Racjonalna gospodarka energetyczna w uprawach pod osłonami

Transkrypt

1 Opracowanie innowacyjnych technologii magazynowania energii w produkcyjnych tunelach foliowych Racjonalna gospodarka energetyczna w uprawach pod osłonami Sławomir Kurpaska Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki UR w Krakowie Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

2 Innowacyjne badania z zakresu minimalizacji zużycia ciepła: analiza zużycia ciepła przez pięć typów konstrukcji obiektów pod osłonami oraz rekomendacja dla praktyki wybranej konstrukcji, wieloobwodowe systemy grzewcze wraz ze zbiornikami buforowymi, porównano zmianę temperatury powietrza w szklarni w której zainstalowano ekrany ciepła (z 20% udziałem folii aluminiowej) oraz dla szklarni bez ekranu ciepła, zmianę temperatury wierzchniej warstwy gleby w nieogrzewanej szklarni. Warstwa była przykryta folią PE (biała, czarna) oraz pozostawiona z wymieszana resztkami rozdrobnionych roślin, wykorzystania ciepła odpadowego do ogrzewania szklarni, odpowiedź zmian temperatury i wilgotności powietrza podczas naturalnej wentylacji w obiekcie w której zastosowano precyzyjne sterowanie położeniem wietrzników,

3 Innowacyjne badania z zakresu minimalizacji zużycia ciepła: praca przeglądowa z zakresu koncepcji wykorzystania nadwyżki ciepła ze szklarni do aktywnego chłodzenia i ogrzewania, efektywność energetyczną i sprawność exergi w systemie, w którym ciepło przenoszone przez sprężarkową pompę grzewczą współpracującą z wymiennikami pionowymi kierowane było do ogrzewania szklarni, wykorzystanie trzech systemów do ogrzewania szklarni: układ biwalentny (energia słoneczna wykorzystana do podgrzewania dolnego źródła ciepła w pompie grzewczej), kotła zasilanego biomasą drzewną oraz kotła zasilanego gazem ziemnym, opracowanie modelu optymalizacyjnego w którym uwzględniono wykorzystanie źródeł energii odnawialnej do ogrzewania szklarni, wentylacja szklarni o różnej geometrii wietrznika i wpływ konstrukcji na dynamikę zmian parametrów środowiskowych w śzklarni,

4 Innowacyjne badania z zakresu minimalizacji zużycia ciepła: wpływem intensywności wentylacji (poprzez zmianę położenia otworów wentylacyjnych) na proces wymiany masy w trakcie transpiracji pomidorów, wykorzystaniem ciepło z wnętrza prototypowej szklarni do suszenia warzyw (papryka, czosnek), możliwości wykorzystania ciepła odpadowego z produkcyjnego tunelu foliowego do suszenia winogron, zagadnienia cieplne w obiekcie, w którym zainstalowano system przewodów stalowych (ułożonych w kształcie pętli) umieszczonych w gruncie, wpływ jego konstrukcji (tunel pojedynczy, zblokowany) na efekty uprawianych pomidorów, efektywność systemu, w którym zastosowano dwa przewody: w jednym z nich znajdowała się woda- podgrzana w wyniku bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego zaś bezpośrednio nad tym przewodem przez przewody perforowane przepływało powietrze zasysane z wnętrza szklarni,

5 Innowacyjne badania z zakresu dodatkowego wyposażenia w celu, wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie wraz z jego magazynowaniem: przeglądowej pracy przedstawił rozwiązania konstrukcyjne akumulatorów ciepła wykorzystujących przemiany fazowe materiału, założenia do budowy modelu symulacyjnego procesu ładowania kamiennego akumulatora energii cieplnej przy uwzględnieniu losowego rozkładu temperatury powietrza zatłaczanego powietrza, opracowanie i walidacja, alternatywnego do istniejących probabilistycznego modelu matematyczny przepływu ciepła, z uwzględnieniem stochastycznego charakter struktury złoża, opracowanie modeli matematycznych i przeprowadzenie badań eksperymentalne dla dwóch akumulatorów: akumulator z przejściem fazowym oraz gruntowy, efektywność energetycznej i exergetycznej dla sytemu magazynowania ciepła w akumulatorze wykorzystującym ciepło przejścia fazowego (parafina),

6 Innowacyjne badania z zakresu zmian w konstrukcji, wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie oraz jego magazynowania: opracowanie modeli matematycznych wraz z badania eksperymentalnymi dla dwóch akumulatorów: akumulator powietrzny oraz gruntowy, efektywność współpracy pompy ciepła wykorzystanej do ogrzewania szklarni w której akumulator wypełniony był materiałem podlegającym przemianie fazowej, wskaźniki efektywności energetycznej dla systemu, w którym ciepłe powietrze (podgrzane w kolektorach powietrznych) magazynowane było w akumulatorze kamiennym a w cyklu rozładowywania kierowano go do wnętrza laboratoryjnej szklarni, przegląd modeli wykorzystywanych do opisu zjawisk: ogrzewania, chłodzenia i wentylacji w szklarniach.

