Napkollektoros rendszer energetikai alapú szabályozása

One possibility to exploit the solar energy more is the efficiency enhancement of the control of solar thermal systems. In this paper an energetically based control and the generally used traditional control operating with fixed switching on and off temperature differences are compared in view of efficiency. The comparison is based on a TRNSYS model developed for solar heating systems and measured data of a particular system at the Szent István University, Gödöllő. According to the results the energetically based control provides a higher value of utilizability, which nevertheless results in extended electric consumption of the pumps. This drawback can be however moderated by pumps with low energy consumption.

Bevezetés
A napenergia minél jobb kiaknázása részeként, a napkollektoros melegvíz készítő rendszerek egyik fejlesztési lehetősége a szabályozás hatékonyságának növelése.
A dolgozatban bemutatásra kerül egy energetikai alapú szabályozás és annak a gyakorlatban általánosan alkalmazott hagyományos szabályozás optimalizált változatával való összehasonlítása. Az energetikai alapú szabályozás kidolgozására és a hagyományos szabályozás optimalizálására a (Kicsiny, 2009) irodalomban került sor.
Az összehasonlítás egy fizikai alapú, szintén a fenti irodalomban kidolgozott TRNSYS modell alapján és egy konkrét napkollektoros rendszer mérési eredményei alapján történik.
A vonatkozó fizikai alapok részleteiben megtalálhatók a (Duffie és Beckman, 2006) átfogó irodalomban.

A napkollektoros rendszer
Az 1. ábrán látható a Szent István Egyetem campusán telepített napkollektoros rendszer (SZIE-rendszer) (Farkas és tsai, 2001) vázlata.
A berendezés elvileg párhuzamosan és egymástól függetlenül egy uszodát és egy óvodát lát el melegvízzel. A gyakorlatban a rendszer nyáron teljes egészében az úszómedencét fűti, egyéb időszakokban pedig az óvodai szolár tárolót. A fogyasztók hőigényét, a szoláris energia mellett, földgázüzemű kiegészítő fűtés biztosítja.
A rendszer kompakt lemezes hőcserélőket tartalmaz, a szolár tároló térfogata 2000 liter.
A napkollektorok részben soros, részben párhuzamos kapcsolásúak. A rendszer később részletezett modellezése során a kollektormezőt egy ekvivalens, 33,3 m2-es, napkollektorral vettük figyelembe. Mért térfogatáram, hőmérséklet, valamint csőtérfogat adatok alapján az ekvivalens napkollektor és az óvodai hőcserélő közötti csövek hossza 80 m (mindkét irányban), a szolár tároló és ugyanezen hőcserélő között pedig 113,7 m.

1. ábra: A SZIE kombinált napkollektoros rendszerének vázlata

Fizikai alapú modell
Külön fizikai alapú modell készült a SZIE-rendszer óvodai üzemére (Kicsiny, 2009). A modell könnyen adaptálható bármely másik, hasonló elvű napkollektoros rendszerhez.
A feladat megoldása a TRNSYS 16 (Klein et al., 2005) és, bizonyos résszámítások elvégzéséhez, a MAPLE 9 (Maplesoft, 2003) programcsomagokkal valósult meg.
A főbb rendszerelemek külön al-modellekben kaptak helyet, amelyek a TRNSYS-ban beépített komponensekként megtalálhatók (2. ábra). Ilyen komponensek a kollektor (832-es típus a TRNSYS-ban (Heimrath és Haller, 2007), az ellenáramúnak feltételezett hőcserélő (5b típus), a rétegezett szolár tároló (60c típus) al-modellek, a szivattyúk (114-es típus), a csőszakaszok (31-es típus) és a hagyományos ki-/bekapcsolásos szabályozás (2b típus, „Type2b ordinary control”) al-modelljei.
Egyedi kivitelezésű az energetikai alapú szabályozás, több különböző al-modellt felhasználásával.
A két szabályozási mód között manuálisan lehet váltani a programban.
A modell egyik bemeneti komponense (109-es típus) a szoftverből kiválasztható időjárási adatfájlt hív meg, a másik (9c típus) a szolár tárolóból történő használati melegvíz elvételre vonatkozóan egy külső adatfájlt hív meg.
Kiegészítő fűtés alkalmazása szintén megoldható, ez azonban a mi vizsgálatainkhoz nem volt szükséges.

2. ábra: A napkollektoros rendszer TRNSYS-beli modellje

A modellel meghatározható a napkollektorok felületére besugárzott energia, a napkollektorok által hasznosított energia, a hőcserélőben átadott energia, a szolár tárolóba eljutó napenergia és a fogyasztó által ténylegesen hasznosított napenergia.

