SZENT ISTVÁN EGYETEM

SZENT ISTVÁN EGYETEM

Napkollektoros rendszer energetikai alapú szabályozása

Doktori (PhD) értekezés Kicsiny Richárd

Gödöllı 2012

A doktori iskola megnevezése:

Mőszaki Tudományi Doktori Iskola

tudományága:

Agrármőszaki tudományok

vezetıje:

Prof. Dr. Farkas István egyetemi tanár, DSc SZIE, Gépészmérnöki Kar

témavezetı:

Prof. Dr. Farkas István egyetemi tanár, DSc SZIE, Gépészmérnöki Kar, Környezetipari Rendszerek Intézet

……………………………………… az iskolavezetı jóváhagyása

……………………………………… a témavezetı jóváhagyása

TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSJEGYZÉK……………………………………………….…………..…..5 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŐZÉSEK…….……………………………….…..…....12 1.1. A választott témakör jelentısége…...….……………….……....…….12 1.2. Célkitőzések....………………………………………………….…......12 2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS……….………………………….…..…......14 2.1. A napenergiát hasznosító berendezések energiaviszonyai.........…...14 2.2. A napkollektoros rendszer elemei.................................................…..16 2.2.1. Napkollektor...............……………………………….…..….....16 2.2.2. Szolár tároló..........………………………………………..…...30 2.2.3. Hıcserélı........................………………………………..…......35 2.2.4. A napkollektoros rendszer irányítása......….…………..........…37 3. ANYAG ÉS MÓDSZER…………………………………………………...…..50 3.1. Az optimalizált hagyományos és az energetikai alapú szabályozások…….........……………………………………………….….…....50 3.1.1. Az optimalizált hagyományos szabályozás..……….….…….....55 3.1.2. Az energetikai alapú szabályozás.....………………………......56 3.1.3. A szabályozások váltószeleppel való kiegészítése........……......59 3.2. A vizsgálatokhoz felhasznált eszközök…..………………………......60 3.2.1. A fizikai alapú modell...……………………………………......60 3.2.2. A kibıvített napkollektoros rendszer………………………......62 3.3. A szabályozások és a modell identifikálása......………...……..........66 3.3.1. A napkollektoros rendszer paraméterértékeinek a szabályozásokhoz való identifikálása…..................................................66 3.3.2. A napkollektoros rendszer paraméterértékeinek modellbeli identifikálása, a modell validálása...........................................69 4. EREDMÉNYEK………….………………………………….……………........72 4.1. A modellel végzett vizsgálatok….............................................….. …72 4.1.1. A vizsgálatok beállításai..............………………………... …..72 4.1.2. A vizsgálatok eredményei............………………………... …..74 4.1.2.1. Váltószelep nélküli eset...........................…………. …74 4.1.2.2. Váltószelepes eset………....……………………….…80 4.2. Mérési eredmények…..............................……………….…….... ..…91 4.3. Az eredmények értékelése…............................................……….... ..93 4.4. Új tudományos eredmények….................................……..….……...99 5. KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK……………..………………..…103 6. ÖSSZEFOGLALÁS……………………………………………...…….…..….104 3

7. SUMMARY…....................................………………….…………..................105 8. MELLÉKLETEK…………………..………………………………….…........106 M1: Irodalomjegyzék…………………………………………….....……106 M2: A témakörhöz kapcsolódó saját irodalom………..……….….....…113 M3: A mért napkollektoros rendszer felhasznált mérési eredményei……………...………………………………………..…….…115 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS…………………………………………….…..…121

4

JELÖLÉSJEGYZÉK Aa : az abszorber keresztmetszetének területe (m2), Acsı : a csı belsı keresztmetszetének területe (m2), Acsı ,koll : a kollektorköri csı belsı keresztmetszetének területe (m2), Acsı ,t : a tárolóköri csı belsı keresztmetszetének területe (m2), Ah ,teljes : a hıcserélı teljes hıátviteli felülete (m2), Akoll : a kollektormezı felülete (m2), Akoll , foly : a kollektorfolyadék csıbeli keresztmetszetének területe (m2), At : a tároló felülete (m2), At ,i : a tároló i. rétegének keresztmetszetének területe (m2), C A,a : az abszorber egységnyi kollektorfelületre esı hıkapacitása (J/(m2K)), C A,koll : a kollektorfolyadék egységnyi kollektorfelületre esı hıkapacitása (J/(m2K)), C A,koll ,össz : a napkollektor egységnyi kollektorfelületre esı összesített hıkapacitása (J/(m2K)), C A,te : a kollektor alatti tetırész egységnyi kollektorfelületre esı hıkapacitása (J/(m2K)), ca : az abszorber anyagának fajhıje (J/(kgK)), ccsı : a csıben lévı folyadék fajhıje (J/(kgK)), ckoll : a kollektorfolyadék fajhıje (J/(kgK)), C koll : a kollektorfolyadék hıkapacitása (J/K), ct : a tárolóban lévı folyadék fajhıje (J/(kgK)), cv : a víz fajhıje (J/(kgK)), d koll : a kollektor csı belsı átmérıje (m),

EL : a kollektor síkjára esı hosszúhullámhosszú sugárzás (W/m2), 5

F ′ : a kollektor hatásfoktényezıje (-), hhi deg,be : a hidegebb közeg belépési entalpiája (J/kg), hhi deg,ki : a hidegebb közeg kilépési entalpiája (J/kg), hmeleg ,be : a melegebb közeg belépési entalpiája (J/kg), hmeleg ,ki : a melegebb közeg kilépési entalpiája (J/kg), I b : a direkt napsugárzás intenzitása (W/m2), I d : a diffúz napsugárzás intenzitása (W/m2), I g : globális napsugárzási teljesítmény a kollektorok felületén (W/m2), I p : a (parabola keresztmetszető) napkollektor egységnyi hosszúságú elemére esı napsugárzási intenzitás (W/m), k csı : a csı hıveszteség tényezıje (W/(mK)), k csı ,koll : a kollektorkör csöveinek hıveszteség tényezıje (W/(mK)), k csı ,t : a tárolókör csöveinek hıveszteség tényezıje (W/(mK)), K g : a gázenergia költsége (Ft/MJ), k h : a hıcserélı hıátviteli tényezıje (W/(m2K)), k sz : a tároló szomszédos rétegei között értelmezett hıvezetési tényezı (W/(mK)), kt : a tároló hıveszteség tényezıje (W/m2K), K v : a villamos energia költsége (Ft/MJ), K Θb (Θ ) : a direkt napsugárzásra vonatkozó módosító tényezı, a beesési szög függvénye (-), K Θd : a diffúz napsugárzásra vonatkozó módosító tényezı (-),

k1 : a kollektor lineáris hıveszteség tényezıje (W/m2K), k 2 : a kollektor másodfokú hıveszteség tényezıje (W/m2K2), k3 : a hıveszteségek szélsebesség-függését kifejezı konstans (J/m3K), k5 : a napsugárzás hasznosításának szélsebesség-függését kifejezı tényezı (s/m)

6

Lcsı ,koll : a kollektorok és a hıcserélı közötti távolság az összekötı csı mentén (m), Lcsı ,t : a hıcserélı és a szolár tároló közötti távolság az összekötı csı mentén (m), Lkoll : a kollektorban lévı csövek hossza (m), m& fogy : a HMV fogyasztás tömegárama (kg/s), m& hi deg : a hidegebb közeg tömegárama (kg/s), m& koll : a kollektorfolyadék tömegárama (kg/s), m& meleg : a melegebb közeg tömegárama (kg/s), mt : a tárolóban lévı folyadék tömege (kg), mt ,i : a tároló i. rétegének tömege (kg), m& t ,i : az i-1. csomóponttól az i.-be történı eredı térfogatáram (kg/s), m& t ,mel : a tároló melegítését szolgáló folyadék tömegárama (kg/s), N : a tároló rétegeinek száma (-), Psz : a kollektor- és a tárolóköri szivattyúk együttes villamos fogyasztása (W), Psz , koll : a kollektorköri szivattyú villamos fogyasztása (W), Psz ,t : a tárolóköri szivattyú villamos fogyasztása (W), Pvill ,kieg : a főtıpatronok együttes villamos fogyasztása a szolár tárolóban (W), Q& : a kollektormezıbıl kinyert hıteljesítmény (W/m2), Q& koll −t : a kollektor felıl a tárolóba jutó hıáram (W), S : elnyelt napsugárzási intenzitás (W/m2), S * : teljes elnyelt napsugárzási hıteljesítmény (W/m2), t : idı (s), T : hımérséklet (°C), Ta : az abszorber hımérséklete (°C), Tcsı : a csıben lévı folyadék hımérséklete (°C), t csı ,koll : a folyadék áramlási ideje a kollektor és a hıcserélı között (egy irányban) (s),

7

Tcsı ,körny : a csı környezetének hımérséklete (°C), t csı ,t : a folyadék áramlási ideje a hıcserélı és a tároló között (egy irányban) (s), Td : hálózati hidegvíz hımérséklet (°C), Tég : az égbolt egyenértékő hımérséklete a sugárzásos hıcsere szempontjából (°C), T fogy ,ig : a fogyasztó által igényelt HMV hımérséklet (°C), T föld , felt : feltételezett talajhımérséklet (°C), Thi deg : a hidegebb közeg hımérséklete (°C), Tkoll : a kollektorfolyadék hımérséklete (°C), Tkoll ,be : a kollektormezı belépı hımérséklete (°C), Tkoll , h, be : a hıcserélıbe belépı, kollektorköri hımérséklet (°C), Tkoll ,h,ki : a hıcserélıbıl kilépı, kollektorköri hımérséklet (°C), Tkoll , ki : a kollektormezı kilépı hımérséklete (°C), Tkoll ,ki , m : a kollektormezı mért kilépı hımérséklete (°C), Tkoll ,körny : a kollektor környezetének hımérséklete (°C), Tkoll ,körny , felt : a kollektor feltételezett környezeti hımérséklete (°C), Tkoll ,körny , K : a kollektor környezeti hımérséklete (K), Tkoll ,körny ,m : a kollektor környezetének mért hımérséklete (°C), Tkoll ,köz : a kollektorfolyadék közepes hımérséklete (geometriai értelemben) (°C), Tm : mért hımérséklet (°C), Tmeleg : a melegebb közeg hımérséklete (°C), Tszám : számított hımérséklet (°C), t sz ,koll : a kollektorköri szivattyú üzemideje (s),

t sz ,t : a tárolóköri szivattyú üzemideje (s), Tt : szolár tároló hımérséklet (a tároló megfelelı részén) (°C),

8

Tt ,á : a szolár tároló geometriai értelemben vett átlagos hımérséklete (°C), Tt , felt : feltételezett tároló hımérséklet (°C), Tt ,h ,be : a hıcserélıbe belépı, tárolóköri hımérséklet (°C), Tt ,h,ki : a hıcserélıbıl kilépı, tárolóköri hımérséklet (°C), Tt ,i : a szolár tároló i. rétegének hımérséklete (°C), Tt ,körny : a tároló környezetének hımérséklete (°C), Tt ,m : a szolár tároló mért hımérséklete (°C), Tt ,mel : a tároló melegítését szolgáló folyadékáram hımérséklete (°C), Tt ,t ,be : a szolár tárolóba belépı, tárolóköri hımérséklet (°C), Tt ,t ,be ,m : a szolár tárolóba belépı, tárolóköri mért hımérséklet (°C),

u : a kollektor felületével párhuzamos szélsebesség-komponens (m/s), U a− körny : az abszorber és a környezet közötti eredı hıátviteli tényezı (W/m2K), U koll −a : a kollektorfolyadék és az abszorber közötti eredı hıátviteli tényezı (W/m2K), U koll −körny : a kollektorfolyadék és a környezet közötti eredı hıátviteli tényezı

(W/m2K), U koll −te : a kollektorfolyadék és a tetı közötti eredı hıátviteli tényezı (W/m2K), U konv : konvektív hıátviteli tényezı a környezet és az abszorber felülete között (W/(m2K)),

U L : a kollektor eredı hıveszteség tényezıje (W/m2K), U te− körny : a kollektor alatti tetırész és a környezet közötti eredı hıátviteli tényezı

(W/m2K), V&csı : a csıben lévı folyadék térfogatárama (m3/s),

V&fogy : használatimelegvíz-fogyasztás (m3/s), vkoll : a kollektorfolyadék áramlási sebessége (m/s), Vkoll : a kollektor térfogata (m3),

9

V&koll : kollektorköri térfogatáram (m3/s), V&t : tárolóköri térfogatáram (m3/s),

w : a kollektor szélessége (m), Whi deg : a hidegebb közeg hıkapacitás-árama (W/K), Wmeleg : a melegebb közeg hıkapacitás-árama (W/K),

x : helykoordináta (m),

α n : normális irányú abszorpciós tényezı (-), ∆k sz : a tároló szomszédos rétegei közti keveredést és az oldalfal menti hıvezetést megjelenítı fiktív hıvezetési tényezı (W/(mK)), ∆Tbe ,en,a : bekapcsolási hımérséklet-különbség az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában (°C), ∆Tbe ,en,b : bekapcsolási hımérséklet-különbség az energetikai alapú szabályozás b/ eljárásában (°C), ∆Tbe ,hagy : bekapcsolási hımérséklet-különbség az optimalizált hagyományos szabályozásban (°C), ∆Ten,a : kikapcsolási hımérséklet-különbség az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában, a szivattyúk villamos fogyasztásának elhanyagolásával (°C), ∆Thagy : kikapcsolási hımérséklet-különbség az optimalizált hagyományos szabályozásban, a szivattyúk villamos fogyasztásának elhanyagolásával (°C), ∆Thiszt : hiszterézis az optimalizált hagyományos szabályozásban és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában (°C), ∆Thiszt ,en,b : hiszterézis az energetikai alapú szabályozás b/ eljárásában (°C), ∆Tki ,en,a : kikapcsolási hımérséklet-különbség az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában (°C), ∆Tki ,en,b : kikapcsolási hımérséklet-különbség az energetikai alapú szabályozás b/ eljárásában (°C), ∆Tki ,hagy : kikapcsolási hımérséklet-különbség az optimalizált hagyományos szabályozásban (°C), ∆xi −1,i : a tároló i-1. és i. rétegének súlypontja közti távolság (m), 10

ε eff : az abszorber effektív emissziós tényezıje az infravörös tartományban (-), Φ : a hıcserélı Bošnjakovič-tényezıje (-),

η koll : a kollektor hatásfoka (-), η 0 : a kollektor optikai hatásfoka (-), η 0 n : a kollektor optikai hatásfoka a normális irányú napsugárzásra vonatkozóan (-), Θ : a napsugárzás beesési szöge (-),

ρ a : az abszorber anyagának sőrősége (kg/m3), ρ csı : a csıben lévı folyadék sőrősége (kg/m3), ρ koll : a kollektorköri folyadék sőrősége (kg/m3), ρ v : a víz sőrősége (kg/m3),

σ : Stefan-Boltzmann állandó (W/(m2K4)),

(τα )en :

a kollektor normális irányú napsugárzásra vonatkozó, egyenértékő transzmissziós-abszorpciós tényezıje (-).

11

1. Bevezetés, célkitőzések

1. BEVEZETÉS, CÉLKITŐZÉSEK Ebben a fejezetben a választott témakör idıszerőségére mutatok rá és a dolgozat célkitőzéseit fogalmazom meg.

1.1. A választott témakör jelentısége A megújuló energiaforrások, mint a napenergia, minél jobb hatásfokkal történı kihasználása társadalmunk energiaproblémáinak megoldásában kulcsjelentıségő, a fosszilis készletek fogyása és az általuk okozott környezetszennyezés miatt. Ezen törekvés része az aktív napkollektoros vízmelegítı rendszerek (ebben a munkában röviden napkollektoros rendszerek) szabályozási hatékonyságának javítása, amelynek speciális esete a kombinált, uszodai és használati melegvíz készítı, napkollektoros rendszerek szabályozásának fejlesztésére vonatkozik. Bármely napkollektoros rendszer vizsgálatára egzakt, elméletileg alátámasztott módszer a fizikai alapú matematikai modellezés. A validált matematikai modell felhasználható a napkollektoros rendszer elemeinek, például szabályozásának, a fejlesztésére. Doktori munkám során ezt a munkamenetet követem.

1.2. Célkitőzések Munkám során olyan napkollektoros rendszerekre vonatkozó matematikai modell összeállítását tőztem ki célul, amely az összes meghatározó energiatag figyelembevételén túl, azok fizikai alapú kirészletezését is tartalmazza. Az elméleti fizikai hátteret átfogóan tartalmazza a (Duffie, Beckman, 2006) forrás. A fentieken kívül, legyen a modell mérésekkel ellenırizhetı, identifikálható, fel tudjon dolgozni akár mérésekbıl, akár meteorológiai modellekbıl, vagy a méretezési szempontból célszerő mintaadatokból származó bemenı adatokat. Legyen flexibilis, azaz a napkollektoros rendszerek minél szélesebb körének modellezéséhez könnyen és precízen átalakítható. Célom a kidolgozott modellt illeszteni a Szent István Egyetem (SZIE) campusán lévı strand-óvodai rendszerre (SZIE-rendszer) és felhasználni egy új, energetikai alapú szabályozás kifejlesztéséhez. Ez hozzájárulhat a napkollektoros berendezések rendszer-kihasználtsági fokának (ami a következı hányados: fogyasztó számára hasznosított napenergia/kollektorfelületre besugárzott teljes napenergia) növeléséhez. Az elméleti eredmények ellenırzése céljából további feladatom volt a SZIErendszer meglévı mérı-szabályozó rendszerének bıvítése, hogy a kidolgozott szabályozást alkalmazni, hatékonyságát pedig mérni tudjam. A fenti célok, pontokba szedve és részletezve, az alábbiak.

12

1. Bevezetés, célkitőzések

1. A vizsgált napkollektoros rendszertípus fizikai alapú matematikai modelljének kidolgozása, a szakterületen általánosan elfogadott és alkalmazott számítógépes (TRNSYS (Klein et al., 2005)) környezetben. 2. A matematikai modell illesztése a rendelkezésre álló SZIE-rendszerhez. A modell mérési adatokon alapuló validálása. 3. Új, energetikai alapú szabályozás kifejlesztése, amely a napkollektoros berendezések rendszer-kihasználtsági fokának növeléséhez járul hozzá. 4. A gyakorlatban általánosan alkalmazott hagyományos szabályozás, amely elıre rögzített ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségekkel dolgozik, rendszer-kihasználtsági fokának maximalizálása, a ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségek minimalizálásával. 5. A SZIE-rendszer meglévı mérı-szabályozó rendszerének olyan bıvítése, amely segítségével a kidolgozott energetikai alapú és, a fenti pont szerint optimalizált, hagyományos szabályozásokat alkalmazni, hatékonyságukat pedig mérni lehet. 6. Az energetikai alapú szabályozás hatékonyságának összehasonlítása az optimalizált hagyományos szabályozáséval. Az összehasonlítás mind modellel szimulált, mind mérési adatokon alapuljon. 7. A hagyományos és az energetikai alapú szabályozások hatékonyságának modellen alapuló vizsgálata tároló elıtti váltószeleppel kiegészített rendszer esetén. A vizsgálatok eredményeinek összevetése a már vizsgált, váltószelep nélküli eredményekkel. A 6. pontban az energetikai alapú szabályozást azért kell a hagyományos szabályozás optimalizált változatával összevetni, mert ekkor lesz a hagyományos szabályozás rendszer-kihasználtsági foka maximális, vagyis a hagyományos szabályozás szempontjából ez a legkedvezıbb eset. Ahhoz pedig, hogy az energetikai alapú szabályozás esetleges (alapvetı elvi) elınyét a hagyományoshoz képest megbízhatóan kimutathassuk, ez utóbbi legjobb változatát kell figyelembe venni. A 7. ponthoz kapcsolódik, hogy viszonylag nagy rendszereknél (hosszú csövek esete) szóba jöhet, a szolár tároló visszahőtésének megakadályozása céljából, egy váltószelep beépítése a tároló elé, amely csak akkor engedi a tárolóba a belépı csıben áramló folyadékot, ha annak hımérséklete eléri a megfelelı tárolóbeli értéket. Ezért az erre a megoldásra vonatkozó megállapítások mind a hagyományos, mind az új, energetikai alapú szabályozás mellett, érdekesek a gyakorlat számára is.

13

2. Szakirodalmi áttekintés

2. SZAKIRODALMI ÁTTEKINTÉS

2.1. A napenergiát hasznosító berendezések energiaviszonyai A napenergiát hasznosító berendezéseket (beleértve a napkollektoros rendszereket is) alapvetıen hı vagy fizikai munka termelésére használhatjuk, bár ez utóbbi esetben meglehetısen alacsony, elméletben kb. 5%-os (Badescu, 1991), gyakorlatban 1-4%-os (Badescu, 2007), (Torres Reyes at al., 1998), (Chaabene, Annabi, 1997) hatásfokra számíthatunk. A megújuló energiaforrások alkalmazásának elsıdleges értelmét a környezet védelmében jelentkezı pozitív hatásukban látom. Természetesen ez a társadalom számára létfontosságú hasznosság annál nagyobb, minél jobb hatásfokkal üzemel a napenergiával mőködı berendezés. A napenergiával mőködı berendezések hatásfokának elméleti vizsgálatára vonatkozó megfontolásokat tartalmaz a (Mészáros et al., 2004) forrás. A 2.1. ábra a különféle hıerıgépek hatásfokának, így a szoláris energiával üzemelı gépek hatásfokának is, a tárgyalását segíti.

2.1. ábra: Napenergiával mőködı gépek energiaviszonyai (Mészáros et al., 2004) „A szokásos jelölésmódnak megfelelıen a vizsgált rendszer által a környezettıl (idıegységenként) felvett teljes energiát hívjuk tulajdonképpeni energiának (E), a hıerıgép által a környezetnek visszaadott energia szokásos neve anergia (A), míg a kettı különbsége (tehát a hıerıgép által elvégzett hasznos munka) az úgynevezett exergia (Ex). Az exergiát és az energiát a hatásfok (η ) kapcsolja össze: E x = ηE .” „A szoláris energia felhasználása szempontjából különösképpen fontos az alábbi összefüggés részletes elemzése (a felülpontozás szokásosan az idı szerinti deriválás mőveletének a jele):

Q& s ,abs + Q& 0,abs = Q& a ,em + Q& vk ,veszt + Q& ′,

(2.1)

ahol Q& s ,abs , Q& 0,abs , Q& a ,em rendre az idıegységenként elnyelt napenergiát, a környezettıl idıegységenként felvett további energiafajták összegét, valamint a rendszer abszorbereleme által idıegységenként visszasugárzott energiamennyiséget 14


jelölik. Q& vk ,veszt a hıvezetéstıl és a a konvekciótól származó idıegységenkénti energiaveszteség.” Tehát a korábban már említett (E-vel jelölt) energiának a Q& ′ tag felel meg, amely a számunkra hasznos munkára (Ex, exergia) és a már szintén említett (A-val jelölt) anergiára válik szét. Az irreverzibilitást alapvetıen figyelembe vevı nemegyensúlyi termodinamika követelményeivel összhangban, a (szoláris) hıerıgép teljes ciklusára vonatkozó maximális hatásfok:

η = 1−

T2 , T1

(2.2)

T1 , T2 , a Carnot-féle körfolyamatból ismert, a munkaközeg hımérsékletétıl eltérı hımérséklető, a környezeti és peremfeltételek által meghatározott, termosztátok hımérséklete. A fenti folyamat szerint mőködı elméleti hıerıgépet szokás Chambadal-NovikovCurzon-Ahlborn (CNCA)-féle gépnek is nevezni. Az összefüggést általánosítva (Badescu, 1984) a következı írható: n

T  η = 1 −  2  .  T1 

(2.3)

Ezeknek megfelelıen a köztudomásúan reverzibilis Carnot-gép „esetén n = 1, a CNCA-gépnél pedig n = ½. Ennek megfelelıen az idıegységenkénti exergiatermelés:

  T n  W& = 1 −  2   ⋅ (Q& s ,abs + Q& 0,abs − Q& a ,em − Q& vk ,veszt ),   T1  

(2.4)

ahonnan a hatásfok közvetlenül kifejezhetı.” Itt W& = E& x az egységnyi idı alatt végzett fizikai munka szokásos jelölése. A fenti összefüggés szerint a napkollektoros rendszerek munkavégzı képessége, lévén viszonylag alacsony hımérsékleten dolgozó rendszerek, meglehetısen csekély. Ezért használatuk nagyrészt a közvetlen hıtermelésre irányul. A hıtermelés hatásfokára is igaz, hogy alapvetıen úgy növelhetı, hogy a melegítendı közeg hımérsékletét minél alacsonyabban tartjuk a rendszer hıtermelıjének, a napkollektornak, a hımérsékletéhez képest (Schweiger et al., 2007). Ezért szokták szolár tárolók főtése esetén a tároló alsó, leghidegebb harmadát főteni a napenergia segítségével.

15


2.2. A napkollektoros rendszer elemei Az általam vizsgált napkollektoros rendszer legfıbb elemei használati melegvíz (HMV) termelı üzemben hıtermelı oldalon a napkollektormezı, fogyasztói oldalon pedig a szoláris használati melegvíztároló. A fogyasztót szintén egy fontosabb rendszerelem, egy (az én esetemben lemezes) folyadék-folyadék hıcserélı kapcsolja a hıtermelı napkollektorokhoz. Az alábbiakban ezek a fontosabb rendszerelemek kerülnek külön-külön tárgyalásra, különbözı szakirodalmi források alapján. Valamennyi rendszerelemmel kapcsolatban fontos szempont az elméleti háttér részletezése, számos esetben matematikai modellek bemutatása, bizonyos modellek alkalmazhatóságának tárgyalása szimulációs, ill. mérési adatok felhasználásával. A modell és a mérési adatok összevetése által történik a modell validálása, amennyiben a modellel számított értékek jó, a cél szempontjából kielégítı egyezést mutatnak a mért adatokkal. 2.2.1. Napkollektor A napkollektorok várható energiahozamának és termikus viselkedésének elırejelzésére számos megközelítés és módszer alakult ki, melyek közül többet, a jelölt források alapján, az alábbiakban áttekintek. Farkas, Géczy-Víg (2003) szerint a kollektorok hımérséklet-eloszlásának leírására egyszerő összefüggést nyújt a Hottel-Whillier-Bliss modell (Hottel, Woertz, 1942): T ( x, t ) = Tkoll ,körny (t ) +

I g (t ) U a−körny

 I (t )   U koll −körny wx  + Tkoll ,be (t ) − Tkoll ,körny (t ) − g  exp − . U a ,körny  ckoll m& koll    (2.5)

A U a −körny , U koll −körny , kollektorra jellemzı hıátviteli tényezık meghatározása a fizikai alapokon nyugvó méréstechnikai eljárással meglehetısen nehézkes, de a fenti matematikai modellt alapul véve, e két tényezı paraméter identifikáció útján meghatározható. Ekkor méréssel kell rögzíteni a keresett hımérsékletértéket valamely elıre meghatározott mőködési idıintervallumban, és az alábbi integrál értékét kell minimalizálni. Az ekkor érvényes U a −körny , U koll −körny értékek szolgáltatják a paraméterek figyelembeveendı értékét. A teljes mért üzemidı a t1 idıponttól a t 2 idıpontig tart: t2

J (U a −körny , U koll − körny ) = ∫ Tszám (τ ) − Tm (τ ) dt . t1

(2.6)

Az identifikáció és a módszer minısítése (validálás) független mérési adathalmazokon kell, hogy alapuljanak. A (Molineaux et al., 1994a) munka üvegezetlen napkollektorok hatékonyságával és hıteljesítményével foglalkozik. Az alábbi összefüggéseket használják fel:

16


η koll = η0 − U ′(Tkoll ,köz − Tkoll ,körny ) / I g ,

(2.7)

η0 = F ′α n K = η0 n K ,

(2.8)

1 − 1) , cos Θ

(2.9)

K = 1 − b0 (

ahol b0 konstans (-), értéke tipikusan 0,1-0,2, U ′ : a kollektor egyenértékő hıveszteség tényezıje (W/m2K):

U ′ = F ′U L .

(2.10)

U ′ a következı összefüggéssel is közelíthetı Harrison et al. (1989) szerint: U ′ = A′ + B′v ,

(2.11)

ahol v szélsebesség 15 cm-rel a kollektor síkja fölött mérve (m/s). A′ , B ′ : megfelelı értékő és dimenziójú konstansok. Az U ′ tényezı a kollektornak a sugárzásos és a konvektív hıveszteségeit is figyelembe veszi. A vizsgált kollektormezık 5 különbözı helyszínen üzemelnek, kültéri uszodák főtését szolgálva (l. (Molineaux et al., 1994b)). A kollektor hatásfoka a következıt jelenti:

η koll =

Q& koll . I g Akoll

(2.12)

A (Hilmer et al., 1999) cikkben bemutatásra kerülnek különbözı, üvegezetlen napkollektorok dinamikus viselkedésére vonatkozó, matematikai modellek. Az ismertetésre kerülı legösszetettebb modell, a részletes modellnek nevezett és D2-vel jelölt matematikai modell, amely térben elosztott jellemzıkkel dolgozik. A kollektorfolyadék egyetlen rendszerelemet képez, egyetlen hıkapacitással és Tkoll ( y, t ) -vel jelölt, hımérséklettel. y a helykoordináta az áramlási iránynak megfelelıen, t az idı. A másik nagy összefoglaló elem a tetıfelületnek nevezett rendszerrész, Tte ( y, t ) hımérséklettel. A rendszer elemi egysége, amelyre az energiaegyensúly felírása történik, a 2.2. ábrán látható.

17


folyadék

2.2. ábra: Napkollektor elemi egysége (Hilmer et al., 1999) A fenti ellenırzı térfogatra, amely abszorber- folyadék- és tetıelemeket tartalmaz, való energiaegyensúlyból adódik az alábbi parciális differenciálegyenlet-rendszer, néhány egyszerősítı feltétel figyelembevételével. Ilyen például, hogy az abszorber és a folyadék között állandósult állapotú hıátvitelt feltételezünk. Ebbıl számítható a Ta ( y, t ) -vel jelölt hımérséklet, amely az abszorber felületének közepes hımérséklete az ellenırzı térfogatra:

0 = S + ε eff σ (Tég4 − Ta4 ) + U konv (Tkoll ,körny − Ta ) + U koll −a (Tkoll − Ta ) , (C A,koll + C A,a )

(2.13)

∂Tkoll ∂T + C A,koll vkoll koll = U koll −a (Ta − Tkoll ) + U koll −te (Tte − Tkoll ) , ∂t ∂y (2.14)

C A,te

∂Tte = U koll −te (Tkoll − Tte ) + U te−körny (Tkoll ,körny − Tte ) . ∂t

(2.15)

A parciális differenciálegyenlet-rendszer megoldása numerikus úton történik egy egyszerősítı eszközzel, az ún. fizikai karakterisztikák módszerével. Ennek során a független változók síkján megfelelı görbesereget jelölnek ki, amely mentén, megfelelı módon kiválasztott diszkrét pontokban (most t-y koordináták), kiszámítják a kérdéses hımérsékletértékeket. A tárgyalt irodalmi forrásban a következı egyenlettel elıírt, t-y síkon meghatározott y = ϕ (t ) görbékrıl van szó: 18


dϕ = veff (ϕ , t ) , dt

ϕ = ϕ (t ) .

(2.16 a, b)

Az y = ϕ (t ) görbe olyan folyadékelem helyét írja le az idı függvényében, amely a veff , ún. effektív sebességgel (m/s) mozog az áramlás irányában. A fenti ötlettel az (2.13), (2.14), (2.15) parciális differenciálegyenlet-rendszer közönséges differenciálegyenlet-rendszerré alakul, ami lehetıvé teszi a numerikus megoldást: veff =

C A,koll (C A,koll + C A,a )

vkoll .

(2.17)

Az egyenletrendszerben a következı átírás tehetı, mely a közönséges differenciálegyenlet-rendszerhez vezet: T f ( y, t ) = T f (ϕ (t ), t ) .