7 Innowacyjne badania z zakresu zmian w konstrukcji, wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie oraz jego magazynowania: magazynowania ciepła pozyskiwanego z wnętrza szklarni w którym zastosowano system gromadzenia ciepła w akumulatorze glebowym, wykorzystanie warstw wodonośnych do regulacji temperatury powietrza, efekty stosowania zmniejszonej wentylacji w szklarni wraz z równoczesnym podgrzewaniem powietrza wewnętrznego, wyniki badań Autorów tworzących Konsorcjum Naukowe realizującego projekt z zakresu analizy teoretycznej powstałych efektów oraz wstępne wyniki badań uprawianych roślin,

8 Promieniowanie Motywacje wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie słoneczne, MJm -2 day Metody chłodzenia: - maty ewaporacyjne - cieniowanie - wentylacja I II XII III XI IV X V IX ogrzewanie VI VII VIII chłodzenie Temperatura otoczenia, o C Rys. 1. Warunki klimatyczne dla Warszawy

9 Motywacje wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie Energia z promieniowania słonecznego 700 MJ m -2 =100% energia wykorzystana w procesie transpiracji roślin 558 MJ/m 2 =79,7% 2- energia wymieniana w procesie wentylacji 10MJ/m 2 = 1,4% 3- potencjalna ilość ciepła do zmagazynowania w akumulatorze energii 132 MJ/m 2 =18,9% Rys. 2. Potencjalna ilość energii możliwa do zmagazynowania (Vi- VIII)

10 Temperatura otoczenia, o C Energia promieniowania słonecznego, MJ/m 2 /dzień Motywacje wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie temperatura otoczenia nasłonecznienie ogrzewanie chłodzenie ogrzewanie obligatoryjne miesiące ogrzewanie opcjonalne możliwości magazynowania nadwyżki ciepła Rys. 3. Czasokres ogrzewania i potencjalnego magazynowania nadwyżki ciepła w obiekcie

11 Motywacje wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie Magazynowanie jest konieczne, gdy istnieje różnica między zapotrzebowaniem na energię i jej dostarczaniem. Dotyczy to następujących przypadków: stałe dostawy energii i wyraźny, w krótkim czasie, szczyt zapotrzebowania na nią (np. elektrownie wodne lub tradycyjny system energetyczny indywidualni odbiorcy energii elektrycznej), zmienne dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią (np. energia słoneczna z kolektorów odbiorcy energii cieplnej), zmienne w czasie dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią, ale z godzinowym przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne ogrzewanie ciepłej wody użytkowej), zmienne w czasie dostawy energii i zapotrzebowanie na nią, ale z sezonowym przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne zimowe ogrzewanie pomieszczeń).

12 Akumulatory ciepła Woda Złoża naturalne, kamienie, granit Hydraty Wosk, parafina NaOH Sód Azotany Chlorki, fluorki Aluminium Ciało stałe Ciecz Gaz Węglany Złoża sztuczne Temperatura, o C Rys. 4. Zakres temperatury pracy wybranych materiałów stosowanych w akumulatorach ciepła

13 Długoterminowe magazynowanie ciepła w warstwach wodonośnych Wymiennik ciepła 17 o C Warstwa wodonośna 7 o C Rys. 5.Magazynowanie ciepła w warstwie wodonośnej

14 Długoterminowe magazynowanie ciepła w warstwach wodonośnych PC Wymiennik ciepła 17 o C Warstwa wodonośna 7 o C Rys. 6. Rozładowanie akumulatora ciepła w okresie grzewczym za pomocą pompy ciepła (PC)

15 Systemy magazynowania ciepła (obiekt w UR Kraków) a) b) t NC t NC Akumulator wodny (t AK_W ) t WEW Złoże kamienne cieniówka t wew t AK_ t AK_K t WY t WY Akumulator wodny (t AK-W ) t WE K Złoże kamienne 1- wymiennik przeponowy; 2- elektrozasuwa; 3- pompa obiegowa Rys. 7. Schemat systemu magazynowania (a) i rozładowywania (b) akumulatora kamiennego

