ANALIZA UZYSKÓW ENERGETYCZNYCHW UKŁADZIE CO-CWU ZASILANYM POMPĄ CIEPŁA I KOLEKTORAMI SŁONECZNYMI
Mariusz SZEWCZYK
Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza
STRESZCZENIE
We wrześniu 2003 r. na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa uruchomiono hybrydowy układ, w którym źródłami ciepła są sprężarkowa pompa ciepła z dolnym źródłem w postaci spiralnych kolektorów gruntowych oraz płaskie kolektory słoneczne, a odbiornikami instalacja centralnego ogrzewania oraz instalacja ciepłej wody użytkowej. Układ, realizując swe zadania komercyjne, dzięki wyposażeniu w przyrządy pomiarowe pozwala na analizę zachodzących w nim procesów energetycznych. Uzyskane na podstawie półtorarocznych pomiarów przebiegi bilansów energetycznych oraz efektywności i sprawności układu oraz jego elementów pozwalają na przedstawienie wniosków dotyczących uzależnienia doboru schematu technologicznego i urządzeń od charakterystyki odbiorników energii oraz koegzystencji w układzie hybrydowym źródeł i odbiorników o różnych charakterystykach.
SŁOWA KLUCZOWE: układ hybrydowy, układ dwuźródłowy, układ dwuodbiornikowy, kolektory słoneczne, pompa ciepła, przepływy energetyczne.
WSTĘP
Niekonwencjonalne źródła energii, a w szczególności odnawialne źródła energii, z powodu wielorakich przyczyn, są coraz powszechniej stosowane w gospodarkach państw uprzemysłowionych. Włączając się w ten kierunek rozwoju społeczno-gospodarczego, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej utworzył specjalność „Alternatywne źródła i przetwarzanie energii”. Pierwsi studenci rozpoczęli zajęcia na tej specjalności w październiku 2004 r.
W ramach przygotowań do zajęć dydaktycznych utworzono „Laboratorium odnawialnych źródeł energii”. Pierwszym układem laboratoryjnym uruchomionym w ramach laboratorium jest hybrydowy układ centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej zasilany energia cieplną z pompy ciepła i kolektorów słonecznych. Układ, pod względem mocy i schematu pracy odpowiadający układowi małego domu jednorodzinnego, zbudowano w lecie, a uruchomiono we wrześniu 2004 r. Układ, spełniając swą funkcję roboczą, w sposób w pełni automatyczny ogrzewa pomieszczenia laboratoryjne o powierzchni około 100 m2 oraz zaopatruje te laboratoria oraz studencki barek w ciepłą wodę, spełnia również, dzięki zainstalowaniu elementów pomiarowych, funkcje dydaktyczne i badawcze. Przy aktualnym zapotrzebowaniu na ciepło (budynek wymaga termomodernizacji) moc układu jest niewystarczająca do zaspokojenia potrzeb centralnego ogrzewania - pompa ciepła zapewnia wymaganą temperaturę pomieszczeń dla temperatury zewnętrznej wyższej od około 3 °C. W związku z tym w każdym pomieszczeniu laboratoryjnym pozostawiono grzejnik zasilany z sieci cieplnej budynku, zaopatrując je w zawory termostatyczne blokujące przepływ czynnika grzewczego, gdy temperatura w laboratoriach zapewniana przez układ jest wystarczająca.
SCHEMAT TECHNOLOGICZNY UKŁADU
W układzie źródłami ciepła są pompa ciepła zasilająca w energię cieplną zarówno układ centralnego ogrzewania (CO) jak i układ ciepłej wody użytkowej (CWU) oraz kolektory słoneczne zasilające w energię cieplną tylko układ CWU. Na rys. 1. przedstawiającym schemat technologiczny układu przedstawiono zarówno istniejące elementy układu ( kolor czarny) jak i projektowane fragmenty układu (kolor szary). Projektowane fragmenty układu wprowadzono na podstawie analizy wyników obserwacji istniejącego układu, a ich uzasadnienie zostanie przedstawione w dalszej części tekstu. Ze schematu przedstawionego na rys. 1. usunięto, aby go nie zaciemniać, wszystkie połączenia elektryczne zarówno pomiarowe jak i wykonawcze – pozostawiono jedynie połączenia hydrauliczne. Podstawowe elementy układu: pompa ciepła, kolektory słoneczne, zbiorniki, sterowniki pochodzą od jednego producenta – firmy STIEBEL ELTRON.