(2.18)

A forrásban egyszerősített modellek is bemutatásra kerülnek. Az egyik egyszerősített modell (jele D1) abban különbözik a részletes modelltıl, hogy egyetlen hıkapacitással jellemezhetı hımérséklettel, T f ( y, t ) -vel számol a kettı helyett. A parciális differenciálegyenlet az alábbi alakot ölti a megfelelı egyenletrendszerben: C A,koll ,össz

∂Tkoll ∂T + C A,koll vkoll koll = F ′[ S * −U L (Tkoll − Tkoll ,körny )] . ∂t ∂y

(2.19)

Egy SC jelő modell is ismertetésre kerül, ami az elızı modellbıl (D1) származtatható azzal a további egyszerősítéssel, hogy a hımérséklet csak az idıtıl függ, a helytıl nem. Ezzel a fenti parciális differenciálegyenlet közönséges differenciálegyenletté alakul:

C A,koll ,össz

dTkoll ,köz C A,koll vkoll + (Tkoll ,ki − Tkoll ,be ) = F ′[ S * −U L (Tkoll ,köz − Tkoll ,körny )] . dt Lkoll (2.20)

Tkoll ,ki a hımérséklet utólagos, térbeli lefutására tett feltételezésbıl adódik. Egy állandósult állapotú modell is említésre kerül, amely a C A,koll ,össz =0 (J/(m2K)) helyettesítéssel származtatható a fenti egyenletbıl, további egyszerősítések mellett. A D2 modell validálása a számított eredményeknek egy marburgi napkollektoros rendszeren végzett mérésekkel való összevetésébıl származik. A cikk végén a szerzık a következı megállapításokat teszik (fedetlen kollektorokra): a D2 modell jól alkalmazható a kollektormezı hımérsékleteloszlásának modellezésére még erısen változó térfogatáram esetén is, továbbá gyakorlati szempontból az SC modell is megfelelı lehet, akár órás idıtartamra átlagolt bemenı mérési adatok esetén is, bár a tízpercenkénti mérések ajánlottak. 19


Konstans térfogatáramú esetben az állandósult állapotú modell is megfelelı pontosságra vezet a gyakorlati alkalmazás szempontjából. Fedett síkkollektorokra is elvégezhetı hasonló modellek felépítése és validálása. (Nayak, Amer, 2000): Az ASHRAE 93-86 szabvány síkkollektorok jellemzıinek mérésérıl és a mérési adatok elemzésérıl rendelkezik. A cél, hogy a szabvány megfelelı módszert adjon különbözı gyártmányú síkkollektorok teljesítményének, hatásfokának az objektív összehasonlítására. A probléma az, hogy az így elıírt mérési eljárás a gyakorlatban nehezen kivitelezhetı, illetve költséges, mivel az egész mérés alatt állandósult, illetve jó közelítéssel állandósult, nagyon szők határok között elıírt, környezeti állapotot kell biztosítani. Ezek az elıírások szabadtéri vizsgálatok során csak nagyon ritkán biztosíthatók, ezért számos egyéb tesztelési eljárást dolgoztak ki. Az alábbiakban kilenc különbözı ún. dinamikus eljárás összevetése következik. Az egyes dinamikus eljárások eredményét az ASHRAE szabvány szerinti eljárás eredményeihez, mint referenciához viszonyítják. Ez azonban nem olyan egyszerő, mivel az egyes tesztek eredményeként, közvetlenül nem ugyanazon kollektor paramétereket kapjuk kézhez. Mivel az ASHRAE szabvány a vizsgált kollektor következı jellemzıit adja eredményül: F ′(τα )e ( (τα )e a kollektor egyenértékő transzmissziós-abszorpciós tényezıje), F ′U L , mce (a kollektor egyenértékő fajlagos hıkapacitása), ezért a közvetlen összehasonlítás miatt mind a kilenc dinamikus eljárás eredményeibıl, ahol az közvetlenül nem adódik is, ki kell számítani a fenti jellemzıket. Az egyes modellek eltérısége az azok kidolgozásánál alkalmazott elméleti megfontolásokig nyúlik vissza. A 2.1. táblázat mutatja az egyes eljárások nevét, vagy nevének rövidítését, az eljárások alapjául szolgáló matematikai modell egyenleteket, a vizsgált kollektort jellemzı paramétereket és az utolsó oszlopban a vizsgálat alatt elıírt környezeti feltételeket. Bár minden jelölés jelentését nem részletezem (ezek a szakirodalomban megtalálhatók), a táblázat arra jó, hogy nagyjából érzékeljük az egyes eljárások eltéréseinek mértékét a leíró egyenletek, a jellemzı paraméterek és a tesztelés során biztosítandó feltételek vonatkozásában.

20


2.1. táblázat: Napkollektorok identifikálására szolgáló eljárások (Nayak, Amer, 2000) Módszer

Jellemzı paraméterek

Modell egyenlet

Feltételek

„lassan” változó „nagy”

kényszerített, TA≠C

állandósult állapot

konstans

21


Az utolsó oszlopból látható, hogy az ASHRAE-eljárás követeli meg a legszigorúbb, állandó mérési feltételeket. A többi tesztnél változó környezeti feltételek megengedettek, ezért azok inkább felhasználóbarát, a gyakorlatban (pl. gyártók által) is többé-kevésbé alkalmazható eljárások. Az egyes tesztek között nemcsak az elméleti háttérben és a kapott paraméterekben találhatunk különbséget, hanem az elıírt mérések számában, a mérés során alkalmazott segédberendezésekben vagy a mintavételi idıben, de az eredmények kiértékelésének technikájában is. A Filter-módszer pl. lineáris regresszióval dolgozik, a DSC („Dynamic Solar Collector”: dinamikus napkollektor) eljárás paraméter identifikációval, a QDT („Quick Dynamic Testing”: gyors dinamikus tesztelés) eljárás pedig a legkisebb négyzetek módszerével, hibaminimalizálást alkalmaz, stb. A részletes mérések és elemzések eredménye két különbözı síkkollektorra (különbözı gyártóktól) a 2.2. táblázatban láthatók. 2.2. táblázat: Napkollektorok mérési eredményei (Nayak, Amer, 2000) Módszer

Kollektor

Kollektor

Látható, hogy az eredményeket az ASHRAE szerinti értékekhez viszonyították. Az ettıl való eltérések és az eredmények reprodukálhatósága, szórása (nem csak egy, hanem több mérés elvégzését írják elı az egyes tesztekben) alapján határozzák meg az adott modellek jóságát. A 2.2. táblázatban a zárójelben közölt %-értékek az állandósult állapotbeli (ASHRAE) teszt eredményétıl való eltérést mutatják. 22


HŐNYERESÉG (W)

A tanulmány megállapítja, hogy a Perers-módszer által nyert átlagos érték jól megközelíti az ASHRAE-értéket, az elvégzett vizsgálatban azonban a módszer akkora szórással dolgozik, hogy az eredmények gyakorlatilag nem tekinthetıek reprodukálhatóaknak. A 2.3., 2.4. ábrák grafikusan is mutatják néhány kiemelt eljárás összehasonlítását egymással és a helyesnek vehetı, közvetlenül mért adatokkal.

MÉRÉS

IDŐ (h)

HŐNYERESÉG (W)

2.3. ábra: Napkollektorok mérési eredményei (Nayak, Amer, 2000)

MÉRÉS

IDŐ (h)

2.4. ábra: Napkollektorok mérési eredményei (Nayak, Amer, 2000) A 2.3. és 2.4. ábrák két különbözı napra vonatkoznak egy konkrét, vizsgált síkkollektor esetében. A mért referenciaadatok teli körrel kerültek ábrázolásra. A szerzık kijelentik, hogy az NDM („New Dynamic Method”: új dinamikus módszer) eljárás kifejezetten pontosnak mondható az ábrák alapján és hogy ez az 23


eljárás reprodukálhatóság szempontjából is kedvezı, az eredményeket tekintve, 56%-os szórással dolgozik. A tanulmányban megfogalmazott további konklúziók: az NDM módszer igen megbízható összevetést biztosít a különbözı síkkollektorok között a hıteljesítmény szempontjából. A QDT módszer a legegyszerőbb módszer a vizsgálatok közül, ezért valószínőleg jól alkalmazható az egyes gyártók fejlesztési munkái során. A módszer a szolgáltatott átlagos eredmények és szórások alapján is gyakorlatilag elfogadható. Bár a Perers-módszer ad számot a legtöbb fizikai effektusról, melyek egy síkkollektorra hatnak, az eredmények szórásuk nagysága miatt nem nevezhetıek reprodukálhatónak. A napkollektorok termikus viselkedésének leírására meghonosodott, klasszikusnak mondható eljárások után tekintsünk egy újszerő megközelítést, a neurális hálóval (NN) történı modellezést. Ennek részei a struktúratervezés (az ún. rejtett rétegek és az egyes rétegekben alkalmazott neuronok számának megválasztása, az ún. tanuló algoritmus és az átviteli függvények megválasztása), a tanítás és végül az ellenırzés, validálás. Napkollektorokra vonatkozó NN modellt dolgozott ki Géczyné Víg a (Géczyné Víg, 2007) munkában. A neurális hálózatokkal részletesen megismerkedhetünk a (Horváth, 1998) forrásból: „Neurális hálónak nevezzük azt a hardver, vagy szoftver megvalósítású párhuzamos, elosztott mőködésre képes információfeldolgozó eszközt, amely: • azonos, vagy hasonló típusú, lokális feldolgozást végzı mőveleti elemek, neuronok (processing element, neuron) általában rendezett topológiájú, nagymértékben összekapcsolt rendszerébıl áll, • rendelkezik tanulási algoritmussal (learning algorithm), mely általában minta alapján való tanulást jelent, és az információfeldolgozás módját határozza meg, • rendelkezik a megtanult információ felhasználását lehetıvé tevı információ elıhívási, vagy röviden elıhívási algoritmussal (recall algorithm).”

24


A neuron általános, elvi felépítése:

2.5. ábra: Neuron általános felépítése (Horváth, 1998) A mőveleti elemek legegyszerőbb és legelterjedtebb változata az egyenrangú bemenetekkel rendelkezı memória nélküli neuron:

2.6. ábra: Memória nélküli neuron általános felépítése (Horváth, 1998) „A bemutatott neuron esetén az xi skalár bemenetek wi (i=0, 1,…, N) súlyozással kerülnek összegzésre, majd a súlyozott összeg egy f(.) nemlineáris elemre kerül.” A neurális „hálózat topológiáján a neuronok összekapcsolási rendszerét és a hálózat bemeneteinek és kimeneteinek helyét értjük, és általában irányított gráffal reprezentáljuk. A csomópontjai a neuronoknak felelnek meg, míg a kapcsolatokat a kimenetek és bemenetek közt a gráf élei reprezentálják, a neuron bemenet felé irányítva.” Az élekhez megfelelı wij bemeneti súlytényezık hozzárendelhetıek.

25


Példaként a 2.7. ábrán a legegyszerőbb, memória nélküli neuronból felépített, egy processzáló rétegő (a processzáló réteg olyan réteg, amely aktív, jelfeldolgozást is végez) hálózatot láthatjuk. A szokásos bemeneti, réteg mellett egy processzáló réteg is található, amely egyben a kimeneti réteg is.

2.7. ábra: Neurális hálózat általános felépítése (Horváth, 1998) A (Géczyné Víg, Farkas, 2002) munkában síkkollektorokra vonatkozó neurális hálót dolgoztak ki. A vizsgált kollektor hossza 1,91 m, szélessége 0,95, a tömegáram 0,057 kg/s.” Az egyszerő alapstruktúrát, melyhez a szerzık az optimális neurális hálót keresték, a 2.8. ábra mutatja:

Ig Tkoll,ki

Tkörny Tkoll,be

2.8. ábra: Síkkollektor modellezése neurális hálóval (Géczyné Víg, Farkas, 2002) Bemenı adatok: I g , Tkörny , Tkoll ,be , kimeneti adat: Tkoll ,ki . Átviteli függvényként a tan-sigmoid (tansig), tanuló algoritmusként a LevenbergMarquard algoritmus bizonyult jónak, megfelelı pontosságot szolgáltatva. Optimálisnak tekinthetı neurális hálónak nyolc processzáló és egy kimeneti neuronnal rendelkezı szerkezet adódott. Különbözı üzemmódok mellett, az NN által generált és mért, vagy mérések hiányában Hottel-Whillier-Bliss-féle modellel számolt adatok alapján, a következtetések között említésre kerül, hogy a validálás során az NN által generált

26


értékek jól közelítették a mért értékeket, továbbá elmondható, hogy neurális háló alkalmazása megfelelı eszköz síkkolektorok modellezésére. A 2001-ben bevezetett, kollektorok tesztelésérıl rendelkezı szabvány ismertetésérıl szól a (Fischer et al., 2004) forrás. A napkollektorok jellemzı paramétereinek meghatározására és a különbözı kollektor típusok teljesítményének összehasonlítására többféle módszer létezik. 2001 áprilisától azonban Európában a sokféle szabvány helyét hivatalosan az új EN 12975 (CEN 12975, 1997) szabvány vette át, mely kvázidinamikus tesztkörülményeket is megenged, szemben a korábban használt és ismert, állandósult állapotot elıíró szabványokkal (ISO 98061, ISO 9806-3, ASHRAE 93-77). A 2.9. ábra azt mutatja (egy pontosan meg nem nevezett kollektor példáján), hogy a korábban elfogadott állandósult állapotú teszt eredményei és az új szabvány szerinti kvázidinamikus teszt eredményei jó közelítéssel megegyeznek, tehát az újabb szabvány szerinti teszt jó eredményeket szolgáltat.

Hatásfok

álland. áll. kvázidin.

(Tkoll,köz-Tkoll,körny)/Ig [m2K/W] 2.9. ábra: Napkollektor hatásfokgörbéje (Fischer et al., 2004) A kvázidinamikus teszt jóval enyhébb környezeti és beállítási feltételeket ír elı a mérések során, mint a régi állandósult állapotú tesztek, ezért a mérések kivitelezése egyszerőbb, gyorsabb és olcsóbb. Egy példaként felhozott konkrét, felhıtlen napon a régi szabványok számára csak mintegy másfél-, kétórás tesztelési idıtartam megfelelı, a 2001-es EN 12975 vizsgálatai viszont mintegy kilenc órán át végezhetık az adott napon. Buzás (Buzás, 2007), (Buzás, 2009) napkollektorok átviteli függvényét írja fel a kimenı jelként kezelt kilépı folyadékhımérséklet ( Tkoll,ki (t ) (°C)) és külön-külön

az egyes bemenı jelek között, amelyek a napsugárzási intenzitás ( I g (t ) (W/m2)), a

belépı folyadékhımérséklet ( Tkoll,be (t )

(°C)) és a környezeti hımérséklet

( Tkoll ,körny (t ) (°C)). t utal az egyes jelek idıfüggésére. Az átviteli függvény alkalmas 27


annak vizsgálatára, hogy a bemenı jelekben bekövetkezı tranziens folyamatok milyen hatást gyakorolnak a kimenı jelekre. A Wá átviteli függvény a kimenı jel

( y (t ) ) Laplace-transzformáltjának transzformáltjának a hányadosa:

és

a

bemenı

jel

( x(t ) )

yˆ (s ) . xˆ (s )

Wá (s ) =

Laplace-

(2.21)

A ∧ és az s változó jelöli, hogy az adott jel Laplace-tartománybeli transzformáltját vesszük. Valamely f (t ) függvény Laplace-transzformáltját a következıképpen állítjuk elı: ∞

fˆ (s ) = ∫ e −st f (t )dt ,

(2.22)

0

ahol s komplex szám. A térfogatáram állandóságát feltételezve, lineáris matematikai modellbıl kiindulva, Buzás (2009) felírja az egyes bemenı jelekre vonatkozó átviteli függvényeket. Wá1 (s ) a kollektor napsugárzási intenzitásra vonatkozó átviteli függvénye: Wá1 (s ) =

Tˆkoll ,ki (s ) τ koll Akollη 0 / C koll . = τ koll s + 1 Iˆ (s )

(2.23)

g

Wá 2 (s ) a kollektorba belépı folyadék hımérsékletére vonatkozó átviteli függvény: Wá 2 (s ) =

Tˆkoll ,ki (s ) τ koll  V&koll U L Akoll  = − 2C koll Tˆkoll ,be (s ) τ koll s + 1  Vkoll

  . 

(2.24)

Wá 3 (s ) a kollektor környezeti hımérsékletre vonatkozó átviteli függvénye: Wá 3 (s ) =

Tˆkoll ,ki (s ) τ U A /C = koll L koll koll . ˆ τ koll s + 1 T (s )

(2.25)

koll ,körny

τ koll a kollektor úgynevezett idıállandója: τ koll =

1 U L Akoll V&koll + 2C koll Vkoll

.

(2.26)

A fentieken túl a szerzı a kilépı folyadékhımérséklet és annak kezdeti értékére Tkoll ,ki (0 ) vonatkozó átviteli függvényt Wá 0 (s ) is megadja, amely a kezdeti értéknek a kilépı hımérsékletre gyakorolt hatását foglalja magában:

28


Wá 0 (s ) =

τ koll

τ koll s + 1

.

(2.27)

A fentiekkel felírható a kilépı folyadékhımérséklet Laplace-transzformáltja a következıképpen: Tˆkoll ,ki (s ) = Wá 0 (s )Tkoll ,ki (0 ) + Wá1 (s )Iˆg + Wá 2 (s )Tˆkoll ,be (s ) + Wá 3 (s )Tˆkoll ,körny (s ) .

(2.28)

Kollektor kilépı hıszállítóközeg hımérséklet, Tkoll,ki, °C

A fenti algebrai kifejezés is érzékelteti, hogy a Laplace-transzformálttal sok esetben könnyebb számításokat végezni, mint a megfelelı idıfüggvénnyel. Kedvezı esetben a Laplace-transzformált ismeretében a megfelelı idıfüggvény is felírható az ún. inverz Laplace-transzformáció mőveletével. Idıtartománybeli, tehát közvetlenül hasznosítható, eredményt ad az átmeneti függvények vizsgálata is, azaz hogy a napkollektor kilépı hımérséklete hogyan változik az egyes bemenı jelek egységugrás függvényeinek hatására. (A kezdeti érték kivétel, ott nem egységugrás függvény, hanem 0 °C-ról 0,2 °C-ra ugró függvény szerepel a vizgálatban.) Az egységugrás függvény értéke a 0 idıpont elıtt zérus, onnan kezdve pedig 1 az adott bemenetnek megfelelı mértékegységben. Ezeket a vizsgálatokat is a Laplace-transzformált felhasználásával lehet elvégezni. A vizsgált napkollektorra vonatkozó eredményeket, Tkoll ,ki (0 ) = 0 mellett, a 2.10. ábra mutatja.

kollektor kilépı hımérséklet, Tkoll,ki, az egyes válaszfüggvények összegzésével Tkoll,ki válasza a belépı hıszállító közeg hımérséklet, Tkoll,be, egységugrás függvényére

Tkoll,ki, válasza a Tkoll,ki(0)=0,2 °C kezdeti értékre Tkoll,ki, válasza a körny. hımérséklet, Tkoll,körny, egységugrás függvényére Tkoll,ki, válasza a napsugárzási intenzitás, Ig, egységugrás függvényére

2.10. ábra: Napkollektor átmeneti függvényei (Buzás, 2009) Perers, Bales (2002) az EN 12975 szabványban leírt kvázidinamikus napkollektormodellt fejlesztik tovább. A javított dinamikus modell validált napkollektormodelleken (mint a síkkollektorokra kidolgozott Hottel-Whillier-Bliss modell) és általános hıátviteli modelleken alapul. A javított modellben olyan korrekciós kifejezések lettek beépítve, amelyek kiterjesztik annak használatát 29


majd’ minden kollektor típusra, továbbá dinamikus mőködési- és idıjárási körülményekre. A szóban forgó matematikai modellt, amelyet a TRNSYS-ban 832-es számmal jelölnek, ill. a közvetlen elızményét, a kismértékben különbözı 132-es modellt, széles körben alkalmazzák az IEA (International Energy Agency: Nemzetközi Energiaügynökség) 26. számú, kombinált napkollektoros rendszerek fejlesztésére irányuló, átfogó projektjében (IEA Task 26, 2012). A teljes matematikai modell validálása mérési adatok alapján történt, kontrollált mőködési feltételek mellett, különbözı napkollektoros rendszerek esetében, mind kültéri, mind napszimulátorok segítségével végrehajtott beltéri kísérletek útján. A matematikai modell a következı:

Q& koll = F ′(τα )en K Θb (Θ)I b + F ′(τα )en K Θd I d − k5uI g − k1 (Tkoll ,köz − Tkoll,körny ) − Akoll

(

)

4 − k 2 (Tkoll ,köz − Tkoll ,körny ) − k3u (Tkoll ,köz − Tkoll ,körny ) + k 4 EL − σTkoll ,körny, K − C A,koll 2

dTkoll ,köz

. dt (2.29)

A hosszú hullámhosszú sugárzástól való függést hasonló módon lehet meghatározni mint az ide vonatkozóan alapvetı, ISO 9806-3 (ISO, 1995) szabványban fedetlen kollektorok esetén, azzal a különbséggel, hogy itt a 4 k 4 EL − σTkoll , körny , K kifejezés hıveszteségként szerepel.

(

)

A K Θb (Θ ) függvényt bizonyos kollektortípusoknál egyetlen konstans ( b0 ) segítségével meg lehet adni a következıképpen (l. pl. (ASHRAE, 1978)):  1  K Θb (Θ ) = 1 − b0  − 1 .  cos Θ 

(2.30)

Általános esetben azonban több, akár tíz darab, különbözı függvényre van szükség, amelyek különbözı beesési szögtartományokban érvényesek. A továbbfejlesztett 832-es modellben lehetıség van ilyen függvényekre vonatkozó, tíz különbözı konstans megadására. 2.2.2. Szolár tároló Tökéletesen kevert, egyetlen hımérséklettel jellemezhetı szolár tároló hıegyensúlyára a (Duffie, Beckman, 2006) forrás a következı összefüggést adja meg: ct mt

dTt = ct m& fogy (Td − Tt ) + ct m& t (Tt ,mel − Tt ) + At k t (Tt ,körny − Tt ) . dt

(2.31)

A kevert tároló modell a legegyszerőbb tároló leírás, amelyben mindenkor homogén hımérséklet-eloszlást tételezünk fel. Ez a modell rendszerint

30


pontatlanabbul írja le a tároló viselkedését, mint az összetettebb rétegzett tároló modell. Rétegzett tárolót leíró matematikai modellt ad meg Duffie, Beckman (2006) a 2.11. ábra szerint. hıveszteség

fogyasztó felé

kollektor felıl

m& t , mel

Tt ,mel

Tt ,1

F1koll m& t ,mel

F1koll m& t ,mel

F2koll m& t ,mel

Tt ,1 F1 fogy m& fogy

( F2fogy + F3 fogy ) m& fogy

Tt , 2

( F1koll + F2koll )m& t ,mel

F2fogy m& fogy

F3 fogy m& fogy

F3koll m& t ,mel

m& t , mel

fogyasztó felıl

Tt ,3

kollektor felé

m& fogy

F3 fogy m& fogy

Tt ,3

Td

m& fogy

hıveszteség

2.11. ábra: Rétegzett szolár tároló modell (Duffie, Beckman, 2006) A kollektor felıl (vagy értelemszerően a hıcserélıtıl) érkezı folyadék abba a csomópontba lép be a modell szerint, amelyiknek a hımérséklete a belépı folyadékénál kisebb, de ahhoz a lehetı legközelebbi értékő. Definiálunk N db ún. kollektor-kapcsolófüggvényt ( Fi c ), amelyek meghatározzák, hogy melyik csomópont fogadja a kollektor felıl érkezı folyadékot:

Fi koll

1  1 = 0 0 

ha i = 1 és Tt ,mel > Tt ,i , ha Tt ,i −1 ≥ Tt ,mel > Tt ,i , ha i = 0, vagy i = N + 1, egyébként.

31

(2.32)


Ha a kollektor felıli folyadékot keringtetı szivattyú jár, akkor pontosan egy kapcsolófüggvény értéke különbözhet nullától. A csomópontokat felülrıl lefelé haladva számozzuk, azaz a magasabb hımérséklető rétegek kisebb sorszámot kapnak a hidegebbeknél. A fenti konstrukciónak megfelelıen egy tetszıleges, de kellıen magas Tt ,0 hımérséklető (pl. 100 °C-os) fiktív 0. réteget, továbbá a formula általános használhatósága érdekében, egy fiktív, N+1. réteget is bevezettünk. Hasonlóan bevezetünk N db, a HMV fogyasztásnak megfelelı Fi L fogyasztási kapcsolófüggvényt is, amelyek a fentiekhez hasonló módon meghatározzák, hogy melyik csomópont fogadja a HMV fogyasztásnak megfelelı hálózati hidegvíz térfogatáramot:

Fi fogy

1  1 = 0 0 

ha i = 1 és Td > Tt , N , ha Tt ,i −1 ≥ Td > Tt ,i , ha i = 0, vagy i = N + 1,

(2.33)

egyébként.

Az i-1. csomóponttól az i.-be történı eredı tömegáram, m& t ,i (kg/s), irányát és nagyságát a kollektor felıl érkezı térfogatáram, m& t ,mel (kg/s), és a HMV fogyasztási térfogatáram, m& fogy (kg/s), nagyságai, valamint a kapcsolófüggvények értékei határozzák meg a következıképpen: m& t ,1 = 0 , i −1

m& t ,i = m& t ,mel ∑ F jkoll − m& fogy j =1

(2.34) N

∑F

j =i +1

m& t , N +1 = 0 , mt ,i

k A =  t t dt  ct

dTt ,i

fogy j

,

(2.35) (2.36)

  (Tt ,körny − Tt ,i ) + Fi koll m& t ,mel (Tt ,mel − Tt ,i ) + Fi fogy m& fogy (Td − Tt ,i ) + i m& t ,i (Tt ,i −1 − Tt ,i ) if m& t ,i > 0, (2.37) + & & ( ) m T − T if m < 0 . t , i + 1 t , i t , i + 1 t , i + 1 

A szolár tárolók hatékonyságának fontos feltétele a megfelelı hımérsékleti rétegzıdés a hıtároló rendszeren belül. Ez a jelenség egyetlen rétegzett tárolónál is megjelenik, több tárolós rendszereknél pedig kifejezetten jelentıs (Mather et al., 2002), mivel az egyes tárolók jól elhatárolt víztérfogatot jelentenek. A (Zachár, 2003) és (Zachár et al., 2003) források foglalkoznak a következıkkel: egy kör alakú lemez tán a legolcsóbb és legegyszerőbb módja, hogy jelentıs hımérsékleti rétegzıdést tartsunk fenn egy szolár tárolóban még viszonylag magas elvételi térfogatáram mellett is. 32


A vizsgált tároló térfogata 100 liter, a terelılemez átmérıje 0,3 m, amely a tároló átmérıjének mintegy ¾-e, a 2.12. ábrának megfelelıen.

kilépés

ki

ki

lemez

be

belépés

be

2.12. ábra: Tároló terelılemezzel (Zachár et al., 2003) A tároló indulási hımérséklete minden esetben valamivel 40 °C fölött volt, a belépı víz hımérséklete pedig 20 °C alatt. A terelılemez alkalmazása és a tároló 40%-ának vételezése (kisütése) mellett a tároló felsı részének jelentıs hányada zavartalan maradt, ami a hırétegzıdés és így a kinyerhetı hıteljesítmény szempontjából kedvezı. A zavartalan rész szinte ugyanakkora a különbözı térfogatáramú vételezéseknél (1,6-10 l/min), ami a gyakorlat szempontjából, a fogyasztói térfogatáramok ingadozása miatt fontos. A (Jordan, Furbo, 2005) forrás témája és eredményei a (Zachár, 2003; Zachár et al., 2003) munkákéhoz igen hasonlóak. A leírt munka során kétféle beömlési áramlásterelıvel ellátott „kismérető” szolár tárolók rétegzıdésének és teljesítményének alakulását vizsgálták. A kétféle kialakításnak megfelelı tartályok a 2.13. és a 2.14. ábrákon láthatóak.

2.13. ábra: Tároló beömlési áramlásterelıvel, I tartály (Jordan, Furbo, 2005) 33


2.14. ábra: Tároló beömlési áramlásterelıvel, II tartály (Jordan, Furbo, 2005) A 144 literes I jelő tartály (2.13. ábra) hidegvíz beömlı csonkja fölé kb. 10 mm-es távolságra a csı végétıl, egy félgömbhéj alakú terelıelem került. A 182 literes II jelő tartály (2.14. ábra) belépı nyílása fölé, kb. 30 mm-es távolságra kb. 110 mm átmérıjő síklap került. 18-50 liter HMV 4-6 l/min térfogatárammal történı elvételei alapján adódott, hogy kedvezıbb a II kialakítás, egy db nagymérető lapos terelılemezzel, ami jobban megfelel a (Zachár, 2003; Zachár et al., 2003) cikkekben tárgyaltaknak. Ebben az esetben ugyanis alacsonyabban jelentkezik a megzavart és a zavaratlan tároló térfogat határa, ami végül is jobb tároló teljesítményt jelent. Egy TRNSYS-ban lefuttatott szimuláció 2,5 m2, ill. 1,5 m2 kollektor felületre és 100 liter/nap, ill. 200 liter/nap HMV igény esetére (helyszín: Zürich) azt az eredményt adja, hogy a kiegészítı-főtési teljesítményigény 3-7%-al is csökkenhet éves szinten, ha viszonylag nagy, lapos tányérszerő terelıelemet használunk a belépıcsonk fölött. Glembin, Rockendorf (2011) megmutatja, hogy a tárolók rétegzıdésének fenntartása szempontjából nemcsak a napkollektortól/hıcserélıtıl érkezı melegvíz hozzávezetésének, hanem a HMV tárolóból való elvezetése módjának is kulcsszerepe van. A szerzık négyutú szelepet javasolnak a tartály kisütésére, a tároló rétegzıdésének fenntartása céljából. A TRNSYS-beli 60-as számú tároló modellnek lényegében a 2.11. ábra rétegzett modellje felel meg, azzal a kiegészítéssel, hogy lehetıség van kiegészítı főtés figyelembe vételére az egyes rétegekben, továbbá rétegzıdést rontó hıtani folyamatok modellezésére is. Ez utóbbi hatás a szomszédos rétegek közötti közvetlen hıvezetés, a határuknál fellépı keveredés és az oldalfal mentén lejátszódó hıvezetés eredménye. A TRNSYS-ban a következı kifejezés írja le ezt a rétegzıdést rontó hıáramot az i-1. és az i. rétegek között: 34


k sz + ∆k sz At ,i (Tt ,i−1 − Tt ,i ) . ∆xi −1,i

(2.38)

2.2.3. Hıcserélı A hıcserélıkben két vagy több közeg között energia- (hı-) csere valósul meg. A hıcserélıknek több típusa létezik. Az olyan készülékek, melyekben a hıhordozók egymástól egy szilárd fallal elválasztva áramolnak, felületi hıcserélık vagy rekuperátorok. Ezekben a készülékekben az áramló közegek között, az elválasztó falon keresztül, hıátvitel zajlik le. Az egyes közegek közvetlenül az ıket határoló falakkal vannak hıtechnikai, azon belül konvekciós vagy hıátadásos kölcsönhatásban. Tetszıleges közeg-válaszfelület párosításakor tehát hıátadás valósul meg. Az a hıáram, amely a válaszfal egyik oldalán átadódik, (kétoldalú válaszfal esetén) a másik oldalon is meg kell hogy jelenjen ellenkezı elıjellel, állandósult (stacionárius) állapot estén. Ugyanez a hıáram kell, hogy átvándoroljon hıvezetéssel a válaszfalon belül. Ha a közegek az elválasztó fal mentén párhuzamosan, de ellentett irányban áramolnak, ellenáramú hıcserélırıl beszélünk. Konkrét felületi hıcserélıkben lejátszódó hıátvitel vizsgálata történhet modellkísérletek, vagy közvetlen mérések által, illetve analitikus vagy numerikus úton, számítógépes szimuláció segítségével. A modellkísérleteket választva alapvetı eszköz a hasonlóságelmélet mint a modellvizsgálatok elmélete (Mihejev, 1990), (M. Csizmadia, Nándori, 2003). Ekkor elkészítjük a vizsgálni kívánt rendszer általában kicsinyített, fizikai („kisminta”) modelljét. A közvetlen mérés, ahogy az elnevezés is mutatja, azt jelenti, hogy magán az „élesben” beépítendı berendezésen végzünk méréseket és az eredményeket értékeljük. Ha figyelembe vesszük, hogy az egyes hıcserélı típusok hımérséklet-eloszlását milyen nehezen megoldható differenciálegyenlet-rendszerek írják le, akkor láthatjuk, hogy mennyire alapvetı a mérések szerepe számos konkrét vizsgálati esetben. Az analitikus módszer általában a feladat peremfeltételeinek (gazdasági-, idıbeli-, stb. peremfeltételek) egyszerősítése után valósítható meg analitikus összefüggések, képletek felállítása és megoldása útján. Numerikus módszeren az analitikus összefüggések, fıleg differenciálegyenletek átírását szoktuk érteni matematikailag kezelhetıbb formára, azok (közelítı) megoldásával együtt. A numerikus eljárás nagy számítási igénnyel jár, így alapvetıen számítógépes feladat. Ma már az analitikus eljárást is valamilyen szoftver segítségével célszerő alkalmazni (Maple), (Mathematica), stb.. A hıcserélık jellemzéséhez szükséges adatok a k h , az ε, vagy a Φ tényezık (részletezésük alább) és a hıátvivı felület nagysága. Ezek ismeretében meghatározhatjuk a szolgáltatott hıteljesítményt. (Az alábbiak (Környey, 1999) szerintiek.) Ennek dAh nagyságú részén átvitt hıáram a következı: 35


dQ& h = k h (Tmeleg − Thi deg )dAh .

