Ć w i c z e n i e 9 Budowa i analiza prostego układu cieplnego przy uŝyciu programu TRNSYS 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest budowa i analiza prostego układu podgrzewania wody, składającego się z kolektora słonecznego, pompy, układy kontrolującego i obiegu wody. Analizie będzie poddana praca układu w czasie trzech dni przy zmiennych warunkach pogodowych jak i technicznych parametrach układu. 2. Wprowadzenie Wykorzystanie słońca do wytwarzania ciepłej wody do uŝytku domowego wydaje się być całkiem logicznym rozwiązaniem. W sytuacji kiedy ceny tradycyjnych paliw wykorzystywanych do ogrzewania wody uŝytkowej ciągle rosną warto zastosować instalację solarną. Słońce jest bowiem niewyczerpalnym i bardzo tanim źródłem energii. NatęŜenie promieniowania słonecznego w Polsce, w zaleŝności od regionu, zawiera się w przedziale 930-1160 kwh/m2/rok. Rzeczywisty zysk energetyczny z 1 kolektora wynosi ok. 1000 kwh. Zastosowanie instalacji solarnych: Ogrzewanie wody uŝytkowej Optymalnie dobrane instalacje solarne zamontowane w domach jednorodzinnych pozwalają zmniejszyć o ok. 60% roczne zuŝycie tradycyjnej energii niezbędnej do ogrzewania wody uŝytkowej. Tak dobrane instalacje pokrywają zazwyczaj do 95% zapotrzebowania na ciepło w okresie od kwietnia do września. Ogrzewanie wody w basenach Coraz częściej kolektory słoneczne wykorzystuje się do podgrzewania wody w basenach kąpielowych. Utrzymanie temperatury 23-24 st. C w okresie czerwiec-sierpień wymaga zainstalowania 0,8-0,9 m2 kolektora na 1 m2 basenu bez osłony termicznej. Dla basenów z osłoną termiczną wystarczy 0,4-0,6 m2 kolektora na 1 m2 basenu. Wspomaganie układu centralnego ogrzewania Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układu solarnego jest najbardziej wydajne w okresach przejściowych (marzec-kwiecień, wrzesień-październik). Istotną rolą odgrywa tutaj rodzaj zastosowanego systemy grzewczego. Kolektory słoneczne wykazują najwyŝszą wydajność współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym, podłogowym lub ściennym. Średnio przyjmuje się, Ŝe 1 m2 kolektora słonecznego na 10 m2 powierzchni ogrzewanej. Zasada działania układu solarnego Zasada działania jest prosta i przypomina pracę instalacji CO. Jest to układ zamknięty, w którym przez kolektor i węŝownicę przepływa płyn niezamarzający na bazie glikolu. Płyn ten odbiera ciepło z miedzianego absorbera ogrzewanego pod wpływem promieniowania słonecznego do wysokich temperatur, a następnie gorący płyn przepompowywany przez 1
węŝownicę zasobnika oddaje ciepło wodzie. Cykl przekazywania ciepła z kolektora do zasobnika trwa tak długo jak świeci słońce. Pracę pompy nadzoruje sterownik elektroniczny, który czuwa nad prawidłowym działaniem układu solarnego. Czujniki sterownika umieszczone są w kolektorze oraz w zasobniku dostarczając danych o temperaturze w układzie. Zapobiega to odwróceniu zasady działania układu solarnego. Dodatkowo naczynie wzbiorcze zabezpiecza układ przed zbyt duŝym ciśnieniem spowodowanym wzrostem temperatury i brakiem odbioru wody przez uŝytkowników. Schemat podstawowej instalacji dla ciepłej wody uŝytkowej Rodzaje kolektorów NajwaŜniejszym elementem instalacji solarnych są kolektory. To one absorbują energię promieniowania słonecznego i przetwarzają ją na energię cieplną za pomocą pośredniczącego w tym procesie tzw. czynnika roboczego. W domowych instalacjach solarnych stosuje się zwykle dwa rodzaje kolektorów: - Płaskie, w których absorberem jest płyta ze stali, miedzi, aluminium bądź tworzywa sztucznego, pokryta powłoką o specjalnych