SOM 6/3
WPMW
4kW 200 l
Schemat technologiczny układu grzewczego
Instalacja glikolu istniejaca i planowana Instalacja wodna istniejaca i planowana BAR
POMIESZCZENIA LABORATORYJNE
O POW. 100 M2
Zimna woda z instalacji
Pompa ciepła
Sterownik pompy ciepła
Cztery spiralne kolektory gruntowe Układ do pomiaru profili
temperatury gruntu
Zbiornik buforowy pompy ciepła
Zasobnik ciepłej wody użytkowej Kolektory
płaskie
Sterowniki swobodnie programowalne Rx910
Multico
230 V
Średniookresowy akumulator ciepła Kolektory próżniowe Kolektor hybrydowy
Nowe elementy układu solarnego
Sterownik układu solarnego
Przepływomierz i termometr oporowy Trójdrogowy zawór elektromagnetyczny i mieszający
Zawór elektromagnetyczny i termostatyczny
Miernik ciepła (przepł. impulsowy, dwa term.
oporowe, wyświetlacz, połączenie z PC) Płytowy wymiennik ciepła
ELEMENTY ARMATURY
Pompa obiegowa i zawór odcinający
400 l
900 l
Rys.1. Schemat technologiczny układu CO-CWU zasilanego pompą ciepła i kolektorami słonecznymi
Podstawowym źródłem energii w układzie jest sprężarkowa pompa ciepła WPWE 8 o nominalnej (S0/W50) mocy grzewczej 8.3 kW i nominalnym współczynniku efektywności 4.2.
Dolne źródło ciepła pompy stanowią cztery gruntowe kolektory spiralne z rur PE o długości 150 m każdy, ułożone w wykopach o długości ok. 22 m i szerokości 1m na głębokości od 2.2 do 2.0 m, połączone w zewnętrznej studzience poprzez rozdzielacze z rurami zbiorczymi o długości
około 30 m. Czynnikiem roboczym w dolnym źródle pompy ciepła jest glikol propylenowy o temperaturze zamarzania poniżej –10 °C. Czynnikiem roboczym w pompie ciepła jest propan (R290), dzięki czemu temperatura dolnego źródła może się mieścić w zakresie od -18 do +45 °C, a temperatura górnego źródła od +15 do +65 °C, Górne źródło pompy ciepła, w którym czynnikiem roboczym jest woda kotłowa stanowi albo zbiornik buforowy CO o pojemności 200 dm3 albo górna połowa zasobnika CWU o pojemności 400 dm3, do której ciepło przekazywane jest w wymienniku płytowym woda kotłowa - woda użytkowa firmy Alfa-Lawal CB 14-20 o mocy maksymalnej około 10 kW. Zasobnik CWU wyposażony jest w dwie wężownice, jednak ze względu na niedostateczną moc górnej wężownicy zaistniała konieczność zastosowania wymiennika. Sterownik pompy ciepła został nastawiony na pracę w priorytecie CWU.
Drugie źródło ciepło stanowią 2 płaskie kolektory słoneczne SOL 25S, ustawione na dachu laboratorium dokładnie w kierunku południowym pod kątem 45° do poziomu, o łącznej powierzchni absorbera wynoszącej 5 m2 zasilające zasobnik CWU. W zależności od temperatury czynnika roboczego (glikol propylenowy o stężeniu zapewniającym temperaturę zamarzania nie wyższą niż – 25 °C) jest on kierowany albo szeregowo poprzez górną i dolną wężownicę albo tylko poprzez dolną wężownicę. Dodatkowym źródłem ciepła w zasobniku jest grzałka elektryczna o mocy 4 kW umieszczona na wysokości króćca poboru wody z zasobnika na wymiennik ciepła tj. w połowie wysokości zasobnika. Grzałka sterowana jest przez termostat zabezpieczający wartość temperatury wody pobieranej z zasobnika na wymiennik ciepła pozwalającą na osiągnięcie zakładanej temperatury CWU po jednokrotnym przejściu przez wymiennik. Termostat nie jest sprzężony ani ze sterownikiem pompy ciepła ani ze sterownikiem układu solarnego. Również oba sterowniki, pompy ciepła WPMW oraz solarny SOM 6/3, pracują zupełnie niezależnie.