(2.39)

k h , Tmeleg , Thi deg a hely függvényei. A teljes hıátvivı felületre vonatkozó integrálással nyerjük a készülék hıteljesítményét: Ah ,teljes Q& h = ∫ k h (Tmeleg − Thi deg )dAh .

(2.40)

Ah =0

A k h közepes hıátviteli tényezıt a következıképpen definiáljuk:

1

kh =

Ah,teljes

∫

Ah ,teljes Ah = 0

k h dAh .

(2.41)

A hıcserélı közegei közötti közepes hımérséklet-különbséget a következıképpen definiáljuk:

∆Tköz = ∫

Ah ,teljes Ah =0

kh (Tmeleg − Thi deg )dAh . k h Ah,teljes

(2.42)

A fenti integrál számítása zárt alakban a legtöbb esetben nem lehetséges, vagy túlságosan bonyolult. Ezért a közepes hımérséklet-különbséget a következı alakban szokás megadni: ∆Tköz = ε∆Tln ,

(2.43)

ahol ∆Tln olyan ellenáramú hıcserélı logaritmikus közepes hımérsékletkülönbsége, melynek be- és kilépı hımérsékletei a vizsgált hıcserélıével azonosak. ε : korrekciós tényezı ( ≤ 1). A fentiek után a hıteljesítmény a következıképpen írható fel:

Q& h = k h Ah ,teljes ∆Tköz .

(2.44)

Eltekintve a készülék és a külsı környezete közötti hıforgalomtól, a két közeg között, azok entalpiájának felhasználásával, a következı összefüggés írható fel:

Q& h = m& meleg (hmeleg ,be − hmeleg ,ki ) = m& hi deg (hhi deg,ki − hhi deg,be ) .

(2.45)

h : entalpia (J/kg). A h = c p ⋅ T egyszerősítéssel élve, ahol c p az egyes közegek be- és kilépı hımérsékleteire vonatkozó közepes fajhı, a következı összefüggés írható: m& meleg ⋅ c p ,meleg (Tmeleg ,be − Tmeleg ,ki ) = m& h ⋅ c p ,hi deg (Thi deg,ki − Thi deg,be ) = (T ) = W& (T − T ) , = W& −T meleg

meleg ,be

meleg ,ki

hi deg

hi deg, ki

hi deg,be

ahol W& m a meleg, W& h pedig a hideg közeg hıkapacitás-árama.

36

(2.46)


(

)

A kisebb hıkapacitás-áramot jelöljük W&1 -gyel: W&1 = min W& hi deg , W& meleg . Az elméletileg lehetséges maximális hıteljesítmény, amikor a kisebb hıkapacitásáramú közeg a lehetı legjobban felmelegszik, a következıképpen fejezhetı ki:

Q& h,max = W&1 (Tmeleg ,be − Thi deg,ki ) .

(2.47)

A valóságban a hıteljesítmény ( Q& h ) ennél kisebb. A hıcserélı hatékonyságát fejezi ki a valós és az elméletileg maximális hıteljesítmények hányadosa, amit a hıcserélı (Bošnjakovič-féle) hatásosságának nevezünk: Φ=

Q& h . Q& h ,max

(2.48)

Ellenáramú hıcserélık esetében Φ , k h és ε között a következı összefüggés írható fel, amennyiben W&1 ≠ W& 2 , ahol W& 2 = max W& hi deg , W& meleg :

(

)

 k hεAh ,teljes  W&1   1 −  1 − exp − & &  W W 1 2    Φ= .  k hεAh ,teljes  W&1   W&1   1 −  1− exp − & &  W& 2 W W 1 2   

(2.49)

2.2.4. A napkollektoros rendszer irányítása A szakirodalomban mind klasszikus, mind újabb, továbbfejlesztett irányításokra és azok optimalizálására vonatkozó munka található napkollektoros rendszerek vonatkozásában. A napkollektoros rendszerek irányítására általában igaz, hogy az irányítás célja a hıtároló maximális felmelegítése. Mivel a kollektor(ok) hımérséklete a rendszer legmagasabb hımérséklete és ez melegíti a tárolót, a cél érdekében a kollektor hımérsékletét kell megcélozni a tárolóban elérendı hımérséklet szempontjából. Ez az irányítástechnikai elv fedezhetı fel az alábbi irányítások többségénél. A (Löf, 1993) munka alapján, az irányítástechnikai gyakorlatban széles körben alkalmazott, klasszikusnak nevezhetı ki-bekapcsolásos (vagy állásos), arányos, differenciáló, integráló és arányos integráló differenciáló szabályozások rövid leírása a következı. Ki-bekapcsolásos

szabályozás:

a

napkollektor

( Tkoll )

és

a

tároló

( Tt )

hımérsékletének a különbségét mérjük. A beavatkozó jel, u (t ) , egy pozitív konstans értéket u max , vagy nullát vehet fel, azaz a szivattyúk térfogatárama konstans (maximális), vagy nulla, attól függıen, hogy a mért hımérsékletkülönbség egy elıre meghatározott bekapcsolási ( ∆Tbe ) és kikapcsolási ( ∆Tki ) 37


hımérséklet-különbséghez képest mekkora. A kikapcsolási hımérsékletkülönbséget úgy kell meghatározni, hogy a szivattyúkat (figyelembe véve azok villamos fogyasztását és a hasznosított napenergiát) még megérje üzemeltetni, a bekapcsolásit pedig úgy, hogy a kikapcsolásinál kellıen nagyobb legyen, elkerülendı a szabályozás nem kívánatos lengéseit, a sőrő ki- és bekapcsolásokat. A beavatkozó jel pontosan a következıképpen írható fel: u max , ha Tkoll (t ) − Tt (t ) > ∆Tbe , vagy Tkoll (t ) − Tt (t ) > ∆Tki és a szivattyúk járnak , u (t ) =  0, ha Tkoll (t ) − Tt (t ) < ∆Tki , vagy Tkoll (t ) − Tt (t ) < ∆Tbe és a szivattyúk nem járnak.

(2.50) Ennek a szabályozásnak elınye, hogy a legolcsóbb, legegyszerőbb szabályozás, emellett sokszor az optimális, vagy ahhoz közeli is, hátránya, hogy lengésekre hajlamos. Arányos szabályozás (P): u (t ) = k p (Tkoll (t ) − Tt (t ))

(2.51)

A beavatkozó jel a mért hımérséklet-különbségtıl függı, azzal arányos érték ( k p az arányossági tényezı), amelyet változtatható térfogatáramú szivattyúk esetén alkalmazhatunk a szivattyú térfogatáramának beállítására. Nagyobb hımérsékletkülönbség esetén nagyobb térfogatárammal dolgozunk. Természetesen itt is meg kell jelölni egy minimális pozitív hımérséklet-különbséget, amely alatt a szivattyút gazdaságossági okokból nem üzemeltethetjük, illetve egy maximális, telítési térfogatáramot, amely a szivattyúk fizikai korlátaiból ered. A szabályozás elınye, hogy lengésre kevéssé hajlamos, hátránya, hogy drágább eszközrendszert kíván, mint a ki-bekapcsolásos szabályozás. Integráló szabályozás (I): t

u (t ) = ki ∫ Tkoll (τ ) − Tt (τ )dτ

(2.52)

t0

A beavatkozó jel a mért hımérséklet-különbség kezdeti idıponttól számított integráljával arányos ( ki az arányossági tényezı), tehát minél tovább van szükség beavatkozásra, a beavatkozó jel értéke annál nagyobb, továbbá a beavatkozás viszonylag lassan, egyre erısödı mértékben megy végbe, és a beavatkozás leállítása is lassú. Tehetetlenségénél fogva ez a szabályozás lassú, idıben elnyúló lengésekre hajlamos. Ezek a kedvezıtlen hatások ki gondos megválasztásával mérsékelhetık. Mindazonáltal az integrálásnak a rendszerre stabilizáló hatása van. Itt is változtatható térfogatáramú szivattyúkat kell alkalmazni, hogy a beavatkozó jelnek megfelelı térfogatáramot alkalmazhassunk és az integráló szabályozási tulajdonságot ténylegesen kihasználjuk. Elıny tehát a stabilizáló hatás, hátrány a viszonylag lassú beavatkozás és a lengésekre hajlamosság. 38


Differenciáló szabályozás (D): u (t ) = kd

d (Tkoll (t ) − Tt (t )) dt

(2.53)

A beavatkozó jel a mért hımérséklet-különbség deriváltjával arányos ( k d az arányossági tényezı), amibıl eredıen hımérséklet ingadozások esetén gyors és nagymértékő változások történhetnek a beavatkozásban, aminek a szivattyú térfogatáramok gyors és nagyarányú változása felel meg. Elıny, hogy a szabályozás rendkívül gyors beavatkozásra képes, hátrány a nemkívánatos, gyors lengések, sıt az instabilitás veszélye. k d gondos megválasztásával mérsékelhetık a kedvezıtlen hatások. Arányos integráló differenciáló szabályozás (PID): t

u (t ) = k p (Tkoll (t ) − Tt (t )) + k i ∫ Tkoll (τ ) − Tt (τ )dτ + k d t0

d (Tkoll (t ) − Tt (t )) dt

(2.54)

Ez a szabályozás a fentiek elınyeit igyekszik ötvözni. A beavatkozó jel a fenti eseteknek megfelelı beavatkozó jelek összege. A gyakorlatban a puszta P, I, vagy D szabályozások helyett inkább a PID szabályozást szokták alkalmazni. Alapvetı fontosságú korai publikációk, melyek a szivattyú térfogatáramának vezérlésével szándékoznak az optimális irányítást megvalósítani Kovarik, Lesse (1976), valamint Winn, Hull (1979) dolgozatai. Ezekben a munkákban hıcserélı nélküli rendszereket vizsgálnak, akárcsak egy nem régi forrásban Badescu (2008), aki egyúttal a szolár tárolón belül kialakított hıcserélıs rendszert is tárgyal. A fenti munkát megelızıen Badescu (2007) maximális exergia kinyerését megcélozva, optimális térfogatáram-vezérlést határoz meg a napkollektoros rendszerek hıtermelıjének, a napkollektornak a vonatkozásában. A szerzı idıben változó paraméterértékekkel ellátott síkkollektormodellt és realisztikus meteorológiai adatokat (Romániára vonatkozó METEORAR adatokat) használ, továbbá a szivattyúzáshoz szükséges mechanikai energiát nem veszi számításba. A kollektorba a munkaközeggel belépı (és onnan kilépı) exergiaáramot a következıképpen definiálja:

 Tkoll ,be ( ki ) − Tkoll ,körny Tkoll ,be ( ki )  . E& x ,be ( ki ) = m& koll ckollTkoll ,körny  − ln   T T koll ,körny koll ,körny  

(2.55)

A célkitőzés a fenti exergiaáram meghatározott idıszakra (egy napra) vonatkozó integráljának maximalizálása az m& koll (t ) függvény mint beavatkozó jel megfelelı megválasztásával. Ezt a matematikai feladatot numerikusan speciális, optimális irányítások meghatározására kifejlesztett, trajektóriaoptimalizáló matematikai

39


programozással (TOMP (Kraft, 1994)) oldja meg. A maximális exergiahatásfok alacsony (ált. 3% alatti). Bár a szivattyú térfogatárama változtatható, egy megfelelıen definiált, konstans térfogatárammal dolgozó ki-bekapcsolásos vezérlés közel áll az optimálishoz. Mivel a kapott eredmény eléréséhez az idıjárási adatok elızetes ismerete szükséges, a munka gyakorlati jelentısége korlátozott. Badescu (2008) síkkollektorokkal mőködı napkollektoros rendszerek esetében is foglalkozik optimális térfogatáram-meghatározással. A vizsgált rendszerek tárolóit kevert üzemőnek tételezi fel. Kétféle rendszert vizsgál, a 2.15. ábra szerint.

Tkoll ,be

Tkoll ,ki m& koll napkollektor

napkollektor

Tkoll ,ki szolár tároló

sziv.

m& koll

sziv.

Tkoll ,be

2.15. ábra: Napkollektoros rendszertípusok (Badescu, 2008) Az (a) rendszerben egy csıkígyó található a tárolóban a fogyasztói oldalon, a (b) rendszerben két csıkígyó, egy a kollektor és egy a fogyasztó oldalán. A szerzı a Hottel-Whillier-Bliss kollektormodellt és realisztikus meteorológiai adatokat használ, a fenti cikkben lévıkhöz hasonlóan. Az optimális vezérlés, azaz a kollektorköri szivattyú optimális térfogatárama, meghatározására Pontrjagin maximumelvét (Pontrjagin et al., 1968) használja. A célkitőzés az alábbi, valamely meghatározott t 2 − t1 idıszakra (egy napra) vonatkozó, integrálnak a maximalizálása, az m& koll (t ) függvény, azaz a szivattyúzás tömegárama mint beavatkozó jel megfelelı megválasztásával: t2

∫ Q&

koll −t

(m& koll (t )) − Psz ,koll (m& koll (t ))dt .

(2.56)

t1

Mindkét rendszertípus esetében elmondható, hogy bár a szivattyú-térfogatáram változtatható, egy megfelelıen definiált konstans térfogatárammal dolgozó kibekapcsolásos vezérlés közel áll az optimálishoz. Mivel a kapott eredmények elıállításához az idıjárási adatok elızetes ismerete szükséges, ezért a munka gyakorlati jelentısége korlátozott. Az optimális irányítás kidolgozása hasonló módon történhet külsı hıcserélıs rendszereknél is, a napkollektor hatásának szokásos, a fenti munkában is alkalmazott, figyelembevételével. A napkollektor hatását ekkor viszont egy 40


megfelelı korrekciós tényezıvel kell figyelembe venni, amely a külsı hıcserélı jelenlétét képviseli. Ilyen módon a napkollektoros rendszer ekvivalensnek tekinthetı egy egyszerő, közvetlenül összekapcsolt kollektor-tároló rendszerrel, amely csökkentett kollektor felülettel rendelkezik. Az alkalmazott módosító tényezı mind a napkollektorra, mind a hıcserélıre vonatkozó paraméterértékeket tartalmaz. Ilyen esetre vonatkozó irányításoptimalizálással kapcsolatban tekinthetı Hollands, Brunger (1992) munkája. A korrekciós tényezıvel kapcsolatban pedig szintén Hollands, Brunger (1992), valamint Duffie, Beckman (2006) munkái tekinthetık. A (Prud’homme, Gillet, 2001) munkában foglalt fejlesztések mind strukturális, mind irányításelméleti vonatkozásúak. A vizsgált napkollektoros HMV készítı rendszer köpenyes hıcserélıvel rendelkezik, amely a teljes tárolót körbeveszi a 2.16. ábra szerint. Az ábrán az is látható, hogy a tárolóban, a szokásos egy helyett, három kiegészítı főtıpatron található, amelyek a tároló különbözı rétegeit melegítik és egymástól függetlenül mőködtethetık. Az ábra közepén látható négy szelepbıl mindig csak egy nyitott a tároló/a köpeny rétegei és a kollektortól érkezı folyadék sőrőségének a függvényében. (A sőrőségviszonyokat a hımérsékleti viszonyok határozzák meg.) A szivattyú térfogatárama folytonosan változtatható.

41

2. Szakirodalmi áttekintés Hımérséklet érzékelık Napkollektor

Melegvíz

Szelep t,1

Szolár tároló

t,2 2 t,3

Kiegészítı főtés

t,4

Hıcserélı köpeny

t,5 t,6 t,7 t,8 t,9 t,10 t,11 t,12 t,13 Szivattyú

Hidegvíz

2.16. ábra: Napkollektoros rendszer köpenyes tárolóval (Prud’homme, Gillet, 2001) A célhoz, ami az alábbi integrál maximalizálása, idıjárási és HMV fogyasztási elırejelzések szükségesek, azaz egyfajta prediktív vezérlésrıl van szó:

∫ Q&

koll −t

− Psz ,koll − Pvill ,kieg − α (Tt ,1 − T fogy ,ig ) dt , 2

(2.57)

egy nap

ahol α nemnegatív együttható (megfelelı dimenzióval). A fenti integrál maximalizálása azon kettıs célt fejezi ki, hogy a rendszer villamos fogyasztását a lehetı legalacsonyabban kívánjuk tartani, miközben a fogyasztói igények mindenkori kielégítésére törekszünk. A három főtıpatron elınye az egyhez képest akkor mutatkozik meg, amikor a tárolóban lévı vizet melegíteni kell velük és HMV fogyasztásra huzamosabb ideig nem lehet számítani. Ekkor egy ideig a tároló alsóbb rétegeit főtı patronok üzemeltethetık, amelyek jobb hatásfokkal üzemelnek a hidegebb vízhımérséklet miatt, mint a fentebbi rétegek főtıpatronja. Sürgıs esetben természetesen a HMV-elvételhez közeli felsıbb réteget (is) melegíteni kell a felsı főtıpatronnal.

42


Optimális térfogatáram [l/h]

Napsugárzási intenzitás [kW/m2]

Az optimalizálási feladatot a szivattyú térfogatáramnak és a főtıpatronok teljesítményeinek mint (vektorértékő) beavatkozó jelnek, az idı függvényeként való megfelelı megválasztásával lehet megoldani, amit a szerzık a probléma diszkretizálásával, numerikus úton végeznek.

Egy nap [h]

Melegvíz elvétel [kWh]

Optimális teljesítmény [kW]

Egy nap [h]

Egy nap [h]



Egy nap [h]

Egy nap [h]

Egy nap [h]

2.17. ábra: Optimalizálási eredmények (Prud’homme, Gillet, 2001) Ide vonatkozó számítási eredményeket mutat a 2.17. ábra. Legfelül balra a választott napra vonatkozó napsugárzási intenzitás látható az idı függvényében, mellette az optimális térfogatáram. Érdemes észrevenni, hogy ez utóbbi (most is) 43


közel áll egy megfelelı ki-bekapcsolásos vezérléshez. Lejjebb a jósolt HMVfogyasztás (kWh) és az egyes főtıpatronok teljesítménye látható az idı függvényében. (Mindegyik maximális teljesítménye 0,5 kW.) Kimutatható, hogy ez az optimális vezérlés jóval kedvezıbb a hagyományos szabályozáshoz képest, amelyben csak egy főtıpatron üzemel, és a szivattyút visszacsatolásos szabályozással mőködtetjük. Mindazonáltal, mivel a fenti prediktív vezérléshez a meteorológiai és a fogyasztási adatok elızetes ismerete, vagy igen pontos elırejelzése szükséges, ezért a munka gyakorlati jelentısége itt is korlátozott. A prediktív jelzıt általánosabb értelemben olyan irányításokra használjuk, amelyek mőködtetése során az üzemi körülmények egy részének alakulását elıre tudjuk jelezni, és ezt a tudást fel is használjuk az irányítás mőködtetésekor. A prediktív irányítások egy áttekintését nyújtja a (Qin, Badgwell, 1997) forrás, egy példáját pedig a (Camacho et al., 1994) munka. A fentebb leírtakkal összhangban, Pontrjagin maximumelve alapján megmutatható, hogy a szolár tárolóba jutó napenergia és a szivattyúzási energia különbségét maximalizáló irányítás általában olyan ki-bekapcsolásos (vagy különbségi) irányítás, amely a meteorológiai adatok elızetes ismeretén alapul (Kovarik, Lesse, 1976), (Orbach et al., 1981). Az ilyen irányítás természetesen nem ültethetı át közvetlenül a gyakorlatba, hiszen az idıjárási jellemzık változását (napsugárzás intenzitás, stb.) természetesen nem ismerjük elıre. A probléma részben, de nem teljesen, feloldható, ha a priori feltételezzük, hogy kizárólag egy szivattyú be- és kikapcsolás fog történni a vizsgált idıtartam alatt. Ez esetben egy visszacsatolásos ki-bekapcsolásos irányítás, azaz szabályozás képviseli az optimálist, amely elvileg már alkalmazható a gyakorlatban (ismét (Orbach et al., 1981)). Egy ún. „instant” („instantaneous” az eredeti forrásban) irányítás (Bejan, 1982) oldja meg elméletileg a problémát a tekintetben, hogy az optimális térfogatáramváltoztatás a gyakorlatban is megvalósítható legyen. Ez az irányítás csupán a legutóbbi (tehát már ismert) meteorológiai adatokat használja fel, gyakorlati alkalmazása viszont túlságosan nehézkes. Hıcserélı nélküli rendszerekhez, az elméletileg optimális irányításhoz (Kovarik, Lesse, 1976) kapcsolódóan, Winn, Hull (1979) kidolgoztak egy majdnem megegyezıen hatékony visszacsatolásos ki-bekapcsolásos szabályozást, amely elvileg alkalmazható a gyakorlatban. A Pontrjagin-féle maximumelvet használták fel és figyelembe vették a napkollektor fizikai és geometriai paramétereit. Az eljárás bonyolult technikai részleteket tartalmaz, viszont bizonytalanságokkal is terhelt. Az utóbbit az okozza, hogy a részleges és átmeneti árnyékolási hatások, melyeket a felhızet és a napkollektorok környezete okoz, sıt a napkollektor fizikai és geometriai paraméterei sem vehetık pontosan figyelembe. A számítási részletekkel kapcsolatban tekinthetı (Löf, 1993) is.

44


A fent említetteken túl, számos vizsgált eset és optimalizálási megközelítés vezet arra a következtetésre, hogy az optimális szabályozás sok esetben a megfelelıen beállított térfogatárammal dolgozó ki-bekapcsolásos szabályozás. Fritchman, Grantham (1987) például maximális szolár tároló hımérsékletet megcélozva, min-max differenciáljáték megközelítéssel, ismeretlen napsugárzás intenzitás mellett jutnak erre az eredményre, hıcserélıvel rendelkezı napkollektoros rendszerekre vonatkozóan. További, eltérı aspektust jelent a különbözı fizikai, geometriai és irányítási (nevezetesen az optimális térfogatáram) paraméterek egymásra hatásának vizsgálata a napkollektoros rendszer vonatkozásában. A térfogatáram és a napkollektor felület együttes, a többi rendszerparaméter függvényében megvalósított, optimalizálásával kapcsolatos a (Farahat et al., 2009) dolgozat, szintén maximális exergia kinyerését megcélozva. A Pontrjagin-féle maximumelv hangsúlyos alkalmazása mellett, további dinamikus optimalizálási technikákat tekint át Dorato (1983). A talán leggyakoribb, napkollektoros rendszereknél is használt, szabályozások és összehasonlításuk megtalálhatók a következı irodalmakban: Winn (1983) kibekapcsolásos, I és PID szabályozásokat hasonlít össze. Hirsch (1985) kibekapcsolásos, P és egy hibrid ki-bekapcsolásos-arányos szabályozást hasonlít össze különbözı mőködési feltételek mellett. Löf (1993) ki-bekapcsolásos, P, I, PID, adaptív és néhány egyéb, különbözı megközelítés szerinti optimális szabályozásokat tárgyal. (Morteza et al., 1996)-ban PID és PSD (arányos összegzı differenciáló) szabályozások összehasonlítása történik. Különbözı gyakorlati esetekben és különbözı szempontok szerint, természetesen más-más szabályozási módszerek lehetnek a legcélszerőbbek. További szabályozási mód a modell alapú prediktív szabályozás, amely közvetlen módon valamilyen matematikai modellt használ a rendszer jövıbeli kimeneteinek számítására, a megfelelı szabályozás céljából. Ilyen eljárásra ad példát Castilla et al. (2011) a hıkomfort mérıszámnak, a PMV-nek (Fanger, 1970) az elırejelzésével. A munkában egy napkollektoros épületfőtı és -hőtı rendszer energiafogyasztását és a hıkomfortértékét tartalmazó célfüggvényt használnak, az optimális szabályozás meghatározása céljából. A modellt váltó szabályozások kettı, vagy több matematikai modell között váltanak, az aktuális üzemállapotnak megfelelıen. Nagymértékben eltérı üzemállapotok esetén ugyanis gyakran más modell írja le, kellı pontossággal, a vizsgált rendszert (Pasamontes et al., 2011). Általánosságban kijelenthetı, hogy a ki-bekapcsolásos szabályozás a legegyszerőbb, az igényelt mőszaki eszközrendszert tekintve, továbbá a legolcsóbban alkalmazható a napkollektoros rendszerek esetében. Ennek a szabályozásnak a további részletes tárgyalásával kapcsolatban tekinthetı például (Duffie, Beckman, 2006) és egy még újabb forrásként (Kalogirou, 2009). 45


Irodalmi kutatásaim alapján úgy látom, hogy a HMV elıállítására szolgáló napkollektoros rendszerek irányításával kapcsolatban viszonylag kevés újítás született az utóbbi egy-két évtizedben. Több évtizedre visszamenıleg, illetve a szakterület jelenlegi állása szerint, a fentiekben igyekeztem a legjelentısebb fejlesztéseket áttekinteni. A jellemzıen nagyobb, ipari mérető naperımővek vonatkozásában jóval intenzívebbek az irányításelméleti kutatások. Mivel e rendszerek felépítése és mőködése igen közel áll a HMV elıállító rendszerekéhez, ezért a következıkben errıl a területrıl szolgálnék egy áttekintéssel. A bemutatott irányítások, speciálisabban szabályozások, esetében, a HMV készítı rendszerek esetéhez hasonlóan, a beavatkozó jel alapvetıen a szivattyúzási térfogatáram. Az itt folyó kutatások eredményei bizonyára sok jó támponttal tudnak szolgálni a HMV készítı napkollektoros rendszerek irányításának jövıbeni fejlesztéséhez. A (Camacho et al., 2007a) és (Camacho et al., 2007b) kétrészes, különbözı irányításokra vonatkozó, áttekintı szakirodalom alapján a szóban forgó naperımő vázlata a következı.

Gızfejlesztéshez, vagy sótlanításhoz

Olajtartály Kollektromezı

Hımérséklet mérés Térfogatáram mérés

2.18. ábra: Naperımő elvi sémája (Camacho et al., 2007a) A parabola keresztmetszető napkollektorok az ábra jobb oldalán, a szolár tároló a baloldalon látható. A kollektormezı több, általános esetben egymással részben sorosan, részben párhuzamosan kapcsolt napkollektorból áll. Az ábrán két szivattyú látható, az egyik a kollektorkörben, a másik a tárolóból további felhasználásra szállítja a hidraulikailag el nem választott munkaközeget, amely nagynyomású víz, vagy olaj. A kollektormezıt leíró matematikai modell alapvetıen elosztott paraméterő (Klein et al., 1974; Rorres et al., 1980; Orbach et al., 1981; Carotenuto et al., 1985, 1986; Camacho et al., 1988, 1997a) és a következı parciális differenciálegyenlet-rendszeren alapul: 46


ρ a ca Aa

∂Ta (t , x ) = η 0 I p (t ) − U L (Ta (t , x ) − Tkoll ,körny (t )) − d kollπU koll −a (Ta (t , x ) − Tkoll (t , x )) , ∂t (2.58)

ρ koll ckoll Akoll, foly

∂Tkoll (t, x ) ∂T (t, x ) + ρ koll ckollV&koll (t ) koll = d kollπU koll−a (Ta (t , x ) − Tkoll (t , x )) . ∂t ∂x (2.59)

A matematikai modell – több együtthatója hımérsékletfüggése miatt – alapvetıen nemlineáris és viszonylag összetett. Mindazonáltal számos kutató eltekint az együtthatók hımérsékletfüggésétıl, sıt akár a hıveszteségektıl is és egy egyszerősített, koncentrált paraméterő, lineáris modellt használ (Johansen, Storaa, 2002a,b; Farkas, Vajk, 2002a,b,c, 2003; Silva et al., 2003a,b; Willigenburg et al., 2004a,b). A rendszer irányításának célja a kollektormezı kilépı hımérsékletének állandó értéken tartása szokott lenni. Ez a cél alapvetıen a szivattyú térfogatáram folyamatos változtatásával érhetı el. Az akár 300 °C-ra felmelegített munkaközeget általában vízgız fejlesztésére használják. A gızt aztán gızturbinán keresztüli áramfejlesztésre fordítják. A turbina stabil üzeme miatt célszerő az állandó hımérséklető gız biztosítása, illetve a kollektormezı kilépı hımérsékletének állandó értéken tartása. A probléma kezelése megkísérelhetı nagymértékben egyszerősített, lineáris, koncentrált paraméterő modellel, amely közönséges lineáris differenciálegyenletrendszert jelent. Az ilyen egyszerősítés azonban csak stabil mőködési feltételek mellett megengedhetı. Ekkor a klasszikus PID szabályozás kézenfekvıen alkalmazható (Carmona et al., 1987; Camacho et al., 1997a). A szokványos üzemi körülmények azonban távol állnak a kellıen stabiltól, ugyanis a napsugárzási intenzitás, de sokszor a kollektorba belépı munkaközeg hımérséklete is, jellemzıen nagy ingadozásokat mutat. Ezért a PID szabályozás önmagában általában nem alkalmazható, a szabályozási körben elhelyezett kiegészítı kompenzáló tagokkal pedig esetleg alkalmazható (Baraõ et al., 2002). A kompenzáló tag rendszerint valamilyen elırecsatolást jelent a mérhetı zajok hatásának ellensúlyozására (Camacho et al., 1992, 1997a; Rubio et al., 2006). A PID szabályozásnak számos speciális módosítását/kiegészítését alkalmazzák, amelyek közül néhány: PID szabályozás fuzzy logikával, vagy neurális hálóval kiegészítve (Cardoso et al., 1999; Henriques et al., 1999a,b; Markou, Petropoulakis, 1998), ún. robusztus PID szabályozás (Cirre et al., 2003), PID szabályozás elırecsatolással és idıtıl függı, nemlineáris szorzótényezıvel ellátott visszacsatolással kombinálva (Johansen, Storaa, 2002a,b). A naperımőveknél gyakran alkalmazott szabályozások további csoportja az elırecsatolt szabályozások (amelyekre érintılegesen utaltam imént). Ezeknél fıleg a külsı, mérhetı zajok hatását szokták kompenzálni valamilyen, a zajok hatását leíró, matematikai modell segítségével. Mérések és a modell alapján, elvégezhetı a beavatkozó jel módosítása az alapjelnek (a megcélzott kilépı hımérsékletnek) 47


megfelelı kilépı hımérséklet biztosítása céljából (Rorres et al., 1980; Valenzuela, Balsa, 1998). A beavatkozó jel a kollektorköri szivattyú térfogatárama. A kaszkádszabályozások szintén tradicionálisaknak tekinthetık. Ezek a rendszert érı zajoknak a szabályozott jellemzıre (a kollektormezı kilépı hımérsékletére) gyakorolt hatását igyekeznek kiiktatni azáltal, hogy a szabályozási feladatot szétválasztják két külön idıléptéknek megfelelı belsı és külsı szabályozási körre. A belsı kör a zajok kompenzálását, a külsı – szokványos módon – a szabályozott jellemzı visszacsatolását végzi, annak megfelelı értéken tartása érdekében. A (Silva et al., 1997; Rato et al., 1997) irodalmakban találunk példát naperımővek kaszkád szabályozására. A belsı, gyorsabban dolgozó körben egy adaptív, modell alapú, prediktív szabályozást használnak a zajok kompenzálására, a külsı, lassabb körben PID szabályozást alkalmaznak. A körök különbözı sebessége eltérı mintavételezési idık megadásával érhetı el. A fentiekben három, klasszikusnak mondható szabályozás típusról volt szó. Az elmúlt egy-két évtizedben számos új irányítási (azon belül szabályozási) megközelítés született. Közülük néhány fontosabbat megemlítek a következıkben. Modellalapú prediktív szabályozásokra ad példát Camacho, Bordons (2004). A használt modell típusától (lineáris, nemlineáris, stb.) és az elırejelzés kezelésétıl függıen számos altípus létezik (l. pl. (Lemos et al., 2000), (Jalili-Kharajoo, Besharati, 2003), (Pérez de la Parte et al., 2008)). Egyfajta modellalapú szabályozásra adnak példát a (Farkas, Vajk, 2002 a,b) irodalmak is. A ma már széleskörően alkalmazott modell alapú prediktív szabályozások egy fontos elıfutárának tekinthetık a továbbra is használt lineáris, esetleg sztochasztikus modellel dolgozó optimális szabályozások. A szabályozási feladat elsı lépése általában a nem ismert állapotjelzık becslése, determinisztikus esetben valamilyen megfelelı (például Luenberger-típusú (Luenberger, 1964)) állapotmegfigyelıvel, sztochasztikus esetben Kalman-szőrıvel. A becslésre ezután lineáris szabályozási törvényt alkalmaznak. A valóság általában közel sem lineáris, így a módszer meglehetısen érzékeny a paraméterek pontatlan megválasztására. Ilyen optimális szabályozástípusra ad példát Willigenburg et al. (2004a,b). Gallego, Camacho (2011) szintén Kalman-szőrıt használ az effektív napugárzási intenzitás becslésére, a kollektormezı részleges árnyékolásának kiszőrésére, optimális irányítás megvalósításához. Az adaptív szabályozások fı elve, hogy magát a szabályozási eljárást változtatják bennük, igazodva a szabályozott rendszer dinamikus változásaihoz. Fontos típusuk az ún. önbeállító szabályozások, amelyekben a mindenkori beavatkozó jel és az eredményezett szabályozott jellemzı együttes megfigyelése történik, amely alapján a szabályozást meghatározó matematikai összefüggés bizonyos paraméterei folyamatos módosításra kerülnek (Aström, Wittenmark, 1989). Az idıkésleltetést kompenzáló szabályozások tartalmazzák a rendszer késleltetésmentes modelljét és azt, a szabályozási hatásvázlat szerint egy sorba 48


kapcsolt taggal, az idıkésleltetést modellezı taggal egészítik ki. Valamilyen mértékben minden valós folyamatot terhel idıkésleltetés, amely akár változó nagyságú is lehet. Léteznek szabályozások, amelyek az ilyen, változó késleltetést is képesek kezelni (Normey-Rico et al., 1998). A nemlineáris szabályozás kifejezést szokás olyan szabályozásokra használni, amelyek a valós, szabályozott folyamatban rejlı nemlinearitásokat a rendszer bemenı és kimenı jeleinek nemlineáris transzformációjával igyekeznek kezelni. Az így keletkezett transzformált jeleket már lehet valamilyen egyszerősített nemlineáris vagy lineáris modellel kezelni, és egyszerőbb, esetleg lineáris szabályozási technika alkalmazható (Baraõ et al, 2002). Számos egyéb szabályozási módszer létezik, úgymint a robusztus szabályozások, ahol a felhasznált modell és a valós folyamat közti eltéréseket igyekeznek közvetlenül kifejezni egy zajokkal szemben stabil szabályozási eljárás érdekében (Camacho et al., 1997b), a fuzzy szabályozások, amelyekben a rendszer fizikai, számértékő bemeneteit a fuzzy logikának megfelelı nyelvi változókká konvertálják (Rubio et al., 1995), (Flores et al., 2005), a neurális hálós szabályozások, ahol neurális hálót alkalmaznak a rendszer bizonyos fekete dobozszerő folyamatainak modellezésére (Kalogirou, 2000, 2001; Henriques et al., 2010), stb.. Gyakoriak a fenti módszerek kombinációjaként elıálló szabályozások, illetve egy (egyedi) szabályozási módszer általában több kategóriába is besorolható. Mind az említett klasszikus, mind az újabb szabályozások számos változata tesztelésre került a spanyolországi almeríai 500 kW-os kísérleti naperımő telepen (Plataforma Solar de Almería) (Schraub, Dehne, 1983).

