Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
CFD SIMULACE VELKOOBJEMOVÉHO VODNÍHO ZÁSOBNÍKU Martin Kny, Miroslav Urban Laboratoř vnitřního prostředí, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad
ANOTACE Příspěvek se zabývá problematikou CFD simulace velkoobjemového vodního zásobníku. V úvodu jsou představeny vlastní velkoobjemové zásobníky a shrnuty požadavky kladené na jejich správný návrh. V další části jsou představeny výsledky CFD simulace proudění na konkrétním zásobníku. Simulace jsou provedeny pro několik vybraných provozních stavů zásobníku při respektování skutečných okrajových podmínek získaných na reálném zásobníku.
SUMMARY The paper deals with CFD simulation of the large water tank. The large water tanks and the requirements for their correct design are introduced in the first part. The next part is focused on the results of CFD simulation for the specific tank. The simulations were done for several operating states of the tank. The operating states proceeds from the real tank´s operation.
ÚVOD Velkoobjemové vodní zásobníky pro akumulaci tepla se začínají používat zejména v posledních 20letech v souvislosti s rozvojem dlouhodobé akumulace tepla. Tyto zásobníky s objemy od cca 40 m3 až přes 10 000 m3 jsou nejčastěji používány pro akumulaci tepelné energie získané ze solárních termických kolektorů v letním období. Energie je následně využívána v období zimním. Na zásobníky je kladeno mnoho požadavků. Mezi ně patří zejména požadavek nízké tepelné ztráty zásobníku a schopnost zásobník hospodárně nabíjet a vybíjet. Nabíjení a vybíjení zásobníku souvisí s požadavkem udržení teplotní stratifikace (rozvrstvení) uvnitř zásobníku. Konstrukce zásobníku a jeho provoz by měly zamezit zbytečnému promíchávání vody v zásobníku. Pro tyto účely se zásobníky vybavují stratifikačními vestavbami a zařízeními umožňujícími nabíjet a vybíjet jednotlivé výškové vrstvy zásobníku. Pro návrh těchto zařízení a optimalizaci provozu zásobníku je vhodné využít právě CFD simulace.
SOUČASNÝ STAV PROBLEMATIKY Problematikou CFD simulace malých vodních zásobníků (do 2 m3) se zabývá množství pracovišť. Tyto zásobníky jsou běžnou součástí energetických systémů budov. Největší pozornost je zde věnována zásobníkům pro solární systémy. Do dnešního dne bylo publikováno množství příspěvků s touto problematikou. Situace ohledně velkoobjemových zásobníků je však odlišná. Skutečně velkých zásobníků (nad 1000 m3) bylo v Evropě realizováno pouze několik desítek. Zkušenosti s velkými zásobníky mají zejména na TU ve Stuttgartu [1], a na zde založeném výzkumném institutu SOLITES [2], Obě pracoviště se taktéž podílely na návrzích několika již realizovaných zásobníků, sledují jejich provoz a publikují získané zkušenosti.
131
CFD SIMULACE ZÁSOBNÍKU Pro účely CFD simulace byl vybrán zásobník, který je součástí solárního systému realizovaného v roce 1996 ve Slatiňanech. Systém zde zásobuje teplem jeden z objektů domova sociálních služeb. Systém tvoří následující hlavní komponenty:
Kolektorové pole o ploše absorbéru 148 m2 instalované na střeše objektu, Teplovodní beztlaký zásobník tepla o užitném objemu 1082 m3, Tepelné čerpadlo voda-voda odebírající teplo ze zásobníku, Elektrokotel sloužící jako záloha.
Vlastní zásobník je řešen poměrně jednoduše. Připojení zásobníku je řešeno pouze ve 3 bodech (u hladiny, ve středu a u dna zásobníku). Zásobník není vybaven stratifikační vestavbou, teplá voda ke kolektorům je odebírána u dna a přiváděna do středu zásobníku. K odběru tepla slouží horní nebo střední výstup. Voda pro TČ je odebírána u dna a ochlazená přiváděna k hladině. Zásobník může v průběhu roku pracovat v následujících režimech [3]:
Nabíjení zásobníku kolektorovým polem, Přímý odběr tepla ze zásobníku: Voda ze zásobníku je přímo přiváděna do systému podlahového vytápění. Režim je využitelný až do poklesu teploty (u hladiny) na cca 35 °C. V tomto režimu systém většinou pracuje až do začátku ledna, Odběr tepla pomocí TČ: Režim využitelný až do ochlazení zásobníku na cca 12 °C, Zásobník tepla odpojen: Při vybití zásobníku pod cca 12 °C zajišťuje vytápění elektrokotel (za posledních 5 let byl v tomto režimu zásobník jen cca jeden týden).
