującej termicznie przegrody (10) eliminuje całkowicie mieszanie wody
ogrzanej i zimnej oraz znacząco ogranicza wymianę ciepła między tymi dwiema objętościami, także „wzdłuż” ściany zbiornika.
W nowym rozwiązaniu ładowanie akumulatora energią cieplną odbywa się w wyniku przepływu cieczy ogrzanej w płaszczu wymiennika ciepła (3) przez przewód rurowy (5) do przestrzeni górnej (9). Jednocześnie ciecz zimna z przestrzeni dolnej (8) przepływa przewodem
rurowym (4) do wymiennika (3). W tym samym czasie przemieszcza się ku dołowi przegroda
(10). Po osiągnięciu przez przegrodę (10) dolnego krańcowego położenia samoczynnie otwiera się zawór (12) łączący przestrzenie górną i dolną, dzięki czemu możliwe jest dalsze ładowanie zbiornika energią cieplną.
Rozładowywanie akumulatora ciepła odbywa się wyniku wypływu cieczy gorącej z przestrzeni górnej (9) przez przewód rurowy (6). Jednocześnie do przestrzeni dolnej (8) napływa
ciecz zimna lub ochłodzona ciecz, która wypłynęła uprzednio przez przewód (6). W tym samym czasie przemieszczeniu ku górze ulega przegroda (10).
Przepływ cieczy w trakcie ładowania oraz rozładowywania akumulatora ciepła może odbywać się samoistnie – w wyniku różnicy gęstości cieczy o różnej temperaturze w różnych przestrzeniach płaszcza wymiennika (3) oraz zbiornika (2). Może być także kontrolowany przez
urządzenie sterujące (13) wywierające na przegrodę (10) siłę F w kierunku pionowym.
Rys. 5. Schemat opracowanej instalacji do akumulowania energii cieplnej ze Słońca; 1 – cieczowy kolektor
słoneczny, 2 – zbiornik akumulacyjny, 3 – wymiennik ciepła, 47 – przewody rurowe, 8 – przestrzeń dolna,
9 – przestrzeń górna, 10 – ruchoma przegroda, 11 – zawór zwrotny, 12 – zawór, 13 – urządzenie sterujące, 14 –
zwężka/dławik, F – siła.
5. MODEL MATEMATYCZNY OPRACOWANEJ INSTALACJI SŁONECZNEJ
Opracowano model matematyczny kompletnej instalacji słonecznej do ogrzewania wody
użytkowej według opracowanej koncepcji. Model posłużył do wykonania szeregu symulacji
komputerowych, na podstawie których oceniano między innymi korzyści wynikające z zastosowania nowego rozwiązania w stosunku do stosowanych obecnie (także zamodelowanych i
symulowanych).
Opisano równaniami bilansującymi energię następujące zjawiska zachodzące w instalacji:
 przepływ energii cieplnej promieniowania słonecznego do wodnego roztworu glikolu w
kolektorze słonecznym,
 transport ciepła w wyniku przepływu roztworu glikolu z kolektora do wymiennika ciepła
oraz
z wymiennika do kolektora (także ze stratami energii do otoczenia przez izolację termiczną przewodów rurowych),
 wymianę ciepła pomiędzy roztworem glikolu a wodą w wymienniku ciepła (także ze stratami energii do otoczenia przez izolację termiczną wymiennika),
 transport ciepła w wyniku przepływu wody pomiędzy płaszczem wymiennika a zasobnikiem,
 transport ciepła spowodowany rozładowywaniem zasobnika (także ze stratami energii do
otoczenia przez izolację termiczną zbiornika).
Zamodelowano także przepływ wody pomiędzy płaszczem wymiennika a zbiornikiem wywołany zróżnicowaniem gęstości wody oraz siłą zewnętrzną F działającą na przegrodę (10).
Na rys. 6. przedstawiono schemat modelowanej instalacji wraz z wartościami głównych parametrów konstrukcyjnych. Wymiennik ciepła podzielono wirtualnie na trzy sekcje o równych wysokościach i traktowano jak elementy o parametrach skupionych (temperatura wody
w sekcjach odpowiednio: Tw1, Tw2, Tw3). Przepływ cieczy w wymienniku przyjęto zgodnie
z modelem przepływu tłokowego [1,2] (tj. bez konwekcji cieczy pomiędzy sekcjami).
Rys. 6. Schemat modelowanej instalacji
Równania opisujące wymienione zjawiska zakodowano w języku Matlab/Simulink. Zamodelowano także algorytmy sterowania pracą pompy obiegowej roztworu glikolu oraz siłą zewnętrzną wywieraną na izolowaną przegrodę w zasobniku.
6. WARUNKI ORAZ REZULTATY SYMULACJI KOMPUTEROWYCH
Przeprowadzono dwie symulacje komputerowe dla fazy ładowania zasobnika energią cieplną.