właściwościach optycznych. Na powierzchni tej płyty pochłaniane jest promieniowanie słoneczne. Z absorberem scalone są rurki miedziane, przez które przepływa czynnik roboczy odbierający od absorbera ciepło. Od spodu płyta absorbera jest zabezpieczona warstwą izolacji cieplnej ograniczającej straty ciepła do otoczenia. Od góry zaś przykrywa ją specjalna szyba, która ma za zadanie zatrzymywać promieniowanie w kolektorze i w ten sposób zmniejszać straty na skutek odbicia promieni. - PróŜniowe - zbudowane z rur szklanych tzw. wysokiej próŝni. W kaŝdą rurę próŝniową wbudowany jest absorber z zamontowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. PróŜnia znacznie zmniejsza straty ciepła do otoczenia, charakterystyczne dla kolektorów płaskich. Dostępne są produkty wysokiej jakości, instalacje grzewcze są niezawodne, a ich parametry moŝna zagwarantować dzięki: - procedurom kwalifikacyjnym i certyfikacji urządzeń (sprawozdania techniczne, ), - narzędziom do obliczania i wymiarowania (SOLO, f-chart, Polysun, TRNSys, ), - sterowaniu i monitorowaniu systemów (zdalny monitoring). 2
3. Model układu Badany układ cieplny przedstawiony jest schematycznie na Rys. 1. Składa się on z kolektora płaskiego, kontrolera, który włącza pompę oraz obiegu wody dostarczającego wodę o stałej temperaturze. promieniowanie słoneczne woda podgrzana układ kontrolujący kolektor płaski pompa woda zasilająca Rys. 1 Schemat modelowanego układu Lokalizacja i warunki pogodowe Dni: 01.06 03.06 Szerokość geograficzna: 43.1 N Maksymalna dzienna temperatura: 21.1 C (o godzinie 15:00) Minimalna dzienna temperatura: 10.6 C (o godzinie 24:00) Kolektor Kolektor składa się z jednej powłoki szklanej, która ma powierzchnię 6.5 m 2. Medium roboczym jest woda (C p = 4.19 kj/kg C). Kolektor jest nachylony pod kątem 40 i skierowany jest na południe. W ćwiczeniu nie będzie uwzględniony wymiennik ciepła. Pompa Kiedy pompa jest włączona pracuje zawsze przy stałym wydatku objętościowym równym 200 l/h. Kontroler Kontroler jest urządzeniem monitorującym temperaturę wlotową i wylotową medium roboczego przepływającego przez kolektor. Jest wymagane, aby pompa pozostawała wyłączona do czasu kiedy temperatura wylotowa nie będzie większa od wlotowej o T ON = 10.0 C. Zatem, kontroler włączy pompę, kiedy spełniony będzie warunek: T out > (T in + 10.0). Optymalna temperatura, przy której kontroler powinien wyłączyć pompę moŝe być wyznaczona z zaleŝności: 3
T OFF AC FR U m& C p L T ON gdzie: A C = 6.5 m 2, F R U L = 15 kj/(h-m 2 C), m& = 300 kg/h, T = 10. 0 C, C P = 4.19 ON kj/kg C. Podstawiając powyŝsze wartości do równania otrzymujemy T 1. 2 C. OFF Przyjmuje się, Ŝe T OFF =1. 2 C. Ze względów bezpieczeństwa, kontroler wyłączy pompę przy 100 C. Obieg wody zasilającej Woda zasilająca wpływa do pompy ze stałą temperaturą 20 C. 4. Budowa modelu Krok 1) Uruchomić program TRNSYS 15 with IISiBat 3 (A TRANSIENT SYSTEM SIMULATION PROGRAM 15 with The Intelligent Interface for the Simulation of Buildings 3.0) Start Programy TRNSYS 15 with IISiBat IISiBat Krok 2) Utworzyć nowy projekt File New Project OK Krok 3) Zapisać projekt w katalogu roboczym File Save UWAGA!!! ŚcieŜka do katalogu roboczego nie moŝe zawierać spacji. Krok 4) Dodawanie poszczególnych elementów Poszczególne elementu systemu dodajemy poprzez ich wybór z menu Direct Access. Modelowany układ jest wraz z połączeniami przedstawiony jest na Rys. 2. 4