Pro potřeby CFD simulace bylo prověřeno chování zásobníku v několika vybraných provozních režimech. Pro jednotlivé režimy byly použity jak reálné parametry zásobníku, tak i okrajové podmínky získané z monitoringu systému (rozložení teplot v zásobníku, výkon kolektorového pole, odebíraný výkon, teploty okolí i jednotlivé průtoky). Celkově byly hodnoceny následující stavy zásobníku (viz Obr. 1):
V otopném období při provozu tepelného čerpadla, Při nabíjení začátkem léta, V otopném období, při přímém odběru tepla, V okamžiku spuštění tepelného čerpadla.
Obr. 1 Průběh teplot v zásobníku v jednotlivých výškových úrovních spolu s vyznačenými hodnocenými body. 132
Popis výpočetního modelu Výpočet byl řešen v ANSYS Workbench 15.0, kde byl pro CFD simulaci použit program Fluent. Zásobník byl modelován ve 3D, sít tvořilo cca 800 000 polyhedral buněk (Y+ od 5 do cca 25). Velký vliv na výsledky simulace má zvolený model turbulence. Předchozí práce, které řešily menší zásobníky, ukazují [4],[5],[6],[7],[8],[9], že pro podobné úlohy je možné použít modely k-ε, RS model, případně modelovat proudění jako laminární. Pokud by měla být simulace ještě přesnější, postihující i jednotlivé časově proměnné víry může být zvolen model LES (Large eddy simulation), který je však výpočtově náročnější [10]. V tomto případě byl použit model turbulence k-ε RNG ve standardním nastavení spolu se škálovatelnými stěnovými funkcemi a uvažováním vztlakových sil. Pro hustotu vody bylo použito Boussinesqovy aproximace. Dále bylo použito následujícího nastavení: schema Simple, gradient Least Squares Cell Based, pressure PRESTO!, dále Second Ordner Upwind. Vlastní plášť zásobníku nebyl modelován, byl nahrazen okrajovou podmínkou. Na vstupu vody do zásobníku byl zadán hmotnostní průtok, na výstupu podmínka tlaková. Jednotlivé časové úseky byly řešeny jako nestacionární. Modelována byla převážně doba do cca 30 min, pouze u jednoho provozního stavu bylo modelováno celkem 16 hodin. Na použitém počítači (Core 2Duo 2,8 GHz, 6 GB RAM) byla simulační doba jednoho úseku cca 35 hodin (pro výpočtový čas 16 hodin až cca 95 hod.). Krok simulace se pohyboval od 0.1 s na počátku výpočtu až po 5 s (10 s pro výpočtový čas 16 hodin) v průběhu výpočtu. Výsledky Dále budou představeny vybrané výsledky. Výsledky z Provozního stavu 2 (nabíjení začátkem léta) nebudou prezentovány a to vzhledem k tomu, že mají podobný charakter jako při nabíjení zásobníku v Provozním stavu 1. Stav 1, V otopném období při provozu tepelného čerpadla, Zásobník je takřka vybit (předpoklad rovnoměrné teploty 20 ˚C), pro odběr tepla je užito TČ. Hodnoceny byly dva provozní stavy: Vybíjení zásobníku pomocí TČ (odebíraný výkon 28 kW, vstupní teplota 10 ˚C). Provozní stav byl jako jediný hodnocen v delším časovém úseku (simulovaný čas 16 hodin). Druhým provozním stavem bylo nabíjení zásobníku kolektorovým polem (50 kW, vstupní teplota 37 ˚C), z prostorových důvodů zde neprezentováno.
Obr 2 Teplotní a rychlostní pole (v provozu tepelné čerpadlo, Q odebírané = 28 kW). Jedná se o průběhy teplot pro výpočtové časy cca 10 hod. a 16 hod..
133
Stav 3, Nabíjení zásobníku v otopném období, při přímém odběru tepla Zásobník v otopném období je již cca z poloviny vybit. Teplo je však ještě stále odebíráno přímo ze zásobníku. V tomto bodě bylo hodnoceno nabíjení zásobníku při výkonu kolektorového pole 50 kW, to odpovídá průtoku 3 m3/hod při vstupní teplotě 39 ˚C.
Obr 3 Teplotní pole (zásobník nabíjen, Q = 50 kW)
Obr 4 Rychlostní pole, detail (zásobník nabíjen, Q=50 kW) Stav 4, Zásobník v okamžiku spuštění tepelného čerpadla Zásobník je ve stavu kdy přímí odběr tepla z něj již, vzhledem k nízké teplotě, není možný a do provozu je tak v tomto okamžiku uvedeno TČ. TČ odebírá ze zásobníku výkon 28 kW při vstupní teplotě vody do zásobníku 15 ˚C.
