Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013

Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2013 Paralelní ovládání komínového výměníku a solárního kolektoru Radim Pešek Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně Fakulta aplikované informatiky Nad Stráněmi 4511 760 05 Zlín Česká republika 25. dubna 2013 FAI UTB ve Zlíně

Klíčová slova: Solární energie, solární kolektory, PLC, ohřev TUV, Řízení solárního systému Anotace: Práce se zabývá inovativním návrhem přidruženého komínového výměníku. Výměník je navázán na systém ohřevu TUV pomocí solárních kolektorů. Úkolem práce je analýza teploty spalin v místě instalace výměníku vzhledem k návrhu velikosti výměníkové plochy. Dalším částí práce je návrh hardwarového a softwarového zabezpečení a struktury řídícího systému: komínový výměník TUV solární kolektory. 2

Obsah 1. Úvod... 4 2. Popis současného systému... 4 2.1 Popis předpokládaného systému... 6 3. Měření teploty spalin... 7 3.1 Výsledky měření teploty spalin... 8 4. Ovládací program pro ohřev TUV... 9 4.1 Popis programu... 10 5. Výkon komínového výměníku... 11 6. Závěr... 12 Literatura... 13 3

1. Úvod Tématem vědecké práce je další využití vyzářené tepelné energie z rodinných domů nebo budov, které jsou vybaveny krbem nebo krbovou vložkou. Vyzářená tepelná energie z těchto domů je vypouštěna ven bez dalšího využití. Tuto energii je možné dále využít např. pro ohřev teplé užitkové vody (TUV) a snížit tak náklady na její ohřev. Hlavním úkolem je, dle požadavků majitele ke stávajícímu systému a řízení vytápění TUV pomocí solárních kolektorů, navrhnout systém komínového vytápění, který bude rozhodovat na základě údajů teplot z komínového výměníku a solárního kolektoru o tom, přes který systém se bude ohřívat TUV. Dále pak vytvořit simulovanou vizualizaci celého inovovaného systému a nakonec zpracovat ekonomické zhodnocení celého systému. 2. Popis současného systému Solární systém byl dodán a nainstalován firmou Solar Plus. Jedná se o skleněné solární články MIKROSKAL 1914. Články se používají jak do samotížných, tak i nucených okruhů. U samotížných okruhů je třeba dbát na dostatečné vyspádování přívodního potrubí směrem od solárních článků k nádrži nebo bazénu. Maximální počet solárních článků vedle sebe je v tomto případě na jedné větvi 7 článků. Solární články se upevňují na konstrukci dodávanou výrobcem přímo na zakázku. Montáž může provádět pouze ten, který je dokonale seznámen s instalovaným systémem, a který prošel školením u výrobce a zná příslušné normy a předpisy. Články se nesmí zbytečně přehřívat během naprázdno nebo zavzdušněním, proto je třeba dbát na to, aby bylo v expanzní nádobce dostatečné množství vody nebo nemrznoucí ekologické směsi předepsané výrobcem. Součástí systému je tlaková smaltová nádoba OKC 200/1m 2 o objemu 200 litrů. Dále pak elektrická topná jednotka TJ6/4, solární expanzní nádoba Varem, mokroběžné oběhové čerpadlo Wilo-Star RS, membránový pojistný ventil a celý tento systém je řízený termostatem pro řízení a regulaci Solar 02. [1] 4

Obr. 1: Schéma zapojení solárního vytápěcího systému SK solární kolektor MPV membránový pojistný ventil EXP expanzní nádoba P tlakoměr PV pojistný ventil ZV zpětný ventil OČ oběhové čerpadlo KK kulový kohout VK vypouštěcí kohout Č teplotní čidlo (pt100) Na obrázku 1 můžeme sledovat schéma zapojení jednotlivých prvků solárního sytému. Kapalina vychází z nádrže TUV, prochází skrz kulový kohout. Dále prochází oběhovým čerpadlem, pomocí kterého se prohání kapalina celým systémem. Zpětný ventil brání kapalině proudit ve špatném směru. Systém musí být uzavřený a je natlakován na 3 bary. Před vstupem do solárního kolektoru je membránový pojistný ventil, který musí být instalován v bodě nejnižší teploty nebo v nejvyšším místě. V solárním kolektoru se kapalina ohřeje a proudí do nádrže TUV, kde pomocí dalšího výměníku předává teplo vodě v zásobníku. [1] 5