Warunki symulacji wspólne dla obu wariantów:
 temperatura początkowa wszystkich elementów instalacji oraz wszystkich cieczy w układzie 8OC,
 położenie początkowe ruchomej przegrody w zbiorniku  górne krańcowe (tj. zasobnik
całkowicie rozładowany),
 natężenie promieniowania słonecznego G = 350W/m2 przez osiem godzin (ilość energii
odpowiada w przybliżeniu przeciętnej energii dostarczanej przez Słońce w ciągu doby w
marcu lub październiku na Lubelszczyźnie),
 temperatura otoczenia instalacji 20OC,
 przegroda wewnątrz zbiornika porusza się bez tarcia,
 temperatura cieczy w przestrzeniach nad oraz pod przegrodą jest jednorodna (założono
całkowite mieszanie cieczy w każdej z przestrzeni).
Warunki symulacji różne dla obu sytuacji:
 wariant symulacji A: przyjęto, że siła wyporu cieczy działająca na ruchomą przegrodę jest
zawsze równoważona przez jej ciężar, tzn. przepływ wody przez wymiennik jest spowodowany tylko siłami grawitacji spowodowanymi zróżnicowaniem gęstości wody, a przegroda przemieszcza się zgodnie ze zmianami objętości cieczy nad i pod przegrodą;
 wariant symulacji B: wartość wypadkowej siły F działającej na przegrodę w kierunku pionowym jest funkcją pozycji przegrody x oraz żądanej wartości temperatury ładowania zasobnika Twc_zad = 45OC.
Celem symulacji w wariancie B była ocena możliwości sterowania potencjałem energii cieplnej, przy której następuje jej akumulowanie (nie mniej niż 45OC). Przyjmując następujące
założenia:
 gęstość wody maleje proporcjonalnie ze wzrostem temperatury (w zakresie 8OC  80OC),
 wartość gradientu pionowego temperatury wody w płaszczu wymiennika jest taka sama na
całej wysokości wymiennika,
 siła wyporu ruchomej przegrody jest równoważona przez jej ciężar,
 siłę tarcia przegrody o ścianę zasobnika można zaniedbać, to
wyrażenie na siłę zewnętrzną F, zapewniającą ładowanie zbiornika wodą o w przybliżeniu
stałej temperaturze Twc_zad, można zapisać:
F x  
 Ag  wz   wz _ zad x  Ag
H
 wz   wz _ zad   Aqw R
2
 wz
gdzie:
x – odległość przegrody od dna zasobnika o wysokości H,
A – pole przekroju poprzecznego zasobnika wody,
g – przyspieszenie ziemskie,
wz – gęstość wody zimnej (z wodociągu) o temperaturze Twz,
wc_zad – gęstość wody ogrzanej o temperaturze Twc_zad.
(1)
qw – masowy strumień przepływu wody między płaszczem wymiennika a zbiornikiem,
R – sumaryczna rezystancja hydrauliczna przewodów łączących płaszcz ze zbiornikiem,
Dla parametrów modelowanej instalacji z rys. 6. oraz strumienia przepływu wody qw  102
kg/s i rezystancji R rzędu 103 Pa/m trzeci człon wyrażenia (1) jest pomijalnie mały (rzędu
10-2N). Zatem wymagana siła F jest liniową funkcją aktualnego położenia przegrody x (wc_zad
= const oraz wz  const). Na rys. 7. przedstawiono graficznie zależność (1) dla trzech różnych
wartości zadanej temperatury ładowania zasobnika Twc_zad.
50
Twc_zad
Siła zewnętrzna na przegrodę F[N]
40
30
45C
20
60C
10
75C
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Pozycja przegrody x[m ]
Rys. 7. Zależność siły zewnętrznej (sterującej) F oddziałującej na ruchomą przegrodę w zasobniku w funkcji
odległości przegrody od dna x dla instalacji z rys. 6. dla trzech różnych wartości zadanej temperatury ładowania
zasobnika Twc_zad (wariant symulacji B)
Na rys. 8. przedstawiono przebiegi wartości wybranych zmiennych modelu w funkcji czasu
dla warunków symulacji w wariancie A (oznaczenia zgodne z rys. 6.). Już po ok. 10 minutach rozpoczyna się samoistny przepływ wody przez płaszcz wymiennika spowodowany różnicą gęstości wody. W 70 minucie natężenie przepływu wody osiąga wartość maksymalną
(47 L/h), po czym maleje i trwa dopóki dostępna jest energia ze Słońca. Temperatura wody
opuszczająca płaszcz wymiennika Tw3 stale rosła ale nie przekroczyła 30OC. Ostatecznie przez
wymiennik przepłynęło ponad 90% objętości zbiornika a temperatura wody nad przegrodą
wzrosła z 8OC do zaledwie 20OC.
