Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny)

Transkrypt

INSTYTUT
OGRODNICTWA
Opracowanie innowacyjnych technologii magazynowania energii
w produkcyjnych tunelach foliowych
Racjonalna gospodarka energetyczna w
uprawach pod osłonami
Sławomir Kurpaska
Instytut Inżynierii Rolniczej i Informatyki
UR w Krakowie
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka
Innowacyjne badania z zakresu minimalizacji zużycia ciepła:
analiza zużycia ciepła przez pięć typów konstrukcji obiektów pod osłonami oraz
rekomendacja dla praktyki wybranej konstrukcji,
wieloobwodowe systemy grzewcze wraz ze zbiornikami buforowymi,
porównano zmianę temperatury powietrza w szklarni w której
zainstalowano ekrany ciepła (z 20% udziałem folii aluminiowej) oraz dla
szklarni bez ekranu ciepła,
zmianę temperatury wierzchniej warstwy gleby w nieogrzewanej szklarni.
Warstwa była przykryta folią PE (biała, czarna) oraz pozostawiona z wymieszana
resztkami rozdrobnionych roślin,
wykorzystania ciepła odpadowego do ogrzewania szklarni,
odpowiedź zmian temperatury i wilgotności powietrza podczas naturalnej wentylacji
w obiekcie w której zastosowano precyzyjne sterowanie położeniem wietrzników,
INSTYTUT
OGRODNICTWA
praca przeglądowa z zakresu koncepcji wykorzystania nadwyżki ciepła ze
szklarni do aktywnego chłodzenia i ogrzewania,
efektywność energetyczną i sprawność exergi w systemie, w którym ciepło
przenoszone przez sprężarkową pompę grzewczą współpracującą z
wymiennikami pionowymi kierowane było do ogrzewania szklarni,
wykorzystanie trzech systemów do ogrzewania szklarni: układ biwalentny (energia
słoneczna wykorzystana do podgrzewania dolnego źródła ciepła w pompie
grzewczej), kotła zasilanego biomasą drzewną oraz kotła zasilanego gazem
ziemnym,
opracowanie modelu optymalizacyjnego w którym uwzględniono wykorzystanie
źródeł energii odnawialnej do ogrzewania szklarni,
wentylacja szklarni o różnej geometrii wietrznika i wpływ konstrukcji na
dynamikę zmian parametrów środowiskowych w śzklarni,
INSTYTUT
OGRODNICTWA
wpływem intensywności wentylacji (poprzez zmianę położenia otworów
wentylacyjnych) na proces wymiany masy w trakcie transpiracji pomidorów,
wykorzystaniem ciepło z wnętrza prototypowej szklarni do suszenia warzyw
(papryka, czosnek),
możliwości wykorzystania ciepła odpadowego z produkcyjnego tunelu
foliowego do suszenia winogron,
zagadnienia cieplne w obiekcie, w którym zainstalowano system przewodów
stalowych (ułożonych w kształcie pętli) umieszczonych w gruncie,
wpływ jego konstrukcji (tunel pojedynczy, zblokowany) na efekty uprawianych
pomidorów,
efektywność systemu, w którym zastosowano dwa przewody: w jednym z nich
znajdowała się woda- podgrzana w wyniku bezpośredniej konwersji
promieniowania słonecznego zaś bezpośrednio nad tym przewodem przez
przewody perforowane przepływało powietrze zasysane z wnętrza szklarni,
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Innowacyjne badania z zakresu dodatkowego wyposażenia w celu,
wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie wraz z jego magazynowaniem:
przeglądowej pracy przedstawił rozwiązania konstrukcyjne akumulatorów ciepła
wykorzystujących przemiany fazowe materiału,
założenia do budowy modelu symulacyjnego procesu ładowania kamiennego
akumulatora energii cieplnej przy uwzględnieniu losowego rozkładu
temperatury powietrza zatłaczanego powietrza,
opracowanie i walidacja, alternatywnego do istniejących probabilistycznego
modelu matematyczny przepływu ciepła, z uwzględnieniem stochastycznego
charakter struktury złoża,
opracowanie modeli matematycznych i przeprowadzenie badań eksperymentalne
dla dwóch akumulatorów: akumulator z przejściem fazowym oraz gruntowy,
efektywność energetycznej i exergetycznej dla sytemu magazynowania ciepła w
akumulatorze wykorzystującym ciepło przejścia fazowego (parafina),
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Innowacyjne badania z zakresu zmian w konstrukcji, wykorzystania
nadmiaru ciepła w obiekcie oraz jego magazynowania:
opracowanie modeli matematycznych wraz z badania eksperymentalnymi dla
dwóch akumulatorów: akumulator powietrzny oraz gruntowy,
efektywność współpracy pompy ciepła wykorzystanej do ogrzewania szklarni w
której akumulator wypełniony był materiałem podlegającym przemianie fazowej,
wskaźniki efektywności energetycznej dla systemu, w którym ciepłe powietrze
(podgrzane w kolektorach powietrznych) magazynowane było w akumulatorze
kamiennym a w cyklu rozładowywania kierowano go do wnętrza laboratoryjnej
szklarni,
przegląd modeli wykorzystywanych do opisu zjawisk: ogrzewania, chłodzenia
i wentylacji w szklarniach.
