Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013

Transkript

1 Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013 ŘÍZENÍ STŘÍDAVÉHO OHŘEVU TUV A DOMÁCÍHO BAZÉNU POMOCÍ SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ Dominik BRÁNKA FAI UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, Zlín 25. dubna 2013 FAI UTB ve Zlíně

2 Klíčová slova: Solární energie, solární kolektory, PLC, ohřev TUV, Řízení solárního systému Anotace: Tato práce se zabývá problematikou střídavého ohřevu teplé užitkové vody a vody v bazéně, pomocí solárních kolektorů. Představuje stávající systém, který je pouze jednoduše řízen a popisuje jednu z možností jeho inovace, za účelem vyššího zisku. Dále uvádí hlavní důvody použití PLC pro daný případ a popisuje další použité prvky. Popisuje uživatelský program, který je prováděn PLC za účelem řízení. Na závěr uvádí další možnosti rozšíření pro zvýšení uživatelského komfortu. 2

3 Obsah 1. Úvod Stávající systém CosmoSOL 253L CosmoCELL CCE DUO Další části Navržená inovace Výběr řídící jednotky Řídící algoritmus Popis algoritmu Simulace Závěr Literatura

4 1. Úvod Využití solární energie k ohřevu vody v bazénu nebo ohřevu užitkové vody není v dnešní době nic neobvyklého. Dnes již většina nabízených zahradních bazénu obsahuje jednoduchý solární ohřev, který se ve většině případů obsahuje tzv. absorbér, což může být například tmavá plastová rohož s velkým množstvím vodních kanálků. Oproti tomu jsou technické nároky na využití solární energie k ohřevu užitkové vody znatelně vyšší. Od systému na ohřev užitkové vody požadujeme, aby byl schopen ohřát vodu na C, což je při kohoutkové teplotě cca 10 C více než 35 C. K takovému účelu se standardně používají ploché solární kolektory, což je izolovaná plechová skříň, v nichž je uložen absorbér, který je chráněn tabulí bezpečnostního skla. Tyto kolektory mohou být namontovány v rámci střešní krytiny nebo nad ní. Další podstatnou součástí tohoto systému je zásobník na vodu, což je vertikální válcová nádoba. Jestliže hrozí riziko zamrznutí kapaliny v solárním kolektoru, musí být použita jako teplonosné médium nemrznoucí směs, například voda a propylenglykol v poměru většinou 1:1 nebo podle požadavku na teplotu tuhnutí. Z tohoto důvodu není možný přímý ohřev užitkové vody, ale je nutno použití tepelného výměníku. Tento výměník je ve většině případů součástí zásobníku. [1] V případě, že objekt obsahuje jak bazén, tak solární ohřev teplé užitkové vody (dále jen TUV), je jistě výhodné tyto dva systémy spojit a solární kolektory využít i k ohřevu vody v bazénu. V tomto případě je nutné rozšíření filtračního okruhu bazénu o protiproudý výměník, kde bude docházet k předávání tepla mezi teplonosným médiem cirkulujícím v solárním okruhu a bazénovou vodou. Dalším rozšíření je instalace trojcestného ventilu, který bude usměrňovat tok teplonosného média do výměníku v zásobníku TUV nebo do výměníku ve filtračním okruhu bazénu. Toto usměrňování je nutno nějakým způsobem řídit. Klasickým požadavkem bude dosažení maximální teploty TUV a z přebytků ohřívat vodu v bazénu. Vodu v bazénu ohřívat také v případě, že podmínky nejsou dostatečné k ohřevu TUV. V případě, že podmínky nejsou dostatečné ani k ohřevu vody v bazénu je vhodné celý systém vypnout. Na stranu druhou, může majitel budovy požadovat určitou teplotu vody v bazénu a teprve po dosažení této teploty zapnout ohřev TUV. Čím důmyslnější systém řízení bude, tím bude dosaženo vyšších tepelných zisků a také se zkrátí doba návratnosti investice do tohoto systému. 4