16 Temperatura otoczenia, o C Energia promieniowania słonecznego, MJ/m 2 /dzień Warunki doświadczeń w UR Kraków temperatura otoczenia nasłonecznienie miesiące Rys. 8. Średnie wartości klimatu podczas przeprowadzenia doświadczeń

17 Strumień ciepła, MJ/godz/m Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny) data Rys. 9. Strumień zmagazynowanego ciepła w akumulatorze kamiennym (proces ładowania) Całkowita ilość zmagazynowanego ciepła: 10,7GJ

18 Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny) Strumień ciepła, MJ/godz/m 2 data Rys. 10. Strumień dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu z akumulatora podczas jego rozładowywania Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 8,9GJ

19 strumień masy, g/godz/m Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny) data Rys. 11. Strumień wymienianej masy przy przepływie powietrza przez akumulator kamienny (proces ładowania) Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 696kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 85 kg

20 Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny) strumień masy, g/godz/m 2 data Rys. 12. Strumień wymienianej masy przy przepływie powietrza przez akumulator kamienny (proces rozładowania) Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 55kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 578 kg

21 Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator wodny) Powietrze z wnętrza tunelu wymiennik przeponowy; 2- pompa obiegowa;3- zawór zwrotny,4- filtr; 5- akumulator cieczowy; Rys. 13. Schemat systemu magazynowania ciepła w akumulatorze cieczowym

22 Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator wodny) Ilość zmagazynowanego ciepła w akumulatorze wodnym, MJ/cykl data Rys. 14. Ilość zmagazynowanego ciepła w akumulatorze cieczowym

23 Ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu, MJ/cykl Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator wodny) data Rys. 17. Ilość dostarczonego ciepła do wnętrza obiektu podczas rozładowywania akumulatora cieczowego

24 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki, pomidory)

25 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory, tunel 1A, 2A)

26 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki) Ilość ciepła, MJ/dzień/obiekt data Rys. 18. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania akumulatora Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 21GJ

27 Masa wody, kg/dzień/obiekt Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki) data Rys. 19. Ilość wody wymieniana w tunelu z roślinami podczas rozładowywania akumulatora kamiennego Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 3000kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 1934 kg

28 Ilość ciepła, MJ/dzień/obiekt Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- pomidory) data Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania akumulatora Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 15GJ

29 Masa wody, kg/dzień/obiekt Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- pomidory) data Rys. 21. Ilość wody wymieniana w tunelu z roślinami podczas rozładowywania akumulatora kamiennego Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 2,5kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 1086 kg

30 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory (1A)) Ilość ciepła, MJ/dzień/obiekt data Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania akumulatora Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 22,4GJ

31 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory (1A)) Masa wody, kg/dzień/obiekt data Rys. 21. Ilość wody wymieniana w tunelu z roślinami podczas rozładowywania akumulatora kamiennego Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 1457kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 776 kg

32 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory (2A)) Ilość ciepła, MJ/dzień/obiekt data Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania akumulatora Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 23,1GJ

33 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory (2A)) Masa wody, kg/dzień/obiekt data Rys. 23. Ilość wody wymieniana w tunelu z roślinami podczas rozładowywania akumulatora kamiennego Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 2475kg a dostarczonej do wnętrza obiektu: 12 kg

34 Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice, UR Kraków Efekt, w przeliczeniu na węgiel sortymentu Miał tunel z uprawą ogórków 2,4t tunel z uprawą pomidorów 1,9t tunel 1A: 1,73t tunel z uprawą pomidorów 1,68t 2013r (tunele z ogórkami, pomidorami): 2014r (tunele z uprawą pomidorów): Akumulator cieczowy tunel wyposażony w akumulator cieczowy (obliczone jedynie dla 38 cykli pracy) blisko 42 kg węgla.

35 Najbliższe badania, UR Kraków (początek- kwiecień 2015) Zagadnienie osuszania powietrza Symulacja procesów zachodzących za pomocą periodycznego zamgławiania Wymiennik Ciepła

36 Najbliższe badania, UR Kraków (początek- kwiecień 2015) Aktywne schładzanie i zamgławianie przy słonecznej pogodzie Opcjonalnie zewnętrzne lub wewnętrzne powietrze Symulacja procesów zachodzących za pomocą periodycznego zamgławiania Powierzchnia grzania Problemy: - Zagadnienia cieplno- masowe; -Parametry konstrukcyjno- eksploatacyjne -Sterowanie procesem

37 Dziękuję za uwagę!