SZEZONÁLIS HŐTÁROLÓ FELTÖLTÉSE ÉS KIMERÍTÉSE DINAMIKUS FOLYAMATÁNAK MATEMATIKAI MODELLEZÉSE

Átírás

1 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary SZEZONÁLIS HŐTÁROLÓ FELTÖLTÉSE ÉS KIMERÍTÉSE DINAMIKUS FOLYAMATÁNAK MATEMATIKAI MODELLEZÉSE BÖSZÖRMÉNYI Lászó, dr Debree Egyetem, Műszak Kar; ŠIVÁKOVÁ Emese Kassa Műszak Egyetem, Építőmérök Kar; Kusszavak: szezoás hőtároó, hőmérséket rétegeződés Abstrat: A megújuó eergaforrások között a apeerga poteája messze a egagyobb, de a egksebb mértékbe va khaszáva. Eze a tére agy eőreépést jeetee a szezoás hőtároást akamazó redszerek eterjedése. A szezoás hőtároók tervezés probémáak megodásáá a matematka modeezés eredméyet eőyöse fe ehet haszá. Küöös fgyemet érdeme a tároó hőmérséket rétegeződése, amey ehetővé tesz a hűtés géyek keégítését s. A kk ebbő a ébó összpotosít a tároó fetötése és kmerítése damkus foyamatáak matematka eírására. 1. Bevezetés Eergetka szakembereket már hosszú deje fogakoztatja az a probéma, hogy mye ateratív eergaforrásokka ehet kváta a fosszs eergahordozókat, ameyek készete a em tú távo jövőbe tejese kmerüek. Bár végeges megodásak em tekthető, jeeeg a megújuó eergaforrások tezívebb khaszáása kerüt az érdekődés középpotjába. Ismert téy, hogy a apsugárzástó a Föd egy óra aatt több eergát yer, mt a tejes év eergaszükségete és ez a foyamat a tudósok szert még több mt 4 márd évg fog tarta. Ezért érthető, hogy mt a egfotosabb esődeges megújuó, sőt eetétbe a geotermkus eergáva, éyegébe kmeríthetete eergaforrás jö számításba. A fzka éyegéek megfeeőe a Nap sugárzás eergáját egkább a hőeátásá ehet haszosíta. Eek egagyobb buktatója, hogy a apsugárzásbó termehető haszos hő meysége és mősége s erőse függ a apszakok és évszakok, vaamt az dőjárás és éghajat vszoyok vátakozásátó, a szoárs hőtermeés átaába oyakor a egtezívebb, amkor arra kevésbé va szükség és fordítva. Ezért a szoárs hőeátás szempotjábó kusfotosságú a hőtároás probémák megodása. A Nap sugárzó eergájáak hosszú dejű tároását a természet megodotta a fotosztézs áta, amey a bomassza keetkezésébe yváu meg. A bomassza, mt köye tároható, száítható és sokodaúa fehaszáható vegyeg kötött apeerga-forma a jeeeg egfotosabbak tartott megújuó eergaforrásuk. Eek eeére az eergatermeésre vaó fehaszáása erőse korátozott, mert esősorba az éemezés géyeket hvatott keégíte. Eze feü em