Innowacyjne badania z zakresu zmian w konstrukcji, wykorzystania
nadmiaru ciepła w obiekcie oraz jego magazynowania:
magazynowania ciepła pozyskiwanego z wnętrza szklarni w którym zastosowano
system gromadzenia ciepła w akumulatorze glebowym,
wykorzystanie warstw wodonośnych do regulacji temperatury powietrza,
efekty stosowania zmniejszonej wentylacji w szklarni wraz z równoczesnym
podgrzewaniem powietrza wewnętrznego,
wyniki badań Autorów tworzących Konsorcjum Naukowe realizującego projekt z
zakresu analizy teoretycznej powstałych efektów oraz wstępne wyniki badań
uprawianych roślin,
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Promieniowanie
słoneczne, MJm-2day-1
Motywacje wykorzystania nadmiaru ciepła w obiekcie
30
Metody chłodzenia:
- maty ewaporacyjne
- cieniowanie
- wentylacja
20
VI
V
IV
III
X
II
10
XII
0
-5
IX
ogrzewanie
I
0
VII
VIII
chłodzenie
XI
5
10
15
20
Temperatura otoczenia, oC
Rys. 1. Warunki klimatyczne dla Warszawy
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Energia z promieniowania słonecznego 700 MJm-2=100%
1
2
3
1- energia wykorzystana w procesie transpiracji roślin 558 MJ/m2=79,7%
2- energia wymieniana w procesie wentylacji 10MJ/m2= 1,4%
3- potencjalna ilość ciepła do zmagazynowania w akumulatorze energii 132
MJ/m2=18,9%
Rys. 2. Potencjalna ilość energii możliwa do zmagazynowania (Vi- VIII)
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Energia promieniowania słonecznego,
MJ/m2/dzień
temperatura otoczenia
nasłonecznienie
miesiące
ogrzewanie
chłodzenie
ogrzewanie obligatoryjne
ogrzewanie opcjonalne
możliwości magazynowania nadwyżki ciepła
Rys. 3. Czasokres ogrzewania i potencjalnego magazynowania nadwyżki ciepła w
obiekcie
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Magazynowanie jest konieczne, gdy istnieje różnica między zapotrzebowaniem
na energię i jej dostarczaniem.
Dotyczy to następujących przypadków:
stałe dostawy energii i wyraźny, w krótkim czasie, szczyt zapotrzebowania na nią
(np. elektrownie wodne lub tradycyjny system energetyczny – indywidualni odbiorcy
energii elektrycznej),
zmienne dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią (np. energia słoneczna
z kolektorów – odbiorcy energii cieplnej),
zmienne w czasie dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią, ale
z godzinowym przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne – ogrzewanie
ciepłej wody użytkowej),
zmienne w czasie dostawy energii i zapotrzebowanie na nią, ale z sezonowym
przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne – zimowe ogrzewanie
pomieszczeń).