49

3. Anyag és módszer

3. ANYAG ÉS MÓDSZER Ebben a fejezetben bemutatom a napkollektoros rendszerekhez optimalizált hagyományos szabályozást és az új, energetikai alapú szabályozást. Bemutatom a szabályozások vizsgálatához felhasznált szoftver- és hardvereszközöket, beleértve a kidolgozott TRNSYS modellt és a SZIE vonatkozó napkollektoros rendszerét, annak a doktori munkám során elvégzett bıvítésével. Végül bemutatom a modell paraméterértékeinek meghatározását és a modell validálását az általam vizsgált SZIE-rendszernek megfelelıen.

3.1. Az optimalizált hagyományos és az energetikai alapú szabályozások Vizsgálataim szigorúan véve a 3.1. ábrának megfelelı, külsı hıcserélıs HMV készítı napkollektoros rendszerekre vonatkoznak, mindazonáltal az eredmények könnyen adaptálhatóak egyéb – például úszómedencét főtı – rendszerek esetére is. Ebben a dolgozatban azzal a legegyszerőbben kivitelezhetı, ezért legüzembiztosabb és legelterjedtebb esettel foglalkozom, amikor a szivattyúk állandó térfogatárammal dolgoznak. Ez bizonyos üzemi körülmények mellett kifejezetten optimális, illetve az optimálishoz közelálló, amint a szakirodalmi részben erre utaltam. A gyakorlatban tehát megvan és a jövıben is meglesz a létjogosultsága rögzített térfogatáramú szabályozások fejlesztésésvel foglalkozni (a szintén gyakran alkalmazott változó térfogatáramú szabályozások fejlesztése mellett). Az állandó térfogatáramú szabályozás ki-bekapcsolásos szabályozást jelent. Mivel a vizsgált típusú (és a SZIE-rendszerhez hasonló, vagy kisebb mérető) napkollektoros rendszerek folyamatait kellıen lassúnak, kvázistacionáriusnak tételezhetjük fel, ezért azt is feltehetjük, hogy a rendszerben nem ébrednek olyan nagy erık, amelyek üzemzavart okozhatnának, állásos szabályozás alkalmazásakor. (A szivattyúk indításakor és leállításakor, a térfogatáram-változás kellıen lassú mindehhez, a rendszer tehetetlenségébıl eredıen. A szivattyúk térfogatárama maga is viszonylag kis értékő.) Tehát ki-bekapcsolásos szabályozás problémamentesen alkalmazható, ellenırzı dinamikai vizsgálatok nélkül is. A szakmai gyakorlat tapasztalatai is ezt támasztják alá. A gyakorlatban általánosan alkalmazott hagyományos szabályozásban a napkollektor (kilépı) hımérsékletét és a szolár tároló (megfelelı rétegének) hımérsékletét mérjük, továbbá állandó ki- és bekapcsolási hımérsékletkülönbségekkel dolgozunk, egy rögzített hiszterézisértéknek megfelelıen. A szabályozó hımérséklet-különbség a kollektor hımérsékletének és a tároló hımérsékletének a különbsége, azaz ez a hımérséklet-különbség határozza meg, hogy a szivattyúk mikor legyenek be-, illetve kikapcsolva. Az energetikai alapú szabályozás a hagyományossal szemben változó ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségekkel dolgozik abból a célból, hogy a rendelkezésre álló napenergiát minél nagyobb, a hagyományos szabályozás által 50


kinyerhetıt meghaladó, mértékben kiaknázzuk. Ez a hasznosított napenergia mértékének maximalizálására irányuló törekvés indokolja az „energetikai alapú” kifejezést. Elvégzem a hagyományos szabályozás optimálását is, azaz úgy határozom meg az ide vonatkozó rögzített ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségeket, hogy a hagyományos szabályozás is a lehetı legtöbb napenergiát aknázza ki. A szabályozások hatékonyságának összehasonlításakor az optimalizált hagyományos szabályozásra vonatkozó eredményeket használom fel, hogy a hagyományos szabályozást ne részesítsem hátrányban és az összehasonlítás eredményei mérvadóak legyenek. Az összehasonlítást mind számítógépes szimulációs (TRNSYS) környezetben, mind mérési adatok felhasználásával elvégzem. A tárgyalás során szükség lesz a rendszer csöveiben érvényes energiamegmaradást leíró, egydimenziós parciális differenciálegyenletre, amely rendelkezik explicit formában felírható analitikus megoldással: ρ csı c csı Acsı

∂Tcsı ∂Tcsı − k csı (Tcsı − Tcsı ,körny ) . = − ρ csı c csı V&csı ∂t ∂x

(3.1)

Az ellenáramú hıcserélıkre vonatkozó, Bošnjakovič-tényezıvel számoló energiaegyensúlyi egyenletet alkalmaztam (l. még: 3.1. ábra, ill. (2.49) egyenlet): Φ (Tkoll ,h ,be − Tt ,h ,be ) = Tt ,h ,ki − Tt ,h ,be .

(3.2) Tkoll,ki

Tkoll,h,be Tt,t,be

kollektor kör Kollektorkör

Tt,h,ki

Tkoll,h,ki Tt

tároló kör Tárolókör

Vkoll

Tt,h,be Vt

3.1. ábra: A napkollektoros rendszer egyszerősített folyamatábrája Amennyiben figyelembe kívánjuk venni a szivattyúk által felhasznált villamos energiát, úgy a következı feltételeknek teljesülniük kell ahhoz, hogy a rendszer mőködése mind energetikai, mind költséghatékonysági szempontból gazdaságos legyen. Elıször is, ha a szivattyúk járnak, a melegítendı közegnek (a tárolóbeli víznek) idıegységenként több hıenergiát kell átadni, mint amennyi villamos energiát a szivattyúk felhasználnak:

51

3. Anyag és módszer ∆T >

Psz . cvV&t ρ v

(3.3)

Másodszor, a melegítendı közeg napenergiával történı melegítése során idıegységenként megtakarított kiegészítı főtési (gáz) energia ára szintén több kell legyen, mint a szivattyúzás villamos fogyasztásának költsége: ∆T >

Psz K v . cvV&t ρ v K g

(3.4)

Számítógépes szimulációk felhasználásával a 3.1. ábrának megfelelı mellett az alábbi, 3.2. ábrán látható, váltószelepes esetet is megvizsgálom a szabályozások hatékonyságának összehasonlításával. Így egy váltószelep beépítésének az esetleges elınye is mérlegelhetı. Tkoll,ki

Tkoll,h,be

Tt,t,be

kollektor kör Kollektorkör

Tt,h,ki Tt

Tkoll,h,ki tároló kör Tárolókör

Vkoll

Tt,h,be Vt

3.2. ábra: A váltószeleppel kiegészített napkollektoros rendszer egyszerősített folyamatábrája Megjegyzendı, hogy a vizsgált rendszer tárolóköri csövei a talajban találhatóak. Az optimalizált hagyományos szabályozás és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásának kidolgozásához a napkollektoros rendszer alábbi részét, mint szabályozandó szakaszt jelöltem ki:

52


Tkoll,ki Tkoll,körny

Vkoll Tkoll,h,be Tt,t,be Tt,á Tt

Tt,h,ki

Tföld,felt

Tt,h,be Vt

3.3. ábra: Szabályozandó szakasz az optimalizált hagyományos szabályozás és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárása szempontjából Az ábrán a legfontosabb jellemzık láthatók. További jellemzık: kcsı , koll , kcsı ,t , Acsı , koll , Acsı ,t , tcsı , koll , tcsı ,t , ρ koll , ρ v , ckoll , cv . Tt a tároló alsó harmadának hımérséklete. A szakaszt leíró matematikai modellt azon feltevés mellett kapjuk, hogy a tároló hımérsékletváltozása elhanyagolható azon idıtartam alatt, míg a kollektorból, illetve a tárolóból kilépı folyadék, járó szivattyúk mellett, a hıcserélıhöz ér. A tároló hıveszteségét a környezet felé szintén elhanyagolom, továbbá a tároló esetleges HMV fogyasztás miatti hőlését kellıen lassúnak tételezem fel, így az esetleges HMV fogyasztásból eredı hıveszteséget is elhanyagolom a szabályozások kidolgozása során. A szakaszt leíró matematikai modell, járó szivattyúkat feltételezve, a következı:

V& (T −T ) T&t ,á = t t ,t ,be t , Vt

(3.5)

 − kcsı ,koll tcsı ,koll Tkoll ,h ,be = Tkoll ,körny + (Tkoll ,ki − Tkoll ,körny )exp  ρ koll ckoll Acsı ,koll −k t  Tt ,h,be = T föld + (Tt − T föld )exp csı ,t csı ,t  ,  ρ v cv Acsı ,t  Tt ,h,ki = Φ (Tkoll ,h,be − Tt ,h,be ) + Tt ,h,be , −k t Tt ,t ,be = T föld + (Tt ,h ,ki − T föld )exp csı ,t csı ,t  ρ v cv Acsı ,t

 ,  

(3.6) (3.7) (3.8)

 .  

(3.9)

A tároló átlagos hımérsékletének idı szerinti deriváltjára vonatkozó (3.5) egyenlet mind kevert, mind rétegzett tárolóra érvényes. A (3.6), (3.7), (3.9) egyenletek a

53


(3.1) differenciálegyenlet analitikus megoldásának felelnek meg. A (3.8) egyenlet (3.2)-nek felel meg. Az egyenletek megfelelı összevonásával és átrendezésével a (3.6), (3.7), (3.8), (3.9) összefüggések a következıvel helyettesíthetık:

   − kcsı ,koll tcsı ,koll   − (T föld + (Tt − T föld ) ⋅ Tt ,t ,be = T föld +  Φ  Tkoll ,körny + (Tkoll ,ki − Tkoll ,körny )exp    c A ρ koll koll csı koll ,    

−k t  −k t  −k t  ⋅ exp csı ,t csı ,t   + (Tt − T föld )exp csı , t csı , t   exp csı , t csı , t  .   ρ v cv Acsı ,t    ρ v cv Acsı ,t   ρ v cv Acsı ,t  

(3.10)

Amennyiben a tárolóköri szivattyú nem jár,

T&t ,á = 0.

(3.11)

Amennyiben a tárolóköri szivattyú jár, de a kollektorköri nem, az (3.5) egyenlet továbbra is érvényes, a (3.10) egyenlet viszont a következıre módosul:

Tt ,t ,be = T föld

 −k t + (Tt − T föld ) exp csı ,t csı ,t   ρ v cv Acsı , t 

2

  .  

(3.12)

A (3.12) összefüggés a Tt ,h ,ki = Tt ,h ,be feltételezés mellett született, azaz V&koll = 0 mellett elhanyagoltam a hıcserélın belüli hıátvitelt. A szabályozandó szakasz hatásvázlata a következı: Tkoll,ki Tkoll,körny Vkoll Vt

Tt

Tt,á

Tt,t,be

3.4. ábra: A szabályozandó szakasz hatásvázlata az optimalizált hagyományos szabályozás és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárása szempontjából Bemenı jelek: Tkoll ,ki , Tkoll ,körny (zavaró jel), V&koll (módosított jellemzı), V&t (módosított jellemzı). Kimenı jel: T&t ,á (szabályozott jellemzı). Állapotváltozók: Tt , Tt ,t ,be . Paraméterek: Φ , kcsı , koll , kcsı ,t , Acsı , koll , Acsı ,t , tcsı , koll , tcsı ,t , ρ koll , ρ v , ckoll , cv .

54


3.1.1. Az optimalizált hagyományos szabályozás A hagyományos szabályozás kikapcsolja a szivattyúkat, ha Tkoll ,ki ,m − Tt ,m egy elıre meghatározott értéknél kisebb és bekapcsolja azokat egy nagyobb, szintén rögzített érték esetén. Ez a szabályozás nem számítja a rendszer hıveszteségét, csupán egy rögzített, pozitív kikapcsolási hımérséklet-különbséget használ, így biztosítandó, hogy a szivattyúk ténylegesen csak akkor járjanak, ha ezzel hıbevitelt idézünk elı a szolár tároló számára, azaz a visszahőtést biztosan elkerüljük. Mindazonáltal ennek az értéknek a lehetı legkisebbnek kell lennie, hogy a szoláris potenciál minél nagyobb hányadát kihasználjuk. Hogy a fenti célból az elıforduló legnagyobb, de még reális hıveszteségeket vegyük figyelembe a rendszerben, számoljunk 55 °C-kal a teljes tárolókörben, T föld , felt =10 °C-os talajhımérséklettel és Tkoll ,körny , felt = -5 °C-os környezeti hımérséklettel! (A viszonylag magas rendszerbeli hımérsékletek és alacsony környezeti hımérsékletek mellett jellemzıek a legnagyobb hıveszteségek.) A fenti feltételezett értékek mellett, járó szivattyúkat feltételezve, kiszámítható Tkoll ,ki azon minimális értéke, amely mellett Tt ,t ,be ≥ Tt , felt . Tkoll ,ki ezen minimális értékének és a Tt , felt értéknek a különbségét jelöljük ∆Thagy -sal. Az optimalizált hagyományos szabályozásban (a tároló visszahőtésének reális esetekben való biztos elkerülésére) elıírjuk, hogy a szivattyúk csak akkor járhatnak, ha  P P K Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Thagy + max sz , sz v  c V& ρ c V& ρ K  v t v v t v g

 .  

(3.13)

A (3.13) egyenlet jobb oldalának második tagjával vesszük figyelembe a szivattyúk villamos fogyasztását a (3.3), (3.4) egyenletek és az ott leírtak szerint. Amennyiben a szivattyúk villamos fogyasztását nem kívánjuk számításba venni, (3.13) jobb oldalából a második tagot elhagyjuk. A szabályozás célja, a fenti feltétel mellett, dinamikus optimálási feladatként (Szabó, 2001) fogalmazható meg, tetszıleges napra vonatkozóan:

∫ T&

t ,á egy nap

dt → max .

(3.14)

Feltételezve, hogy reális, üzemszerő esetekben, az aktuális Tkoll ,ki és a hozzátartozó Tt ,t ,be különbsége mindig kisebb vagy egyenlı, mint a fentebb részletezett, legnagyobb hıveszteséggel járó feltételezett esetben, a (3.14) feladat megoldása triviális: a szivattyúk pontosan akkor járjanak, ha a (3.13)-nak megfelelı feltétel teljesül. A feladat hagyományos szabályozásnak megfelelı, állásos szabályozással történı megoldása csak (elıre rögzített) hiszterézis ( ∆Thiszt ) alkalmazásával lehetséges, a

55


szabályozás lengésének kivédése érdekében. Ennek megfelelıen, az optimalizált hagyományos szabályozás mőködési algoritmusa a következı:

Tkoll ,ki,m − Tt ,m > ∆Tbe ,hagy , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tkoll ,ki,m − Tt ,m > ∆Tki ,hagy és a szivattyúk járnak ,

Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,hagy a szivattyúk ne járjanak, ha Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,hagy .

(3.15) és a szivattyúk nem járnak, vagy

 P Psz K v  , ha a szivattyúk villamos fogyasztását ∆Tki ,hagy = ∆Thagy + max sz , &  c V ρ c V& ρ K   v t v v t v g figyelembe vesszük, ∆Tki ,hagy = ∆Thagy , ha a szivattyúk villamos fogyasztását nem vesszük figyelembe. ∆Tbe ,hagy = ∆Tki ,hagy + ∆Thiszt . ∆Thagy (3.10)-bıl a feltételezett hımérsékletek felhasználásával fejezhetı ki:

  −k t   1  1 ∆Thagy =  Tt , felt + (Tt , felt − T föld , felt )1 − exp csı , t csı ,t   − 1 + (Tt , felt − T föld , felt ) ⋅     ρ v cv Acsı ,t   Φ  Φ      k t    k  t ⋅  exp csı , t csı , t  − 1 − Tkoll , körny , felt  exp csı , koll csı , koll  − Tt , felt + Tkoll , körny , felt .     ρ v cv Acsı , t    ρ koll ckoll Acsı , koll    (3.16) 3.1.2. Az energetikai alapú szabályozás a/ eljárás A szabályozás elve az elızıekhez hasonló, azzal a különbséggel, hogy a kikapcsolási hımérséklet-különbséget nem tartjuk állandó értéken, hanem bizonyos idıközönként (a rendelkezésre álló mérések idıközei szerint) újraszámítjuk. Tkoll ,körny ,m , Tt ,m és T föld , felt alapján, járó szivattyúkat feltételezve, kiszámítható Tkoll ,ki azon minimális értéke, amely mellett Tt ,t ,be ≥ Tt ,m . Tkoll ,ki ezen minimális értékének és a Tt ,m értéknek a különbségét jelöljük ∆Ten ,a -val, ami tehát idıben változó mennyiség. A visszahőtés elkerülése érdekében és a szivattyúk villamos fogyasztását figyelembe véve, az elızıekhez hasonlóan, elıírjuk, hogy a szivattyúk csak akkor járhatnak, ha

 P P K Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Ten,a + max sz , sz v  c V& ρ c V& ρ K  v t v v t v g 56

 .  

(3.17)


Amennyiben a szivattyúk villamos fogyasztását nem kívánjuk számításba venni, (3.17) jobb oldalából a második tagot elhagyjuk. A szabályozás célja, a fenti feltételek mellett, itt is (3.14)-nek megfelelı:

∫ T&

t ,á egy nap

dt → max .

Állásos szabályozás szerinti megoldást célozunk meg, amely triviális: a szivattyúk pontosan akkor járjanak, ha a (3.17)-nek megfelelı feltétel teljesül. Megjegyzendı, hogy ha csak a kollektorköri szivattyú járna, T&t ,á = 0 lenne. Ha csak a tárolóköri szivattyú járna, figyelembe véve, hogy reális esetekben T föld ≤ Tt , (3.12) szerint adódik, hogy T&t ,á < 0 lenne. Tehát mindkét szivattyú egyidejő kapcsolása az ideális. A gyakorlatban természetesen hiszterézist kell alkalmazni, így az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásának mőködési algoritmusa a következı:

Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tbe ,en,a , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tki ,en,a és a szivattyúk járnak ,

Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,en,a a szivattyúk ne járjanak, ha Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,en,a .


 P Psz K v  , ha a szivattyúk villamos fogyasztását ∆Tki ,en,a = ∆Ten,a + max sz ,  c V& ρ c V& ρ K   v t v v t v g figyelembe vesszük, ∆Tki ,en ,a = ∆Ten ,a , ha a szivattyúk villamos fogyasztását nem vesszük figyelembe. ∆Tbe,en ,a = ∆Tki ,en ,a + ∆Thiszt . ∆Ten ,a (3.10)-bıl a megfelelı mért hımérsékletek felhasználásával fejezhetı ki:

  −k t   1  1 ∆Ten, a =  Tt , m + (Tt , m − T föld , felt )1 − exp csı ,t csı , t   − 1 + (Tt , m − T föld , felt ) ⋅     ρ v cv Acsı ,t   Φ  Φ      k t    k t ⋅  exp csı , t csı ,t  − 1 − Tkoll , körny , m  exp csı , koll csı , koll     ρ v cv Acsı , t    ρ koll ckoll Acsı , koll  

57

  − Tt , m + Tkoll , körny , m .   (3.19)


b/ eljárás A vonatkozó rendszerrész, mint szabályozandó szakasz, ez esetben a következı:

Tt,t,be Tt,á Tt

3.5. ábra: A szabályozandó szakasz az energetikai alapú szabályozás b/ eljárása szempontjából A szabályozandó szakasz hatásvázlata a következı: Tt,t,be Vt

Tt

Tt,á

3.6. ábra: A szabályozandó szakasz hatásvázlata az energetikai alapú szabályozás b/ eljárása szempontjából Bemenı jelek: Tt ,t ,be , V&t (módosított jellemzı). Kimenı jel: T&t ,á (szabályozott jellemzı). Állapotváltozó: Tt . Paraméterek: ρ v , cv . Tt itt is a tároló alsó harmadának hımérséklete A szabályozás célja itt is a (3.14) feladat szerinti. Az állásos szabályozásnak megfelelı megoldás triviális: a szivattyúk pontosan akkor járjanak, ha Tt ,t ,be ,m > Tt ,m . Természetesen a gyakorlatban itt is hiszterézist ( ∆Thiszt ,en ,b ) kell alkalmazni, továbbá a kikapcsolási hımérséklet-különbséget (kis) pozitív értéknek kell választani, hogy a visszahőtést biztosan elkerüljük:

 P Psz K v ∆Tki ,en,b = ∆Ten,b + max sz ,  c V& ρ c V& ρ K  v t v v t v g

 ,  

(3.20)

ahol ∆Ten ,b > 0 választott érték. (Az optimalizált hagyományos szabályozásban és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában ezt a biztonságot a paraméterek ( Φ , T föld , felt , k csı ,koll , stb.) óvatos megválasztása biztosította.) 58


(3.20)-ban figyelembe vettük a tárolóköri szivattyú villamos fogyasztását. Ha ezt elhanyagoljuk, (3.20) jobb oldalából a második tagot elhagyjuk. Az energetikai alapú szabályozás b/ eljárásának mőködési algoritmusa a következı:

Tt ,t ,be ,m − Tt ,m > ∆Tbe ,en,b , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tt ,t ,be ,m − Tt ,m > ∆Tki ,en,b és a szivattyúk járnak ,

Tt ,t ,be,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,en,b a szivattyúk ne járjanak, ha Tt ,t ,be,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,en,b .


∆Tbe ,en ,b = ∆Tki ,en ,b + ∆Thiszt ,en ,b .

A kollektorköri szivattyú az a/ eljárás szerint mőködik. A tárolóköri szivattyú az a/ és b/ eljárások közötti logikai VAGY kapcsolat szerint mőködik, azaz ha legalább az egyik eljárás a szivattyú bekapcsolt állapotát írja elı, a tárolóköri szivattyú jár. Megjegyzések Az energetikai alapú szabályozás felhasználja a csövekben lévı folyadék hőlését leíró differenciálegyenletet és a hıcserélıkre vonatkozó hıátadási összefüggést, a tárolóba belépı víz hımérsékletének elırejelzésére. Tehát az energetikai alapú szabályozás egyfajta modell alapú szabályozás. A hagyományos szabályozásban a szivattyúk mindig egyszerre járnak, az energetikai alapú szabályozás esetén a tárolóköri szivattyú külön is járhat. Psz számértéke az a/ és b/ esetben különbözı, az éppen járó szivattyú(k)nak megfelelıen.

Figyeljük meg, hogy az energetikai alapú szabályozás kialakításában nem kerülnek beépítésre a napkollektorban lejátszódó hıtani folyamatok, mivel a kollektor fizikai és geometriai paramétereit nem használom fel, csak közvetlenül a kollektor kilépı folyadékhımérsékletét. Így a szabályozás mőködését nem terhelik a napkollektor által képviselt, egyébként elkerülhetetlenül fellépı, bizonytalanságokból eredı pontatlanságok. Ez a szabályozás egyszerre célozza meg, hogy eljuttassa a szolár tároló számára a legkisebb, még hasznosítható szoláris potenciált és a legkisebb, a tároló hidraulikus körének csöveiben fennmaradó hıenergia-többletet. Ily módon az energetikai szabályozás igyekszik a tárolót mindenkor a lehetı legmagasabb energiaszinten tartani, azaz a fogyasztó számára mindig a lehetı legnagyobb hıkivételt biztosítani. 3.1.3. A szabályozások váltószeleppel való kiegészítése A szolár tároló visszahőtésének mindenkori kizárása céljából a tároló elıtt egy váltószelep modellezését is megvalósítottam. Ennek elsısorban olyankor van

59


jelentısége, amikor a hıcserélı és a szolár tároló között hosszú csıszakaszok és nagy mennyiségő víz található. A váltószelep a rendszer szabályozási algoritmusától függetlenül, a következıképpen mőködik (l. 3.2. ábra): a Tt ,t ,be,m (váltószelep elıtti) és a Tt ,m hımérsékletek különbsége alapján a váltószelep be- illetve kikapcsolja a tárolót a hidraulikai áramlásból. Utóbbi esetben a víz a megkerülı ágon közlekedik. A ki/bekapcsolási hımérséklet-különbségek a modellben akár 0/0 °C-nak is vehetık (egyfajta elméleti optimum a tárolóba betáplált hıenergia szempontjából). A gyakorlatban azonban – a mérési pontatlanságok miatt – 0 °C-nál nagyobb kikapcsolási hımérséklet-különbséget és, a lengések elkerülése végett, 0 °C-nál nagyobb hiszterézisértéket kell alkalmazni. Mind a kikapcsolási hımérséklet-különbségnek, mind a hiszterézisnek természetesen minél kisebbnek kell lennie, hogy a rendszerben lévı hıpotenciált a lehetı legjobban/leggyorsabban kihasználjuk a szolár tároló és így a fogyasztó javára.

3.2. A vizsgálatokhoz felhasznált eszközök 3.2.1. A fizikai alapú modell A 3.1. ábrán látható rendszer fizikai alapú modelljének kidolgozását a 3.7. és 3.8. ábráknak megfelelıen a már említett TRNSYS (Klein et al., 2005) és a MAPLE (Waterloo Maple Inc., 2002) programcsomagok segítségével valósítottam meg. A 3.8. ábrán látható módon a fıbb rendszerelemek külön részmodellekben kaptak helyet, amelyek a TRNSYS-ban beépített komponensekként szerepelnek és önállóan is futtathatók. Ilyen komponensek a Perers, Bales (2002), illetve a (2.29) szerinti kollektor részmodell (832-es típus a TRNSYS-ban (Heimrath et al., 2003)), a (2.49) szerinti ellenáramú hıcserélı részmodell (5b típus), a (2.32)-(2.38) szerinti rétegezett szolár tároló részmodell (60c típus), a szivattyúk részmodellje (114-es típus), a csıszakaszok részmodellje (31-es típus), a hagyományos szabályozás részmodellje (2b típus) és az energetikai alapú szabályozás kialakítására szolgáló komponensek (2b típusú komponensek, a vonatkozó egyenletek megadására szolgáló Egyenl. 1, 2, 3 komponensekkel). A modell akár mérésekbıl, akár meteorológiai modellbıl/idıjárási mintaadatokból és mintafogyasztásból származó bemenı adatokkal is futtatható. A további tárgyalás során az utóbbi esetrıl lesz szó. A modell bemenetei speciális komponensekbıl kerülnek beolvasásra. Az egyik ilyen a „Meteorológiai adatbázis” komponens (109-es típus), amely egy, a szoftverbıl kiválasztható idıjárási adatfájlt hív meg. Az idıjárási adatok azonban a szoftveren kívüli külsı forrásból, például mért adatokból is beolvashatók, ami más típusú komponens felhasználásával történhet. A másik a szolár tárolóból történı HMV-elvételt adja meg, „Fogyasztási profil” (9c típus), egy külsı adatfájl segítségével (3.7. ábra).

60

3. Anyag és módszer Ig Meteorológiai adatbázis

Fogyasztási profil

Tt

Tkoll,körny Tt,körny

Rendszermodell További (tetszıleges) kimenetek

Vfogy

3.7. ábra: A napkollektoros rendszer modelljének hatásvázlata A fenti ábrán Tt számított értéket jelent.

Type2b energetically-based control for both pumps 2b energetikai alapú szab. mindkét szivattyúnak

ordinary control Equations 1 Egyenl.2 Equations 2 2b Type2b hagyományos szab. Egyenl.1

Equations 3 Egyenl.3 Type2b energetically-based controlafor the kindergarten pump 2b energetikai alapú szab. tároló szivattyúnak

Type109-TMY2 109-TMY2

Type31 Type114-2 31 típ. 114-2. típ.