2 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary ehayagoható az a téy sem, hogy egyeő agyságú terüete apkoektorokka kb. 40-szer ay hőt ehet terme, mt amey a megtermet bomasszábó yerhető. Nem véete, hogy a hőgéyek keégítéséé egyre agyobb szerep jut szoárs hőtermeések, amey a köryezetet jóva kevésbé terhe mt a bomassza ye éú fehaszáása. Vszot a szoárs hő tároása és száítása sokka géyesebb. A apszakok és az dőjárás vátozása áta okozott probémák kezeésére szogáó rövd dejű hőtároás már jeeeg s hatékoya megodható, de a kutatás és fejesztés eze a tére s tovább foyk. A szoárs hőeátásba az gaz áttörést szezoás hőtároássa ehet eér. Eek éja a yáro termet szoárs hőfööseg tároása a fűtés szezora, amkor em sak a haszáat víz meegítésére, haem fűtés géyek keégítésére s fe ehet haszá. Így a redszer a méretezésétő függőe akár a 100 %-os szoárs részaráyt s e ehet ér, de a szakemberek többyre a %-ra vaó méretezést tartják ésszerűek. Ezze szembe a rövd dejű hőtároás esetébe ez a fotos mutató átaába em ér e a 30 %-ot. A szezoás hőtároássa esőkét Svédországba és Dáába kezek e fogakoz, de ma már a egtöbb formáó a Németországba megvaósított projektekrő á redekezésre, p. a hoapo. Ezekbő yvávaó, hogy a szezoás hőtároó a szoárs távhőeátó redszer egtőkegéyesebb része, ezért kemet fgyemet ke szete a tervezés, kvteezés és üzemetetés probémáak. A tervezésé a matematka modeezés s eredméyese akamazható főeg a fetötés és kmerítés damkus foyamataak aatkus vzsgáatáá. Eső épéskét a eze foyamatok damkájáak matematka eírását ke evégez. Mve a tervezés támogatásáá a matematka mode egyszerűsége és köyű kezehetősége fotos követeméy, kezdet szakaszba a foyamatok és áapotok éyegese egyszerűsített eírását taátuk eőyösek. 2. Homogé hőtároó matematka eírása A hőtároó fetötése és kmerítése damkus vzsgáatához szükséges matematka eírás érdekébe az egyk egfotosabb egyszerűsítés a homogé hőtároó fogama. Eé fetéteezzük, hogy hőtároóba taáható mukaközeg hőmérsékete a térfogat mde potjába egyeő, sak dőbe vátozk. A homogé hőtároó fetötéséek és kmerítéséek foyamatát a termodamka I. főtéteéek akamazása áta az aább méregegyeette ehet eír: dt s Q Q h Q Q t (1) aho: m - a mukaközeg tömege [kg], - fajagos hőkapatás [J. kg -1. K -1 ], T s - a betárot mukaközeg hőmérsékete [K], Q - a apkoektorokbó yert hőáram [W], Q - a kegészítő hőforrásbó yert hőtejesítméy [W], [W], Q - a hőtároó hővesztesége [W] Q - a hőfogyasztók eátására fehaszát hőtejesítméy Az (1) méregegyeetet (Eker, 2003) az aább formába ajája akamaz: d S m. T f out Q, h m. T S T, vratueff. AT S TO (2) h

3 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary aho: T,vrat - a fogyasztóktó vsszatérő víz hőmérsékete [K], T f, out - a apkoektorokbó bevezetett mukaközeg hőmérsékete [K], T 0 - a köryezet hőmérséket [K], T s - a tároó hőmérsékete [K], U eff effektív hőátbosátás téyező [W/m 2.K], δ - a apkoektorok kapsoás paramétere, δ - a fogyasztók kapsoás paramétere A δ és δ paraméterek értéke attó függek, hogy a koektorokbó a betápáás,. a fogyasztás működésbe vaak-e, vagy se Ha üzemeek, akkor az 1-es számot váasztjuk, ha seek üzembe, akkor a 0-át. A (2) egyszerű dffereáegyeet megodása ehetővé tesz a betárot mukaközeg hőmérsékete dőbe vátozásáak vzsgáatát. Ha az épésbe a hőmérséket T S,, akkor t dő etetéve az +1 épésbe az T S,+1 értékre vátozk az aább egyeet szert: t Tf out Q,,, h,, T, vrat,, 1, (3) S Ueff. A, T0, 3. Rétegeződő tároó matematka eírása A gyakoratba a hőtároásra haszát a mukaközeg átaába em keveredk és ezért em aakuhat k a homogé hőmérséket a tároó térfogatába. A hőtároó fehaszáása szempotjábó többyre eőyös a mukaközeg hőmérséket rétegeződése. Ezért a mukaközeg úgy va betápáva, etve evezetve hogy a függőeges ráyba a keveredés e jöjjö étre. Így kaakuhat a mukaközeg hőmérséket rétegeződése, ameyé függőeges ráyba feürő efeé sökke az egyes rétegek hőmérsékete. A hőmérséket rétegeződés kaakuásáak matematka eírásáá fehaszáhatjuk a homogé tároó evét úgy, hogy mde réteget öáó homogé tároókét kezeük. Ezek méregegyeetébe fgyeembe ke ve az egyes rétegek között a hőmérséket küöbség áta fejesztett koduktív hőáramot a Fourer-törvéy értemébe: q T (4) aho: q fajagos koduktív hőáram [W/m 2 ], λ hővezetés téyező [W.m -1.K -1 ], T hőmérséket grades [K / m]. Az réteg értkezk az +1 és -1 rétegekke és köztük a hőmérséketküöbség koduktív hőáramot fejeszt a (4) egyeet szert. A bemeő és kmeő koduktív hőáramok Q küöbsége ebbe a rétegbe tároódk az aább egyeet szert: eff eff Q Q 1 Q 1 Aq T S,, 1 Aq T S, 1, z z (5) eff Aq T S, 1 2,, 1 z aho: A q - a réteg hővezető keresztmetszete [m 2 ], T s, - hőmérséket a víztároóba [K], λ eff - effektív hővezetés téyező [W.m -1.K -1 ], z - a rétegek magassága [m].

