STRESZCZENIE
W referacie w oparciu o dane pomiarowe analizowano jakość termiczną ciepłej wody podgrzewanej przez autonomiczny system odnawialnych źródeł energii. Kryterium oceny była zdolność do uzyskiwania temperatur pozwalających zapewnić komfort i bezpieczeństwo użytkowania.
1. JAKOŚĆ ENERGII
Jakość w przypadku paliw i mediów energetycznych to pojęcie wieloznaczna.
Przykładowo główne cechy jakościowe węgla kamiennego to wartość opałowa oraz za-wartość składników popielnych i siarki. Przez jakość gazu ziemnego sieciowego rozumie się ciepło spalania i ciśnienie w sieci dystrybucyjnej. Z kolei jakość energii elektrycznej jest pojęciem specyficznym i ma szczególne znaczenie. Od tego medium wymaga się: sta-bilnego napięcia na nominalnym poziomie, stałej częstotliwości z wahaniami w bardzo wąskim zakresie, ograniczonego udziału wyższych składowych harmonicznych itd.
Jakość energetyczna ciepłej wody użytkowej (cwu) sprowadza się po prostu do zdolności do zaopatrzenia instalacji w wodę o temperaturze umożliwiającej uzyskanie w punktach czerpalnych temperatury 55°C÷60°C [1]. Osobnym wymaganiem, które pojawiło się for-malnie w ostatnich latach jest konieczność przeprowadzenia okresowej dezynfekcji cieplnej instalacji wodociągowej ciepłej wody poprzez uzyskanie w punktach czerpalnych tempe-ratury wody nie niższej niż 70°C i nie wyższej niż 80°C. Wymagany czas trwania termicz-nej dezynfekcji instalacji ciepłej wody zależy od zastosowatermicz-nej temperatury. Przegrzew do 60oC powinien być dłuższy od 30 minut, a do 70oC już tylko 5 minut [2]. Powyższy zabieg ma na celu ograniczenie zagrożenia zakażenia bakterią Legionella. Bakterie z rodzaju
Le-138 D. Czekalski, P. Obstawski gionella odkryto w 1976 roku. Wtedy to, na zjeździe amerykańskiej organizacji komba-tanckiej "American Legion" w hotelu w Filadelfii, na ciężkie zapalenie płuc zachorowało ponad 200 byłych legionistów i obsługa. Skutkiem choroby była śmierć trzydziestu czte-rech osób. Na ich cześć bakterię nazwano Legionella pneumophila, samą chorobę chorobą legionistów. Wzrostowi bakterii trwającemu od 2 do 6 dni, sprzyjają wysoka wilgotność, duże stężenie dwutlenku węgla oraz temperatury z zakresu 37÷43°C. Takie warunki panują na przykład w instalacjach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych oraz systemach ciepłej wody (głównie w zbiornikach, głowicach natryskowych pokrytych osadem wapiennym, zaworach czerpalnych). Na szczególne niebezpieczeństwo narażeni są pacjenci szpitali, których obniżona odporność powoduje, że po zakażeniu śmiertelność rośnie do 30 ÷ 50%
podczas gdy poza szpitalem to 13 ÷ 20% [3].
W systemach grzewczych opartych autonomicznie na odnawialnych źródłach energii, w tym na energii promieniowania słonecznego, pojawia się problem zmienności temperatury cwu gromadzonej w zbiornikach i tym samym jakości zasilania punktów czer-palnych.
2. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ
Rozpatrywany system odnawialnych źródeł energii przygotowujący w sezonie ciepłym autonomicznie ciepłą wodę dla budynku hotelowego znajduje się w Ośrodku Edu-kacji Ekologicznej i Wypoczynku w Budach Grabskich. Instalacja (rys. 1) składa się z dwudziestu jednostek kolektorów słonecznych płaskich o łącznej powierzchni 40 m2 (1), sekcji kolektorów próżniowych o łącznej powierzchni 6 m2 (2),sprężarkowej pompy ciepła o nominalnej mocy 12,5 kW (3), wymiennika gruntowego pionowego umieszczonego w 6 odwiertach o głębokości 30 m każdy (5) oraz zbiorników akumulacyjnych o objętości 1000 dm3 (4) oraz 300 dm3. System dostarcza ciepła wodę do obiektu z temperaturą gwaranto-waną przez pompę ciepła minimum 47,5oC w ilości do 3000 dm3 na dobę. Sekcje kolekto-rów słonecznych, współpracując z pompą ciepła kolekto-równolegle, podwyższają temperaturę w zbiornikach do temperatur zależnych od kombinacji poziomu napromieniowania słonecz-nego i wielkości oraz harmonogramu rozbioru (rys. 2). W systemie stosowana jest cyrkula-cja wewnętrzna, a tym samym temperatura ciepłej wody w punktach czerpalnych niewiele odbiega od temperatury poboru ze zbiornika.
3. METODYKA BADAŃ
Temperatura ciepłej wody ma zapewnić komfort i bezpieczeństwo użytkowania instalacji. Oczekiwana jest wartość pomiędzy 55°C a 60°C i takie poziomy graniczne są podstawowym kryterium kwalifikacji jakościowej okresów pracy instalacji ciepłej wody.
Oprócz ustalenia czasów trwania poszczególnych okresów obliczano ilość ciepła nadmia-rowego i brakującego. Za ciepło nadmiarowe uznano dostarczane ponad wymaganą tempe-raturą 60°C, natomiast za brakujące niedobór uniemożliwiający uzyskanie 55°C [4]. Anali-zowano w szczególności w których godzinach pojawiają się niedobory, a w których nad-wyżki. Dodatkowym kryterium oceny jakościowej jest możliwość rozgrzania instalacji do temperatury pomiędzy 70°C a 80°C. Sprawdzano, czy było to możliwe przynajmniej raz
Problemy termicznej jakości... 139
Rys. 1. Schemat hybrydowego systemu przygotowania ciepłej wody Fig. 1. Functional diagram of hybrid system for hot water
140 D. Czekalski, P. Obstawski
Rys. 2. Temperatura rozbioru ciepłej wody na tle warunków pracy systemu Fig. 2. Hot water temperature on the background of operation conditions
na każde 7 dni. Z racji zmienności warunków pogodowych i nierównomierność rozbiorów nie sposób przewidzieć kiedy warunek termicznej dezynfekcji będzie spełniony.
Dane służące do analizy i poddane ocenie obejmowały okresy o największym w ciągu roku napromieniowaniu, czyli pochodzące z maja, czerwca, lipca i sierpnia z lat 2002 ÷ 2004; razem 230 dni.
4. WYNIKI BADAŃ
W tabeli 1 zestawiono liczbę dni w poszczególnych latach, gdy temperatury po-boru ciepłej wody mieściły się w wyznaczonych zakresach. W całym badanym okresie zanotowano zaledwie jeden dzień z temperaturą poboru poniżej 45oC. Dni z temperaturami z zakresu 45°C ÷ 55°C stanowiły 33,5%, a z zakresu 55°C ÷ 60°C (normatywnego) 19,6%
badanej populacji. Minimalną wymagana temperaturę wynoszącą 55°C uzyskiwano w 66,1%-ach poddanych analizie dni.
Tab. 1. Liczba dni z temperaturą ciepłej wody w badanych przedziałach
Tab. 1. Number of days with temperature of hot water in the investigated ranges Okres
Dni z temperaturami
poniżej 45°C 45°C ÷ 55°C 55°C ÷ 60°C powyżej 55°C 2002 rok (73 dni) 0 26 (~36%) 13 (~18%) 47 (~64%) 2003 rok (87 dni) 0 29 (~33%) 15 (~17%) 58 (~67%) 2004 rok (70 dni) 1 (~1,4%) 22 (~32%) 17 (~25%) 47 (~68%)
2002÷2004 0,4% 33,5% 19,6% 66,1%
Problemy termicznej jakości... 141 Niedobory energii potrzebnej do uzyskania temperatury 55°C notowano najczę-ściej w godzinach porannych – od 7 do 11 (rys. 3). Stanowiły one za cały okres 230 dni łącznie ok. 700 kWh, co jednak stanowiło zaledwie 8% produkowanego przez system cie-pła. Z kolei nadmiary energii, tj. ponad progiem 60°C, występowały w największym stop-niu od godziny 14 do 20. Suma energii nadmiarowej wynosząca 955 kWh przekraczała w bilansie poziom niedoborów i stanowiła 11% całkowitej produkcji ciepła przez system.