Type31-2 31-2 típ.

Type31-5 31-5 típ.

Type114 114 típ.

Type31-6 31-6 típ. Type60cNoHeat 60c típ.

5b típ. Type5b Collector(832) 832 típ.

31-4 típ. Type31-4

Type31-8 31-8 típ.

Type31-3 31-3 típ.

Type31-7 31-7 típ. Type9c 9c típ. Load fogy.profile profil

Equations Egyenl.44

3.8. ábra: A napkollektoros rendszer modelljének TRNSYS-beli megvalósítása A modell meghatároz és tekintetbe vesz minden, a napkollektoros rendszer teljesítményét és hatékonyságát befolyásoló energiatagot, úgymint a napkollektorok felületére besugárzott energiát, a napkollektorok által hasznosított energiát, a hıcserélıben átadott energiát és végül a fogyasztó által ténylegesen hasznosított napenergiát. A mindenkori fogyasztási igényeknek megfelelı kiegészítı főtés alkalmazása – csekély módosítással – szintén megoldható. Az egyes komponensek mőködését leíró matematikai egyenletek részletezése a vonatkozó TRNSYS dokumentációban (Klein et al., 2005) található meg.

61


A váltószeleppel kiegészített rendszer modelljét is kidolgoztam a 3.9. ábra szerint. Újabb rendszerelemek: a váltószelep részmodellje (11f, 11h típusok) és a váltószelep vezérlésének részmodellje (2b („szelephez”) típus).

2b en. energetically-based alapú szab. mindkét szivattyúnak Type2b control for both pumps ordinary control Equations 1 Egyenl.2 Equations 2 Egyenl.3 Equations 3 2bType2b hagyományos szab. Egyenl.1 Type2b energetically-based kindergarten pump 2b energetikai alapú control szab.fora the tároló szivattyúnak

Type109-TMY2 109-TMY2

Type31 Type114-2 31 típ. 114-2. 31-2 típ. típ. Type31-2

Type31-5 Type114 31-5 típ. 114 típ.

Type31-6 31-6 típ.

Type11f 11f típ. Type11h 11h típ.

Type5b 5b típ. Collector(832) 832 típ.

Type31-4 31-4 típ.

31-3 típ. Type31-3

Type31-8 31-8 típ.

Type60cNoHeat 60c típ.

Type31-7 31-7 típ. Type2b valve 2b típ. for szelephez

Equations Egyenl.44

Type9c 9c típ.Load fogy.profile profil

3.9. ábra: A váltószeleppel kiegészített napkollektoros rendszer modelljének TRNSYS-beli megvalósítása Megjegyzendı, hogy a TRNSYS programcsomagot, amelyet tranziens hıtani folyamatokon alapuló fizikai/mérnöki rendszerek modellezésére fejlesztettek ki, széles körben használják komplett napkollektoros rendszerek modellezésére is (l. pl. uszodát főtı napkollektoros rendszer modellezésére (Ruiz, Martínez, 2010), HMV készítı napkollektoros rendszer modellezésére (Ayompe et al., 2011; Glembin, Rockendorf, 2011), épületfőtı napkollektoros rendszer modellezésére (Zeghib, Chaker, 2011)). 3.2.2. A kibıvített napkollektoros rendszer A 3.10. és 3.11. ábrákon a Szent István Egyetem campusán telepített napkollektoros rendszer (SZIE-rendszer) (Farkas et al., 2001) kollktormezıje és szolár tárolója, a 3.12. ábrán pedig a mőködési vázlata látható.

62


3.10. ábra: A SZIE-rendszer kollektormezıje (Géczyné Víg, 2007)

3.11. ábra: A SZIE-rendszer szolár tárolója (Géczyné Víg, 2007) A berendezés elvileg párhuzamosan és egymástól függetlenül egy uszodát és egy óvodát lát el melegvízzel. A gyakorlatban a rendszer nyáron teljes egészében az úszómedencét főti, egyéb idıszakokban pedig az óvodai szolár tárolót. A fogyasztók hıigényét, a szoláris energia mellett, földgázüzemő kiegészítı főtés biztosítja. A rendszer kompakt lemezes hıcserélıket tartalmaz, a szolár tároló térfogata 2000 liter. A napkollektorok részben soros, részben párhuzamos kapcsolásúak. A rendszer késıbb részletezett modellezése során a déli tájolású, 45°-ban döntött kollektormezıt egy ekvivalens, 33,3 m2-es, napkollektorral vettem figyelembe. Mért térfogatáram-, hımérséklet-, valamint csıtérfogat-adatok alapján az ekvivalens napkollektor és az óvodai hıcserélı közötti csövek hossza ( Lcsı , koll ) 63


mintegy 80 m (mindkét irányban), a szolár tároló és ugyanezen hıcserélı között pedig ( Lcsı ,t ) mintegy 115 m. A csövek átmérıje 6/4”. Az 3.12. ábrának megfelelıen a következı jellemzık mérése történik: T : hımérsékletek (°C), I g (W/m2) V& : térfogatáramok (m3/s).

64


Kollektorkör

Tárolókör

3.12. ábra: A SZIE-rendszer mőködési vázlata

65


A napkollektoros rendszer eszközeinek nagy része rendelkezésre állt már a munkám kezdetekor, beleértve a mérıhálózatot is. Doktori munkám részeként, ipari szakértıi munka bevonásával, a T20 és T21 jelő hımérsékletérzékelıkkel, egy hımennyiségmérıvel (amely a T22, T23 hımérsékleteket, a V&t , 2 térfogatáramot és a Q& , tárolóba a hıcserélı felıl érkezı, hıteljesítményt méri), a tároló melletti t

kétjáratú motoros szeleppel és néhány szükséges ADAM típusú mérımodullal bıvítettem hardveresen a rendszert. A mérési adatokat győjtı számítógépet modern ipari számítógépre cseréltem, továbbá a korábbi, a Fizika és Folyamatirányítási Tanszéken kifejlesztett adatgyőjtı szoftvert, amely a korábbi céloknak megfelelt, a GeniDAQ 4.10 mérı-szabályozó szoftverrel helyettesítettem, az új feladatoknak megfelelıen. A szoftveren keresztül biztosítottam a rendszer szabályozásának lehetıségét mind a hagyományos, mind az energetikai alapú szabályozásokkal. A mért fizikai jellemzık percenkénti rögzítését adtam meg, a rendszeren kialakult korábbi gyakorlatnak megfelelıen. Az adatgyőjtı számítógépet – az óvodával szomszédos gimnázium jóvoltából – vezeték nélküli eszközök beszerzése után sikerült csatlakoztatnom a gimnázium internetes hálózatához. Így a napkollektoros rendszer mérési adatainak begyőjtése és szabályozásának módosítása távolról, az interneten keresztül is lehetséges. Vizsgálataim óvodai üzemre vonatkoznak. Méréses vizsgálataim mindig a tároló felé nyitott motoros szeleppel történtek.

3.3. A szabályozások és a modell identifikálása Valamely konkrét napkollektoros rendszeren (esetünkben a SZIE-rendszeren) való alkalmazásukhoz, meg kell adni a hagyományos és az energetikai alapú szabályozások be- és kikapcsolási hımérséklet-különbségeit. A matematikai modellel történı összehasonlításhoz identifikálni kell a konkrét napkollektoros rendszernek megfelelıen a rendszer modellbeli paraméterértékeit, és validálni kell a modellt.

3.3.1. A napkollektoros rendszer paraméterértékeinek a szabályozásokhoz való identifikálása A be- és kikapcsolási hımérséklet-különbségek megadásához a 3.1. fejezetnek megfelelıen szükség van a SZIE-rendszer bizonyos fizikai és geometriai paramétereinek értékére. Kellıen pontos elızetes információk hiányában az Lcsı , koll , Lcsı ,t , kcsı , koll , k csı ,t és Φ értékeket mérési adatok felhasználásával meg kellett határoznom. Az Lcsı , koll értékét viszonylag egyszerően meg tudtam határozni. A napkollektoros

rendszer karbantartási munkálatai részeként sor került a kollektorköri folyadék teljes cseréjére. Az újratöltéshez szükséges (130 liternyi) kollektorfolyadék mennyiségének, a napkollektorok dokumentációból ismert őrtartalma és a 66


megfelelı csövek átmérıjének ismeretében a keresett érték számítható: Lcsı , koll = 80 m. A tárolóköri csövek hosszának ( Lcsı ,t ) meghatározását becslés terheli a következı okból: a csövek nagyrészt a föld alatt haladnak, pontosan nem ismert mélységben, ráadásul a hıcserélı és a szolár tároló között jelentısebb, kb. 5 méternyi szintkülönbség is van. Ezért az adat részben mért, részben becsült. Mindazonáltal, összevetve a csı átmérıjét és a szolár tároló térfogatát, akár 10-20 méteres tévedés a csıhosszban, néhány százalékos hibát jelent a tároló hımérsékletének számításában. A részben mért, részben becsült érték a következı: Lcsı ,t = 115 m. A további paraméterértékeket a mérırendszer mérési adatai által határoztam meg, nem a számos adatból származtatott átlagos értékekként, hanem azon mérési eredményekkel számolva, amelyekkel reális, de a napkollektoros rendszer hıvesztesége szempontjából kedvezıtlen értékek adódnak. Tehát olyan méréseken alapuló paraméterértékeket vettem fel, amelyekkel biztosítom, hogy a napkollektoros rendszer tartós üzeme (a szivattyúk folyamatosan bekapcsolt állapota) mellett, a szolár tároló visszahőtését elkerüljük. Vagyis tartós üzem mellett így mindenkor elkerüljük, hogy a hıcserélın átáramló, majd kilépı víz a tárolóhoz érve, a közvetítı csövön keresztüli hıveszteséget is elszenvedve a tárolóénál alacsonyabb hımérséklettel lépjen a tárolóba és visszahőtse azt. Ez a biztonságra való törekvés összhangban áll az általános mérnöki gyakorlattal, továbbá egyformán érinti az energetikai alapú és a hagyományos szabályozásokat, tehát azok mérvadó összehasonlítása lehetséges marad. A fentieknek megfelelıen, félempirikus identifikációt dolgoztam ki kcsı , koll , k csı ,t és Φ meghatározására. Ezt mutatom be a következıkben. Az alábbiakban járó szivattyúk melletti mérési adatokat használtam fel. kcsı , koll meghatározása

2010. október 14-ei mérési adatokat használtam fel. T8 T1

Hımérséklet,°C°C Hõmérséklet,

41.5

41

40.5

40

760

765

770

775

780

Idõ, Idı,min min

3.13. ábra: T8 és T1 egy mért idıintervallumban 67

785


A fenti ábráról leolvasható, a T8 és T1 helyi minimumai szerint, a folyadék hőlése az egyik kollektorköri csıágban megtett útja során, valamint az eközben eltelt idı (775-765), percben megadva. A hőlés mértéke, a közben eltelt idı, a csıhossz ( Lcsı , koll ), a kollektorköri szivattyú térfogatárama (0,98 m3/h) és a csı geometriai paramétereinek ismeretében, a környezı talaj hımérsékletét konstansnak, 10 °Cnak feltételezve, kcsı , koll értéke meghatározható: k csı ,koll =0,45 W/(mK). k csı ,t meghatározása

Hasonló módon határozható meg k csı ,t értéke az alábbi ábra helyi maximumainak megfelelıen: k csı ,t =0,25 W/(mK). 2010. október 15-i mérési adatokat használtam fel. A csıhossz itt Lcsı ,t , a tárolóköri szivattyú térfogatárama pedig 0,63 m3/h. T10 T7

25.2

Hõmérséklet, °C °C Hımérséklet,

25 24.8 24.6 24.4 24.2 24 650

655

660

665

Idõ, min min Idı,

3.14. ábra: T10 és T7 egy mért idıintervallumban

68

670


Φ meghatározása A hıcserélıre vonatkozó Φ érték a Φ (T3-T7)=T4-T7 összefüggésbıl határozható meg (l. még (3.2)).

Hımérséklet,°C°C Hõmérséklet,

50

T3 T4 T7

45 40 35 30

812

812.5

813

813.5

814

814.5

815

Idõ, Idı,min min

3.15. ábra: T3, T4 és T7 egy mért idıintervallumban A fenti ábra 2010. október 14. egy idıintervallumában mutatja a T3, T4 és T7 hımérsékleteket. A Φ (T3-T7)=T4-T7 képletben az összetartozó T3, T4 és T7 értékeknél vegyük figyelembe a hıcserélık egyes oldalainak, dokumentációból ismert, térfogatát továbbá a szivattyú térfogatáramokat. Ezek ismeretében kiszámíthatók az egyes oldalak átáramlási idıi. Ezek a szükséges idıtartamok ahhoz, hogy a hıcserélık egyes oldalában lévı folyadékok kicserélıdjenek járó szivattyúk mellett. A megfelelı értékek a kollektor oldalán átlagosan 10 s, a tároló oldalán átlagosan 15 s. Ezek figyelembevételével, valamely adott idıpontbeli T3 és T7 értékekhez 15 s-mal késıbbi T4 érték tartozik. A fenti, közel konstans T3, T4 és T7 értékek alapján Φ -re a következı eredmény adódik: Φ =0,56.

3.3.2. A napkollektoros rendszer paraméterértékeinek modellbeli identifikálása, a modell validálása A fenti alfejezetben a napkollektoros rendszer bizonyos paraméterértékeinek olyan meghatározására került sor, ahol az említett biztonsági szempontok irányítottak. Most ezeknek a paraméterértékeknek olyan meghatározása történik a TRNSYS modell identifikálása céljából, ahol nem a biztonságra való törekvés a szempont, hanem az, hogy a modell viselkedése minél jobban megfeleljen a valós SZIErendszer viselkedésének. A paraméterértékek meghatározásánál több mérési adaton alapuló, átlagos értékeket vettem figyelembe. Ez esestben is az elızı fejezetben bemutatott félempirikus identifikációt alkalmaztam. 69


Az érintett paraméterek megfelelı értékei: kcsı , koll =0,22 W/(mK), k csı ,t =0,16 W/(mK), Φ =0,89. A modell identifikálásához a következı paraméterértékekre van még szükség: a kollektor optikai hatásfoka: η 0 =0,74, a kollektor lineáris hıveszteség tényezıje:

k1=3,688 W/(m2K), a kollektor másodfokú hıveszteség tényezıje: k2 =0,0207 W/(m2K2). Ezek az adatok a kollektorok mőszaki dokumentációjából származnak. A kollektorfolyadék fajhıje: ckoll =3623 J/(kgK), a kollektorfolyadék sőrősége: 3 ρ koll =1034 kg/m . A kollektormezı térfogata 27 liter, a hıcserélı kollektor oldali térfogata 2,5 liter, a tároló oldali térfogat 2,6 liter. A TRNSYS modell sajátosságai miatt ezeket az értékeket megfelelı hosszúságú csıszakaszok segítségével tudom figyelembe venni a modellben. A szolár tároló hıveszteség tényezıje a környezete felé 1 W/(m2K). A validálás 2011. május 13. adatai alapján történt. Ennek során a globális napsugárzási intenzitás, a szivattyú térfogatáramok, a fogyasztás térfogatárama, a hálózati hidegvíz és a környezeti hımérsékletek mért értékeit tápláltam a modellbe, mint bemenı adatokat, kivéve a talajhımérsékletet, amelyet konstansnak, 15 °Cnak feltételeztem. Megjegyzendı, hogy a talaj hımérsékletéhez nincs mérıberendezésünk, ezért azt becsülnöm kellett. Ilyen egyszerősítés mellett is elfogadható modellt kaphatunk, de ezt validálással úgyis ellenırizzük. A talaj hımérsékletét gyakran szokták a szakirodalomban becsülni, mérés helyett. Sokszor körülményes is lenne a talajhımérsékletet mérni, pláne több pontban, a csı hossza mentén. A becslés jogossága mellett szól, hogy a talajhımérséklet viszonylag állandó az év folyamán (kellı mélységben). A rétegezett szolár tároló részmodellben, tekintettel a hengeres tároló viszonylag nagy, 2,5 m-es magasságára, 14 réteget állítottam be. A tároló felsı harmadának mért (T21 a 3.12. ábrán) és modellel számított hımérsékletértékeit mutatja 3.16. ábra.

70

Tároló hőmérséklet, °C

3. Anyag és módszer 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19

mért számított

0

4

8

12

16

20

24

Idő, h

3.16. ábra: A tároló mért és számított hımérséklete a vizsgált napon A számított és a mért értékek átlagos abszolút eltérése 0,5 °C, illetve a tároló napi maximális abszolút hımérsékletváltozására vonatkoztatva 2,7%. Az eredmény alapján kijelenthetı, hogy a modell jellegre helyesen és kellı pontossággal követi a valós rendszer viselkedését az általános mérnöki gyakorlatnak és e munka céljainak szempontjából. A modell a valós rendszeren való mérésekkel kiegészítve felhasználható a napkollektoros rendszer szabályozásának fejlesztéséhez.

71

4. Eredmények

4. EREDMÉNYEK Ebben a fejezetben összehasonlítom az optimalizált hagyományos és az energetikai alapú szabályozásokat, váltószelep nélkül mind a TRNSYS modell szimulációs adatai, mind a valós SZIE-rendszeren végzett mérések alapján, illetve váltószeleppel szimulációs adatok alapján. Az összehasonlítás fı szempontjai a szolár tárolóba eljutó napenergia mennyisége, a szivattyúk villamos energiafogyasztása és a szivattyúk be- vagy kikapcsolásainak száma. A szolár tárolóba eljutó napenergia a tárolóba a hıcserélı felıl érkezı víz térfogatáramának és hımérsékletének, valamint a tárolóból a hıcserélı felé kilépı víz hımérsékletének felhasználásával számítható. A szivattyúk villamos fogyasztását a szivattyúk üzemideje határozza meg. A szivattyúk üzemidejének együttes figyelembevételéhez vezessük be a „szivattyúk ekvivalens üzemideje” fogalmát a villamos fogyasztás szempontjából. Ezen mennyiség segítségével a szivattyúk különbözı szabályozások melletti üzemidejét közvetlenül összehasonlíthatjuk. A szivattyúk ekvivalens üzemideje azon idıtartam, ameddig a két szivattyúnak egyszerre kéne járnia ahhoz, hogy ugyanannyi villamos energiát fogyasszanak mint a valódi, esetleg nem megegyezı üzemidık esetén. A szivattyúk ekvivalens üzemideje a következıképpen számítható: t sz ,e =

Psz ,koll t sz ,koll + Psz ,t t sz ,t Psz ,koll + Psz ,t

.

(4.1)

A hagyományos szabályozásnál a szivattyúk mindig egyszerre járnak, így az ekvivalens üzemidı közvetlenül a szivattyúk (egymáséval megegyezı) üzemideje. Az energetikai alapú szabályozás esetén a szivattyúk külön is járhatnak és együttesen határozzák meg az ekvivalens üzemidıt. A késıbbiekben szereplı óvodai hıfogyasztás a tárolóba érkezı csapvíz hımérséklete és térfogatárama, valamint a fogyasztó felé kilépı HMV hımérséklete alapján számítható.

4.1. A modellel végzett vizsgálatok 4.1.1. A vizsgálatok beállításai A vizsgált, modellezett napok: április 1-5. A TRNSYS adatbázisában fellelhetı földrajzi helyek közül a vizsgált gödöllıi rendszerhez legközelebb esınek a METEONORM (METEONORM) adatait használtam fel. A megfelelı TRNSYSbeli adatfájl: CZ-Praha-115180.tm2. A kollektorok síkjába esı globális napsugárzási intenzitást és a kollektorok környezeti hımérsékletét az alábbi ábra mutatja.

72

4. Eredmények

15 13

700

11

600

9

500

7

400

5

300

3

120

110

100

90

80

70

60

50

-3

40

0

30

-1

20

1

100

10

200

Környezeti hımérséklet, °C

800

0

Napsugárzási intenzitás, W/m2

17

Napsugárzási intenzitás Környezeti hımérséklet

900

Idı, h

4.1. ábra: Napsugárzási intenzitás és környezeti hımérséklet A fogyasztási profil a Jordan, Vajen (2003) szerinti realisztikus fogyasztási modell alapján került bevitelre a TRNSYS modellbe öt napra vonatkozóan, napi 1990 literes fogyasztással, fürdıkád és zuhanyozó csapolók nélkül. A feltételezett igényelt használati melegvíz hımérséklet 55 °C. Mindezek az adatok jól megfelelnek a konkrét óvoda fogyasztónak. V&koll =0 vagy 0,98 m3/h; V&t =0 vagy 0,63 m3/h (átlagosan mért adatok alapján). A térfogatáramok, a csıhosszak és csıkeresztmetszetek ismeretében határoztam meg t csı ,koll és t csı ,t értékét.

Psz ,koll =60 W; Psz ,t =60 W. Ezen értékek elérése a mai korszerő, energiatakarékos szivattyúkkal a vizsgált rendszeren megvalósítható. A szivattyúktól a munkaközegeknek átadott hıt elhanyagoltam. Kezdeti hımérsékletek: kollektormezı: 5 °C (kezdeti környezeti hımérséklet április 1-jén), a hıcserélı mindkét oldala: 20 °C (a hıcserélı környezetének, az uszoda gépháznak a feltételezett hımérséklete), szolár tároló: 20 °C (majdnem teljesen kisütött tároló), a rendszer valamennyi csövében uralkodó hımérséklet: 15 °C. K g = 4,1 Ft/MJ (= 14,8 Ft/kWh), K v = 13,8 Ft/MJ (= 49,7 Ft/kWh), 2011. év végi lakossági árak alapján. A 3.1.1. és 3.1.2. alfejezetekben részletezett hiszterézisértékeket a hagyományos szabályozásban és az energetikai alapú szabályozás a/ eljárásában 2 °C-nak, a b/ eljárásban 0,5 °C-nak választottam. A b/ eljárás kikapcsolási hımérsékletkülönbségét 0,3 °C-nak választottam. A rendszerre vonatkozó fenti paraméterértékekkel a hagyományos szabályozás ki/bekapcsolási hımérséklet-különbségére adódó értékek (l. 3.1.1.): 6,8/8,8 °C, ha a szivattyúk villamos fogyasztásától eltekintünk és 7,9/9,9 °C, ha a villamos 73

4. Eredmények

fogyasztást számításba vesszük. Ezek az értékek megfelelnek a rendszer hosszú csövei miatt fellépı, megnövekedett hıveszteségeknek és a mérnöki gyakorlat számára ajánlott értékek határain belül esnek (Duffie, Beckman, 2006), (National Renewable Energy Laboratory, USA, 1998).

4.1.2. A vizsgálatok eredményei 4.1.2.1. Váltószelep nélküli eset

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

Energetikai alapú szabályozás Hagyományos szabályozás

10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0

Szolár tároló hımérséklet, °C

Villamos energiafogyasztás elhanyagolásával: Az energetikai alapú és a hagyományos szabályozásokra vonatkozó szimulációs eredmények összehasonlítását mutatják a 4.2., 4.3., 4.4., 4.5. ábrák és a 4.1. táblázat a vizsgált idıszakban (április 1-5.). A szabályozások megadásánál a szivattyúk villamos fogyasztását nem vettem figyelembe. A 4.2. ábra a szolár tárolón belüli átlaghımérséklet (a rétegezett tároló egyes réteghımérsékleteinek átlaga), a 4.3. ábra a szolár tárolóba eljutó napenergia, a 4.4. ábra a kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának (amely megegyezik a kikapcsolások számával), a 4.5. ábra a tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának idıbeli alakulását mutatja.

Idı, h

4.2. ábra: A szolár tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

74

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20

0

Tárolóba eljutó napenergia, kWh

4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

Koll. köri sziv. bekapcsolásai száma, db

4.3. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

Idı, h

4.4. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

75

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

Tár. köri sziv. bekapcsolásai száma, db

4. Eredmények

Idı, h

4.5. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5. A hagyományos szabályozás 171,7 kWh napenergiát juttatott a szolár tárolóba, míg az energetikai alapú szabályozás ennél többet, 187,2 kWh-t. Ez 15,5 kWh=9% többlet a rendelkezésre álló napenergia kihasználásában. A szolár tárolóba eljutó napenergiát és a (4.1. táblázatban feltüntetett) kollektormezıt érı napenergiát tekintve, ez 31,3% rendszer-kihasználtsági fokot jelent a hagyományos szabályozás esetén és 34,1%-ot az energetikai alapú szabályozás esetén. Hasonló elıny észlelhetı a tárolón belüli átlaghımérséklet idıbeli átlagértékét tekintve, amely a hagyományos szabályozás esetén 21,5 °C-ra, az energetikai alapú szabályozás esetén 22,7 °C-ra adódott. A szivattyúk ekvivalens üzemidejét szintén össze kell hasonlítani az egyes szabályozások esetében. Ez az érték 21,1 óra a hagyományos szabályozás esetében és 33,1 óra az energetikai alapú szabályozás esetében. Ennek megfelelıen a szivattyúk villamos fogyasztása 2,5 kWh a hagyományos szabályozás mellett és 4,0 kWh az energetikai alapú szabályozás mellett. Vagyis a villamos többletfogyasztás 1,5 kWh=60%, ami hátrányt jelent. A szabályozások összehasonlítását segítendı, bevezetem a fogyasztóhoz (a szolár tárolóba) eljutatott napenergiára fajlagosított villamos energiafogyasztást (röviden fajlagos villamos energiafogyasztást) (Wh/kWh), amely megmutatja, hogy 1 kWh napenergia fogyasztóhoz (szolár tárolóba) juttatásához a szivattyúknak átlagosan mennyi villamos energiára van szüksége a vizsgált idıtartamban. A fenti értékek szerint, ez a jellemzı 14,8 Wh/kWh a hagyományos szabályozás mellett és 21,2 Wh/kWh az energetikai alapú szabályozás mellett, ami 43%-os különbség. A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma a hagyományos szabályozás mellett 262, az energetikai alapú szabályozás mellett 95. A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma a hagyományos szabályozás mellett 262, az energetikai alapú szabályozás mellett 103. Tehát a kollektorköri szivattyú esetében a 76

4. Eredmények

bekapcsolások száma 167=64%-kal kevesebb az energetikai alapú szabályozás mellett, ami elınyt jelent. Hasonlóan elınyt jelent, hogy a tárolóköri szivattyú 159=61%-kal kevesebbszer kapcsol be az energetikai alapú szabályozás mellett, mint a hagyományos szabályozásnál. Valamennyi lényeges eredmény összefoglalását tartalmazza a 4.1. táblázat. 4.1. táblázat: Szimulációs vizsgálatok eredményei váltószelep nélkül, a villamos energiafogyasztás elhanyagolásával Hagyományos Energetikai alapú szabályozás szabályozás A kollektormezıt érı napenergia, kWh

548,8

548,8

Az óvoda hıfogyasztása, kWh

499,2

499,2

A szolár tárolóba eljutó napenergia, kWh

171,7

187,2

-

15,5 kWh=9%

31,3

34,1

21,5

22,7

21,1

32,5

A tárolóköri szivattyú üzemideje, h

21,1

33,7

A szivattyúk ekvivalens üzemideje, h

21,1

33,1

A szivattyúk villamos fogyasztása, kWh

2,5

4,0

-

1,5 kWh=60%

14,8

21,2

262

95

-

167=64%

262

103

-

159=61%

Hasznosított szoláris energiatöbblet Rendszer-kihasználtsági fok, % A szolár tárolón belüli átlaghımérséklet idıbeli átlaga, °C A kollektorköri szivattyú üzemideje, h

Villamos fogyasztástöbblet Fajlagos villamos energiafogyasztás, Wh/kWh A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma A kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma A tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése

Villamos energiafogyasztás figyelembevételével: Az energetikai alapú és a hagyományos szabályozásokra vonatkozó szimulációs eredményeket, a fenti gondolatmenettel és sorrenddel megegyezı módon, mutatják a 4.6., 4.7., 4.8., 4.9. ábrák és a 4.2. táblázat.

77

4. Eredmények

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0


Az elızı esettel szemben itt, a szabályozások megadásánál a szivattyúk villamos fogyasztását figyelembe vettem.

Idı, h

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20

0


4.6. ábra: A tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

Idı, h

4.7. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

78

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4.8. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

Idı, h

4.9. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5.

79

4. Eredmények

4.2. táblázat: Szimulációs vizsgálatok eredményei váltószelep nélkül, a villamos energiafogyasztás figyelembevételével Hagyományos Energetikai alapú szabályozás szabályozás A kollektormezıt érı napenergia, kWh

548,8

548,8


499,2

499,2


169,0

184,0

-

15,0 kWh=9%

30,8

33,5

21,5

22,5

19,9

27,3


19,9

29,2


19,9

28,3


2,4

3,4

-

1,0 kWh=42%

14,1

18,4

270

148

-

125=45%

270

139

-

131=49%

Hasznosított szoláris energiatöbblet Rendszer-kihasználtsági fok, % A szolár tárolón belüli átlaghımérséklet idıbeli átlaga, °C A kollektorköri szivattyú üzemideje, h

Villamos fogyasztástöbblet Fajlagos villamos energiafogyasztás, Wh/kWh A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma A kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma A tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése

4.1.2.2. Váltószelepes eset Két eset képezi a vizsgálat tárgyát: az egyik az, amikor a váltószelep ki/bekapcsolási hımérséklet-különbsége 0/0 °C (egyfajta elméleti optimum), a másik az, amikor 0/0,3 °C. Ez utóbbi a lengések elkerülése szempontjából reálisabb.

Villamos energiafogyasztás elhanyagolásával: 0/0 °C, illetve 0/0,3 °C mellett, az energetikai alapú és a hagyományos szabályozásokra vonatkozó szimulációs eredményeket a fentiekkel megegyezı módon mutatják a 4.10., 4.11., 4.12., 4.13., 4.14., 4.15., 4.16., 4.17. ábrák és a 4.3. táblázat.

80

4. Eredmények

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0


A 4.10., 4.11., 4.12., 4.13. ábrák a 0/0 °C-os esetre vonatkoznak. A 4.14., 4.15., 4.16., 4.17. ábrák a 0/0,3 °C-os esetre vonatkoznak. A 4.3. táblázat mindkét esetre vonatkozó valamennyi lényeges adatot tartalmaz. A szabályozások megadásánál a szivattyúk villamos fogyasztását nem vettem figyelembe.

Idı, h

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20 0


4.10. ábra: A tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

Idı, h

4.11. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

81

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4.12. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

Idı, h

4.13. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

82

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0


4. Eredmények

Idı, h

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20

0


4.14. ábra: A tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

Idı, h

4.15. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

83

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4.16. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

Idı, h

4.17. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

84

4. Eredmények

4.3. táblázat: Szimulációs vizsgálatok eredményei váltószeleppel, a villamos energiafogyasztás elhanyagolásával 0/0 °C 0/0,3 °C Energ. Energ. Hagyományos Hagyományos alapú alapú szabályozás szabályozás szab. szab. A kollektormezıt érı 548,8 548,8 548,8 548,8 napenergia, kWh Az óvoda hıfogyasztása, 499,2 499,2 499,2 499,2 kWh A szolár tárolóba eljutó 172,3 187,0 172,3 186,3 napenergia, kWh Hasznosított szoláris 14,7kWh 14,0kWh energiatöbblet =8% =8,1% Rendszer-kihasználtsági 31,4 34,1 31,4 33,9 fok, % A szolár tárolón belüli átlaghımérséklet idıbeli 21,5 22,7 21,5 22,7 átlaga, °C A kollektorköri szivattyú 21,1 32,1 21,1 32,3 üzemideje, h A tárolóköri szivattyú 21,1 33,3 21,1 33,5 üzemideje, h A szivattyúk ekvivalens 21,1 32,7 21,1 32,9 üzemideje, h A szivattyúk villamos 2,5 3,9 2,5 3,9 fogyasztása, kWh 1,4 kWh 1,4kWh Villamos fogyasztástöbblet =56% =56% Fajlagos villamos energiafogyasztás, 14,7 21,0 14,7 21,2 Wh/kWh A kollektorköri szivattyú 265 108 265 108 bekapcsolásainak száma A kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának 125=59% 125=59% csökkenése A tárolóköri szivattyú 265 110 265 117 bekapcsolásainak száma A tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának 155=59% 148=56% csökkenése 85

4. Eredmények

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0


Villamos energiafogyasztás figyelembevételével: 0/0 °C, illetve 0/0,3 °C mellett, az energetikai alapú és a hagyományos szabályozásokra vonatkozó szimulációs eredményeket a fentiekkel megegyezı módon mutatják a 4.18., 4.19., 4.20., 4.21., 4.22., 4.23., 4.24., 4.25. ábrák és a 4.4. táblázat. A 4.18., 4.19., 4.20., 4.21. ábrák a 0/0 °C-os esetre vonatkoznak. A 4.22., 4.23., 4.24., 4.25. ábrák a 0/0,3 °C-os esetre vonatkoznak. A 4.4. táblázat mindkét esetre vonatkozó valamennyi lényeges adatot tartalmaz. A szabályozások megadásánál, a szivattyúk villamos fogyasztását figyelembe vettem.