5 2. Stávající systém Stávající systém (obr. 1.1) je nainstalován v rodinném domě v centru Uherského Hradiště. Jeho úkolem je ohřev teplé užitkové vody a ohřev vody v krytém bazénu. Hlavními komponentami jsou solární kolektory, zásobník na vodu, trojcestný ventil, tepelný výměník, rozvodné vedení. 2.1 CosmoSOL 253L Plochý solární kolektor o ploše 2,53 m 2, složený z hliníkového rámu, měděného absorbéru potaženého vysoce selektivní modrou vrstvou, který absorbuje až 95% dopadajícího záření. Absorbér je chráněn 3,2 mm tlustým kaleným bezpečnostním sklem. Plocha apertury (viditelná část absorbéru, která je ozařována slunečním zářením) je 2,42 m 2. Tento solární kolektor se vyznačuje optickou účinností 0,772, lineárním koeficientem tepelných ztrát a 1 = 3,17 a kvadratickým koeficientem tepelných ztrát a 2 = 0,0047. Tento kolektor je certifikován certifikátem TÜV Tento solární kolektor je namontován na šikmé střeše, pod úhlem 40, v počtu čtyř kusů. Střecha je orientována na jižní stranu. Celková plocha kolektorů je tedy 10,12 m 2, celková plocha absorbéru je 9,68 m CosmoCELL CCE DUO Stojatý zásobník vody o objemu 380l pro ohřev pitné vody s nepřímým ohřevem. Vnitřní nádoba je vyrobena ze speciálního ocelového plechu, který je chráněn smaltem. Tento zásobník obsahuje dvě topné části o celkové ploše 2,8 m 2, trvalý výkon horního výměníku je 31KW, dolního 57KW. Tepelné ztráty tohoto zásobníku jsou 2KWh/24hod. Maximální teplota vody v zásobnímu může být až 110 C. 2.3 Další části - Bazén : Krytý bazén obsahující slanou vodu o objemu 20 m 3. - Bowman typ 5113 : tepelný výměník, který zajišťuje předávání tepelné energie ze solárního okruhu do filtračního okruhu bazénu. - ESBE VTA 300 : trojcestný ventil, který přepíná rozvod teplonosného média mezi filtračním okruhem bazénu a TUV. 5

6 Obr. 1: Zjednodušené schéma zapojení stávajícího systému SK solární kolektor, včetně solární BA bazén 20m 3 stanice čtuv teplotní čidlo zásobníku TUV SŘK stávající řízení solární stanice čbw teplotní čidlo výměníku (pt1000) BW tepelný výměník Bowman čsk teplotní čidlo kolektorů (pt1000) TV Trojcestný ventil 6

7 3. Navržená inovace Největším problém efektního řízení ohřevu vody je zajistit tepelnou výměnu pouze v případě, že skutečně dojde k ohřevu vody místo jejího ochlazování. K ohřevu vody dojde pouze tehdy, je-li výkon kolektoru, tj. rozdíl mezi vstupní a výstupní teplotou teplonosného média, kladný. Aktuální výkon kolektoru určíme pomocí rovnice 1 [2]. Rovnice 2 je již upravená pro použité solární kolektory CosmoSOL 253L. Q k = A K [G η 0 - a 1 (t m - t e ) - a 2 (t m - t e ) 2 ], (1),kde: A k - vztažná plocha kolektoru [m2] G sluneční ozáření [W/m2] η 0 optická účinnost t m teplota teplonosné kapaliny t e teplota okolí a 1 lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru [W/(m 2 K)] a 2 kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru [W/(m 2 K 2 )] Q k = 4 2,42 [G 0,772 3,17 (t m - t e ) 0,0047 (t m - t e ) 2 ], (2) Navrženou inovací je výměna řídící jednotky, která bude obsahovat softwarové vybavení, které bude přesně splňovat požadavky majitele objektu. Cílem je největší možné využití stávajících komponent a proto dojde pouze k výměně řídící jednoty a přidání jednoho teplotního čidla k snímání venkovní teploty a přidání fotovoltaického panelu malých rozměrů, pomocí kterého se bude měřit intenzita slunečního ozáření. Zjednodušené schéma je načrtnuto a popsáno na obr Výběr řídící jednotky Při výběru řídící jednoty bylo uvažováno mezi MPC a PLC. Hlavní výhodou MPC je jednoznačně pořizovací cena, která se pohybuje v rámci stokorun. Nevýhodou je nutnost vytvoření vlastního zařízení, které by bylo unikátní, bez jakékoliv záruky funkčnosti. V případě poruchy by zřejmě oprava nebyla jednoduchá. Všechny tyto problémy vyřešil výběr plc Teco Foxtrot CP-1005, ovšem za několikanásobně vyšší cenu. Tuto cenu ovšem kompenzuje technická podpora, záruka a v případě zničení jednoduchá výměna kus za kus. Dalším plusem pro plc je jeho velká rozšiřitelnost pomocí přídavných modulů. 7

8 Obr. 2: Zjednodušené schéma zapojení inovovaného systému SK solární kolektor, včetně solární BA bazén 20m 3 stanice čtuv teplotní čidlo zásobníku TUV PLC nová řídící jednotka(plc) čbw teplotní čidlo výměníku (pt1000) BW tepelný výměník Bowman čsk teplotní čidlo kolektorů (pt1000) TV Trojcestný ventil čvt teplotní čidlo venkovní teploty (pt100) rfp malý fotovoltaický panel 8