134
Obr 5 Teplotní a rychlostní pole, (v provozu tepelné čerpadlo, Q odebíraný =28 kW)
Obr 6 Rychlostní pole, detail (v provozu tepelné čerpadlo, Q odebíraný =28 kW) Diskuse Výsledky z provozního stavu 1, při vybíjení zásobníku (viz Obr. 2), odpovídají očekávaným. Chladná voda přiváděná do zásobníku u hladiny postupně klesá ke dnu zásobníku a v důsledku promíchávání se zvyšuje její teplota. Při delším časovém úseku (zde 16 hod.) lze již v zásobníku pozorovat vznik teplotní stratifikace. Ta je však vzhledem k silnému promíchávání proudu velmi nízká a dosahuje zde mezi hladinou a dnem zásobníku pouze cca 1˚C. To zhruba odpovídá reálně změřeným průběhům teplot v zásobníku, viz Obr. 1. Podobnému jevu dochází při nabíjení zásobníku středním vstupem, kdy teplá voda postupně stoupá až k hladině (tento stav zde neprezentován). Zajímavé výsledky ukazuje provozní stav 3, Nabíjení zásobníku v otopném období, viz Obr. 3 a 4. Zásobník je zde již z cca poloviny vybit a zároveň je vněm přítomen poměrně výrazný
135
předěl teplot zhruba v polovině jeho výšky, tedy v místě přívodu teplé vody od kolektorů. Tato přiváděná teplá voda nejprve stoupá, směšuje se a klesá tak její teplota. Postupně se také proud dostává do míst, kde je již jeho teplota nižší než okolní, zde se stoupání zastaví a proud začíná naopak klesat (viz Obr. 4). Ještě lépe lze tento jev pozorovat v provozním stavu 4, viz Obr. 5 a 6. Kdy je do relativně teplého zásobníku přiváděna ochlazená voda z TČ. V obou případech vykazuje zásobník chování jako by byl vybaven velmi neúčinnou stratifikační vestavbou.
ZÁVĚR Výsledky CFD simulace ukazují, že i v zásobníku bez stratifikační vestavby může při jeho nabíjení a vybíjení vznikat určité teplotní rozvrstvení. Toto chování je možné díky tomu, že hodnocený zásobník je velmi velký a rychlosti i průtoky do něj přiváděné naopak velmi nízké. Zjištěné závěry zhruba potvrzují i reálně změřené průběhy teplot v hodnoceném zásobníku. Ukazuje se, že CFD simulace je vhodným nástrojem pro optimalizaci konstrukce i provozních režimů velkoobjemových zásobníků tepla.
LITERATURA: [1]
Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW), Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 6, 70550, Stuttgart, Deutschland, http://www.itw.uni-stuttgart.de/ [2] Solites, Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Meitnerstr. 8, Stuttgart, Deutschland, http://www.solites.de [3] KNY M, URBAN M: Das Solarsystem mit dem Saisonalspeicher - die Analyse des Betriebs, 24. Symposium Thermische Solarenergie. Regensburg: Ostbayerisches technologie-Transfer - Institut e. V. (OTTI), 2014, S. 228-229. ISBN 978-3-943891-35-5 [4] ABDELHAK O, MHIRI H, PHILIPPE BOURNOT P: CFD analysis of thermal stratification in domestic hot water storage tank during dynamic mode, Building Simulation, 2015, ISSN: 1996-8744 [5] SHAH L J, FURBO S: Entrance effects in solar storage tanks, Solar Energy, 75 (2003) p.337–348, ISSN: 0038-092X [6] CONSUL R., RODRIGUEZ I, PEREZ-SEGARRA C.D.: Virtual prototyping of storage tanks by means of three-dimensional CFD and heat transfer numerical simulations, Solar Energy, 77 (2004), p.179–191, ISSN: 0038-092X [7] SHYAM S, AKSHAYA K, PADMAKUMARB G, ARIJIT A: CFD analysis of thermal stratification and sensitivity study of model parameters for k–ε model in a cylindrical hot plenum, Nuclear Engineering and Design, 250 (2012), p.417– 435, ISSN: 0029-5493 [8] DARCI L. SAVICKI, HORÁCIO A. VIELMO, KRENZINGER A: Three-dimensional analysis and investigation of the thermal and hydrodynamic behaviors of cylindrical storage tanks, Renewable Energy, 36 (2011), p.1364-1373, ISSN: 0960-1481 [9] YAÏCI W, GHORAB M, ENTCHEV E, HAYDEN S: Three-dimensional unsteady CFD simulations of a thermal storage tank performance for optimum design, Applied Thermal Engineering, 60 (2013), p.152-163, ISSN: 1359-4311 [10] KALOUDIS E, GRIGORIADIS D, PAPANICOLAOU E, PANIDIS T: Large eddy simulations of turbulent mixed convection in the charging of a rectangular thermal storage tank, International Journal of Heat and Fluid Flow, 44 (2013), p. 776–791, ISSN: 0142-727X Prezentované výsledky vznikly za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpl č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 136