Idı, h

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20 0


4.18. ábra: A tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

Idı, h

4.19. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C 86

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4.20. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

Idı, h

4.21. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0 °C

87

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

43 41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11

0


4. Eredmények

Idı, h

180


160 140 120 100 80 60 40

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

20

0


4.22. ábra: A tároló hımérséklete az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

Idı, h

4.23. ábra: A tárolóba eljutó napenergia az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

88

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4. Eredmények

Idı, h

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20


10

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0


4.24. ábra: A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

Idı, h

4.25. ábra: A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma az egyes szabályozásokkal, ápr. 1-5., 0/0,3 °C

89

4. Eredmények

4.4. táblázat: Szimulációs vizsgálatok eredményei váltószeleppel, a villamos energiafogyasztás figyelembevételével 0/0 °C 0/0,3 °C Energ. Energ. Hagyományos Hagyományos alapú alapú szabályozás szabályozás szab. szab. A kollektormezıt érı 548,8 548,8 548,8 548,8 napenergia, kWh Az óvoda hıfogyasztása, 499,2 499,2 499,2 499,2 kWh A szolár tárolóba eljutó 169,2 183,8 169,2 183,7 napenergia, kWh Hasznosított szoláris 14,6kWh 14,5kWh energiatöbblet =8,6% =8,6% Rendszer-kihasználtsági 30,8 33,5 30,8 33,5 fok, % A szolár tárolón belüli 21,5 22,3 21,5 22,3 átlaghımérséklet idıbeli átlaga, °C A kollektorköri szivattyú 19,9 26,7 19,9 26,7 üzemideje, h A tárolóköri szivattyú 19,9 28,9 19,9 28,9 üzemideje, h A szivattyúk ekvivalens 19,9 27,8 19,9 27,8 üzemideje, h A szivattyúk villamos 2,4 3,3 2,4 3,3 fogyasztása, kWh 0,9kWh 0,9kWh Villamos fogyasztástöbblet =38% =38% Fajlagos villamos energiafogyasztás, 14,1 18,2 14,1 18,2 Wh/kWh A kollektorköri szivattyú 273 159 273 162 bekapcsolásainak száma A kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának 114=42% 111=41% csökkenése A tárolóköri szivattyú 273 157 273 162 bekapcsolásainak száma A tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának 116=43% 111=41% csökkenése

90

4. Eredmények

4.2. Mérési eredmények A szimulációs beállításoknak megfelelı energetikai alapú és hagyományos szabályozásokat a valós, mért SZIE-rendszeren is alkalmaztam a 2010. november 24-tıl 2011. december 18-ig terjedı idıszakban. A váltószelepet nem mőködtettem, és a szabályozások megadásánál a szivattyúk villamos fogyasztását nem vettem figyelembe. A mért idıszakban elıfordulnak technikai okokból eredıen (áramszünet, stb.) kisebb-nagyobb szünetek. Mivel a két szabályozás egymást naponként felváltva mőködött, a (véletlenszerő) szünetek lényegében egyformán érintették ıket. A mért napok részletezésével kapcsolatban az M3 melléklet tekinthetı. Az összes mérés figyelembevételével így 119 napnyi mérési eredmény áll rendelkezésre a hagyományos és 119 napnyi az energetikai alapú szabályozásra vonatkozóan. Tekintve a váltott mőködést, a kollektormezıt érı napenergia (4.5. táblázat 1. sor) és az óvodai hıfogyasztás (4.5. táblázat 2. sor) közel azonos értékét a két szabályozás ideje alatt, úgy vehetjük, hogy az egyes szabályozások hasonló környezeti és fogyasztási feltételek mellett mőködtek, ezért a két szabályozás összehasonlítását relevánsnak vehetjük. A hagyományos szabályozás 1147,7 kWh napenergiát juttatott a szolár tárolóba, míg az energetikai alapú szabályozás ennél többet, 1482,9 kWh-t. Ez 335,2 kWh többlet a rendelkezésre álló napenergia kihasználásában. A tároló magasságának 2/3-ánál mért hımérséklet (T21 a 3.12. ábrán) idıbeli átlagértéke a hagyományos szabályozás esetén 27,0 °C, az energetikai alapú szabályozás esetén 27,0 °C. A szivattyúk ekvivalens üzemideje 230,1 óra a hagyományos szabályozás esetében, 310,6 óra az energetikai alapú szabályozás esetében. Ennek megfelelıen a szivattyúk villamos fogyasztása 27,6 kWh a hagyományos szabályozás mellett és 37,3 kWh az energetikai alapú szabályozás mellett. Vagyis a villamos többletfogyasztás 9,7 kWh. A szivattyúk bekapcsolásainak száma a hagyományos szabályozás mellett 1011 mindkét szivattyú esetében, az energetikai alapú szabályozás mellett 741 a kollektorköri szivattyú és 749 a tárolóköri szivattyú esetében. Tehát az energetikai alapú szabályozás mellett a kollektorköri szivattyú esetében a bekapcsolások száma 270-nel, a tárolóköri szivattyú esetében 262-vel kevesebb. A fenti értékekhez hozzá kell főzni, hogy némileg eltérı rendelkezésre álló napenergia és fogyasztás értékek mellett keletkeztek. Ennek oka, hogy a mérések nem laboratóriumban, hanem valós körülmények között történtek, tehát nem lehetett megegyezı körülményeket biztosítani a hagyományos szabályozás melletti napok és az energetikai alapú szabályozás napjai esetében. Például a kollektormezıt érı napenergia 7601,0 kWh volt a hagyományos, 7744,4 kWh az energetikai alapú szabályozás esetén (l. 4.5. táblázat). Nyilvánvaló, hogy ezek a különbségek kicsinek mondhatók, mindenesetre a fenti értékek mégsem egyformák. Ezért az eredmények nem hasonlíthatóak olyan direkt módon össze, mint a szimulációs vizsgálatok esetén. 91

4. Eredmények

Így is vannak azonban közvetlenül összehasonlítható, fajlagos jellegő jellemzık, amelyekre fókuszálhatunk. Nagymértékben eltérı rendelkezésre álló napenergia és fogyasztás értékek mellett is közvetlenül összehasonlíthatók a következı fajlagosított értékek. A szolár tárolóba eljutó napenergiát és a kollektormezıt érı napenergiát tekintve, a rendszer-kihasználtsági fok 15,0% a hagyományos szabályozás esetén és 19,1% az energetikai alapú szabályozás esetén. A különbség 4,1%. A fenti értékek szerint a vizsgált idıtartam alatt a fajlagos villamos energiafogyasztás 24,1 Wh/kWh a hagyományos szabályozás mellett és 25,2 Wh/kWh az energetikai alapú szabályozás mellett, ami 5%-os különbség. Valamennyi lényeges eredmény összefoglalását tartalmazza a 4.5. táblázat.

92

4. Eredmények

4.5. táblázat: Mérési eredmények a vizsgált idıszakban (2010. nov. 24. – 2011. dec. 18.) Hagyományos Energetikai alapú szabályozás szabályozás A kollektormezıt érı napenergia, kWh

7601,0

7744,4


5892,7

6340,0


1147,7

1482,9

-

335,2

15,0

19,1

Hasznosított szoláris energiatöbblet Rendszer-kihasználtsági fok, % A szolár tároló hımérsékletének idıbeli átlaga, °C A kollektorköri szivattyú üzemideje, h

27,0

27,0

230,1

298,9


230,1

322,2


230,1

310,6


27,6

37,3

-

9,7

24,1

25,2

1011

741

-

270

1011

749

-

262

Villamos fogyasztástöbblet, kWh Fajlagos villamos energiafogyasztás, Wh/kWh A kollektorköri szivattyú bekapcsolásainak száma A kollektorköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése A tárolóköri szivattyú bekapcsolásainak száma A tárolóköri szivattyú bekapcsolásai számának csökkenése

4.3. Eredmények értékelése A 4.1-4.5. táblázatok alapján elmondható, hogy az energetikai alapú szabályozás minden esetben kevesebbszer kapcsolja be a szivattyúkat, mint a hagyományos, a szivattyúk üzemideje és a tárolóba eljutó napenergia mégis nagyobb. Ennek lehet az a magyarázata, hogy olyan áthidalt idıszakok vannak az energetikai alapú szabályozás esetén, amikor a hagyományos kikapcsolná a szivattyúkat, az energetikai alapú viszont folyamatosan keringteti azokat, nyilván az eltérı szabályozási elvnek köszönhetıen. Elıfordulhatnak olyan idıszakok, hogy a kollektorfolyadék hımérséklete nem elég magas ahhoz, hogy a hagyományos szabályozás által elıírt biztonságnak megfelelıen, kellı mértékben melegebb vizet juttasson a tárolóba (a tároló megfelelı rétegébe), mint amilyen ott éppan van, az energetikai alapú szabályozás enyhébb követelménye viszont teljesül. Ez utóbbi 93

4. Eredmények

követelmény megelégszik azzal, ha a tárolóba, annak hımérsékletét kisebb mértékben meghaladó hımérséklető vizet juttat. Ezért a hagyományos szabályozás nem kapcsolná be/kikapcsolná a szivattyúkat, az energetikai alapú viszont bekapcsolja/nem kapcsolja ki azokat. Továbbá, a 4.1.-4.5. táblázatoknak megfelelı minden esetben, amikor az energetikai alapú szabályozás mőködött, a tárolóköri szivattyú üzemideje nagyobb volt, mint a kollektorkörié, vagyis az energetikai alapú szabályozás üzeme alatt vannak olyan idıszakok, amikor csak a tárolóköri szivattyú jár és a tárolóköri csövekben lévı hıt (egy részét) a tárolóba vezeti. Ezek az idıszakok okozhatják az energetikai alapú szabályozás mellett a szivattyúk nagyobb üzemidejét, kevesebb kapcsolását (l. áthidalt idıszakok kikapcsolás nélkül) és a nagyobb szoláris hınyereséget. Mindezekkel összhangban van az is, hogy a rendszer-kihasználtsági fok és a tárolóba eljutó napenergiára fajlagosított villamos energiafogyasztás az energetikai alapú szabályozás esetén mindig nagyobb volt. Általánosságban kijelenthetı tehát, hogy az energetikai alapú szabályozás a szivattyúk kapcsolási számait tekintve kedvezı (kíméletesebb üzem), a tároló számára hasznosított napenergia mértékét tekintve szintén kedvezı, a szivattyúk üzemidejét és villamos fogyasztását tekintve kedvezıtlen. A 4.1.-4.5. táblázatoknak megfelelı valamennyi szimulációs és mérési eredményt összesítve mind a váltószelepes, mind a váltószelep nélküli esetekben, az energetikai alapú szabályozást tekintve, a következı értékek születtek a legfontosabb összehasonlító jellemzık vonatkozásában, a hagyományos szabályozáshoz képest: 4.6. táblázat: Összesített eredmények Rendszer-kihasználtsági fok növekedése

2,5-4,1%

Fajlagos villamos energiafogyasztás növekedése

5-44%

A szivattyúk bekapcsolásai számának csökkenése

41-64%

A 4.1. és 4.3. táblázatok alapján elmondható, hogy a váltószelep a hagyományos szabályozással kinyerhetı napenergia mértékére kedvezı hatással van. A szivattyúk üzemidejére és kapcsolásaik számára viszont lényegében nincs hatással. Mind a 0/0 °C-os, mind a 0/0,3 °C-os esetben 172,3-171,7=0,6 (kWh)=0,3% többlet jelentkezett a tárolóba jutó napenergia vonatkozásában. Az eredmény öt szimulált tavaszi napra vonatkozik, amelyet egy év 365 napjára vetítve, 43,8 kWh többletnyereséghez jutunk. A gázenergia korábban említett, 14,8 Ft/kWh-s árával számolva, így évi 648 Ft-nyi többletmegtakarításunk keletkezik. Még ha egy váltószelep teljes beüzemelését 10000 Ft-ból (a 2012. év elején) meg is tudjuk oldani, nem számolva a karbantartási költséggel és esetleg a váltószelep által fogyasztott villamos energiával, 15 év kéne a beruházás megtérüléséhez.

94

4. Eredmények

Mindezt meggondolva, váltószelepet alkalmazni még ennél a hosszú csıszakaszokkal rendelkezı rendszernél is csak esetlegesen éri meg környezetvédelmi szempontból és gyakorlatilag nem éri meg anyagi szempontból. Egyébként érdekes módon a hagyományos szabályozás esetén mindegy, hogy a váltószelepet 0/0 °C-ra, vagy 0/0,3 °C-ra állítjuk (l. 4.1., 4.3. táblázatok). Ennek a hagyományos szabályozás viszonylag szigorú bekapcsolási feltétele lehet az oka: a szivattyúk bizonyára csak akkor járnak, ha a hıcserélıbe belépı tárolóköri víz annyira felmelegszik, hogy a tárolóhoz érve, legalább 0,3 °C-kal meghaladja annak hımérsékletét. (Így mindegy, hogy a váltószelepet 0/0 °C-ra, vagy 0/0,3 °C-ra állítjuk.) A 4.1., 4.3. táblázatok alapján, a szivattyúk villamos energiafogyasztásának elhanyagolása mellett, a váltószelep az energetikai alapú szabályozás által kinyerhetı napenergiára kedvezıtlen hatással van, a szivattyúk kapcsolásának számára szintén kedvezıtlen hatással van, a szivattyúk üzemidejére, csekély mértékben, kedvezı hatással van. Tekintve, hogy az energetikai alapú szabályozás szemben a hagyományossal már akkor is bekapcsolja a szivattyúkat, ha a hıcserélı által felmelegített víz a tárolóhoz érve éppen csak melegebb a tárolóbelinél, elıfordulhatnak a következık szerinti idıszakok: a tárolóban melegebb víz van, mint a tárolóköri csövekben (ez fıleg a nap elején, a szivattyúk elsı indulásakor fordulhat elı), és a hıcserélı képes lenne a tárolóból a hozzá érkezett vizet kellıképpen felmelegíteni ahhoz, hogy a napkollektor oldala ne hőljön le annyira, hogy a szivattyúk kikapcsoljanak, viszont a csövekben lévı, tároló felé zárt váltószelepen keresztül visszakeringtetett, hidegebb vizet már nem képes kellıképpen felmelegíteni. Tehát a kollektorköri folyadék annyira visszahől, hogy a szivattyúk kikapcsolnak, feltéve, hogy bekapcsolt állapotban voltak, váltószelep nélkül viszont nem kapcsoltak volna ki. Az ilyen, újabb bekapcsolásig eltelt idıszakok magyarázhatják a váltószelep kedvezıtlen hatását a kinyert napenergia és a szivattyúk bekapcsolásai számának vonatkozásában és a csekély mértékben lecsökkent szivattyúzási üzemidıket, mind a 0/0 °C-os, mind a 0/0,3 °C-os esetben. Elmondható, hogy váltószelepet alkalmazni az energetikai alapú szabályozás mellett még annyira sem éri meg, mint a hagyományos szabályozás esetén. Az energetikai alapú szabályozásnál egyébként nem mindegy, hogy a váltószelepet 0/0 °C-ra, vagy 0/0,3 °C-ra állítjuk. Ez érthetı, ha figyelembe vesszük, hogy az energetikai alapú szabályozás már akkor is bekapcsolja a szivattyúkat, ha a hıcserélı a tárolóhoz érkezı vizet 0,3 °C-nál kisebb mértékben képes csak a tároló hımérséklete fölé melegíteni. Ekkor a szivattyúk nem kapcsolnak ki, feltéve, hogy éppen bekapcsolt állapotban vannak, a váltószelep viszont – amennyiben éppen zárt állapotban van a tároló felé – zárva is marad. Így a tárolókör csöveinek vize közvetlenül visszakering a hıcserélıhöz. Ekkor egyrészt a tároló nem melegszik, másrészt ezt a viszonylag csekély vízmennyiséget a hıcserélı könnyebben felmelegíti, mint a tároló nagy térfogatát és a szivattyúk bekapcsolt állapotához megkívánt kritérium is tovább teljesül, amennyiben a szivattyúk járnak, illetve a tárolóköri szivattyú b/ mőködési elvére (l. 3.1.2. alfejezet) vonatkozó bekapcsolási 95

4. Eredmények

kritérium elıbb, a tároló mérsékeltebb visszahőtése mellett is teljesül, ha a szivattyúk nem járnak. Mindezek magyarázhatják, hogy 0/0,3 °C esetén miért kevesebb a tárolóba eljutó napenergia, miért nagyobb a szivattyúk üzemideje és miért kapcsol be többször a tárolóköri szivattyú a 0/0 °C-os esethez képest. Az eddigi megállapítások a szivattyúk villamos fogyasztásának elhanyagolása (a szivattyúk kapcsolási kritériumaiban) mellett születtek. A villamos fogyasztás figyelembevétele mellett mind a hagyományos, mind az energetikai alapú szabályozásra (l. 4.2., 4.4. táblázat) lényegében ugyanazok a megfigyelések és következtetések tehetık, mint fent a villamos fogyasztás elhanyagolásakor, azzal a megjegyzéssel, hogy a villamos fogyasztás figyelembevételekor a hasznosított napenergia és a szivattyúk üzemideje minden esetben csökken, a kollektorköri szivattyú kapcsolásainak száma nı, vagy nem változik, a tárolóköri szivattyú kapcsolásainak száma pedig mindig nı. A villamos fogyasztás figyelembevétele lényegében szigorúbb kapcsolási feltételeket jelent a szivattyúk számára, vagyis a hıcserélınek nagyobb mértékben kell képesnek lenni felmelegíteni a tároló felé áramló vizet ahhoz, hogy a szivattyúk járjanak, mint a villamos fogyasztás elhanyagolása mellett. Ez magyarázhatja a kevesebb hasznosított napenergiát és a szivattyúk csökkent üzemidejét. A tárlóban gyakran hidegebb víz van, mint a tárolókör csöveiben, hiszen a fogyasztási idıszakokban a fogyasztó közvetlenül a tárolót süti ki. Ha a szivattyúk ilyenkor beindulnak, a tároló vize egy idı után a hıcserélıhöz ér, ahol természetes módon valamennyire visszahőti a kollektorkör folyadékát, beleértve a kollektorban lévı folyadékot is. Ez a visszahőtés olyan mértékő lehet, hogy a szivattyúk bekapcsolt állapotára vonatkozó kritérium nem teljesül, és a szivattyúk kikapcsolnak/kikapcsolt állapotban maradnak addig, amíg a napsugárzás fel nem melegíti a kollektort annyira, hogy a bekapcsolt állapotra vonatkozó feltétel teljesüljön. Ha a kapcsolási feltételek szigorúbbak, az ilyen esetek akkor is megtörténhetnek, amikor enyhébb feltételek esetén a szivattyúk ki sem kapcsolnának. Ez a jelenség magyarázhatja a szivattyúk több kapcsolását. Mindazonáltal ez a tendencia egy bizonyos szinten túl nyilván megfordul, azaz szigorúbb kapcsolási feltételek már kevesebb szivattyúkapcsolást eredményeznek. (Elméletileg beállíthatunk akár ∆Tki =150 °C, ∆Tbe =152 °C értékeket is, amikor a szivattyúk már egyáltalán nem kapcsolnak be.) A következıkben a hagyományos és az energetikai alapú szabályozások gyakorlat szempontjából célszerő változatait hasonlítom össze különbözı döntési mutatók szerint, a közvetlenül összehasonlítható szimulációs eredmények alapján (l. 4.1., 4.2. táblázat). Ez mindkét szabályozásnál váltószelep nélküli esetet jelent. A döntési mutatók azt hivatottak közvetlenül megmutatni, hogy melyik szabályozást éri meg inkább alkalmazni. A döntési mutatókban a szivattyúk

96

4. Eredmények

élettartamára vonatkozó üzemidıt és kapcsolási számokat nem veszem figyelembe, feltételezve, hogy modern, nagy élettartamú szivattyúkat használunk. Amennyiben a szivattyúk villamos fogyasztásától eltekintünk, mert tisztán csak a kiegészítı főtési energia különbsége érdekel minket, a megfelelı döntési mutató a fogyasztó (tároló) számára hasznosult napenergia mértéke. Ilyen közelítés például akkor lehet megengedhetı, ha a szivattyúk megújuló energiaforrásokkal mőködnek (nap, szél) és a megújuló energia átalakításának energetikai költsége kellıen alacsony ahhoz, hogy elhanyagolhassuk. A szivattyúzási energiaszükséglet ilyen, megújuló forrásokból való fedezése egyre inkább megvalósítható és cél a gyakorlatban. A 4.1. táblázat szerint ekkor a hagyományos szabályozással 171,7 kWh napenergia hasznosult a fogyasztó számára, az energetikai alapúval pedig 187,2 kWh. Ez 15,5 kWh=9% kiegészítı főtıenergia-megtakarítást jelent az energetikai alapú szabályozással a hagyományoshoz képest. Mivel az összehasonlított esetekben ugyanannyi napsugárzási energiával és hıfogyasztással dolgoztam, több fogyasztók számára hasznosult napenergia nagyobb rendszer-kihasználtsági fokot is jelent. Amennyiben a szivattyúk villamos fogyasztását figyelembe vesszük (a villamos energia forrása nem megújuló és nem ingyenes), a 4.2. táblázat eredményeit kell tekintenünk. Ekkor a hagyományos szabályozással 169,0 kWh napenergia hasznosult a fogyasztó számára, az energetikai alapúval pedig 184,0 kWh. Ez 15,0 kWh=9% kiegészítı főtési energia megtakarítást jelent az energetikai alapú szabályozással a hagyományoshoz képest. A szivattyúk villamos fogyasztása a hagyományos szabályozással 2,4 kWh, az energetikai alapúval 3,4 kWh. Ez 1,0 kWh=42% többletfogyasztást jelent az energetikai alapú szabályozás esetén. Ha a kiegészítı főtés villamos energia felhasználásával történik, a szabályozások összehasonlítása a következı mutató szerinti. hasznosíto tt napenergia − szivattyúz ási energiafel használás közvetlen höbetáplál ási hatásfok

(4.2)

95%-os közvetlen hıbetáplálási hatásfokot feltételezve a fenti mutató értéke a hagyományos szabályozásra 169,0/0,95-2,4=175,5 (kWh), az energetikai alapú szabályozásra 184,0/0,95-3,4=190,3 (kWh), vagyis energetikai alapú szabályozással 14,8 kWh=8% többletnyereség valósult meg a hagyományos szabályozáshoz képest. Amennyiben a kiegészítı főtés közvetlenül, a szivattyúzási munka pedig közvetve, hıerımő közbeiktatásával fosszilis energiát (gázt) használ fel forrásként, úgy környezetvédelmi szempontból figyelembe kell venni az egyes felhasználások eredı hatásfokát. Ekkor a következı mutatót kell összehasonlítani az egyes szabályozásoknál.

97

4. Eredmények

hasznosíto tt napenergia szivattyúz ási energiafel használás − közvetlen höbetáplál ási hatásfok elektromos felhasznál ási hatásfok

(4.3)

A közvetlen hıbetáplálás hatásfokát 95%-nak, a villamos felhasználás eredı hatásfokát (az erımővi betáplálástól a fogyasztói felhasználásig) 30%-nak feltételezve a vizsgált mutató értéke a hagyományos szabályozásra 169,0/0,952,4/0,3=169,9 (kWh), az energetikai alapú szabályozásra pedig 184,0/0,953,4/0,3=182,4 (kWh). Ez 12,5 kWh=7% többletnyereséget jelent az energetikai alapú szabályozással a hagyományoshoz képest. Költséghatékonysági szempontból a következı értéket kell összehasonlítani a két szabályozásra. hasznosított napenergia ára – szivattyúzási energiafelhasználás költsége

(4.4)

A vizsgált mutató értéke, K g =14,8 Ft/kWh-s és K v =49,7 Ft/kWh-s értékekkel számolva a hagyományos szabályozás esetén 169,0x14,8-2,4x49,7=2382 (Ft), az energetikai alapú szabályozás esetén 184,0x14,8-3,4x49,7=2554 (Ft). Ez 172 Ft=7% többletmegtakarítást jelent az energetikai alapú szabályozással a hagyományos szabályozáshoz képest. A fenti négy döntési mutató alapján az energetikai alapú szabályozás alkalmazása kedvezıbb. Az eredmények összefoglalását mutatja a 4.26. ábra.

4.26. ábra: A szabályozások összehasonlítása négy döntési mutató alapján A (4.4) mutató felhasználásával becslés tehetı az energetikai alapú szabályozásnak a hagyományos szabályozáshoz képest jelentkezı többletköltségére vonatkozó megtérülési idıre. 98

4. Eredmények

Amennyiben az energetikai alapú szabályozás mellett döntünk, olyan programozható szabályozóegységre van szükségünk a szokványos, hagyományos szabályozóegység helyett, amely nemcsak két, hanem négy hımérsékletérzékelı jelét képes fogadni. A napkollektor kilépı hımérsékletén és a tároló alsó harmadának hımérsékletén (amelyeket a hagyományos szabályozásnál is mérni kell) kívül ugyanis még két hımérsékletet kell mérni: a kollektor környezeti hımérsékletét és a tárolóba közvetlenül a hıcserélı felıl belépı víz hımérsékletét. Ezek az eszközök ma már könnyőszerrel és elérhetı áron beszerezhetık az épületgépész gyakorlatban. Vélhetıen az energetikai alapú szabályozáshoz szükséges beruházás 30000 Ft-nyi plusz költségnél nem jelent többet a hagyományos szabályozáshoz képest. Vetítsük ki lineárisan a fenti, 172 Ft-os többletmegtakarítást egy évre (április eleji adatok révén ez reális lehet), hogy megbecsüljük az egy évre esı többletmegtakarítást. Megközelítıleg 12500 Ft-ot kapunk. Vagyis a plusz beruházás kevesebb, mint 2,5 év alatt megtérül. Az összehasonlítások eredményei alapján elmondható, hogy az energetikai alapú szabályozás a vizsgált esetekben mindenféle szempontból többletmegtakarítást jelent a hagyományos szabályozáshoz képest. A többletmegtakarítás mértéke a különbözı mutatók szerint 7-9%. Meg kell jegyezni, hogy a fenti eredmények meglehetısen hosszú csıszakaszokkal rendelkezı napkollektoros rendszer esetén adódtak, ami kedvez az energetikai alapú szabályozás elınyösségének a hagyományos szabályozással szemben. Ez nem meglepı, hiszen az energetikai alapú szabályozás éppen a rendszer csöveiben jelenlévı, hasznosítható hınek a mindenkori fogyasztóhoz juttatását célozta meg. Ebbıl az elvbıl következıen az energetikai alapú szabályozás mindig hatékonyabb kell, hogy legyen a napenergia hasznosítása szempontjából, mint a hagyományos szabályozás a napkollektoros rendszerek széles körére (nemcsak a külsı hıcserélıs rendszerekre) vonatkozóan. Amennyiben a csıszakaszok rövidebbek, a fogyasztó számára hasznosított szoláris energiatöbblet az energetikai alapú szabályozás javára nyilván kisebb, viszont a villamos fogyasztástöbblet is csökken. Tehát továbbra is érdemes lehet, a fenti mutatók szerint, az energetikai alapú szabályozást alkalmazni, a megtérülési idı szempontjából viszont romlik a helyzet. Konkrét, egyedi rendszereknél a fenti vizsgálatokat, szimulációkat és értékeléseket javaslom elvégezni annak megítélésére, hogy érdemes-e az energetikai alapú szabályozás mellett dönteni a hagyományossal szemben. (Itt ismét megjegyezném, hogy a 3.2.1. alfejezetben bemutatott fizikai alapú modell könnyen adaptálható bármely egyedi napkollektoros rendszerre.)

4.4. Új tudományos eredmények A kutatómunkám során a vizsgált napkollektoros rendszertípusra, közvetlenül külsı hıcserélıs napkollektoros rendszerekre vonatkozóan elért új tudományos eredmények a következık: 99

4. Eredmények

1. Módszert dolgoztam ki a gyakorlatban általánosan alkalmazott, rögzített ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségekkel dolgozó, hagyományos szabályozás optimálására, a ki- és bekapcsolási hımérséklet-különbségek minimális értékeinek megadásával. Ezzel a hagyományos szabályozás rendszerkihasználtsági fokát maximalizáltam. Az optimalizált hagyományos szabályozás mőködési algoritmusát a következıképpen adtam meg: Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tbe,hagy , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tki ,hagy és a szivattyúk járnak ,

Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,hagy és a szivattyúk nem járnak, vagy a szivattyúk ne járjanak, ha Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,hagy .  P Psz K v  , ha a szivattyúk villamos fogyasztását ∆Tki ,hagy = ∆Thagy + max sz ,  c V& ρ c V& ρ K   v t v v t v g figyelembe vesszük, ∆Tki ,hagy = ∆Thagy , ha a szivattyúk villamos fogyasztását nem vesszük figyelembe, ∆Tbe ,hagy = ∆Tki ,hagy + ∆Thiszt .

  −k t   1  1 ∆Thagy =  Tt , felt + (Tt , felt − T föld , felt )1 − exp csı , t csı ,t   − 1 + (Tt , felt − T föld , felt ) ⋅     ρ v cv Acsı ,t   Φ  Φ      k t    k  t ⋅  exp csı , t csı , t  − 1 − Tkoll , körny , felt  exp csı , koll csı , koll  − Tt , felt + Tkoll , körny , felt .     ρ v cv Acsı , t    ρ koll ckoll Acsı , koll    2. Kidolgoztam egy új, modell- és energetikai alapú szabályozást, amely a napkollektoros rendszerrel hasznosítható és abból kinyerhetı hıt juttatja el mindenkor a fogyasztóhoz. Ez a szabályozás jobb rendszer-kihasználtsági fokkal bír, mint a hagyományos szabályozás, beleértve ez utóbbi optimalizált változatát is. Az energetikai alapú szabályozást két eljárás, a/ és b/, megadásával definiáltam. Az energetikai alapú szabályozás mőködési algoritmusát a következıképpen adtam meg:

a/ eljárás

Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tbe ,en,a , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tkoll ,ki ,m − Tt ,m > ∆Tki ,en,a és a szivattyúk járnak ,

Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,en,a és a szivattyúk nem járnak, vagy a szivattyúk ne járjanak, ha Tkoll,ki,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,en,a . 100

4. Eredmények

 P Psz K v  , ha a szivattyúk villamos ∆Tki ,en,a = ∆Ten,a + max sz ,  c V& ρ c V& ρ K  v t v v t v g   fogyasztását figyelembe vesszük, ∆Tki ,en ,a = ∆Ten ,a , ha a szivattyúk villamos fogyasztását nem vesszük figyelembe. ∆Tbe,en ,a = ∆Tki ,en ,a + ∆Thiszt .

  −k t   1  1 ∆Ten, a =  Tt , m + (Tt , m − T föld , felt )1 − exp csı ,t csı , t   − 1 + (Tt , m − T föld , felt ) ⋅     ρ v cv Acsı ,t   Φ  Φ      k t    k t ⋅  exp csı , t csı ,t  − 1 − Tkoll , körny , m  exp csı , koll csı , koll     ρ v cv Acsı , t    ρ koll ckoll Acsı , koll  

  − Tt , m + Tkoll , körny , m .  

b/ eljárás

Tt ,t ,be ,m − Tt ,m > ∆Tbe ,en,b , vagy a szivattyúk járjanak , ha  Tt ,t ,be ,m − Tt ,m > ∆Tki ,en,b és a szivattyúk járnak ,

Tt ,t ,be,m − Tt ,m ≤ ∆Tbe,en,b és a szivattyúk nem járnak, vagy a szivattyúk ne járjanak, ha Tt ,t ,be,m − Tt ,m ≤ ∆Tki,en,b . ∆Tbe ,en ,b = ∆Tki ,en ,b + ∆Thiszt ,en ,b .