Na wylocie z zasobnika CWU umieszczono zawór termostatyczny mieszający wodę z zasobnika z zimną wodą tak, aby do instalacji CWU wypływała woda o stałej temperaturze 45°C.
Sygnałem sterującym dla sterownika pompy ciepła z zasobnika CWU jest temperatura z czujnika temperatury umieszczonego w połowie wysokości zasobnika. Wartość nastawy dla tego sygnału nastawiono na 47 °C przy histerezie wynoszącej 6 °C (pozwala to uniknąć zbyt częstego włączania pompy ciepła i grzałki), w związku z czym temperatura zasilania wymiennika rzadko kiedy jest niższa niż 50 °C.
POMIARY
Pomiarów przepływów ciepła pomiędzy poszczególnymi częściami układu dokonuje się siedmioma miernikami ciepła SOM WMZ produkcji STIEBEL ELTRON. W skład każdego miernika wchodzi moduł pomiarowy wyposażony w wyświetlacz, dwa termometry PT 1000 oraz impulsowy miernik przepływu V40 ustawiony na 10 dm3/impuls. Rozmieszczenie 6 mierników ciepła w układzie przedstawiono na rys. 1. (siódmy miernik służy tylko do realizacji studenckich ćwiczeń laboratoryjnych). Do pomiaru temperatury w zbiornikach, temperatury kolektorów oraz temperatury otoczenia użyto termometrów podłączonych do sterowników. Wszystkie termometry używane w trakcie pomiarów skalibrowano w temperaturze 0°C. Dane z kalibracji posłużyły do skorygowania odczytów temperatury oraz ciepła. Pomiaru zużycia energii elektrycznej dokonywano globalnie dla całego układu miernikiem cyfrowym ME4 firmy MERLI GERIN.
Układ uruchomiono 25 września 2003r, a liczniki ciepła ustawiono i wyzerowano tydzień później. Od 12 stycznia 2004 rozpoczęto przeprowadzanie systematycznych, w miarę możliwości codziennych, manualnych odczytów parametrów układu. Odczytów dokonuje się jednokrotnie w ciągu dnia w godzinach od 11 do 14, zwracając szczególną uwagę na pomiary poniedziałkowe. Za podstawowy okres pomiarowy przyjęto bowiem, ze względu na tygodniowy
program grzewczy w sterowniku pompy, tydzień obliczeniowy zaczynający się i kończący w poniedziałek około południa. W grudniu 2003 r. uruchomiono automatyczną rejestrację pomiarów dokonywanych miernikami ciepła – służy do tego oprogramowanie firmowe STIEBEL ELTRON. Ponieważ niemożliwe jest zautomatyzowanie odczytów ze sterownika układu solarnego oraz w celu zachowania jednorodności pomiarów pomiary manualne są w dalszym ciągu dokonywane ze wszystkich punktów pomiarowych i te właśnie wyniki wykorzystane zostały do opracowania przedstawionych poniżej wyników.