Energetikai alapú szabályozás
A tárgyalás során szükségünk van a csövekben történő áramlásra vonatkozó, energia megmaradást leíró, alábbi differenciálegyenletre:

3. ábra: A vizsgált napkollektoros rendszer egyszerűsített kapcsolási sémája

A szolár tároló és az óvoda kör hidraulikailag összekötöttek, a tárolóban nincs belső hőcserélő.
Szemben a gyakorlatban általánosan alkalmazott, rögzített ki- és bekapcsolási hőmérsékletkülönbségekkel dolgozó hagyományos szabályozással, az energetikai alapú szabályozás változó hőmérsékletkülönbségekkel működik a következőképpen (3. ábra):

A kollektor szivattyú az a/ elv szerint működik. Az óvoda köri szivattyú az a/ és b/ működési elvek közötti logikai VAGY kapcsolat szerint működik.

Hagyományos szabályozás
A hagyományos szabályozás kikapcsolja a szivattyúkat, ha a érték egy előre meghatározott értéknél kisebb és bekapcsol egy nagyobb, szintén rögzített érték esetén.

A hagyományos szabályozás nem számítja a rendszer hőveszteségét, csupán egy rögzített, pozitív kikapcsolási hőmérsékletkülönbséget használ, így biztosítandó, hogy a szivattyúk ténylegesen csak akkor járjanak, ha ezzel hőbevitelt idézünk elő a szolár tároló számára, azaz a visszahűtést biztosan elkerüljük. Mindazonáltal ennek az értéknek a lehető legkisebbnek kell lennie, hogy a szoláris potenciál minél nagyobb hányadát kihasználjuk. Az energetikai alapú szabályozással való összehasonlítás akkor lesz mérvadó, ha a vizsgálat során a lehető leghatékonyabb hagyományos szabályozást alkalmazzuk.
Hagy a fenti célból, az előforduló legnagyobb, de még reális hőveszteségeket vegyük figyelembe a rendszeren, számoljunk 55 °C-kal a teljes óvoda körben, 10 °C-os talajhőmérséklettel és –5 °C-os környezeti hőmérséklettel! (A viszonylag magas rendszerbeli hőmérsékletek és alacsony környezeti hőmérsékletek mellett jellemzőek a legnagyobb hőveszteségek.)

Szimulációs vizsgálatok
A SZIE-rendszernek a szabályozások alkalmazásához szükséges fizikai és geometriai paraméterei rendelkezésre álló mérési adatok alapján kerültek meghatározásra.
Az összehasonlítás kiterjed mind az egyes szabályozások által hasznosított napenergia mértékére, mind a szivattyúk villamos fogyasztására.

A szimulációkban vizsgált, modellezett napok: április 1-5.. A TRNSYS adatbázisából a vizsgált gödöllői rendszerhez legközelebb eső (Meteonorm) meteorológiai adatokat használtuk fel. A kollektorok síkjába eső napsugárzást és a környezeti hőmérsékletet a 4. ábra mutatja.

4. ábra: A kollektorok síkjába eső napsugárzás és a környezeti hőmérséklet

A fogyasztási profil a (Jordan és Vajen, 2003) szerinti realisztikus fogyasztási modell alapján került bevitelre, napi 1990 literes fogyasztással. A feltételezett igényelt használati melegvíz hőmérséklet 55°C.
A kollektorok paraméterei műszaki dokumentációból származnak.

Az egyes szabályozásokra vonatkozó szimulációs eredmények összehasonlítását mutatják a 5., 6. ábrák és az 1. táblázat a vizsgált időszakban.
A 5. ábra a szolár tárolón belüli átlaghőmérséklet (a rétegezett tároló egyes réteghőmérsékleteinek átlaga), a 6. ábra a szolár tárolóba eljutó napenergia időbeli alakulását mutatja.

5. ábra: A tárolón belüli átlaghőmérséklet alakulása az egyes szabályozásokkal ápr. 1-5-ig

6. ábra: A tárolóba eljutó napenergia alakulása az egyes szabályozásokkal ápr. 1-5-ig

A hagyományos szabályozás 136,0 kWh, az energetikai alapú szabályozás 145,7 kWh napenergiát juttatott a szolár tárolóba. Ez 9,7 kWh ~ 7,1% többletet jelent a rendelkezésre álló napenergia kihasználásában az energetikai alapú szabályozás javára és 24,8% rendszerkihasználtsági fokot a hagyományos szabályozás, ill. 26,5%-ot az energetikai alapú szabályozás esetén.
A szivattyúk villamos fogyasztása 2,8 kWh a hagyományos szabályozás mellett, 4,2 kWh az energetikai alapú szabályozás mellett, tehát a villamos többletfogyasztás 1,4 kWh ~ 50%.
A vizsgált időtartam alatt, 1 kWh napenergia szolár tárolóba juttatásához átlagosan 20,6 Wh villamos energiára volt szüksége a hagyományos szabályozásnak és 28,9 Wh-ra az energetikai alapú szabályozásnak.
A legfontosabb eredmények összefoglalását az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat: A szimulációs vizsgálatok eredményei ápr. 1-5-ig