Założony warunek termicznej dezynfekcji systemu praktycznie został spełniony w badanym okresie. Tylko 2-krotnie wystąpiły siedmiodniowe ciągi gdy temperatura w systemie nie przekroczyła 70°C, ale nawet wówczas notowano szczytowo ponad 65°C.
Rys. 3. Rozkład dobowy niedoborów i nadwyżek energii Fig. 3. The distribution of daily energy deficiencies and surpluses
Na rysunku 4 przedstawiono maksymalne temperatury w zbiornikach w 7. dnio-wych kroczących okresach od 1 maja do 31 lipca 2003 roku. Tłem są dobowe zużycia cie-płej wody i przeciętne jednostkowe napromieniowanie słoneczne płaszczyzny kolektorów płaskich. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę wahało się w tym czasie od 130 dm3 do ponad 2000 dm3 na dobę, średnio wynosząc 630 dm3, a więc znacznie poniżej założeń projekto-wych systemu. W kombinacji z warunkami napromieniowania w miesiącach letnich skut-kowało to wysokimi temperaturami szczytowymi, często dochodzącymi do 90oC. Tylko z punktu widzenia dezynfekcji termicznej można uznać to zjawiska za korzystne.
5. PODSUMOWANIE
Autonomiczny system przygotowania ciepłej wody złożony z pompy ciepła i instalacji słonecznej charakteryzuje się dużą zmiennością temperatury w zasobnikach co jest problemem z kategorii termicznej jakości zasilania. W badanym systemie w 2/3 dni z sezonu ciepłego rozbiór wody odbywa się z temperaturą normatywną - ponad 55oC.
Jed-142 D. Czekalski, P. Obstawski nocześnie w całym badanym okresie możliwa była wymagana dezynfekcja termiczna in-stalacji odbiorczej. Trzeba jednak przyznać, że obciążenie systemu tylko sporadycznie osiągało założony w projekcie poziom.
Rys. 4. Maksymalne temperatury ciepłej wody na tle warunków pracy systemu Fig. 4. Maximum hot water temperature on the background of operation conditions
6. LITERATURA
[1] Rozporządzenie min. infrastruktury z 12.03.2009: „w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”. Dz. U. 56/2009, poz. 461.
[2] Szaflik W. : Możliwości ograniczenia rozwoju bakterii Legionella w instalacji ciepłej wody użytkowej. Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, nr 9, 2006.
[3] Matuszewska R.: Bakterie z rodzaju Legionella – występowanie i zagrożenie zdrowotne. Instal, nr 12, 2002.
[4] Janus M.: Ocena jakości energii produkowanej przez system odnawialnych źródeł energii w Budach Grabskich. Praca magisterska, SGGW, 2012.
HOT WATER QAULITY PROBLEMS IN SYSTEM OF RENEWABLE ENERGY SOURCES
SUMMARY
The paper presents thermal quality analysis of hot water that is produced by autonomus system of renewable energy sources. The main criteria for the analysis were abilities to obtain required temperatures, suitable for ensure users' comfort and safety.
ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ Nr 283 Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 59 (2/2012/II) 2012
Dariusz CZEKALSKI, dr inż., Paweł OBSTAWSKI, dr inż.,
SGGW w Warszawie, Katedra Podstaw Inżynierii ul. Nowoursynowska 164, 02-787 Warszawa e-mail: dariusz_czekalski@sggw.pl