2.1 Popis předpokládaného systému Ke stávajícímu systému vytápění TUV pomocí solárních kolektorů je nutno vhodně navrhnout komínový výměník a ten tak s minimálním zásahem do stávajícího systému zabudovat tak, aby oba systémy spolupracovaly a ohřívaly TUV. Obr. 2: Schéma zapojení předpokládaného vytápěcího systému SK solární kolektor MPV membránový pojistný ventil EXP expanzní nádoba P tlakoměr PV pojistný ventil PLC programovatelný automat V1, V2, V3 trojcestné přepínací ventily ZV zpětný ventil OČ oběhové čerpadlo KK kulový kohout VK vypouštěcí kohout Č teplotní čidlo (pt100) Na obrázku 2 je navrženo jedno z možných inovativních řešení systému ohřevu pomocí solárních kolektorů. Systém je rozšířen a trojici elektricky ovládaných třípolohových ventilů, pomocí kterých ovládací hardware a software, v tomto případě PLC Foxtrot CP-1005, přepíná ventily do správných pozic. Ventily ve správných pozicích tvoří uzavřený okruh vytápění TUV. Každý okruh vytápění má programově nastavenou správnou polohu ventilů, která je popsána v kapitole 4.1 Popis programu. Na obrázku můžeme pozorovat předpokládané umístění komínového výměník na konci komínu. Umístění výměníku je ovlivněno požadavkem majitele, který chce inovativní řešení s minimálním zásahem do stávajícího systému. 6

STOČ 2013 - Studentská tvůrčí a odborná činnost 3. Měření teploty spalin Důvodem měření bylo zjistit průběžnou teplotu spalin vně komína při spalovacím procesu, tuto teplotu zaznamenat a využít ji pro optimální návrh trubicového tepelného výměníku. K dlouhodobému zaznamenávání dat bylo použito teplotní čidlo PT-100, které bylo zavěšeno na nakonec komínu pomocí hliníkového držáku (obrázek 3). Měření probíhalo ve dvou fázích. Výsledky z měření jsou zpracovány v podkapitole 3.1 Naměřené výsledky měření teploty spalin. Obr. 3: Přípravek na uchycení teplotního čidla Naměřené hodnoty z teplotního čidla byly zpracovány v převodníku P5102 zapůjčeného univerzitou UTB-FAI. Samotný převodník by ukazoval pouze aktuální naměřenou teplotu s předem nastavenou periodou snímání, ale nemá paměťový prostor pro jeho ukládání. Pro průběžné ukládání naměřených teplot bylo potřeba připojit převodník P5102 k počítači, kam by vysílal a ukládal naměřená data. Převodník lze připojit pomocí softwaru NPT-02, který je určený pro převodníky P5102 a P5201. Zde je možnost nastavit vlastní konfiguraci a tu pak nahrát do převodníku. Převodník je připojen k PC pomocí USB konektoru. [2] Obr. 4: Vlevo fotka převodníku P5102 a fotka programu NPT-02 7

Celý tento systém snímání teploty a jeho záznam byl umístěn na střechu. Díky zavedenému ethernetovému kabelu do systém snímání byla možnost pozorovat průběh měření pomocí programu TeamViewer, programu pro zobrazení a ovládání vzdálené plochy. Pomocí vzdáleného ovládání se rapidně zjednodušila možnost reagovat na chyby, které se vyskytly v průběhu měření. V první fázi měření docházelo k častým chybám při přenosu informace z převodníku do notebooku. Bylo to způsobeno velmi nízkou teplotou venkovního vzduchu pod hranicí -10 C. Pod touto hranicí už výrobce nezaručuje bezproblémový provoz převodníku P5102. Celá nádoba byla proto zabalena do několikavrstvé alobalové izolace, aby ze stěn nádoby neunikalo teplo vyprodukované notebookem. Tato izolace byla díky silným povětrnostním podmínkám na střeše postupně zničena. 3.1 Výsledky měření teploty spalin Jak už bylo řečeno v předchozí kapitole, měření probíhalo ve dvou fázích. První fáze probíhala od 18.1.13 23.1.13, tedy pouze 5 dní. Během tohoto měření docházelo k velmi častým chybám při přenosu dat z převodníku do notebooku. Druhá fáze probíhala od 7.3.13 10.4.13. Naměřená data byla zpracována do grafů, které byly rozděleny do jednotlivých dnů. 200 Naměřené teploty v komínu 180 160 140 Teplota [ C] 120 100 80 60 40 20 0 00:00:00 06:00:00 12:00:00 18:00:00 23:59:59 Čas Leden 21.1.13 Graf 1: Průběh naměřených teplot v komíně dne 21. 1. 13 Na grafu 1 můžeme pozorovat teplotu v jednotlivých časových úsecích. Z grafu lze vypozorovat ztrátu teploty způsobenou otevřením krbové vložky, přikládáním dalšího paliva (dřeva) do krbové vložky dochází k rychlému následně k prudkému nárůstu teploty. Z naměřeného průběhu lze určit maximální teplotu, která pro tento konkrétní den byla 184,19 C a průměrná teplota během celého dne byla 76,6 C. Pro naše potřeby je důležité, jaké průměrné teploty budou dosahovat spaliny v komíně, pokud teplota přesáhne 66 C. Od této teploty můžeme pro naši analýzu předpokládat, že se začne přes výměník ohřívat kapalina v systému pro ohřev TUV. 8