BILANS ENERGETYCZNY UKŁADU
Wyniki analizy bilansu energetycznego układu przedstawione zostały w układzie tygodniowym, przy czym wyniki uzyskane w tygodniu obliczeniowym przedstawiono pod data jego zakończenia. Rys. 2. przedstawia bilans źródeł energii, którymi dla układu są energia elektryczna Et, ciepło pobrane z dolnego źródła ciepła QDZPC oraz energia promieniowania słonecznego przetworzona na ciepło w kolektorach słonecznych QKS. Na wykresie przedstawiono całkowitą ilość energii elektrycznej, choć nie cała wydziela się w układzie w postaci ciepła, a ciepło czerpane z dolnego źródła oraz kolektorów słonecznych określane są tuż przed wlotem do odpowiednich odbiorników.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
2004-01-12 2004-02-09
2004-03-08 2004-04-05
2004-05-03 2004-05-31
2004-06-28 2004-07-26
2004-08-23 2004-09-20
2004-10-18 2004-11-15
2004-12-13 2005-01-10
2005-02-07 2005-03-07
2005-04-04 2005-05-02
2005-05-30 2005-06-27
2005-07-25
Energia pobrana / MJ
Energia elektryczna Dolne źródło pompy ciepła Kolektory słoneczne
Rys. 2. Bilans wejściowy układu CO/CWU zasilanego kolektorami słonecznymi i pompą ciepła.
Widoczny na wykresie dołek w końcu lipca i sierpniu wynika z braku odbioru ciepła z układu. Sterownik pompy ciepła ustawiony ustawiony w tym czasie w stan czuwania uruchamia
jedynie pompy obiegowe na kilkadziesiąt sekund dziennie celem zapobieżenia ich zablokowaniu – mierniki ciepła w układzie pompy ciepła nie wykazują przepływu ciepła. Sterownik układu solarnego jest nastawiony w ten sposób, aby realizował funkcję chłodzenia kolektorów. Pompa obiegowa układu solarnego włącza się tylko wówczas, gdy temperatura kolektorów jest aż o 15 K wyższa od temperatury w zasobniku CWU, a ta sięga 80 °C ze względu na brak odbioru ciepła.
Stąd zerowe wartości ciepła pobranego z dolnego źródła pompy ciepła i małe uzyski energii z instalacji solarnej w okresie panowania najdogodniejszych warunków pracy – energia uzyskiwana z kolektorów jest w całości tracona do pomieszczenia laboratoryjnego poprzez przenikanie przez ścianki zasobnika CWU. Anomalie związane z okresem wakacyjnym powtarzają się na każdym z przedstawionych wykresów.
Rys. 3. przedstawia ilości ciepła przepływające ze źródeł ciepła do odpowiednich akumulatorów, z których po okresie krótszego lub dłuższego magazynowania przekazywane są do odbiorników. Na wykresie zaznaczono ciepło dostarczone przez pompę ciepła do zbiornika buforowego instalacji CO QZB, oraz ciepło dostarczane do zasobnika CWU z kolektorów słonecznych QKS - identyczne jak na rys. 1. i z pompy ciepła QCWUPC. Całkowita wysokość słupków na rys. 3. jest mniejsza od tych z rys. 2. Wynika to z tego, że ciepło górnego źródła pompy QGZPC = QZB + QCWUPC < Et + QDZPC ze względu przede wszystkim na straty energii w pompie ciepła oraz pracę grzałki elektrycznej umieszczonej w zasobniku CWU zawierającą się w Et.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
2004-01-12 2004-02-09
2004-03-08 2004-04-05
2004-05-03 2004-05-31
2004-06-28 2004-07-26
2004-08-23 2004-09-20
2004-10-18 2004-11-15
2004-12-13 2005-01-10
2005-02-07 2005-03-07
2005-04-04 2005-05-02
2005-05-30 2005-06-27
2005-07-25
Przepływ energii w układzie / MJ
Pompa ciepła - zbiornik buforowy Pompa ciepła - zasobnik CWU Kolektory słoneczne - zasobnik CWU
Rys. 3. Przepływ energii cieplnej w układzie CO/CWU zasilanym kolektorami słonecznymi i pompą ciepła.