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Akumulatory ciepła
Woda
Złoża naturalne, kamienie, granit
Hydraty
Wosk, parafina
NaOH
Sód
Azotany
Chlorki, fluorki
Aluminium
Ciało stałe
Ciecz
Gaz
100
300
Węglany
Złoża sztuczne
500
700
900
1100
Temperatura, oC
Rys. 4. Zakres temperatury pracy wybranych materiałów stosowanych w
akumulatorach ciepła
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Długoterminowe magazynowanie ciepła w warstwach wodonośnych
Wymiennik ciepła
17 oC
Warstwa wodonośna
7 oC
Rys. 5.Magazynowanie ciepła w warstwie wodonośnej
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Długoterminowe magazynowanie ciepła w warstwach wodonośnych
PC
Wymiennik ciepła
17 oC
Warstwa wodonośna
7 oC
Rys. 6. Rozładowanie akumulatora ciepła w okresie grzewczym za pomocą pompy
ciepła (PC)
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Systemy magazynowania ciepła (obiekt w UR Kraków)
a)
b)
tNC
1
2
3
Akumulator
wodny (tAK_W)
tWEW
tAK_K
tNC
tWY
cieniówka
tWE
twew
tAK_ t
WY
K
Złoże
kamienne
Złoże
kamienne
Akumulator
wodny (tAK-W)
1- wymiennik przeponowy; 2- elektrozasuwa; 3- pompa obiegowa
Rys. 7. Schemat systemu magazynowania (a) i rozładowywania (b) akumulatora
kamiennego
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Energia promieniowania słonecznego,
MJ/m2/dzień
Warunki doświadczeń w UR Kraków
temperatura otoczenia
nasłonecznienie
miesiące
Rys. 8. Średnie wartości klimatu podczas przeprowadzenia doświadczeń
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-17
2013-10-02
2013-09-17
2013-09-02
2013-08-17
2013-08-02
2013-07-17
2013-07-02
2013-06-17
2013-06-02
2013-05-17
2013-05-02
2013-04-17
Strumień ciepła, MJ/godz/m2
data
Rys. 9. Strumień zmagazynowanego ciepła w akumulatorze kamiennym (proces
ładowania)
Całkowita ilość zmagazynowanego ciepła: 10,7GJ
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-17
2013-10-02
2013-09-17
2013-09-02
2013-08-17
2013-08-02
2013-07-17
2013-07-02
2013-06-17
2013-06-02
2013-05-17
2013-05-02
2013-04-17
Strumień ciepła, MJ/godz/m2
data
Rys. 10. Strumień dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu z akumulatora
podczas jego rozładowywania
Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 8,9GJ
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-17
2013-10-02
2013-09-17
2013-09-02
2013-08-17
2013-08-02
2013-07-17
2013-07-02
2013-06-17
2013-06-02
2013-05-17
2013-05-02
2013-04-17
strumień masy, g/godz/m2
data
Rys. 11. Strumień wymienianej masy przy przepływie powietrza przez
akumulator kamienny (proces ładowania)
Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 696kg a dostarczonej
do wnętrza obiektu: 85 kg
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-17
2013-10-02
2013-09-17
2013-09-02
2013-08-17
2013-08-02
2013-07-17
2013-07-02
2013-06-17
2013-06-02
2013-05-17
2013-05-02
2013-04-17
strumień masy, g/godz/m2
data
Rys. 12. Strumień wymienianej masy przy przepływie powietrza przez akumulator
kamienny (proces rozładowania)
Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 55kg a dostarczonej
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator wodny)
Powietrze z wnętrza
tunelu
5
1
4
2
3
1- wymiennik przeponowy; 2- pompa obiegowa;3- zawór zwrotny,4- filtr; 5- akumulator
cieczowy;
Rys. 13. Schemat systemu magazynowania ciepła w akumulatorze cieczowym
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-08-22
2013-08-17
2013-08-12
2013-08-07
2013-08-02
2013-07-28
2013-07-23
2013-07-18
2013-07-13
2013-07-08
2013-07-03
2013-06-28
2013-06-23
Ilość zmagazynowanego ciepła w
akumulatorze wodnym, MJ/cykl
data
Rys. 14. Ilość zmagazynowanego ciepła w akumulatorze cieczowym
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-08-22