Datum Provoz/den [%] Průměrná teplota [ C] Max. teplota [ C] 19.1.2013 56,33 102,43 156,02 20.1.2013 62,40 106,79 156,56 21.1.2013 48,13 102,65 184,19 22.1.2013 53,36 93,13 120,02 Průměr: 55,06 101,25 154,20 Tab. 1: Průměrné, max. teploty a chod ohřevu TUV za den Ve druhém sloupci tabulky 1 je délka provozu systému pro ohřev TUV (v procentech/den), další sloupec zobrazuje průměrnou teplotu pokud je systém v chodu, tedy pokud teplota spalin v komíně dosahuje teploty nad 66 C a poslední sloupec maximální dosaženou teplotu v komíně. Všechny tyto naměřené údaje jsou zprůměrované a vychází, že systém pro ohřev vody je zapnut v průměru 55,06% dne a průměrná teplota je 101,25 C. 4. Ovládací program pro ohřev TUV Po rozmluvě s majitelem bylo rozhodnuto, že celý stávající řídící systém ohřevu TUV pomocí solárních kolektorů bude nahrazen programovatelným řídícím automatem (PLC). Technické parametry stávajícího systému by nedostačovaly našemu rozšířenému systému s komínovým výměníkem. Pro naše účely byl vybrán Tecomat Foxtrot CP-1005, který má dostatečný počet analogových vstupů pro připojení teplotních čidel PT-100, galvanicky oddělené binární výstupy od vnitřních obvodů, které jsou vhodné pro připojení a ovládání čerpadla a třípolohových ventilů (230V). Obr. 3: Vizualizace systému řízení v programu Mosaic Program byl tvořen v prostředí mosaic. Tento software poskytuje již zmíněná firma Tecomat zdarma a pro naše účely je plně dostačující. Program byl tvořen pomocí 9

mnemokódu. Vizualizace, kterou můžete vidět na obrázku 3 je tvořena přes nástroj WebMaker. 4.1 Popis programu Ovládací program pracuje ve třech pracovních programech: ohřev TUV pomocí komínového výměníku (zimní režim) ohřev pomocí solárního kolektoru (letní režim) režim prochlazování. Uživatel může přepínat mezi zimním a letním režimem. Zimní systém je nastaven defaultně. Zimní režim: Jestliže teplota v komíně převýší teplotu v nádrži TUV o 6 C, ventily V1, V2 a V3 se nastaví do požadované polohy a čerpadlo spíná. Dojde-li k přiblížení teplot TUV a komínu na hodnotu nižší jak 3 C, čerpadlo vypíná. Automatika čeká na opětovný nárůst teploty v komíně, jakmile teplota naroste o 6 C, celý cyklus se opakuje. Pokud teplota v nádrži TUV přesáhne 81 C, program přechází do režimu prochlazování. Ventily se nastaví do naprogramované pozice, ohřátá kapalina putuje z komínového výměníku přes ventil V3 do solárního kolektoru, kde se prochlazuje (v zimním období je teplota na solárních kolektorech nízká). Letní režim: Jestliže teplota na solárních kolektorech převýší teplotu v nádrži TUV o 6 C, ventily V1, V2 a V3 se nastaví do požadované polohy a čerpadlo spíná. Dojde-li k přiblížení teplot TUV a solárního kolektoru na hodnotu nižší jak 3 C, čerpadlo vypíná. Automatika čeká na opětovný nárůst teploty na solárním kolektoru, jakmile teplota naroste o 6 C, celý cyklus se opakuje. Režim dovolená funguje jen v letním ohřevu a slouží proti přehřátí systému při delší nepřítomnosti majitele. Jestliže teplota na kolektoru je nižší než 40 C a teplota TUV vyšší jak 40 C, sepne se v tomto režimu oběhové čerpadlo. 10

