Oprogramowanie w projektowaniu ogrzewania kolektorami słonecznymi

2005-01-29 18:46

Budowa wielkowymiarowych systemów grzewczych o powierzchniach kolektorów 100 m2 oraz większych jest związana z wysokimi kosztami - rzędu kilkuset tysięcy złotych. Inwestorzy często decydują się na korzystanie z dotacji lub niskooprocentowanych pożyczek udzielanych przez instytucje wspomagające. Zazwyczaj wymagają one jednak dostarczenia wstępnych studiów wykonalności lub planów inwestycyjnych.

W uzyskaniu tego rodzaju danych (o wystarczającej dokładności) bardzo pomocne jest korzystanie z oprogramowania komputerowego, służącego do symulacji pracy instalacji. Obecnie na świecie istnieje kilka znanych programów komputerowych, jeden z nich to pakiet programowy TRNSYS (Transient Simula-tion Program). Jest on przeznaczony do symulacji działania instalacji grzewczych, zwłaszcza tych, które są wyposażone w kolektory słoneczne. Został on przystosowany do szczegółowej analizy systemów grzewczych w funkcji czasu.
TRNSYS opracowano głównie do celów naukowych w laboratorium energii słonecznej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, w Stanach Zjednoczonych w 1975 roku. Jest on corocznie modernizowany i rozbudowywany, jego kolejne wersje są udostępniane licencjonowanym właścicielom w Internecie. W Polsce korzysta z niego Europejskie Centrum Energii Odnawialnej (EC BREC), założone w 1994 roku przez Komisję Europejską. Centrum działa w strukturze Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa (IMBER), który jest główną jednostką badawczo-rozwojową Ministerstwa Rolnictwa w zakresie inżynierii rolniczej i energetyki. Najcenniejszą zaletą programów typu TRNSYS jest możliwość zmiany parametrów technicznych poszczególnych elementów instalacji i wykonania symulacji całorocznej pracy kompletnej instalacji po każdej wprowadzonej zmianie - aż do momentu osiągnięcia najwyższej wydajności.
Działanie poszczególnych elementów zależy od ich charakterystycznych stałych parametrów, wpływu działania innych składników systemu (wejść i wyjść danych) oraz funkcji czasu. Do precyzyjnego badania systemu grzewczego, który wykorzystuje energię słoneczną, niezbędna jest dokładna znajomość warunków pogodowych (promieniowanie słoneczne bezpośrednie, rozproszone i odbite, wilgotność względna, prędkość i kierunek wiatru oraz temperatura otoczenia -najlepiej w odstępach cogodzinnych w ciągu całego roku), jak również przewidywany dzienny rozkład rozbioru ciepłej wody użytkowej. Na wyjściu programu, oprócz danych ogólnych dotyczących wyników działania instalacji grzewczej, można także uzyskać dane szczegółowe związane z działaniem poszczególnych elementów tej instalacji (temperatur, przepływów energii cieplnej, strat ciepła i tym podobne).

 

 

 

 

Widok dwóch zestawów kolektorów słonecznych na dwóch odrębnych połaciach dachowych klasztoru Redemptorystów; fot. z archiwum EC BREC/IBMER 

 