A kollektorköri szivattyú az a/ eljárás szerint mőködik. A tárolóköri szivattyú az a/ és b/ eljárások közötti logikai VAGY kapcsolat szerint mőködik. 3. Kidolgoztam egy fizikai alapú matematikai modellt, amely közvetlenül felhasználható külsı hıcserélıs napkollektoros rendszerek termikus folyamatainak modellezésére. A modellt a napkollektoros rendszer részegységeinek hı- és anyagtranszport-folyamatait leíró differenciálegyenletek összekapcsolásával állítottam elı. A modellt valódi, mért napkollektoros rendszer felhasználásával validáltam. Megállapítottam, hogy a modellel a szolár tároló hımérsékletére vonatkozóan mintegy 0,5 °C-os becslési pontosság, a tároló napi maximális abszolút hımérsékletváltozására vonatkozóan mintegy 2,7%-os becslési pontosság érhetı el. Ez megfelelı pontosság kutatási, fejlesztési célokra és az általános mérnöki gyakorlat számára. 4. Félempirikus identifikációt dolgoztam ki a kcsı , koll , k csı ,t és a Φ paraméterek mért adatok szerinti meghatározására. A módszert alkalmaztam mind a kidolgozott szabályozási algoritmusok, mind a fizikai alapú modell identifikálására. Bevezettem a fogyasztóhoz (a szolár tárolóba) eljuttatott napenergiára fajlagosított villamos energiafogyasztást (röviden fajlagos villamos energiafogyasztást) (Wh/kWh), mint olyan jellemzıt, amely megmutatja, hogy 1 101

4. Eredmények

kWh napenergia fogyasztóhoz (a szolár tárolóba) juttatásához a szivattyúknak átlagosan mennyi villamos energiára van szüksége. 5. Szimulációs és mérési eredmények alapján igazoltam, hogy az energetikai alapú szabályozással, azonos napsugárzási és fogyasztási feltételek mellett a hagyományos szabályozáshoz képest több hasznosított szoláris energia, azaz nagyobb rendszer-kihasználtsági fok és a szivattyúk kevesebb kapcsolása érhetı el. Mindez a szivattyúk megnövekedett üzemidejével, azaz megnövekedett villamos fogyasztásával és a fajlagos villamos energiafogyasztás megnövekedett értékével jár. A vizsgált külsı hıcserélıs napkollektoros rendszertípussal különbözı üzemviszonyok esetén az energetikai alapú szabályozásra vonatkozóan, a következı számszerő értékeket mutattam ki az optimalizált hagyományos szabályozáshoz képest: Rendszer-kihasználtsági fok növekedése

2,5-4,1%

Fajlagos villamos energiafogyasztás növekedése

5-44%

A szivattyúk bekapcsolásai számának csökkenése

41-64%

6. Igazoltam, hogy sem a hagyományos sem az energetikai alapú szabályozás esetén nem érdemes váltószelepet alkalmazni sem környezetvédelmi, sem költségmegtakarítási szempontból, még hosszú csıszakaszokkal rendelkezı rendszerek esetén sem. A validált modell felhasználásával ugyanis kimutattam, hogy a váltószelep a hagyományos szabályozás mellett oly kicsiny mértékben növeli meg a rendszer-kihasználtsági fokot, hogy beruházási költségének megtérüléséhez túlságosan hosszú (a jelenlegi árviszonyok mellett mintegy 15 évnyi) idıtartam szükséges. Az energetikai alapú szabályozás mellett a váltószelep kifejezetten csökkenti a rendszer-kihasználtsági fokot.

102

5. Következtetések és javaslatok

5. KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK Az energetikai alapú szabályozás a napkollektoros rendszerek kedvezıbb üzemét teszi lehetıvé a rendszer-kihasználtsági fok és a szivattyúk kapcsolási száma szempontjából, viszont a szivattyúk üzemidejét és villamos fogyasztását megnöveli az általánosan alkalmazott hagyományos szabályozás esetéhez képest. Az energetikai alapú szabályozás programozható szabályozóegységet és négy hımérsékletérzékelıt igényel a hagyományos szabályozás egyszerőbb szabályozóegységével és két hımérsékletérzékelıjével szemben. Ez némileg megnövekedett beruházási költséget jelent. A vizsgált napkollektoros rendszer esetében a nagyobb villamos fogyasztás és a nagyobb beruházási költség ellenére is egyértelmően megtérül, ha az energetikai alapú szabályozás mellett döntünk mind a 4.3. alfejezetben bemutatott döntési mutatók, mind a beruházási költség megtérülési idejének szempontjából. Mindezek alapján egyedi, konkrét napkollektoros rendszerek esetén javaslom a 4.1. alfejezetben bemutatott vizsgálatok (szimulációk) elvégzését és az eredmények 4.3. szerinti értékelését az adott rendszer céljainak/költségtényezıinek megfelelıen. Az eredményektıl függıen javaslom az energetikai alapú szabályozás alkalmazását. A vizsgálatok azt is megmutatták, hogy környezetvédelmi és anyagi szempontból sem érdemes a tároló visszahőtésének elkerülésére váltószelepet alkalmazni, még meglehetısen hosszú csıszakaszokkal rendelkezı rendszereknél sem. Eszerint a tároló elé beépített váltószelep alkalmazását alapvetıen nem javaslom sem a hagyományos szabályozás, sem az energetikai alapú szabályozás esetén. Mivel a gázenergia ára a jövıben a fosszilis készletek csökkenése és az üvegházhatás erısödése miatt várhatóan nıni fog a villamos energia árához képest, továbbá a megújuló energiaforrások terjedése miatt az energetikai alapú szabályozás létjogosultsága egyre több rendszernél nıni fog. Megújuló energiaforrásokkal (nap, szél) mőködı szivattyúkkal ugyanis a napkollektoros rendszer villamos fogyasztási költsége csökken, ami az energetikai alapú szabályozás esetében a villamos fogyasztástöbblet csökkenését vonja maga után a hagyományoshoz képest. A gáz árának növekedése pedig növeli az energetikai alapú szabályozással a kiegészítı főtési energia költségében elérhetı megtakarítást. Ez az energetikai alapú szabályozás némi többletberuházási költségének megtérülési idejét is csökkenti. A többletberuházási költség várhatóan azért is csökkenni fog, mert a több hımérsékletérzékelıt fogadó, programozható szabályozóegységek és az érzékelık ára növekvı elterjedésüknek köszönhetıen a jövıben várhatóan csökken. A szükséges hımérsékletérzékelık számának csökkentése érdekében érdemes a napkollektoros rendszer matematikai modelljét felhasználó, ún. állapotmegfigyelık alkalmazhatóságát megvizsgálni, a nem mért hımérsékletek becslésére.

103

6. Összefoglalás

6. ÖSSZEFOGLALÁS NAPKOLLEKTOROS RENDSZER ENERGETIKAI ALAPÚ SZABÁLYOZÁSA A globális környezetszennyezés problémája szükségessé teszi a megújuló energiaforrások, például a napenergia mind jobb kiaknázását. Ennek része az aktív napkollektoros vízmelegítı rendszerek szabályozási hatékonyságának javítása. Munkám fı eredménye egy új, modell- és energetikai alapú szabályozás kidolgozása a rendszer-kihasználtsági fok maximalizálására. A gyakorlatban általánosan alkalmazott, rögzített ki- és bekapcsolási hımérsékletkülönbségekkel dolgozó, hagyományos szabályozás optimálását, rendszerkihasználtsági fokának maximalizálását is elvégeztem a rögzített kapcsolási hımérséklet-különbségek minimális, de a szolár tároló visszahőtését még elkerülı értékének megadásával. A változó kapcsolási hımérséklet-különbségekkel dolgozó energetikai alapú szabályozás mőködési elvébıl adódóan nagyobb rendszer-kihasználtsági fokot eredményez, mint a(z optimalizált) hagyományos szabályozás. Létrehoztam egy, külsı hıcserélıs napkollektoros rendszerekhez közvetlenül illeszthetı, fizikai alapú TRNSYS modellt, amelyet a SZIE területén található, mért napkollektoros rendszer szerint identifikáltam és validáltam. Az optimalizált hagyományos szabályozást és az energetikai alapú szabályozást betápláltam a modellbe a tároló elé, a tároló visszahőtésének elkerülésére beépített váltószelep mőködtetése mellett és a nélkül. A szabályozásokat váltószelepmentes üzemben a SZIE-rendszeren is alkalmaztam. A szabályozásokat a modellben és a valós rendszer mérései alapján összehasonlítva a következık adódtak. Igazolódott az energetikai alapú szabályozás nagyobb rendszer-kihasználtsági foka, vagyis hogy ez a szabályozás, megegyezı napsugárzás mellett a napenergia nagyobb részét hasznosítja a fogyasztó (a szolár tároló) számára, mint a hagyományos szabályozás. Az energetikai alapú szabályozással a szivattyúk kevesebbszer kapcsolnak, ami szintén elınyt jelent, azok kíméletesebb üzeme miatt. Hátrány viszont a szivattyúk megnövekedett üzemideje és villamos fogyasztása. Az e miatti növekmény az üzemi költségben, megújuló energiát használó szivattyúkkal, nagymértékben csökkenthetı. Némileg nagyobb beruházási költséget jelent, hogy az energetikai alapú szabályozás programozható szabályozóegységet és négy hımérsékletérzékelıt igényel, a hagyományos szabályozás szabályozóegységével és két hımérsékletérzékelıjével szemben. A vizsgált rendszerre vonatkozó eredmények szerint mind a környezetvédelem, mind az üzemi és beruházási költségek szempontjából érdemes az energetikai alapú szabályozást alkalmazni a hagyományos helyett, nem érdemes viszont váltószelepet mőködtetni egyik szabályozás mellett sem. Mindezek alapján egyedi napkollektoros rendszereknél – a fenti szempontok szerinti mérlegelés függvényében – javaslom az energetikai alapú szabályozás alkalmazását. A tároló visszahőtésének elkerülésére viszont, váltószelep beépítését alapvetıen nem javaslom egyik szabályozás esetében sem. 104

7. Summary

7. SUMMARY ENERGETICALLY-BASED CONTROL FOR SOLAR HEATING SYSTEMS In view of the global environment pollution problem, it is needed to possibly exploit renewable energy resources like solar energy. The efficiency enhancement of active solar water heating systems is a part of this endeavour. The main contribution in this work is the development of a new, model- and energetically-based predictive control for maximizing the solar utilizability. The optimization, that is the utilizability maximization, corresponding to the ordinary control, used generally in practice and operating with fixed switching off and on temperature differences, has been also accomplished in this work, by minimizing the fixed switching temperature differences to such an extent that the cooling down of the solar storage is still avoided. The energetically-based control which works with variable switching temperature differences results in a higher utilizability than the (optimized) ordinary control. This is a consequence of its operating principles. A physically-based TRNSYS model, directly adaptable to solar heating systems with external heat exchanger, has been established. The model has been identified and validated based on a measured solar heating system at the campus of the Szent István University (SIU). The optimized ordinary and the energetically-based controls have been fed into the model both in case of a switching valve before the storage, to avoid its cool down, and without the valve. The controls have been also applied to the SIU system, without valve operation. The followings have been arisen from the comparison of the controls based on model simulations and measurements on our real system. It is verified that the energetically-based control has a higher utilizability, that is, under the same solar irradiation this control utilizes more of the irradiation for the consumer (for the storage) than the ordinary control. It results in a softer operation of the pumps since they switch less in case of the energetically-based control, which is also an advantage. Nevertheless, it is disadvantageous that the pumps work for a longer time and consumes more electric energy. The excess in the operation costs coming from this, can be greatly moderated with the application of pumps using renewable energy resources. It means a bit higher investments since the energetically-based control needs a programmable controller unit and five temperature sensors instead of the simpler controller unit and two sensors of the ordinary control. According to the results corresponding to the investigated system, it is worth to apply the energetically-based control instead of the ordinary one from all points of view concerning environment protection, operation costs and investments. On the contrary, it is not worth to apply a switching valve in case of any control type. As a consequence, depending on the results of pondering, according to the mentioned points of view, the application of the energetically-based control is recommended in case of particular solar heating systems. However it is basically not recommended to use a switching valve for avoiding the cooling down of the solar storage in case of any control type. 105

8. Mellékletek

8. MELLÉKLETEK

M1: Irodalomjegyzék 1. 2. 3.

4. 5. 6.

7. 8.

9. 10.

11. 12.

13.

14.

15. 16.

ASHRAE (1978): ASHRAE 93-77. Methods for Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors. ASTRÖM K.J., WITTENMARK B. (1989): Adaptive Control. Addison-Wesley. AYOMPE L.M., DUFFY A., MCCORMACK S.J., CONLON M. (2011): Validated TRNSYS model for forced circulation solar water heating systems with flat plate and heat pipe evacuated tube collectors. Applied Thermal Engineering. 31, 15361542. p. BADESCU V. (1984): Accurate upper bound for the efficiency of converting solar energy into work. J.Phys. D.: Appl. Phys. 31, 820-825. p. BADESCU V. (1991): Maximum conversion efficiency for the utilization of multiply scattered solar radiation. J. Phys. D: Appl. Phys. 24, 1882–1885. p. BADESCU V. (2007): Optimal control of flow in solar collectors for maximum exergy extraction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 50, 4311-4322. p. BADESCU V. (2008): Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed water storage tanks. Energy Conversion and Management. 49, 169–184. p. BARAŎ M., LEMOS J.M., SILVA R.N. (2002): Reduced complexity adaptive nonlinear control of a distributed collector solar field. J. Process Control. 12, 131– 141. p. BEJAN A. (1982): Extraction of exergy from solar collectors under time-varying conditions. International Journal of Heat and Fluid Flow. 3, 67-72. p. BUZÁS J. (2007): Napkollektor átviteli függvényének meghatározása. MTA AgrárMőszaki Bizottság, XXVII. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, Gödöllı, 2007. jan. 23., 3. kötet, 85-89. p. BUZÁS J. (2009): Napenergiás melegvízkészítı és tároló rendszerek blokkorientált modellezése. Doktori értekezés. Szent István Egyetem. Gödöllı. CAMACHO E.F., RUBIO F.R., GUTIERREZ J.A. (1988): Modeling and simulation of a solar power plant with a distributed collector system. Proceedings of the International IFAC Symposium on Power Systems Modeling and Control. Brussels, Belgium. CAMACHO E.F., RUBIO F.R., HUGUES F.M. (1992): Self-tuning control of a solar power plant with a distributed collector field. IEEE Control Systems Magazine. 72–78. p. CAMACHO E.F., BERENGUEL M., RUBIO F.R. (1994): Application of a gain scheduling generalized predictive controller to a solar power plant. Control Eng. Practice. 2, 227-238. p. CAMACHO E.F., BERENGUEL M., RUBIO F.R. (1997a): Advanced Control of Solar Plants. Springer-Verlag. CAMACHO E.F., RUBIO F.R., BERENGUEL M. (1997b): Application of fuzzy logic control to a solar power plant. In: Mielczarski W. (Ed.), Fuzzy Logic Techniques in Power Systems series Studies in Fuzziness and Soft Computing.

106

8. Mellékletek 17. 18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25. 26. 27.

28. 29. 30. 31. 32. 33.

34.

Physica Verlag. CAMACHO E.F., BORDONS C. (2004): Model Based Predictive Control. Springer. 2004. CAMACHO E.F., RUBIO F.R., BERENGUEL M., VALENZUELA L. (2007a): A survey on control schemes for distributed solar collector fields. Part I: Modeling and basic control approaches. Solar Energy. 81, 1240-1251. p. CAMACHO E.F., RUBIO F.R., BERENGUEL M., VALENZUELA L. (2007b): A survey on control schemes for distributed solar collector fields. Part II: Advanced control approaches. Solar Energy. 81, 1252-1272. p. CARDOSO A.L., HENRIQUES J., DOURADO A. (1999): Fuzzy supervisor and feedforward control of a solar power plant using accessible disturbances. European Control Conference ECC99, Karlsruhe, Germany. CARMONA R., ARANDA J.M., SILVA M., ANDÚJAR J.M. (1987): Regulation and automation of the SSPS-DCS ACUREX field of the PSA. Report No. R-15/87, PSA. CAROTENUTO L., LA CAVA M., RAICONI G. (1985): Regular design for the bilinear distributed parameter of a solar power plant. Int. J. Systems Sci. 16, 885– 900. p. CAROTENUTO L., LA CAVA M., MURACA P., RAICONI G. (1986): Feedforward control for the distributed parameter model of a solar power plant. Large Scale Systems. 11, 233–241. p. CASTILLA M., ÁLVAREZ J.D., BERENGUEL M., RODRÍGUEZ F., GUZMÁN J.L., PÉREZ M. (2011): A comparison of thermal comfort predictive control strategies. Energy and Buildings. 43, 2737-2746. p. CEN (1997): European Standard Draft prEN 12975-2:1997. European Committee for Standardisation. CHABENE M., ANNABI M. (1997): A dynamic model for predicting solar plant performance and optimum control. Energy. 22, 567–578. p. CIRRE C.M, MORENO J.C., BERENGUEL M. (2003): Robust QFT control of a solar collectors field. In: Martínez D. (Ed.), IHP Programme. Research Results at PSA within the Year 2002 Access Campaign, CIEMAT. DORATO P. (1983): Optimal temperature control of solar energy systems. Solar Energy. 30, 147–153. p. DUFFIE J.A., BECKMAN W.A. (2006): Solar Engineering of Thermal Process. John Wiley and Sons. New York. FANGER P.O. (1970): Thermal Comfort. Analysis and Applications in Environmental Engineering. Danish Technical Press, Copenhagen. FARAHAT S., SARHADDI F., AJAM H. (2009): Exergetic optimization of flat plate solar collectors. Renewable Energy. 34, 1169-1174. p. FARKAS I., BUZÁS J., LÁGYMÁNYOSI A., KALMÁR I. (2001): Napenergiás uszodai vízmelegítı rendszer. Magyar Energetika, IX. évf., 2001/3. sz., 17-20. p. FARKAS I., VAJK I. (2002a): Experiments with internal model-based controller for Acurex field. In: Martínez D. (Ed.), Proceedings of the 2nd Users Workshop IHP Programme, CIEMAT. FARKAS I., VAJK I. (2002b): Internal model-based controller for a solar plant.

107

8. Mellékletek 35. 36.

37. 38.

39.

40.

41. 42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

Proceedings of the 15th IFAC World Congress, Barcelona, Spain. FARKAS I., VAJK I., (2002c): Modeling and control of a distributed solar collector field. Proceedings of the Energy and Environment Congress, Opatija, Croatia. FARKAS I., VAJK I. (2003): Experiments with robust internal model-based controller for Acurex field. In: Martínez D. (Ed.), IHP Programme. Research Results at PSA within the Year 2002 Access Campaign, CIEMAT. FARKAS I., GÉCZY-VÍG P. (2003): Neural network modelling of flat-plate solar collectors. Computers and Electronics in Agriculture. 40, 1-3, 91-95. p. FLORES A., SAEZ D., ARAYA J., BERENGUEL M., CIPRIANO A. (2005): Fuzzy predictive control of a solar power plant. IEEE Transactions on Fuzzy Systems. 13, 58–68. p. FRITCHMAN B.M., GRANTHAM W.J. (1987): Differential game control of a bilinear solar collector/heat exchanger system. Mathematical Modelling. 8, 399-405. p. GALLEGO A.J., CAMACHO E.F. (2011): Estimation of effective solar irradiation using an unscented Kalman filter in a parabolic-trough field. Solar Energy. Article in press. doi:10.1016/j.solener.2011.11.012. GÉCZYNÉ VÍG P. (2007): Napkollektoros rendszerek modellezése neurális hálóval. Doktori értekezés. Szent István Egyetem. Gödöllı. GÉCZYNÉ V.P., FARKAS I. (2007): Víztároló tartály rétegzıdésének elemzése neurális hálóval. XXXI. MTA Agrár-Mőszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllı, 2007. jan. 23., 3. kötet, 92-94. p. GLEMBIN J., ROCKENDORF G. (2011): Simulation and evaluation of stratified discharging and charging devices in combined solar thermal systems. Solar Energy. Article in press. doi:10.1016/j.solener.2011.10.013. HARRISON S.J., MCCLENAHAN D., NIELSEN V.H. (1989): The performance of unglazed solar collectors. Procedures of the 15th Annual Conference of the Solar Energy Society of Canada. Penticton, B.C., June 1989, 235-239. p. HEIMRATH R., HALLER M. (2003): 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. HENRIQUES J., CARDOSO A., DOURADO A. (1999a): Supervision and c-means clustering of PID controllers for a solar power plant. Int. J. Approximate Reasoning. 22, 73–91. p. HENRIQUES J., CARDOSO A., DOURADO A. (1999b): Fuzzy supervisor of PID controllers for the Acurex Field at PSA. In: Martínez D. (Ed.), Proceedings of the 2nd Users Group TMR Programme at PSA, CIEMAT. HENRIQUES J., GIL P., CARDOSO A., CARVALHO P., DOURADO A. (2010): Adaptive neural output regulation control of a solar power plant. Control Engineering Practice. 18, 1183–1196. p. HILMER F., VAJEN K., RATKA A., ACKERMANN H., FUHS W., MELSHEIMER O. (1999): Numerical solution and validation of a dynamic model of solar collectors working with varying fluid flow rate. Solar Energy. 65, 305-321. p. HIRSCH U.T. (1985): Control strategies for solar water heating systems. Master of

108

8. Mellékletek 51. 52. 53.

54. 55. 56.

57. 58.

59. 60.

61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69.

70.

Science Thesis. University of Wisconsin-Madison. HOLLANDS K.G.T., BRUNGER A.P. (1992): Optimum flow rates in solar water heating systems with a counterflow exchanger. Solar Energy. 48, 15-19. p. HORVÁTH G. (1998): Neurális hálózatok és mőszaki alkalmazásai. Mőegyetemi Kiadó. Budapest. HOTTEL H.C., WOERTZ B.B. (1942): The performance of flat plate solar heat collectors. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 64, 91104. p. IEA TASK 26 Solar Combisystems: www.iea-shc.org/task26 (2012. 02.) ISO (1995): ISO 9806-3. Thermal Performance of Unglazed Liquid Heating Collectors. JALILI-KHARAAJOO M., BESHARATI F. (2003): Intelligent predictive control of a solar power plant with neuro-fuzzy identifier and evolutionary programming optimizer. Proceedings of the IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2, 173–176. p. JOHANSEN T.A., STORAA C. (2002a): Energy-based control of a distributed solar collector field. Automatica. 38, 1191–1199. p. JOHANSEN T.A., STORAA C. (2002b): An internal energy controller for distributed solar collector fields. In: Martínez D. (Ed.), Proceedings of the 2nd Users Workshop IHP Programme, CIEMAT. JORDAN U., FURBO S. (2005): Thermal stratification in small solar domestic storage tanks caused by draw-offs. Solar Energy. 78, 291-300. p. 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. KALOGIROU S.A. (2009): Solar Energy Engineering. Academic Press. KALOGIROU S.A. (2000): Applications of artificial neural-networks for energy systems. Applied Energy. 67, 17–35. p. KALOGIROU S.A. (2001): Artificial neural networks in renewable energy systems applications: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 5, 373–401. p. KLEIN A.A., DUFFIE J.A., BECKMAN W.A. (1974): Transient considerations of flat-plate solar collectors. Trans. ASME J. Eng. Power. 96A, 109. pp. KLEIN S.A. et al. (2005): TRNSYS 16 – A Transient System Simulation Program. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison. KOVARIK M., LESSE P.F. (1976): Optimal control of flow in low temperature solar heat collectors. Solar Energy. 18, 431-435. p. KÖRNYEI T. (1999): Hıátvitel. Mőegyetemi Kiadó. Budapest. KRAFT D. (1994): Algorithm 733: TOMP – Fortran modules for optimal control calculations. ACM Trans. Math. Software. 20, 262–281. p. LEMOS J.M., RATO L.M., MOSCA E. (2000): Integrating predictive and switching control: Basic concepts and an experimental case study. In: Allgower F., Zheng A. (Eds.), Nonlinear Model Predictive Control. BirkhauserVerlag, Basel, Switzerland, 181–190. p. LÖF G. (1993): Active Solar Systems. MIT Press.

109

8. Mellékletek 71. 72. 73.

74. 75.

76. 77. 78.

79. 80. 81. 82. 83.

84. 85.

86.

87.

88.

89.

LUENBERGER D.G. (1964): Observing the state of a linear system. IEEE Transactions on Military Electronics. 8, 2, 74-80. p. MAPLE: www.maplesoft.com (2012. 02.) MARKOU H., PETROPOULAKIS L (1998): PID-type fuzzy control of the Acurex solar collector field. In: Martínez D. (Ed.), Proceedings of the 2nd users Workshop. TMR Programme at PSA, CIEMAT, 37–42. p. MATHEMATICA: www.wolfram.com (2012. 02.) MATHER, D.W., HOLLANDS, K.G.T., WRIGHT, J.L. (2002): Single- and multitank energy storage for solar heating systems: fundamentals. Solar Energy. 73, 313. p. M. CSIZMADIA B., NÁNDORI E. (2003): Modellalkotás. Nemzeti Tankönyvkiadó. Budapest. METEONORM: meteonorm.com (2012. 02.) MÉSZÁROS CS., BUZÁS J., BÁLINT Á, FARKAS I., JANTA K. (2004): Napenergiával mőködı berendezések hatásfokának elméleti vizsgálata. MTA AgrárMőszaki Bizottság, XXVIII. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllı, 2004. jan. 20-21, 4. kötet 355-357. p. MIHEJEV M.A. (1990): A hıátadás gyakorlati számításának alapjai. (Átdolg.: Horváth C.) Tankönyvkiadó. Budapest. MORTEZA A., ARDEHALI M., YAE K.H., SMITH T.F. (1996): Development of proportional-sum-derivative control methodology. Solar Energy. 57, 251-260. p. NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY, USA (1998), Solar Water Heating, Federal Technology Alert. Federal Energy Management Program. NAYAK J.K., AMER E.H. (2000): Experimental and theoretical evaluation of dynamic test procedures for solar flat-plate collectors. Solar Energy. 69, 377-401. p. NORMEY-RICO J., BORDÓNS C., BERENGUEL M., CAMACHO E.F. (1998): A robust adaptive dead-time compensator with application to a solar collector field. Proceedings of the IFAC Linear Time Delay Systems Workshop, Grenoble, France, 105–110. p. ORBACH A., RORRES C., FISCHL R. (1981): Optimal control of a solar collector loop using a distributed-lumped model. Automatica. 17, 535-539. p. PASAMONTES M., ÁLVAREZ J.D., GUZMÁN J.L., LEMOS J.M., BERENGUEL M. (2011): A switching control strategy applied to solar collector field. Control Engineering Practice. 19, 135-145. p. PERERS B., BALES C. (2002): A Solar collector model for TRNSYS simulation and system testing. A report of IEA SHC Task 26 Solar Combisystems. December 2002. PÉREZ DE LA PARTE M., CIRRE C.M., CAMACHO E.F., BERENGUEL M. (2008): Application of predictive sliding mode controllers to a solar plant. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 16, 819-825. p. PONTRJAGIN L.SZ., BOLTYANSZKIJ V.G., GAMKRELIDZE R.V., MISCSENKO J.F. (1968): Optimális folyamatok elmélete. Közgazdasági és Jogi Könyvkiadó. Budapest. PRUD’HOMME T., GILLET D. (2001): Advanced control strategy of a solar domestic hot water system with a segmented auxiliary heater. Energy and

110

8. Mellékletek 90.

91.

92.

93. 94.

95.

96.

97.

98. 99. 100.

101. 102.

103.

104. 105.

Buildings. 33, 463-475. p. QIN S.J., BADGWELL T.A. (1997): An overview of industrial model predictive control technology. In: Kantor J.C., Garcia C.E., Carnahan B. (Eds.), Fifth International Conferences on Chemical Process Control. CACHE, AICHE, 1997. 232-256. p. RATO L., SILVA R.N., LEMOS J.M., COITO F. (1997): Multirate MUSMAR cascade control of a distributed solar field. Proceedings of the European Control Conference ECC’97, Brussels, Belgium. RORRES C., ORBACH A., FISCHL R., (1980): Optimal and suboptimal control policies for a solar collector system. IEEE Trans. Automatic Control. AC-25, 1085– 1091. p. RUBIO F.R., BERENGUEL M., CAMACHO E.F. (1995): Fuzzy logic control of a solar power plant. IEEE Transactions on Fuzzy Systems. 3, 459–468. p. RUBIO F.R., CAMACHO E.F., BERENGUEL M. (2006): Control de campos de colectores solares. RIAI – Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial. 3, 26–45. p. RUIZ E., MARTÍNEZ P.J. (2010): Analysis of an open-air swimming pool solar heating system by using an experimentally validated TRNSYS model. Solar Energy. 84, 116-123. p. SCHRAUB F.A., DEHNE H. (1983): Electric generation system design: management, startup and operation of IEA distributed collector solar system in Almería, Spain. Solar Energy. 31, 351–354. p. SCHWEIGER H. et al. (2007): Solar Heat for Idustrial Processes. In: Goswami D.Y. (Ed.), Advances in Solar Energy. American Solar Energy Society Inc. Boulder, CO, 216-260. p. SILVA R.N., RATO L.M., LEMOS J.M., COITO F. (1997): Cascade control of a distributed collector solar field. J. Process Control. 7, 111–117. p. SILVA R.N., RATO L.M., LEMOS J.M. (2003a): Time scaling internal state predictive control of a solar plant. Control Eng. Practice. 11, 1459–1467. p. SILVA R.N., LEMOS J.M., RATO L.M. (2003b): Variable sampling adaptive control of a distributed collector solar field. IEEE Control. Systems Technol. 11, 765–772. p. SZABÓ I. (2001): Rendszer- és irányítástechnika. Mőegyetemi Kiadó. Budapest. TORRES REYES E., PICON NUNEZ M., CERVANTES DE GORTARI J. (1998): Exergy analysis and optimization of a solar assisted heat pump. Energy. 23, 337344. p. VALENZUELA L., BALSA P. (1998): Series and parallel feedforward control schemes to regulate the operation of a solar collector field. In: Martínez D. (Ed.), Proceedings of the 2nd Users Workshop. TMR Programme at PSA, CIEMAT, Almería (España), 19–24. p. WATERLOO MAPLE INC. (2002): MAPLE 8, a Symbolic Computation System. WILLIGENBURG L.G., VAN BONTSEMA J., DE KONING W.L., VALENZUELA L., CIRRE C.M. (2004a): Direct reduced-order digital control of a solar collector field. In Martínez D. (Ed.), IHP Programme. Research Results at PSA within the Year 2003 Access Campaign, CIEMAT.

111

8. Mellékletek 106. WILLIGENBURG L.G., VAN BONTSEMA J., DE KONING W.L., VALENZUELA L., CIRRE C.M. (2004b): Digital optimal reduced-order control of a solar power plant. Proceedings of the UKACC-IEE CONTROL 2004, University of Bath, UK. 107. WINN C.B., HULL D.E. (1979): Optimal controllers of the second kind. Solar Energy. 23, 529-534. p. 108. WINN C.B. (1983): Controls in solar energy systems. Advances in Solar Energy, American Solar Energy Society Inc. 109. ZACHÁR A. (2003): Termikus rétegzıdés használati melegvíztárolókban. Doktori értekezés. Szent István Egyetem. Gödöllı. 110. ZACHÁR A., FARKAS I., SZLIVKA F. (2003): Numerical analyses of the impact of plates for thermal stratification inside a storage tank with upper and lower inlet flows. Solar Energy. 74, 287-302. p. 111. ZEGHIB I., CHAKER A. (2011): Simulation of a solar domestic water heating system. Energy Procedia. 6, 292-301. p.

112

8. Mellékletek

M2: Az értekezés témaköréhez kapcsolódó publikációk Lektorált cikk világnyelven 1. Kicsiny R., Farkas I. (2007): Combined solar swimming pool heating and hot water supply, Hungarian Agricultural Engineering, No. 20/2007, Gödöllı, pp. 30-31. 2. Kicsiny R. (2009): Development of an energetically-based control for solar thermal heating systems, Review of Faculty of Engineering, Analecta Technica Szegediensia, Szeged, pp. 50-57.