Bilans wyjściowy, czyli bilans odbiorników energii, w którym uwzględniono ciepło oddane do instalacji CO QCO i ciepło oddane do instalacji CWU QCWU (do 2005-05-17 liczone jako QKS + QCWUPC a później po założeniu miernika ciepła na wylocie z zasobnika CWU mierzone) przedstawiono na rys. 4. Zaobserwowano tutaj pewne niedopasowanie układu do odbiornika. Średni dzienny pobór ciepłej wody użytkowej wynosi około 1 m3, przy czym odbiorcą w około 99% tej ilości jest barek studencki. Powoduje to, że w odbiorze CWU występują dwa szczyty – poranny pomiędzy godziną 8 i 10 oraz popołudniowy od godziny14 do 17. Okresy maksymalnego poboru CWU rozmijają się z okresem dostępności promieniowania słonecznego, skutkiem czego w słoneczne dni wiosenne i letnie około południa moc układu solarnego była bardzo niska, a jednocześnie w już w szczycie popołudniowym konieczne było podgrzewanie CWU przez pompę ciepła.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
2004-01-12 2004-02-09
2004-03-08 2004-04-05
2004-05-03 2004-05-31
2004-06-28 2004-07-26
2004-08-23 2004-09-20
2004-10-18 2004-11-15
2004-12-13 2005-01-10
2005-02-07 2005-03-07
2005-04-04 2005-05-02
2005-05-30 2005-06-27
2005-07-25
Energia oddana / MJ
Centralne ogrzewanie Ciepła woda uźytkowa
Rys. 4 Bilans wyjściowy układu CO/CWU zasilanego kolektorami słonecznymi i pompą ciepła.
Bilanse podukładów CO oraz CWU z rys. 3 i 4. nie zamykaj się ponieważ QCO < QZB ze względu na straty występujące w zbiorniku buforowym, a ciepło QCWU <> QKS + QCWUPC ze względu na straty ciepła z zasobnika CWU oraz ciepło wydzielane w grzałce elektrycznej (zazwyczaj ciepło wydzielane w grzałce jest większe od strat ciepła z zasobnika CWU).
Wskaźniki syntetyczne jakości pracy układu zaprezentowano na rys. 5. i 6., przy czym klucz grupowania wynika tylko i wyłącznie z wartości odpowiedniego wskaźnika na osi rzędnych. Poszczególne wskaźniki zdefiniowane są następująco:
• efektywność układu jest to stosunek ciepła uzyskiwanego w odbiornikach QCO+ QCWU do energii elektrycznej dostarczonej do układu Et;
• efektywność układu wg źródeł jest to stosunek ciepła uzyskiwanego ze źródeł QDZPC+ QKS+ Et do energii elektrycznej dostarczonej do układu Et – rośnie wraz ze wzrostem udziału ciepła z kolektorów słonecznych (rys. 6.);
• efektywność pompy ciepła w górnym źródle jest to stosunek ciepła górnego źródła pompy QGZPC do energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła EPC, liczonej, z błędem wynikającym z niemożności wydzielenia energii elektrycznej dostarczanej do grzałki, jako Et
- EKS, gdzie EKS ≈ 20Mj/tydz. jest średnią ilością energii elektrycznej dostarczanej w ciągu tygodnia do części solarnej układu;
0 2 4 6 8 10 12 14
2004-01-12 2004-02-09
2004-03-08 2004-04-05
2004-05-03 2004-05-31
2004-06-28 2004-07-26
2004-08-23 2004-09-20
2004-10-18 2004-11-15
2004-12-13 2005-01-10
2005-02-07 2005-03-07
2005-04-04 2005-05-02
2005-05-30 2005-06-27
2005-07-25
Efektywność
układu wg źródeł układu pompy ciepła w górnym źródle
Rys. 5 Efektywność układu
• sprawność układu jest to stosunek ciepła odbieranego z układu QCO+ QCWU do energii dostarczanej do układu QDZPC+ QKS+ Et, pozwalająca na oszacowanie strat z układu – w trakcie normalnej pracy układu przyjmuje wartości pomiędzy 80 i 90% spadając do zera w okresie wakacyjnym ze względu na brak odbioru ciepła, pozostają w mocy uwagi odnośnie sposobu określania QCWU;
• sprawność pompy ciepła jest to stosunek ciepła uzyskiwanego z pompy ciepła w górnym źródle QGZPC = QZB + QCWUPC do energii dostarczonej do pompy EPC= QDZPC + Et -- EKS