Wykorzystanie programu TRNSYS do optymalizacji instalacji słonecznej w klasztorze
Na bazie ogólnych wytycznych stosowanych do tego typu systemów została zaprojektowana instalacja grzewcza ciepłej wody użytkowej wyposażona w kolektory słoneczne w pochodzącym z szesnastego wieku klasztorze Redemptorystów w miejscowości Tuchów koło Tarnowa. Kolejnym etapem było przeprowadzenie symulacji pracy całej instalacji (przyjęto parametry założone w pierwotnym projekcie), następnie wykonano szereg dalszych symulacji, w czasie których zmieniano parametry elementów składowych (pojemność i kształt zasobników, podgrzewaczy, wymienników, natężenia przepływów w pompach, powierzchnie kolektorów) w oparciu o elementy dostępne na rynku, tak, aby osiągnąć największą wydajność instalacji słonecznej.
W trakcie prac przygotowawczych i montażowych stwierdzono, że ze względów konstrukcyjno-budowlanych nie ma możliwości zastosowania dwóch dużych zasobników (o pojemnościach 5 i 4 m3). Przyjęto cztery zasobniki - każdy o pojemności 2 m3. Włączają się one do obiegu kolejno w zależności od ilości dopływającej energii słonecznej. Schemat zmienionej części instalacji przedstawiono na rysunku 3. Powierzchnia absorberów kolektorów słonecznych wynosi 128 m2, łączna objętość zasobników ciepłej wody użytkowej 8 m3, ostatecznie wykonano instalację dwuobiegową. Zastosowano pomocniczy kocioł gazowy o mocy cieplnej 90 kWth. Instalację obliczano dla maksymalnie 120 osób, przy czym założono szacunkową ilość ciepłej wody użytkowej na osobę 70 kg/dzień oraz przyrost jej temperatury 25oC. Instalacja składa się z dwóch odrębnych zestawów kolektorów. Podział pól kolektorów na dwa odrębne zestawy został wymuszony ograniczoną powierzchnią połaci dachowych. Pozostałą część instalacji grzewczej, łącznie z pomocniczym kotłem gazowym, umieszczono w specjalnie do tego celu wydzielonym pomieszczeniu na parterze budynku.
Na bazie projektów instalacyjnych opracowano program wsadowy do pakietu TRNSYS, w którym uwzględniono codzienny rozkład rozbioru ciepłej wody użytkowej oraz całoroczny, cogodzinny rozkład danych klimatycznych.
Porównawcze wyniki badań symulacyjnych instalacji według założeń wstępnej dokumentacji, następnie instalacji zoptymalizowanej po dokonanych zmianach oraz wersji ostatecznej przedstawiono w tabeli 1. Wersja ostateczna różni się od zmodernizowanej przede wszystkim większą ilością zasobników, jednak o zalecanej przez TRNSYS łącznej pojemności. Wynikało to z braku możliwości przetransportowania tak dużych zasobników (zalecanych w wersji zmodernizowanej) do pomieszczeń, w których miały one być umieszczone - ze względu na zabytkowy charakter obiektu nie wchodziło w rachubę wyburzanie murów.
Z tabeli wynika, że modernizacja instalacji, pomimo (w niewielkim stopniu) podwyższonego czasu pracy T, pozwoliła na zwiększenie całorocznego udziału energii słonecznej Qload w całkowitym rozbiorze ciepłej wody użytkowej z 42% do 54% - to jest o 27% w stosunku do wartości Qload osiąganej w czasie symulacji instalacji według założeń projektu wstępnego. Ponadto badania rozkładu temperatur ciepłej wody użytkowej w rozbiorze pozwoliły stwierdzić, że okres pracy zmodernizowanej instalacji grzewczej bez korzystania z pomocniczego źródła ciepła (kocioł gazowy) wydłużył się o około dwa tygodnie (to znaczy, że temperatura ciepłej wody użytkowej w tym okresie nie spadła poniżej 30oC).
Ostateczna wersja projektu spowodowała stosunkowo niewielkie zmiany parametrów energetycznych.
Instalacja została oddana do użytku i rozpoczęła pracę 25 października 2001 roku. Jest ona wyposażona w prosty system monitoringu, składający się z ciepłomierzy i czujników temperatury. Dane uzyskane z pomiarów przeprowadzonych w ciągu pięciu pierwszych dni listopada 2001 roku wskazują na efektywną pracę instalacji słonecznej, pomimo stosunkowo niskiego napromieniowania jak na tę porę roku. średnia udziału energii uzyskanej z promieniowania słonecznego w całkowitym rozbiorze wyniosła 13,4%.
Otrzymane wyniki potwierdziły konieczność stosowania w fazie wstępnej projektowania wielkowymiarowych instalacji solarnych narzędzi, które pozwalają na możliwie dokładne oszacowanie wydajności systemu, przede wszystkim ze względu na optymalizację doboru elementów wchodzących w jej skład oraz ich parametrów.

Tabela 1. Wyniki porównawczych badań symulacyjnych - wybrane wskaśniki energetyczne

Konfiguracja

Qload [MWhth/rok]

Qaux
[MWh/rok]

Qcałk[MWhth/rok]

T [h/rok]

nsol
[%]

K
[kWh/m2/rok]

Projekt wstępny

52,7

72,5

125,2

3448

42,1

418

Projekt zmodernizowany

67,2

58,2

125,3

3768

53,6

533

Projekt końcowy

67,0

57,9

124,9

3500

53,7

525

gdzie:

Qload - łączna ilość energii cieplnej dostarczonej do rozbioru ciepłej wody użytkowej uzyskanej z promieniowania słonecznego [MWhth/rok]

Qaux - łączna ilość energii cieplnej dostarczonej z kotła gazowego na uzupełnienie potrzeb [MWhth/rok]

Qcatk - całkowita ilość energii pobranej do rozbioru ciepłej wody użytkowej, Qcałk = Qload + Qaux [MWhth/rok]

T - łączny czas pracy instalacji mierzony czasem pracy pompy w obiegu kolektor - wymiennik [h/rok]

nsol - roczny udział energii uzyskanej z promieniowania słonecznego w rozbiorze ciepłej wody użytkowej, nsol = Qload x 100/Qcałk, [%]

K - roczny udział energii uzyskanej z promieniowania słonecznego w rozbiorze ciepłej wody użytkowej na jednostkę powierzchni kolektora Ksol= Qload/F, [kWhth/m2/rok]

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Podziel się opinią
Grupa ZPR Media sprzeciwia się głoszeniu opinii noszących znamiona mowy nienawiści przepełnionych pogardą czy agresją. Jeśli widzisz komentarz, który jest hejtem, powiadom nas o tym, klikając zgłoś. Więcej w REGULAMINIE
Czytaj więcej