Na rys. 9. przedstawiono przebiegi wartości zmiennych modelu dla warunków symulacji w
wariancie B. Siła sterująca F działająca na przegrodę zmieniała się zgodnie z zależnością (1)
tak, aby przepływ wody przez płaszcz wymiennika rozpoczynał się dopiero gdy temperatura
wody na jego wyjściu przekroczy wartość Twc_zad = 45OC, co nastąpiło po ok. 2,5h. Od tej
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0:00
Temperatura [C]
Tw3
Tw2
Tw1
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
p1-p3
qw
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
Twc
x [%]
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
Czas [h]
6:00
7:00
8:00
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0:00
Ciśnienie [Pa], Przepływ [L/h]
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0:00
Tg1
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0:00
Temperatura [C], Pozycja [%]
Ciśnienie [Pa], Przepływ [L/h]
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0:00
Temperatura [C], Pozycja [%]
Temperatura [C]
chwili trwało ładowanie zasobnika wodą o stałej temperaturze Tw3  48OC. Po ośmiu godzinach w zasobniku zostało podgrzane zaledwie ok. 12% jego objętości ale do temperatury ok.
47OC.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0:00
Tg1
Tw3
Tw2
Tw1
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
p1-p3
qw
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
Twc
x [%]
1:00
2:00
3:00
Czas [h]
Rys. 8. Wybrane rezultaty symulacji działania instalacji sło- Rys. 9. Wybrane rezultaty symulacji działania instalacji
necznej w wariancie A (przegroda akumulatora „swobodna”) słonecznej w wariancie B (przegroda akumulatora
„sterowana”)
Przyrost energii wewnętrznej akumulatora ciepła w wariancie B był ponad dwukrotnie
mniejszy niż w wariancie A. Tak duża różnica wynika z faktu, że w wariancie B kolektor
słoneczny pracował z dużo wyższą średnią temperaturą niż w wariancie A (sprawność energetyczna kolektora słonecznego maleje ze wzrostem temperatury absorbera). Jednak stosując
kryterium przydatności zakumulowanej energii cieplnej, określonej jako wartość minimalnej
akceptowalnej temperatury zapewniającej komfort korzystania z ciepłej wody, to energia zakumulowana w wariancie A jest bezużyteczna (temperatura c.w.u. Twc  20OC). Natomiast w
wariancie B cała objętość wody zgromadzonej nad przegrodą zasobnika ma potencjał nie
mniejszy od wymaganego Twc  47OC  Twc_zad = 45OC.
7. PODSUMOWANIE
W stosunku do rozwiązań opisanych w literaturze oraz chronionych patentami nowa instalacja
do akumulowania energii cieplnej cechuje się następującymi zaletami:
 umożliwia uzyskanie wysokiego stopnia uwarstwienia termicznego cieczy w zbiorniku,
dzięki całkowitemu wyeliminowaniu mieszania cieczy ogrzanej i zimnej,
 znaczącym ograniczeniem przewodzenia ciepła z cieczy ogrzanej do zimnej, także wzdłuż
płaszcza zbiornika,
 łatwością sterowania potencjałem (tu temperaturą), przy której akumulowana jest energia
w zasobniku,
 ładowanie zasobnika energią cieplną może być kontynuowane także po całkowitym wypełnieniu go ogrzaną cieczą,
 sterowanie wartością siły oddziałującej na przegrodę w fazie ładowania zasobnika może
być zrealizowana względnie prostym układem mechanicznym np. z użyciem mechanizmu
sprężynowego (liniowa zależność pomiędzy siłą a pozycją przegrody).
Nowe rozwiązanie jest szczególnie przydatne w sytuacjach, gdy zmiany w czasie mocy cieplnej dostarczanej przez źródło ciepła mają charakter losowy (np. energia słoneczna) oraz gdy
wymagana jest minimalna wartość temperatury, poniżej której zakumulowana energia jest
nieprzydatna – np. ogrzewanie wody do celów bytowych, gdy niedostępne jest inne (konwencjonalne) źródło energii cieplnej.
Opracowany zbiornik akumulacyjny może także współpracować z pompą ciepła. Dzięki zdolności do gromadzenia energii przy stałej temperaturze, rzeczywista sprawność energetyczna
pompy może wzrosnąć w stosunku do układu z zasobnikiem o stałej objętości.
Dzięki opracowanej konstrukcji cylindrycznego zasobnika wspomagającego wytworzenie
oraz utrzymywanie w czasie stratyfikacji termicznej wody, jego smukłość może wynosić nawet około jedności. Pozwoliłoby to na znaczące ograniczenie strat ciepła przez izolację ścian
zbiornika w stosunku do zasobników tradycyjnych, o współczynniku smukłości ok. 3.