5. Výkon komínového výměníku Výkon výměníku, jehož předpokládané umístění je na konci komínové cesty, je určen z naměřených údajů z kapitoly 3.1. Z dlouhodobého měření lze určit průměrné teploty v komíně, jak dlouho bude dostatečně vysoká teplota v komíně, aby bylo výhodné zapnout ohřev TUV. Výpočet tepelného výkonu: Q = m 10!! c! ΔT, Kde: m. množství spalin 8,5g/s při uzavřeném spalinovém prostoru nebo 36,5g/s při otevřeném spalinovém prostoru c p... měrná tepelná kapacita vzduchu ΔT. rozdíl teploty [3] Když dosadíme do vzorce 1 množství spalin, které udává výrobce, tedy 8,5 g/s při uzavřené spalinové cestě, dále měrnou tepelnou kapacitu vzduchu při předpokládané průměrné teplotě 100 C a rozdíl teplot 20 C o který chceme vzduch ochladit, pak po dosazení vychází předpokládaný výkon při uzavřené spalinové cestě je 171,5W. Za hodinu je množství tepla ~0,1715 kwh. Budu-li uvažovat, že daným výměníkem nahradím např. elektrický ohřev (nejdražší energie => úspora nejvyšší), pak při ceně 7Kč/kWh elektrické energie uspořím za jednu hodinu: úspora 0,1715 7 = 1,2Kč/h provozu, (2) (1) Pokud celkové náklady inovace budou např. 20 000 Kč, doba návratu investice je: doba návratu 20000/1,2 = 16667 h, Budeme-li vycházet z naměřených dat, pak můžeme říci, že délka topné sezóny bude 4 měsíce. Z této doby můžeme předpokládat, že ohřev bude spuštěn polovinu času z celé topné sezóny, pak 1 topná sezóna přibližně odpovídá: Doba návratu investice je tedy: délka topné sezóny!!"!"! Návrat investice!"""#!""# = 1440 h, = 11,57 let Budeme-li uvažovat množství spalin při různě otevřených spalinových cestách můžeme psát dle vzorců 1, 2, 3, 4 a 5: (3) (4) (5) 11

Uzavřená spalinová cesta Množství výfukových plynů 1/4 otevřená spalinová cesta 1/2 otevřená spalinová cesta 3/4 otevřená spalinová cesta Max. otevřená spalinová cesta Množství spalin [g/s] Tepelný výkon [W] Množství tepla [kwh] Úspora [Kč/hod.] Doba návratu [hod.] Délka topné sezóny [hod.] Doba návratu investice [let] 8,5 11,25 22,5 33,75 36,5 171,5062 226,9935 453,987 680,9805 736,468 0,1715062 0,2269935 0,45399 0,6809805 0,73647 1,2005434 1,5889545 3,17791 4,7668635 5,15527 16659,12286 12586,89283 6293,45 4195,630943 3879,52 1440 1440 1440 1440 1440 11,56883532 8,740897797 4,370449 2,913632599 2,694112 Tab. 2: Jednotlivé výpočty pro odhadovanou dobu návratu investice 6. Závěr Z vypočtených dat vyplývá, že návratnost inovativního řešení může trvat poměrně dlouhou dobu. Vše je tedy závislé na majiteli krbové vložky, jestli bude topit s uzavřenou spalinovou cestou nebo ji pootevře, zvýší se množství spalin do komína a tím se zrychluje návratnost investice, kterou majitel do inovace vložil. Bohužel s pootevřenou spalinovou cestou se zrychluje spalování paliva a je potřeba častěji přikládat do krbové vložky. 12

Literatura [1] Technické informace. Solar Plus [online]. [cit. 2013-04-23]. Dostupné z: http://www.solarplus.cz/solarni-systemy/technicke-info.php [2] Návod NPT-02. In: [online]. 08/2011 [cit. 2013-04-23]. Dostupné z: http://www.jsp.cz/files/b0326npcz.pdf [3] Výměník tepla. In: [online]. [cit. 2013-04-23]. Dostupné z: http://www.ib.cvut.cz/sites/default/files/studijni_materialy/exm/exm_vymen ik%20tepla.pdf 13