pozwalająca na oszacowanie strat w trakcie przetwarzania energii w pompie ciepła – straty
stanowią od 10 do 20% energii dostarczonej, decydując przez większość okresu pracy o sprawności układu, pozostają w mocy uwagi odnośnie nieuwzględnieniu energii wydzielanej w grzałce elektrycznej;
• udział promieniowania słonecznego i udział źródeł odnawialnych to odpowiednio albo stosunek ilości ciepła dostarczonego przez kolektory QKS albo sumy ciepła dostarczonego przez kolektory i ciepła z dolnego źródła pompy ciepła QDZPC + QKS do całkowitej energii dostarczonej do układu QDZPC + QKS + Et – charakterystyczny jest tutaj spadek sprawności układu wraz ze wzrostem udziału promieniowania słonecznego, związany ze większymi startami energii z tego źródła wynikającymi z dłuższego czasu magazynowania (ciepło z pompy ciepła w przeciwieństwie do ciepła z kolektorów jest wytwarzane na żądanie i praktycznie natychmiast przekazywane na zewnątrz układu do instalacji CO lub CWU);
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2004-01-12 2004-02-09
2004-03-08 2004-04-05
2004-05-03 2004-05-31
2004-06-28 2004-07-26
2004-08-23 2004-09-20
2004-10-18 2004-11-15
2004-12-13 2005-01-10
2005-02-07 2005-03-07
2005-04-04 2005-05-02
2005-05-30 2005-06-27
2005-07-25
Sprawność układu Sprawność pompy ciepła
Udział źródeł odnawialnych Udział promieniowania słonecznego Całkowita sprawność przetwarzania pompy ciepła
Rys. 6. Wskaźniki syntetyczne układu
• całkowita sprawność przetwarzania pompy ciepła, szacująca energetyczną dobroć zastosowania pompy ciepła w łańcuchu przetwarzania energii pierwotnej, obliczana jest jako iloczyn efektywności pompy ciepła, średniej sprawności wytwarzania energii elektrycznej w polskiej energetyce (przyjęto 33%) oraz sprawności przesyłu energii w sieci elektroenergetycznej (przyjęto że straty przesyłu wynoszą 8%) - uzyskane wartości ze średnią około 80% świadczą o tym że nawet w przypadku wysokiej temperatury górnego źródła (wysokotemperaturowy układ CO) zastosowanie pompy ciepła pozwala poprawić efektywność wykorzystania energii pierwotnej zawartej w paliwie o efektach ekologicznych nie wspominając.
W cyklu rocznym od 12-01-2004 do 10-01-2005 układ pobrał z gruntu 53.6 GJ a z promieniowania słonecznego 8.8 GJ energii cieplnej kosztem zużycia 28.5 GJ energii elektrycznej przekazując do instalacji CO 42.8 GJ i 33.4 GJ energii cieplnej do instalacji CWU.
Pozwoliło to na uzyskanie średniej efektywności układu oraz średniej sprawności układu wynoszących odpowiednio 2.68 i 0.84.
W celu zobrazowania możliwości współpracy pompy ciepła z kolektorami słonecznymi na rys. 7 zestawiono ze sobą przebiegi temperatur w instalacji dolnego źródła ciepła oraz kolektorów słonecznych i powietrza. Z tego zestawienia wynika, że przez znaczną część roku w tym również w okresie zimowym nie tylko temperatura kolektorów słonecznych, ale również temperatura powietrza jest wyższa od temperatury glikolu wypływającego z kolektorów gruntowych.
-10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0
2004-01-12 2004-02-16
2004-03-22 2004-04-26
2004-05-31 2004-07-05
2004-08-09 2004-09-13
2004-10-18 2004-11-22
2004-12-27 2005-01-31
2005-03-07 2005-04-11
2005-05-16 2005-06-20
2005-07-25
Temperatura /o C
Powietrze Kolektory słoneczne
Dolne źródło pompy ciepła - zasilanie Dolne źródło pompy ciepła - powrót
Rys. 7 Sezonowy przebieg temperatur WNIOSKI
Analiza przedstawionych powyżej wyników pomiarów oraz bezpośrednia obserwacja układu pozwala zaproponować kilka zmian w układzie technologicznym zaprezentowanego układu.