3. Kicsiny R. (2009): Energetically-based control for solar heating systems, Scientific Bulletin of the “Politechnica” University of Timişoara, Romania, Transactions on Mechanics, 54(68), 2, pp. 55-62. 4. Kicsiny R., Farkas I. (2012): Energetically-based control for solar heating systems, Solar Energy (under review) 5. Kicsiny R., Varga Z. (2012): Real-time state observer design for solar thermal heating systems, Applied Mathematics and Computation (accepted, in press, DOI: 10.1016/j.amc.2012.05.040) 6. Kicsiny R., Varga Z. (2012): Real-time global state observer design for solar heating systems, Nonlinear Analysis: Real World Applications (under review)

Lektorált cikk magyar nyelven 7. Kicsiny R., Farkas I. (2008): Kombinált napkollektoros rendszerek fizikai alapú modellezése, GÉP, LIX. évf., 12. sz., 21-24. o. 8. Kicsiny R., Buzás J., Farkas I. (2009): Napkollektoros rendszer fizikai alapú modellje TRNSYS szimulációs környezetben, GÉP, LX. évf., 8. sz., 26-31. o. 9. Kicsiny R., Farkas I. (2011): Napkollektoros rendszer energetikai alapú szabályozása, Magyar Energetika, XVIII. évf., 5. sz., 14-17. o.

Nemzetközi konferencia kiadvány 10. Kicsiny R. (2008): Performance modelling of combined solar heating systems with ordinary- and with an energetically-based control, Energy and Environment in the practice, Proceedings of the Seminar of Doctorate Students from Justus Liebig University (Giessen) and Szent István University (Gödöllı), Gödöllı, August 19-21, 2008, /ed. by M. Szabó/, Szent István University, pp. 67-78. 11. Kicsiny R., Farkas I. (2008): Modelling the Performance of a Solar Heated Swimming Pool, CD-ROM Proceedings, EuroSun 2008, Lisbon, Portugal, p. 8 12. Kicsiny R., Farkas I. (2009): Developing a new energetically-based control method for solar heating systems, Proceedings of the ISES Solar World Congress 2009, Johannesburg, South Africa, pp. 689-698.

Magyar nyelvő konferencia kiadvány 13. Kicsiny R., Buzás J., Farkas I. (2008): Napenergiás uszodai vízmelegítı rendszer monitorozása, XXXII. MTA Agrár-Mőszaki Bizottság, Kutatási és Fejlesztési

113

8. Mellékletek Tanácskozás, Gödöllı, 2008. jan. 22., 3. kötet, 114-118. o.

Nemzetközi konferencia abstract 14. Kicsiny R., Buzás J., Farkas I. (2007): Long term performance evaluation of a combined solar thermal system, 13th Workshop on Energy and Environment, Gödöllı, Hungary, November 5-6, 2007, p. 18. 15. Kicsiny R., Farkas I. (2008): Performance modelling of a combined solar heating system, Book of Abstracts, 7th International Workshop for Young Scientists (BioPhys Spring 2008), Prague, Czech Republic, May 29-30, 2008, pp. 31-32.

Egyéb 16. Buzás J., Kicsiny R. (2007): Solar heated swimming-pools, Summer School on Solar Energy Applications, Agigea, Romania, August 20-25, 2007, p. 5 17. Buzás J., Kicsiny R. (2007): Solar thermal heating of outdoor swimming-pools, Home High Tech Symposium, Agigea, Romania, August 27-28, 2007, p. 3

114

8. Mellékletek

M3: A mért napkollektoros rendszer felhasznált mérési eredményei Az alábbi táblázat mutatja a SZIE-rendszer egyes mért napjaira vonatkozóan a szabályozás típusát (hagyományos, vagy energetikai alapú), a kollektormezıt érı napenergiát, a fogyasztó hıfogyasztását, a tárolóba jutó napenergiát, a rendszerkihasználtsági fokot, a napi átlagos tároló hımérsékletet, a tároló felsı harmadában, a kollektorköri és a tárolóköri szivattyúk üzemidejét és az ekvivalens üzemidejüket, valamint a szivattyúk bekapcsolásainak számát. Megjegyzendı, hogy a tárolóba jutó napenergia negatív is lehet, ami azt jelzi, hogy az adott napra vonatkozóan összességében a tároló visszahőtése történt. Ennek megfelelıen viszonylag kis abszolútértékő negatív számokról van szó, leginkább a téli napokban. A tárolóba jutó napenergia negatív értéke természetesen maga után vonja a rendszer-kihasználtsági fok negatív értékét.

Dátum

10.11.24. 10.11.25. 10.11.26. 10.11.27. 10.11.28. 10.11.29. 10.11.30. 10.12.01. 10.12.02. 10.12.03. 10.12.04. 10.12.05. 10.12.06. 10.12.07. 10.12.08. 10.12.09. 10.12.10. 10.12.11. 10.12.12. 10.12.13. 10.12.14. 10.12.15. 10.12.16. 10.12.17. 10.12.18. 10.12.19. 10.12.20. 10.12.21. 10.12.22.

Koll. k. Tár. k. Tár.-ba Koll. k. Tár. k. Szivattyúk Koll.mezőt Rendsz. Átl. tár. sziv. sziv. ekviv. Hőfogy. jutó sziv. sziv. bekapcs. bekapcs. Szab. érő napen. kih. fok hőm. (kWh) napen. üzemid. üzemid. üzemid. száma száma (kWh) (%) (°C) (h) (h) (kWh) (h) (db) (db) en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

24,2 32,8 44,1 22,0 12,6 18,7 28,9 8,4 8,7 6,6 14,2 26,7 23,2 22,3 11,4 84,2 39,8 10,9 12,9 21,6 32,7 8,9 24,8 15,6 8,4 15,7 22,7 8,7 15,5

90,5 93,9 87,5 5,7 4,8 102,0 109,8 85,7 97,9 102,9 7,5 6,7 97,1 66,5 92,6 4,3 97,4 23,7 1,0 111,9 93,1 87,3 98,6 90,1 1,0 0,0 76,1 49,9 52,8

2,8 5,98 9,48 -0,05 -0,28 -0,46 -0,8 -0,48 -0,57 -0,8 -2,13 -3,09 -1,1 2,3 -0,1 0,05 10,59 -2,44 -1,16 -1,95 -3,47 -4,77 -6,36 -6,46 -6,16 -6,12 -4,8 -5,63 -3,77

11,5% 18,2% 21,5% -0,2% -2,2% -2,5% -2,8% -5,7% -6,6% -12,1% -15,0% -11,6% -4,8% 10,3% -0,9% 0,1% 26,6% -22,5% -9,0% -9,0% -10,6% -53,3% -25,6% -41,5% -73,3% -39,0% -21,1% -65,0% -24,3%

16,0 17,5 19,0 19,9 20,0 18,3 15,2 14,1 14,1 13,8 14,0 13,6 13,4 14,2 14,5 15,0 15,8 18,2 18,3 16,0 13,6 12,4 11,8 11,4 11,1 10,7 10,8 10,8 10,7

115

1,9 1,7 2,3 0,0 0,0 0,1 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,1 1,2 0,0 2,9 2,6 0,0 0,0 0,3 0,9 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 1,3 0,0 0,0

2,3 1,7 2,5 0,0 0,0 0,1 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,1 1,2 0,0 2,9 2,9 0,0 0,0 0,3 1,3 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 1,3 0,0 0,0

2,1 1,7 2,4 0,0 0,0 0,1 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,5 0,1 1,2 0,0 2,9 2,7 0,0 0,0 0,3 1,1 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 1,3 0,0 0,0

3 3 2 0 0 1 3 0 0 0 0 12 1 6 0 12 2 0 0 5 5 0 2 0 0 0 4 0 0

5 3 2 0 0 1 3 0 0 0 0 12 1 6 0 12 2 0 0 5 5 0 2 0 0 0 4 0 0

8. Mellékletek 10.12.23. 10.12.24. 10.12.25. 10.12.26. 10.12.27. 10.12.28. 10.12.29. 10.12.30. 10.12.31. 11.01.01. 11.01.02. 11.01.03. 11.01.04. 11.01.05. 11.01.06. 11.01.07. 11.01.08. 11.01.09. 11.01.10. 11.01.11. 11.01.12. 11.01.13. 11.01.14. 11.01.15. 11.01.16. 11.01.17. 11.01.18. 11.01.19. 11.01.20. 11.01.21. 11.01.22. 11.01.23. 11.01.24. 11.01.25. 11.01.26. 11.01.27. 11.01.28. 11.01.29. 11.01.30. 11.01.31. 11.02.01. 11.02.02. 11.02.03. 11.02.04. 11.02.05. 11.02.06. 11.02.07. 11.02.08. 11.02.09. 11.02.10.

hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy.

15,1 19,5 7,0 8,5 17,0 28,6 36,8 9,0 6,3 8,5 24,3 24,7 8,5 13,3 12,1 38,1 20,0 16,8 13,9 9,1 21,8 9,9 18,7 18,0 26,6 39,5 15,8 9,4 6,0 45,5 35,9 46,4 20,5 17,8 11,5 14,4 65,7 58,2 36,6 18,2 12,0 15,0 14,3 28,9 74,3 43,9 78,8 75,9 80,5 79,0

3,5 0,0 0,0 1,0 0,0 0,9 3,2 0,0 1,0 0,0 1,0 104,8 93,9 88,5 99,4 86,2 1,9 2,1 104,2 88,5 81,1 73,0 71,1 1,7 1,7 69,5 78,6 26,1 90,2 84,2 6,1 6,8 97,2 84,2 96,3 97,5 91,2 3,8 3,9 100,2 92,2 104,8 83,1 112,8 17,7 16,1 89,0 82,9 92,1 76,2

-1,85 3,23 -1,37 -5,21 -6,23 -5,8 -5,53 -5,26 -5,1 -4,45 -4,41 -5,18 -5,58 -5,93 -5,8 2,21 -0,79 -3,27 -2,75 -1,38 2 -1,55 1,04 0 2,79 9,54 -0,16 -0,72 -1,02 9,11 3,83 4,24 -4,08 -5,34 -4,39 -4,8 10,69 4,69 -6,55 -7,68 -6,8 -6,52 -6,35 -5,02 17,63 8,58 27,27 21,29 25,01 19,23

-12,3% 16,5% -19,7% -61,4% -36,6% -20,3% -15,0% -58,5% -80,5% -52,2% -18,1% -21,0% -65,6% -44,7% -48,0% 5,8% -3,9% -19,4% -19,7% -15,2% 9,2% -15,6% 5,6% 0,0% 10,5% 24,2% -1,0% -7,7% -17,1% 20,0% 10,7% 9,1% -19,9% -30,0% -38,2% -33,4% 16,3% 8,1% -17,9% -42,1% -56,6% -43,6% -44,4% -17,4% 23,7% 19,5% 34,6% 28,1% 31,1% 24,3%

10,7 11,5 12,4 12,3 10,0 9,5 9,1 8,7 8,5 8,4 8,7 9,4 10,0 10,3 10,4 12,0 13,6 14,1 12,5 11,3 12,3 13,3 13,6 14,5 15,8 18,6 19,8 15,8 13,1 15,5 18,4 13,8 19,5 14,1 11,6 10,6 13,4 18,8 20,5 15,1 11,1 10,6 10,4 10,4 14,6 21,5 25,7 27,6 28,2 28,6

116

0,0 2,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,8 1,6 0,0 0,0 0,0 2,4 0,0 2,3 0,0 2,2 2,2 0,0 0,0 0,0 2,2 2,1 1,8 0,1 0,0 0,0 0,0 3,5 2,2 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 4,6 1,9 4,5 3,5 4,1 3,2

0,0 2,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,8 1,7 0,0 0,0 0,0 2,6 0,0 2,4 0,0 2,2 2,2 0,0 0,0 0,0 2,2 2,4 1,8 0,1 0,0 0,0 0,0 3,6 2,2 1,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 4,8 1,9 4,6 3,5 4,3 3,2

0,0 2,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 1,8 1,7 0,0 0,0 0,0 2,5 0,0 2,4 0,0 2,2 2,2 0,0 0,0 0,0 2,2 2,2 1,8 0,1 0,0 0,0 0,0 3,5 2,2 1,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 4,7 1,9 4,6 3,5 4,2 3,2

0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 2 0 0 0 2 0 3 0 4 3 0 0 0 4 3 4 2 0 0 0 5 4 4 0 0 0 0 2 6 7 7 15 9 17

0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 2 0 0 0 2 0 5 0 4 3 0 0 0 4 3 4 2 0 0 0 5 4 4 0 0 0 0 2 6 7 7 15 10 17

8. Mellékletek 11.02.11. 11.02.12. 11.02.13. 11.02.14. 11.02.15. 11.02.16. 11.02.17. 11.02.18. 11.02.19. 11.02.20. 11.02.21. 11.02.22. 11.02.23. 11.02.24. 11.02.25. 11.02.26. 11.02.27. 11.02.28. 11.03.01. 11.03.02. 11.03.03. 11.03.04. 11.03.05. 11.03.06. 11.03.07. 11.03.08. 11.03.09. 11.03.10. 11.03.11. 11.03.12. 11.03.13. 11.03.14. 11.03.15. 11.03.16. 11.03.17. 11.03.18. 11.03.19. 11.03.20. 11.03.21. 11.03.22. 11.03.23. 11.03.24. 11.03.25. 11.03.26. 11.03.27. 11.03.28. 11.03.29. 11.03.30. 11.03.31. 11.04.01.

en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy.

24,7 96,2 44,0 26,8 27,0 16,6 12,2 48,6 20,4 17,4 16,7 92,3 66,4 33,8 29,5 63,1 53,1 14,1 64,9 50,9 25,1 111,8 80,2 33,8 141,9 130,9 149,0 45,8 127,3 143,1 123,5 59,3 138,6 68,7 14,8 21,5 12,7 40,5 154,8 157,0 156,5 165,3 162,4 125,6 82,2 81,3 122,9 163,7 159,6 45,9

128,4 7,4 8,5 117,8 98,4 115,5 96,0 106,3 8,9 4,9 119,6 70,7 91,6 107,9 95,4 0,8 0,0 125,3 84,8 112,4 100,0 66,1 1,0 0,7 78,7 81,0 70,1 99,6 58,9 4,5 5,6 5,9 4,8 104,3 99,6 88,0 11,8 8,4 57,8 66,8 79,1 72,0 65,7 6,5 7,1 83,6 76,7 54,1 73,2 86,3

-0,99 22,28 -3,12 -2,7 -2,53 -3,62 -3,63 16,15 -1,54 -1,96 -3,1 15,53 8,86 -8,56 -5,23 15,3 5,87 -4,5 25,96 -2,04 0,32 26,52 16,65 -3,29 27,13 25,37 37,86 -0,92 39,04 27,75 12,39 5,53 17,54 6,7 0,41 0 -0,01 -0,42 58,69 44,33 43,7 47,04 45,65 11,63 1,14 24,97 37,51 45,15 45,48 7,42

-4,0% 23,2% -7,1% -10,1% -9,4% -21,8% -29,8% 33,3% -7,5% -11,3% -18,6% 16,8% 13,3% -25,3% -17,8% 24,2% 11,1% -31,8% 40,0% -4,0% 1,3% 23,7% 20,8% -9,7% 19,1% 19,4% 25,4% -2,0% 30,7% 19,4% 10,0% 9,3% 12,7% 9,7% 2,8% 0,0% -0,1% -1,0% 37,9% 28,2% 27,9% 28,5% 28,1% 9,3% 1,4% 30,7% 30,5% 27,6% 28,5% 16,2%

25,0 23,5 26,8 22,7 15,5 11,9 11,0 14,8 19,3 19,3 15,6 15,5 18,9 16,0 11,9 14,9 19,9 18,5 18,5 19,4 14,7 18,8 24,7 26,6 28,2 30,3 32,4 31,1 29,1 36,5 41,8 43,0 45,3 41,7 29,9 18,8 15,4 15,7 25,0 36,3 40,2 41,6 42,8 43,0 42,1 39,5 38,7 41,3 44,0 42,3

117

0,2 3,7 0,5 0,1 0,2 0,0 0,0 2,7 0,2 0,2 0,0 4,6 3,3 0,1 0,3 3,6 3,2 0,0 4,4 1,0 2,4 4,8 5,9 0,6 4,8 4,5 5,4 0,5 5,7 4,9 3,9 1,8 4,0 1,4 0,4 0,0 0,0 0,7 6,4 5,3 5,7 5,4 5,7 3,3 2,3 2,8 4,4 5,3 5,4 1,4

0,2 3,7 0,5 0,1 0,2 0,0 0,0 2,7 0,2 0,2 0,0 4,6 3,4 0,1 0,3 3,6 3,7 0,0 4,4 1,0 2,6 4,8 6,2 0,6 5,3 4,5 5,7 0,5 5,9 4,9 4,4 1,8 4,3 1,4 0,9 0,0 0,0 0,7 6,5 5,3 5,9 5,4 6,0 3,3 3,0 2,8 4,6 5,3 5,7 1,4

0,2 3,7 0,5 0,1 0,2 0,0 0,0 2,7 0,2 0,2 0,0 4,6 3,4 0,1 0,3 3,6 3,4 0,0 4,4 1,0 2,5 4,8 6,1 0,6 5,1 4,5 5,6 0,5 5,8 4,9 4,1 1,8 4,2 1,4 0,7 0,0 0,0 0,7 6,4 5,3 5,8 5,4 5,9 3,3 2,6 2,8 4,5 5,3 5,5 1,4

2 10 9 1 2 0 0 2 2 4 0 10 6 1 4 15 6 0 5 16 3 13 7 11 9 17 12 9 4 17 13 9 12 20 3 0 0 11 8 20 15 23 17 20 11 9 10 20 16 17

2 10 9 1 2 0 0 2 2 4 0 10 6 1 4 15 6 0 5 16 3 13 7 11 9 17 12 9 4 17 12 9 11 20 11 0 1 11 8 20 15 23 16 20 11 9 10 20 16 17

8. Mellékletek 11.04.02. 11.04.03. 11.04.04. 11.04.05. 11.04.06. 11.04.07. 11.04.08. 11.04.09. 11.04.10. 11.04.11. 11.04.12. 11.04.13. 11.04.14. 11.04.15. 11.04.16. 11.04.17. 11.04.18. 11.04.19. 11.04.20. 11.04.21. 11.04.22. 11.04.23. 11.04.24. 11.04.25. 11.04.26. 11.04.27. 11.04.28. 11.04.29. 11.04.30. 11.05.01. 11.05.02. 11.05.03. 11.05.04. 11.05.05.

en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy.

104,5 114,2 140,8 64,7 124,2 150,8 134,4 144,6 184,3 154,4 95,0 176,5 81,5 70,0 68,9 162,9 129,1 170,4 176,2 170,9 165,2 95,0 62,2 53,9 135,7 123,5 89,9 107,9 152,9 33,1 119,1 115,2 78,5 193,6

2,3 2,1 70,4 95,8 75,0 59,1 48,8 1,5 2,3 51,3 69,0 67,1 94,0 7,3 4,5 2,1 72,3 72,3 66,5 17,3 19,5 2,8 3,3 2,4 34,9 60,9 73,9 55,5 2,5 4,8 72,4 54,3 77,6 67,0

25,06 19,36 36,29 21,63 43,1 47,4 29,3 8,31 27,92 28,88 20,13 43,57 17,83 11,92 12,67 27,33 33,61 5,72 62,92 41,29 31,82 4,34 -2,81 -4,42 33,65 31,89 25,37 24,2 31,58 0 37,53 33,24 17,36 55,19

24,0% 16,9% 25,8% 33,4% 34,7% 31,4% 21,8% 5,7% 15,2% 18,7% 21,2% 24,7% 21,9% 17,0% 18,4% 16,8% 26,0% 3,4% 35,7% 24,2% 19,3% 4,6% -4,5% -8,2% 24,8% 25,8% 28,2% 22,4% 20,7% 0,0% 31,5% 28,8% 22,1% 28,5%

38,7 42,4 44,6 41,7 38,7 40,8 42,8 42,8 47,0 49,7 45,0 40,7 37,2 33,8 36,2 41,9 46,3 44,5 46,5 51,7 55,6 55,7 52,9 50,0 47,6 47,0 42,1 38,7 42,2 45,2 42,6 41,4 39,3 39,6

5,4 4,2 5,0 2,6 6,4 5,2 3,9 2,9 4,9 3,7 2,9 5,3 3,4 2,3 3,5 4,8 3,8 5,9 6,5 5,2 4,9 2,4 0,3 0,4 5,4 3,5 4,5 3,5 5,9 0,0 6,2 4,1 3,4 6,5

6,0 4,2 5,2 2,6 6,8 5,2 4,1 2,9 5,2 3,7 3,4 5,3 4,3 2,3 4,4 4,8 4,1 5,9 6,9 5,2 5,2 2,4 0,3 0,4 5,8 3,5 5,0 3,5 6,1 0,0 6,8 4,1 4,2 6,5

5,7 4,2 5,1 2,6 6,6 5,2 4,0 2,9 5,1 3,7 3,2 5,3 3,8 2,3 3,9 4,8 3,9 5,9 6,7 5,2 5,0 2,4 0,3 0,4 5,6 3,5 4,8 3,5 6,0 0,0 6,5 4,1 3,8 6,5

12 18 14 7 9 15 13 30 14 13 14 21 17 6 9 17 18 20 13 19 17 18 9 10 13 23 10 18 12 0 13 14 11 15

11 18 14 7 7 15 13 30 14 13 24 21 17 6 8 17 18 20 12 19 17 18 9 10 11 23 10 18 11 0 9 14 10 15

11.05.13. 11.05.14. 11.05.15. 11.05.16. 11.05.17. 11.05.18. 11.05.19. 11.05.20. 11.05.21.

hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy.

181,3 93,6 47,8 52,5 182,5 176,2 172,2 154,0 154,9

59,6 12,4 14,7 101,5 36,2 45,8 63,9 41,2 0,6

70,31 15,37 -0,14 7,18 68,18 55,74 45,91 37,78 30,62

38,8% 16,4% -0,3% 13,7% 37,4% 13,7% 37,4% 13,7% 37,4%

31,2 41,0 41,6 35,9 37,1 47,5 48,7 47,3 50,0

7,1 4,6 0,0 2,0 7,1 6,3 5,5 5,1 5,0

7,1 5,1 0,0 2,0 7,1 6,3 5,5 5,6 5,0

7,1 4,8 0,0 2,0 7,1 6,3 5,5 5,4 5,0

13 13 1 9 14 15 20 16 14

13 12 1 9 14 15 20 16 14

11.09.02. 11.09.03. 11.09.04. 11.09.05. 11.09.06.

hagy. en. al. hagy. en. al. hagy.

146,2 160,4 155,5 140,0 98,3

25,8 0,9 1,9 29,4 36,1

57,53 34,75 -3,96 36,56 23,46

39,0% 22,0% -3,0% 26,0% 24,0%

39,4 48,2 52,1 49,6 48,6

6,4 6,3 6,7 5,4 4,3

6,4 6,8 6,7 5,6 4,3

6,4 6,5 6,7 5,5 4,3

7 12 8 12 23

7 10 8 11 23

118

8. Mellékletek 11.09.07. 11.09.08. 11.09.09. 11.09.10. 11.09.11. 11.09.12. 11.09.13.

en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

118,6 41,3 134,4 51,4 146,9 127,3 159,0

32,3 66,0 50,7 2,8 1,1 23,6 18,3

24,63 -0,21 44,63 4,35 35,88 28,87 39,45

21,0% 0,0% 33,0% 8,0% 24,0% 23,0% 25,0%

46,8 38,3 36,2 41,1 46,7 51,6 51,4

4,2 0,6 6,0 2,7 5,7 4,3 5,5

4,6 0,6 6,3 2,7 6,0 4,3 5,8

4,4 0,6 6,2 2,7 5,9 4,3 5,7

14 13 12 11 13 18 14

14 13 12 11 13 18 14

11.10.04. 11.10.05. 11.10.06. 11.10.07. 11.10.08. 11.10.09. 11.10.10. 11.10.11. 11.10.12. 11.10.13. 11.10.14. 11.10.15. 11.10.16. 11.10.17. 11.10.18. 11.10.19. 11.10.20. 11.10.21. 11.10.22. 11.10.23. 11.10.24. 11.10.25. 11.10.26. 11.10.27. 11.10.28. 11.10.29.

hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

122,7 116,5 71,3 39,4 58,7 36,7 52,3 36,8 36,3 117,9 89,2 115,7 121,2 116,0 113,1 93,7 19,7 43,4 98,5 8,7 16,5 17,6 44,2 75,9 39,1 59,0

36,5 36,3 49,3 66,0 13,2 12,8 74,2 73,4 68,7 66,1 20,0 11,1 9,4 60,0 46,8 60,7 70,5 79,6 14,1 12,0 85,0 80,5 69,1 64,5 65,3 10,2

27,39 27,81 8,51 4,15 0,35 6,66 5,91 5,04 3,17 30,73 2,87 23,02 13,63 20,41 18,1 16,17 0,02 9,45 14,44 0 0 0 6,31 20,52 5,88 14,35

22,0% 24,0% 12,0% 11,0% 0,0% 18,0% 11,0% 14,0% 9,0% 26,0% 3,0% 20,0% 11,0% 18,0% 16,0% 17,0% 0,0% 22,0% 15,0% 0,0% 0,0% 0,0% 14,0% 27,0% 15,0% 24,0%

50,0 48,3 45,8 38,0 32,2 30,7 29,7 27,1 25,2 29,0 32,6 35,5 41,1 42,6 41,7 39,6 36,5 30,4 28,9 31,7 29,8 24,9 21,4 24,4 27,5 29,1

3,7 3,9 1,6 1,1 0,8 1,9 1,5 2,7 1,4 5,3 2,0 4,2 3,2 3,3 3,1 3,3 0,1 3,0 3,2 0,0 0,0 0,0 2,2 4,3 1,6 3,2

3,7 4,1 1,6 1,3 0,8 2,2 1,5 2,7 1,4 5,7 2,0 4,5 3,2 3,6 3,1 3,6 0,1 3,2 3,2 0,0 0,0 0,0 2,2 4,7 1,6 3,5

3,7 4,0 1,6 1,2 0,8 2,0 1,5 2,7 1,4 5,5 2,0 4,4 3,2 3,4 3,1 3,4 0,1 3,1 3,2 0,0 0,0 0,0 2,2 4,5 1,6 3,4

14 11 24 11 14 8 19 10 11 6 17 8 14 11 14 10 1 6 12 0 0 0 15 5 11 6

14 11 24 13 14 8 19 10 11 6 17 8 14 11 14 10 1 6 12 0 0 0 15 6 11 6

11.10.31. 11.11.01. 11.11.02. 11.11.03. 11.11.04. 11.11.05. 11.11.06. 11.11.07. 11.11.08.

en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

61,2 66,6 65,8 65,0 50,4 60,9 60,5 46,6 48,3

8,2 9,7 45,6 33,6 43,0 17,2 11,6 72,5 68,1

9,57 4,26 9,22 5,74 -1,01 8,76 9,17 1,27 12,16

15,0% 6,0% 14,0% 9,0% -2,0% 14,0% 15,0% 3,0% 25,0%

33,0 34,8 35,3 34,7 33,7 31,7 32,4 32,4 30,3

2,4 1,9 2,3 1,8 0,9 2,2 2,3 1,1 2,6

2,7 1,9 2,6 1,8 0,9 2,2 2,6 1,1 2,8

2,5 1,9 2,4 1,8 0,9 2,2 2,5 1,1 2,7

5 11 9 10 11 9 7 11 6

5 11 9 10 11 9 7 11 6

11.11.30. 11.12.01. 11.12.02. 11.12.03. 11.12.04.

en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

9,0 8,4 6,1 7,8 17,9

103,3 84,1 97,7 21,7 16,2

-0,97 -0,67 -0,84 -0,97 -0,5

-11,0% -8,0% -14,0% -12,0% -3,0%

17,7 15,7 15,2 15,3 15,8

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

119

8. Mellékletek 11.12.05. 11.12.06. 11.12.07. 11.12.08. 11.12.09. 11.12.10. 11.12.11. 11.12.12. 11.12.13. 11.12.14. 11.12.15. 11.12.16. 11.12.17. 11.12.18.

hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al. hagy. en. al.

9,9 34,7 28,3 33,3 35,4 15,9 16,0 10,3 24,4 9,5 5,7 28,8 13,0 39,9

72,7 80,1 68,1 59,2 58,4 3,7 4,0 75,9 63,3 72,3 60,6 71,3 5,6 5,2

-0,02 8,12 -0,8 7,6 0,91 -0,11 -0,16 -0,2 1,32 0 0 5,87 0 6,44

0,0% 23,0% -3,0% 23,0% 3,0% 0,0% -1,0% -2,0% 5,0% 0,0% 0,0% 20,0% 0,0% 16,0%

16,6 18,1 19,1 19,0 19,9 20,1 20,2 19,2 18,3 17,6 16,1 16,8 18,3 20,1

120

0,0 2,4 0,6 2,5 1,0 0,1 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 2,6 0,0 2,2

0,0 2,6 0,6 2,8 1,0 0,1 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 2,8 0,0 2,4

0,0 2,5 0,6 2,6 1,0 0,1 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 2,7 0,0 2,3

0 2 11 2 6 1 0 0 7 0 0 3 0 3

0 3 11 2 6 1 0 0 7 0 0 3 0 3

Köszönetnyilvánítás

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönöm témavezetımnek, Dr. Farkas István professzor úrnak a kutatómunkám végzéséhez szükséges feltételek, valamint a megfelelı tudományos fórumokon való publikálási lehetıségek biztosítását. Köszönöm hasznos tanácsait is. Kiemelten köszönöm Dr. Buzás Jánosnak, hogy bármikor zavarhattam problémáimmal. Mindig kész volt együtt gondolkodni velem és hasznos szakmai tanácsokkal ellátni. A tároló elıtti váltószelep vizsgálatának ötlete tıle származik. Köszönöm Dr. Seres Istvánnak a sok gyakorlati problémában nyújtott segítségét. Köszönöm Géczyné Dr. Víg Piroska segítségét. Általában köszönöm a Fizika és Folyamatirányítási Tanszék munkatársainak minden segítségét és a kedves, emberséges környezetet, amelyben jó volt dolgozni. Termann Zsoltnak és Pataki Ferencnek, akik a SZIE-rendszer eszközrendszerének bıvítési munkálatait vállalták, köszönöm, hogy az elvárható mértéket jóval meghaladóan segítettek, hogy a rendszert könnyen használhassam, tanácsaikkal megelızve a kérdéseimet. Köszönöm Dr. Klaus Vajen professzor úrnak és a Kasseli Egyetem Szolár- és Rendszertechnika (Solar- und Anlagentechnik) Tanszéke munkatársainak, hogy németországi tanulmányutam megfelelı körülményeit biztosították és lehetıvé tették a TRNSYS szoftver megismerését. Tanulmányutam a Magyar Állami Eötvös Ösztöndíj támogatásával valósult meg. Köszönöm Dunai Zsoltnak és a Premontrei Szent Norbert Gimnáziumnak, hogy lehetıvé tették az adatgyőjtı számítógép internethez csatlakoztatását. Köszönöm Bernhardt Péter, az Advantech Magyarország Kft. munkatársa tanácsait a mérı-szabályozó szoftverrel és modulokkal kapcsolatban felmerült kérdéseim vonatkozásában. Nem utolsó sorban köszönöm Dr. Varga Zoltán professzor úrnak, munkaadómnak a SZIE Matematika Tanszékén, hogy bíztatott és támogatott doktorim mielıbbi befejezése ügyében. Kiemelten köszönöm családom és barátaim segítségét, fıleg Feleségem és Édesanyám nélkülözhetetlen lelki támogatását. Köszönetemet fejezem ki mindazok felé, akiket név szerint ugyan nem tudtam itt megemlíteni, de valamilyen módon hozzájárultak e munka létrejöttéhez. Gödöllı, 2012. április

Kicsiny Richárd 121

SZENT ISTVÁN EGYETEM

Recommend Documents