Rys. 2 Schemat modelowanego układu w programie TRNSYS weather_t9a Weather_T9a element ten pozwala na czytanie róŝnych informacji w określonych odstępach czasu z bazy danych (plik); Direct Access/ Utility/ Weather and Other Data Readers/All Other Data Files/1st Line = Simulation Start /Free Format Read/TYPE9a Radiation_T16a Radiation_T16a element ten oblicza nasłonecznienie na podstawie informacji otrzymanych z bazy danych; Direct Access/Physical Phenomena/ Radiation Processors/Total Horiz Only Known (Mode=1)/No radiation Smoothing/ TYPE16a Collector_T1b Collector_T1b element ten symuluje pracę kolektora słonecznego; Direct Access/Solar Thermal Collectors/ Quadratic Efficiency Collectors/2_nd Order Incidence Angle Modifiers/TYPE1b 5
Integrator_T24 Integrator_T24 urządzenie to słuŝy do sumowania (całkowania) wybranych wielkości; Direct Access/Utility/Integrators/Quantity Integrator/TYPE24 Controller_T2b Controller_T2b ten element stanowi model włącznika; Direct Access/Controllers/Differential Controller w_ Hysteresis/For Temperatures/ Old Strategy/TYPE2b Pump_T3d Pump_T3d urządzenie to przedstawia model pompy Direct Access/Hydronics/Pump no Powercoefficient/TYPE3d Summary_T25b Hourly_T25c Summary_T25b i Hourly_T25c elementy te pozwalają na zapisywanie wielkości wynikowych w postaci plików danych; Direct Access/Output/Printers/Print User Supplied Units to File/TYPE25b Direct Access/Output/Printers/Don t Print Units to File/TYPE25c on-line_t65 On line_t65 komponent ten pozwala na tworzenie wykresów z wynikami z programu na ekranie monitora. Direct Access/Output/Online Plotter/TYPE65 Krok 5) Łączenie elementów Elementy układu naleŝy odpowiednio ze sobą połączyć. KaŜdy z elementów posiada przynajmniej jedno wejście (INPUT) lub wyjście (OUTPUT). Łączenie elementów wykonuje się za pomocą narzędzia Link two components znajdującego się na pasku narzędzi po lewej stronie -. Łączenie składa się z dwóch etapów: 1) utworzenie połączenia pomiędzy dwoma elementami; 2) podwójne kliknięcie na link u i wybór odpowiednich wejść i wyjść. Łączenie elementów naleŝy zacząć od elementu TYPE9A (Data Reader) tzn. połączyć jego wyjścia z odpowiednimi elementami według schematu połączeń przedstawionego na Rys. 3. 6
Rys. 3 Schemat połączeń 7
Krok 5) Ustawienie parametrów poszczególnych elementów Ustawienia poszczególnych elementów układu przedstawione są na kolejnych rysunkach. 1) Weather Data Reader - TYPE9a 5. Interpolate or not?-1-1 - 8. Interpolate or not?-2 10 - Which file contains the data to be read by this component? Zakładka - External Files Wartość \katalog_roboczy\ex1dat.dat * * plik Ex1dat.dat naleŝy uprzednio przegrać do katalogu roboczego z katalogu: C:\trnsys15\IISiBat3\Data\Samples\Example1 2) Radiation Processor TYPE16a Czy dane wejściowe mają być interpolowane i skalowane? Czy dane wejściowe mają być interpolowane i skalowane? Opis Plik z danymi wejściowymi 3. Tilted surface mode 1 - Typ modelu przetwarzania 4. Starting day 152 dzień Dzień początkowy 3. Time of next data read 0 h Czas po którym następna informacja o pogodzie będzie przeczytana z pliku wejściowego 5. Slope of surface 40 Kąt nachylenia powierzchni 3) Solar Thermal Collector TYPE1b 2. Collector area 6.5 m 2 Powierzchnia zewnętrzna kolektora 2. Inlet flow rate 200 kg/h Wlotowy strumień masy 3. Ambient temperature 15.6 C Temperatur otoczenia 8. Incidence angle 45.0 Kąt padania promieni słonecznych 9. Collector slope 40.0 Kąt nachylenia kolektora 8