Mérési eredmények
A szimulációs beállításoknak megfelelő energetikai alapú és hagyományos szabályozások a valós, mért SZIE-rendszeren is alkalmazásra kerültek 2011. január 1-től 2011. április 11-ig.
A két szabályozás egymást naponként felváltva működött. Tekintve a váltott működést, a kollektormezőt érő napenergia (2. táblázat 1. sor) és az óvodai fogyasztás (2. táblázat 2. sor) közel azonos értékét, úgy vehetjük, hogy az egyes szabályozások hasonló környezeti és fogyasztási feltételek mellett működtek és az összehasonlítás eredményei relevánsak.
A tároló hőmérsékletének mérése belső hőmérsékletérzékelővel (T21 az 1. ábrán) történt.
Kiemelve a legfontosabb, közvetlen összehasonlítást lehetővé tevő értékeket:
A szolár tárolóba eljutó napenergiát és a kollektormezőt érő napenergiát tekintve a rendszerkihasználtsági fok 16,0% a hagyományos szabályozás esetén és 18,4% az energetikai alapú szabályozás esetén.
A vizsgált időtartam alatt, 1 kWh napenergia szolár tárolóba juttatásához átlagosan 24,7 Wh villamos energiára volt szüksége a hagyományos szabályozásnak és 26,2 Wh-ra az energetikai alapú szabályozásnak.
A legfontosabb eredmények összefoglalását a 2. táblázat tartalmazza.

2. táblázat: Mérési eredmények a vizsgált időszakban (2011. jan. 1. – ápr. 11.)

Következtetések
A szimulációs és a mérési eredmények alapján megállapítható, hogy az energetikai alapú szabályozás nagyobb rendszerkihasználtsági fokot eredményez, azaz a rendelkezésre álló napenergiát nagyobb arányban hasznosítja, mint a hagyományos szabályozás.
Ugyanakkor azt is meg kell említeni, hogy ez az előny a szivattyúk megnövekedett üzemidejével és villamos fogyasztásával jár. Ez a hátrány korszerű, energiatakarékos, ill. megújuló energiát felhasználó, szivattyúk alkalmazásával csökkenthető, vagy akár meg is szüntethető.
Összehasonlítva a hasznosított szoláris energiatöbblet és a megnövekedett villamos fogyasztás mértékét, az energetikai alapú szabályozás alkalmazása általában ajánlható. Mindazonáltal konkrét esetben a fenti előnyt és hátrányt természetesen mérlegelni kell úgy, hogy a környezetvédelmi szempontok mellett, figyelembe kell venni a várható megtakarítást a kiegészítő fűtési energia árában és a várható többletkiadást a villamos energia árában.

Irodalom
Duffie, J.A., and Beckman, W.A. (2006), Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, New York.
Farkas I., Buzás J., Lágymányosi A., Kalmár I.: Napenergiás uszodai vízmelegítő rendszer, Magyar Energetika, IX. évf., 2001/3. sz., 17-20. o.
Heimrath, R., Haller, M. (2007), Project Report A2 of Subtask A: The Reference Building, the Reference Heating System, A report of IEA SHC – Task 32, Graz University of Technology, Institute of Thermal Engineering.
Jordan, U., Vajen, K. (2003), DHWcalc, version 1.10 – Tool for the Generation of Domestic Hot Water (DHW) Profiles on a Statistical Basis, University of Kassel, Institute of Thermal Engineering, Solar and Systems Engineering.
Kicsiny, R. (2009), Development of an Energetically-Based Control for Solar Thermal Heating Systems, Review of Faculty of Engineering, Analecta Technica Segediensia, 2009, pp. 50-57.
Klein, S.A. et al. (2005), A Transient System Simulation Program, Solar Energy Laboratory, University of Madison, USA.
National Renewable Energy Laboratory, USA (1998), Solar Water Heating, Federal Technology Alert, Federal Energy Management Program.
Maplesoft (2003), Maple 9 Learning Guide, Waterloo Maple Inc.

A cikk címe angolul:
Energetically based control of a solar collector system

A cikk címe németül:
Sonnenkollektorensystem-Regelung auf energetischen Grundlagen

Szerzők:

Kicsiny Richárd
tanársegéd
SZIE Gödöllő
Matematikai és Informatikai Intézet, Matematika Tanszék
E-mail: Kicsiny.Richard@gek.szie.hu

Prof. Dr. Farkas István
egyetemi tanár, intézetigazgató
SZIE Gödöllő
Környezetipari Rendszerek Intézet, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék
E-mail: Farkas.Istvan@gek.szie.hu

Kicsiny Richárd, Farkas István