Najważniejszy z nich to bezwzględna konieczność użycia kolektorów słonecznych do podniesienia temperatury dolnego źródła ciepła. Zwiększy to efektywność pompy ciepła oraz ilość ciepła dostarczanego do układu przez kolektory słoneczne zwiększając ilość ciepła
dostarczanego przez układ ze źródeł odnawialnych a co za tym idzie udział energii odnawialnej i efektywność układu. Rozważano dwie możliwości modyfikacji układu. Pierwsza z nich to zastosowanie wymiennika glikol – glikol, przekazującego energię cieplną z kolektorów słonecznych do dolnego źródła pompy ciepła na kolektorze dolotowym z możliwością akumulacji ciepła w gruncie. Rozwiązanie to w omawianym układzie byłoby łatwe i tanie ze względu na to, że sterownik układu solarnego może sterować trzema obiegami lub trzema źródłami ciepła z funkcją priorytetu. Drugie rozwiązanie opiera się na akumulatorze ciepła o objętości kilku metrów sześciennych magazynującym energię cieplną z kolektorów słonecznych i układzie przekazu energii z akumulatora do pozostałych części układu. Upodobniłoby to opisywany układ do układu zaprezentowanego w (Czekalski i in. 2002) (Czekalski i Mirski.
2004). Rozwiązanie to jest droższe, ale w stosunku do pierwszego posiada wiele zalet – przede wszystkim funkcję akumulacji pozwalającą na zwiększenie koherentności źródeł i odbiorników energii. Zdecydowano się na drugie rozwiązanie, ponieważ koszt jego zastosowania znacznie ograniczył fakt zaadaptowania istniejącego w pobliżu układu, zbudowanego wcześniej do innych celów, zbiornika o pojemności 9 m3.
Zastosowanie układu z akumulatorem ciepła pozwoli również zmniejszyć problem niedopasowania wielkości zasobnika CWU do charakterystyki rozbioru CWU. Aby usunąć opisany wcześniej problem niekoherencji rozbioru CWU i promieniowania słonecznego należałoby włączyć szeregowo do instalacji CWU drugi zasobnik o pojemności ok. 400 dm3. Rozbudowanie układu odzysku ciepła z akumulatora o dwa dodatkowe zawory pozwoli na przekazywanie ciepła z akumulatora do zasobnika CWU – wówczas akumulator ciepła spełniałby zadania akumulacyjne drugiego zasobnika CWU.
Cześć hydrauliczną i elektryczną opisanej i przedstawionej na rys. 1. modernizacji wykonali w lipcu 2005 r. w ramach praktyki studenci specjalności. Reszta prac, w tym oprogramowanie sterujące zostanie wykonana, również przez studentów, do końca 2005. Po zakończeniu dwóch pełnych sezonów pomiarów na układzie w istniejącej konfiguracji rozpoczną się pomiary rozbudowanego układu tak, aby można było ocenić efektywność poszczególnych rozwiązań.
BIBLIOGRAFIA
Czekalski D., Mirski T., Chochowski A (2002), The analysis of energy flux flow in hybrid system of renewable sources, Proceedings of IX International Symposium “Heat Transfer and Renewable Sources of Energy”, Wyd.
Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 245 - 250.
Czekalski D., Mirski T. (2004), Układ sterowania w hybrydowym systemie źródeł odnawialnych, Gospodarka Paliwami i Energią, 3, 13 – 16.
ANALYSIS OF ENERGY GAINS IN CO/CWU HYBRID SYSTEM SUPLIED BY HEAT PUMP AND SOLAR COLLWCTORS
A hybrid system with compressor heat pomp and plane solar collectors as a energy sources and central heating and hot water systems as a heat receivers started at Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics on September 2003. It is a part of laboratory established for new specialty “Alternative sources and transformation of energy”. Since system has been equipped with measuring devices, besides normal commercial operation, allows analyzing energy transformation process proceeding inside it. On basis of measurements conducted since January 2004 courses of energy balance, efficiency factors of the system and its parts have been worked out. As a way for increasing of operation excellence of the system, additional heat accumulating container and recycling subsystem for heat received from solar collectors has been proposed.