9 4. Řídící algoritmus Pro plc Foxtrot je možno programovat uživatelské programy několika způsoby, například využitím reléových schémat nebo funkčních blokových diagramů [3]. Zvolil jsem si psaní strukturovaného textu podle standartu IEC , který mi nejvíce připomíná kombinaci programovacích jazyků C a Pascal (obr. 3). Obr. 3: Ukázka kódu podle IEC funkce getpower 4.1 Popis algoritmu Řídící program se může nacházet v jedno ze čtyř stavů. - První stav - NIC: ohřev je zcela vypnut a kontroluje se výkon kolektorů pro ohřev vody v bazénu (funkce getpower obr.3.), jestliže je výkon větší jak 0, zapne se čerpadlo solární soustavy a nastává kontrola výkonu kolektorů pro TUV. Když je výkon dostatečný pouze pro ohřev vody v bazénu, trojcestný ventil se nastaví do polohy, aby teplonosné medium proudilo do výměníku Bowman, a aktuální stav se změní na BAZEN. Pokud je výkon dostatečný pro ohřev TUV, přepne se trojcestný ventil a aktuální stav se změní na TUV. - Druhý stav BAZEN: solární soustava je zapnuta, trojcestný ventil pouští médium do výměníku Bowman. Kontroluje se výkon kolektorů pro vodu v bazéně. Je-li větší jak 0, dochází ke kontrole výkonu kolektorů pro TUV. Pokud je tento 9

10 výkon větší jak 0, přepne se ventil do polohy pro ohřev TUV. Jestliže je výkon kolektorů pro vodu v bazénu menší jak nula, systém přechází do stavu KONTROLA a ZNAK_KONTROLY se nastaví na hodnotu BAZEN. - Třetí stav TUV: solární soustava je zapnuta, trojcestný ventil pouští médium do TUV. Kontroluje se výkon kolektorů pro TUV. Pokud je výkon menší jak nula, systém přechází do stavu KONTROLA a ZNAK_KONTROLY se nastaví na hodnotu TUV. - Čtvrtý stav KONTROLA: solární soustava je zapnuta, trojcestný ventil je v poloze, ve které se nacházel při přechodu do tohoto stavu. Podle ZNAK_KONTROLA se kontroluje výkon pro daný okruh. Ten se následně uloží. Tento postup se opakuje 5x s rozestupem 60s. Po pátém měření se hodnoty zprůměrují, pokud je výsledek větší jak 0 a ZNAK_KONTROLY se rovná hodnotě TUV, systém se přepne do stavu TUV. Pokud je výsledek větší jak 0 a ZNAK_KONTROLY se rovná hodnotě BAZEN proběhne test na výkon kolektoru pro TUV a na základě jejího výsledku se systém přepne do stavu BAZEN případně TUV. 4.2 Simulace Tento program byl zatím vyzkoušen pouze simulačně v rámci vývojového prostředí Mosaic. Testování probíhalo nastavováním různých hodnot intenzity záření slunce, teploty vody v bazénu, teploty TUV a venkovní teploty. Tyto hodnoty byly rovněž dosazeny do rovnice 2. Následně bylo kontrolováno korektní chování programu. Toto chování bylo po několika opravách korektní a program je schopen správně fungovat v ostrém provozu. 5. Závěr Cílem této práce bylo ve zkratce popsat možnost inovování stávajícího solárního systému, který slouží pro ohřev vody v bazénu a TUV. Hlavními změnami ve stávajícím systému jsou výměna stávající řídící jednotky za plc Teco Foxtrot CP-1005, přidání venkovního teplotního čidla a přidání malého fotovoltaického panelu. Následně byl nastíněn uživatelský program nové řídící jednotky, který řídí systém klasický způsobem, tj. dosažením maximální teploty TUV, a popsány dojmy z testovacích simulací tohoto programu. Tento program by měl ještě obsahovat kontrolu teploty solárních kolektorů a v případě, že by hrozilo přehřátí, by měl pustit ohřev vody v bazénu. V budoucnu by bylo možné této řídící jednotce předat řízení filtračního čerpadla. Plc Foxtrot nabízí vlastní webový server, což vybízí k vytvoření ovládacího panelu, ke kterému by měl majitel přístup přes lokální síť a mohl sledovat aktuální hodnoty, v případně nastavovat různé parametry a podobně. 10

11 Literatura [1] LADENER, Heinz a Frank SPÄTE. Solární zařízení. 1. vyd. Praha: Grada, 2003, 267 s. ISBN [2] MATUŠKA, Tomáš. Parametry solárních kolektorů. [online]. [cit ]. Dostupné z: [3] Mosaic - pro vývoj PLC programu dle standardu IEC [online]. [cit ]. Dostupné z: 11