4) Integrator TYPE24 1. Reset time 24.0 h Okres czasu, w którym parametry wejściowe mają podlegać analizie 1. How many inputs are to be integrated 1. How many inputs are to be integrated 2 - Zakładka - Output Ile strumieni wejściowych ma być całkowanych? 2 - Ile strumieni wejściowych ma być całkowanych? 5) Controller TYPE2b 1. No. of oscillations 7 - Liczba oscylacji w obrębie jednego kroku czasowego 2. Lower inlet temperature Tl 20.0 C Dolny limit temperatury wlotowej 6. Lower dead band dt 1.0 - Dolny limit temperatury wlotowej 6) Pump TYPE3d Maksymalna wartość strumienia masy 1. Maximum flow rate 300.0 kg/h przepływającego przez pompę 3. Maximum power 100.0 kj/h Maksymalne zuŝycie mocy przez pompę Współczynnik przekazywania ciepła przez 4. Conversion coefficient 0.0 kj/h pompę do medium roboczego 2. Inlet mass flow rate 200.0 kg/h Strumień masy przepływający przez pompę 9
7) Printer TYPE25b Przedział czasowy po którym następuje 1. Printing interval 24 h wydruk danych Godzina w której następuje rozpoczęcie 2. Start time 24.0 h drukowania Godzina w której następuje zakończenie 3. Stop time 72.0 h drukowania 4. Logical unit 11.0 - Zmienna programu - identyfikator 1. Input to be printed-1 TSOLS - Nazwa drukowanej danej 2. Input to be printed-2 TQU - Nazwa drukowanej danej 1. What is the number of inputs to be printed by this printer component? 2 - Ile danych ma być drukowanych? Zakładka Special Cards 1. Please specify the units KJ KJ - Jednostki drukowanych danych 1. Which file should contain the printed results? Zakładka External Files \katalog_roboczy\ex1.out - Nazwa pliku do którego będą drukowane dane 8) Printer TYPE25c Godzina w której następuje zakończenie 1. Stop time 72 h drukowania 4. Logical unit 12.0 - Zmienna programu - identyfikator 1. Input to be printed-1 SOLS - Nazwa drukowanej danej 2. Input to be printed-2 TOUT - Nazwa drukowanej danej 3. Input to be printed-3 QU - Nazwa drukowanej danej 4. Input to be printed-4 MPUMP - Nazwa drukowanej danej 5. Input to be printed-5 TAMB - Nazwa drukowanej danej 10
1. Which file should contain the printed results? Zakładka External Files \katalog_roboczy\ex1.plt - Nazwa pliku do którego będą drukowane dane 9) Printer TYPE65 1. # of left-axis variables 1 - Ilość zmiennych na lewej osi 2. # of right-axis variables 1 - Ilość zmiennych na prawej osi 4. Left axis maximum 4000.0 - Maksymalna wartość na osi lewej 5. Right axis minimum -20.0 - Minimalna wartość na osi prawej 6. Right axis maximum 100.0 - Maksymalna wartość na osi prawej 1. Left axis variable-1 SOLS - Nazwa zmiennej 3. Right axis variable-1 Tout - Nazwa zmiennej Zakładka Special Cards 2. Please specify C kg/h - Jednostki osi 3. What is the title for the left Y-axis Temperature - Nazwa lewej osi 4. What is the title for the right Y-axis Power - Nazwa prawej osi Krok 6) Ustawienie parametrów globalnych Z paska narzędzi wybrać opcję Control cards, a następnie zmienić wartość 2. Simulation stop time na 72.0. 5. Analiza działania układu Po zbudowaniu i sprawdzeniu poprawności działania modelu naleŝy przeprowadzić jego analizę. Pod uwagę naleŝy wziąć następujące parametry: 1) powierzchnia kolektora A A [m 2 ] 1 6.5 2 10 3 15 11
2) ciepło właściwe medium roboczego 3) strumień masy 6. Prezentacja wyników C P [kj/kg C] 1. woda 4190 2. glikol 2430 3. chloroform 974 m& [kg/h] 1 6.5 2 10 3 15 Sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia powinno się składać z dwóch głównych części: opis budowy modelu oraz analizy wyników. Wyniki naleŝy przedstawić na zestawieniowych wykresach: NatęŜenie promieniowania, Strumień masy, Strumień energii, Temperatura wylotowa, Temperatura otoczenia w funkcji czasu. Rys. 4 NatęŜenie promieniowania oraz temperatura wylotowa w funkcji czasu, wykres wygenerowany przez program 12