2013-08-17
2013-08-12
2013-08-07
2013-08-02
2013-07-28
2013-07-23
2013-07-18
2013-07-13
2013-07-08
2013-07-03
2013-06-28
2013-06-23
Ilość dostarczonego ciepła do
wnętrza tunelu, MJ/cykl
data
Rys. 17. Ilość dostarczonego ciepła do wnętrza obiektu podczas rozładowywania
akumulatora cieczowego
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki, pomidory)
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory, tunel 1A, 2A)
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-16
2013-09-27
2013-09-12
2013-08-27
2013-08-12
2013-07-27
2013-07-12
2013-06-27
2013-06-12
2013-05-27
2013-05-12
2013-04-27
2013-04-12
Ilość ciepła, MJ/dzień/obiekt
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki)
data
Rys. 18. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania
akumulatora
Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 21GJ
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-16
2013-09-27
2013-09-12
2013-08-27
2013-08-12
2013-07-27
2013-07-12
2013-06-27
2013-06-12
2013-05-27
2013-05-12
2013-04-27
2013-04-12
Masa wody, kg/dzień/obiekt
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- ogórki)
data
Rys. 19. Ilość wody wymieniana w tunelu z roślinami podczas rozładowywania
akumulatora kamiennego
Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 3000kg a
dostarczonej do wnętrza obiektu: 1934 kg
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-21
2013-10-09
2013-09-24
2013-09-04
2013-08-24
2013-08-09
2013-07-24
2013-07-09
2013-06-24
2013-05-24
2013-06-09
2013-05-09
2013-04-24
2013-04-09
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- pomidory)
data
Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie rozładowania
akumulatora
Całkowita ilość dostarczonego ciepła do wnętrza tunelu: 15GJ
INSTYTUT
OGRODNICTWA
2013-10-21
2013-10-09
2013-09-24
2013-09-04
2013-08-24
2013-08-09
2013-07-24
2013-07-09
2013-06-24
2013-05-24
2013-06-09
2013-05-09
2013-04-24
2013-04-09
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2013r- pomidory)
data
Całkowita ilość zmagazynowanej masy w akumulatorze: 2,5kg a dostarczonej
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice (2014r- pomidory (1A))
data
Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie
rozładowania akumulatora
INSTYTUT
OGRODNICTWA
data
INSTYTUT
OGRODNICTWA
data
Rys. 20. Ilość ciepła dostarczonego do wnętrza obiektu w procesie
rozładowania akumulatora
INSTYTUT
OGRODNICTWA
data
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Wyniki doświadczeń w IO Skierniewice, UR Kraków
Efekt, w przeliczeniu na węgiel sortymentu „Miał”
2013r (tunele z ogórkami, pomidorami):
tunel z uprawą ogórków 2,4t
tunel z uprawą pomidorów 1,9t
2014r (tunele z uprawą pomidorów):
tunel 1A: 1,73t
tunel z uprawą pomidorów 1,68t
Akumulator cieczowy
tunel wyposażony w akumulator cieczowy (obliczone jedynie dla 38 cykli pracy)
blisko 42 kg węgla.
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Najbliższe badania, UR Kraków (początek- kwiecień 2015)
Zagadnienie osuszania powietrza
Symulacja procesów zachodzących za pomocą periodycznego zamgławiania
Wymiennik Ciepła
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Najbliższe badania, UR Kraków (początek- kwiecień 2015)
Aktywne schładzanie i zamgławianie przy słonecznej pogodzie
Opcjonalnie
zewnętrzne
lub
wewnętrzne
powietrze
Symulacja procesów zachodzących za
pomocą periodycznego zamgławiania
Powierzchnia grzania
Problemy:
- Zagadnienia cieplno- masowe;
-Parametry konstrukcyjno- eksploatacyjne
-Sterowanie procesem
INSTYTUT
OGRODNICTWA
Dziękuję za uwagę!
INSTYTUT
OGRODNICTWA

Wyniki doświadczeń w UR Kraków (akumulator kamienny)

Transkrypt

Podobne dokumenty