Opracowana koncepcja budowy i sposobu działania instalacji została zgłoszona do ochrony w
Urzędzie Patentowym RP. Obecnie prowadzone są badania doświadczalne mające na celu
praktyczne zweryfikowanie opracowanej koncepcji.
LITERATURA
[1] Smolec W.: Fototermiczna konwersja energii słonecznej. PWN, Warszawa 2000.
[2] Siuta-Olcha A.: Badania eksperymentalne i teoretyczne zasobnika ciepłej wody ze stratyfikacją termiczną. Politechnika Lubelska, Lublin 2012.
[3] Lucas B. Hyman: Sustainable Thermal Storage Systems: Planning, Design, and Operations. McGraw-Hill Professional, New York 2011.
[4] Pieńkowski K.: Wymiana ciepła w płynach termicznie stratyfikowanych. WNT, Warszawa 1982.
[5] Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
[6] Rosen M.A.: The Exergy of Stratified Thermal Energy Storages. Solar Energy 2001, nr
71, s. 173–185.
[7] Mieczyński M.: Egzergia w termodynamice. Teoria i zastosowania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
[8] Panthalookaran V.: A New Method of Characterization for Stratified Thermal Energy
Stores. Solar Energy 2007, nr 81, s. 1043-1054.
[9] Han Y.M., Wang R.Z., Dai Y.J.: Thermal Stratification within the Water Tank. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009, nr 13, s. 1014–1026.
[10] Blandin D., Caccavelli D., Krauss G., Bouia H.: A Zonal Approach for Modeling Stratified Solar Tanks. Proceedings of Building Simulation 2007, s. 678–683, Beijing, Chiny
2007.
[11] Hegazy A.: Effect of Inlet Design on the Performance of Storage-type Domestic Electrical Water Heaters. Applied Energy 2007, nr 12, s. 1338–1355.
[12] Castell A., Medrano M., Sole C., Cabeza L.F.: Dimensionless Numbers Used to Characterize Stratification in Water Tanks for Discharging at Low Flow Rates. Renewable Energy 2010, nr 35, s. 2192–2199.
[13] Shah L.J., Furbo S.: Entrance Effects in Solar Storage Tanks. Solar Energy 2003, nr 75, s.
337–348.
[14] Altuntop N., Arslan M., Ozceyhan V., Kanoglu M.: Effect of Obstacles on Thermal Stratification in Hot Water Storage Tanks. Applied Thermal Engineering 2005, nr 25, s. 2285–
2298.
[15] Patent US5823177: Pumpless solar water heater with isolated pressurized storage. 1998.
[16] Patent WO2010092311: Hot water dispensing system including an accumulation tank
pressurized by a gas. 2010.
[17] Patent P398453: Instalacja do ogrzewania wody użytkowej z panelem solarnym. 2015.
[18] Patent P398456: Instalacja do ogrzewania wody użytkowej z panelem solarnym. 2015.
SOLAR WATER HEATING SYSTEM WITH VARIABLE VOLUME STORAGE
TANK AND ADJUSTABLE TEMPERATURE OF HEAT CHARGING.
PART I. SYSTEM CONCEPT AND COMPUTER SIMULATION
Key words: solar water heating, heat storage, thermal storage tank, domestic hot water
Summary Paper presents a concept of novel solar heating system primarily for domestic water heating. The
original construction of hot water storage tank was introduced. A movable pistonlike divider, made from thermal insulating material, was installed inside the tank. The new solar system allows easy controlling and stabilizing the temperature of charging the heat storage tank. Furthermore, it prevents from mixing of hot and cold water
inside the tank and drastically reduces the heat transfer between them. The mathematical model of the solar system was described as well as results of computer simulations. The novel heating system increases usability of
accumulated thermal energy especially during seasons of solar energy deficiency.
Paweł Stączek, dr, adiunkt w Katedrze Automatyzacji Politechniki Lubelskiej. Specjalizuje
się w modelowaniu, optymalizacji i sterowaniu złożonych systemów, także z zastosowaniem
metod sztucznej inteligencji. Od kilku lat prowadzi badania zmierzające do doskonalenia znanych oraz opracowywania nowych technologii pozyskiwania, konwersji i akumulacji energii
ze źródeł odnawialnych. [email protected]
Stanisław Płaska, prof. dr hab. inż., kierownik Katedry Automatyzacji Politechniki Lubelskiej. Zajmuje się modelowaniem procesów technologicznych, w tym także procesów: transportu, wymiany i akumulacji energii cieplnej. Innym obszarem specjalizacji jest sterowanie
procesów jedno i wielowymiarowych, w szczególności charakteryzujących się dużym opóźnieniem. [email protected]