4 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary A függőeges hőmérséket rétegeződést a tartáyba gátoja az aráyag magas effektív hővezető képesség. Ideás esetbe ayagáramás az egyes rétegek között em keetkezk, ezért beső kovektív hőátvte sem vaósu meg közöttük. Mve a gyakoratba egydejűeg, vagy vátakozva a fetötés és kmerítés a mukaközeg tömegárama áta törték, bzoyos mértékű kovektív hőátvtee számo ke A egegyszerűbb esetbe a beső rétegek között kovektív hőáramásra érvéyes: és az rétegbe betápát etve abbó evezetett hőáram az aább egyeette m. 1 = fejezhető k: Q m T T m. T T m T T (6) for ábra: Rétegeződő hőtároó fetötéséek és kmerítéséek eve Ha egy tetszőeges réteget, mt homogé tároót vzsgáuk, az eergaméregét a következő egyeette tudjuk kfejez: d, Q, Q h, Q. Q t, Q 1, 1 (7) aho: T S, - az réteg hőmérsékete [K], Q - a apkoektorokbó yert hőáram [W],, Q - a h, kegészítő hőforrásbó yert hőáram [W], Q, - a hőfogyasztók betápáására fehaszát hőtejesítméy [W], Q - a réteg hővesztesége [W], t, Q 1, - a rétegbe betápát, etve abbó 1 evezetett koduktív hőáram [W].

5 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary A (7) egyeetet mde rétegre akamaz ehet. Az réteg egyeetéek egyszerűsített megodásá az -1 réteg jeemzőt haszájuk fe. Iy módo meg ehet vzsgá a rétegek hőmérséketéek dőbe vátozását függőeges ráyba. A egfeső és egasó rétegek között eerga-sere kszámításához meg ke határoz az egyes rétegeke átfoyó tömegáramot. A fetötéshez m tömegáram száítja a szoárs hőt a tároóba. A kmerítés eekező ráyú m tömegáramma törték. A rétegek között effektív tömegáram a két tömegáram küöbségébő adódk. Az eső és utosó réteg tömegárama pedg ua. m m m 2, N (8) m 0 1 N 1 (9) Az réteg eergamérege az aább egyeette ehet kfejez: d, m. m. Tf, out, Q h, m., T S, eff m, 1, m 1,, 1 Aq,, z U. A T T retur 1 eff S, 0 (10) aho: A a réteg küső feüetéek hőátépés terüete [m 2 ], A q a rétegek között hőátépés feüet [m 2 ], T,retur a fogyasztóktó vsszatérő víz hőmérsékete [K], T f, out a koektorokbó beépő tömegáram hőmérsékete [K], T 0 a köryezet hőmérsékete [K], T S a réteg átaghőmérsékete [K], Q - a apkoektorokbó betápát hőáram [W], Q - a kegészítő hőforrásbó betápát hőáram [W], hőveszteség [W]. Q - a fogyasztó redszerbe betápát hőáram [W], A apkoektorok és fogyasztók kapsoás paraméterere érvéyes: a hőt a apkoektorbó az utosó rétegbe juttatjuk h Q t - a 1 N 0 N a hő a fogyasztótó vsszatér az eső rétegbe 1 m 0 0 m 0 eergetka bemeetek -1 rétegbő rétegbe 1 m m 0 eergetka bemeetek +1 rétegbő rétegbe 1

6 17 th Budg Serves, Mehaa ad Budg Idustry days Iteratoa Coferee, Otober 2011, Debree, Hugary 4. Összefogaás A émetország tapasztaatok szert a szezoás hőtároó a szoárs távhőeátó redszerek egtőkegéyesebb része. Egydejűeg az s téy, hogy a beruházás kötségek jeetős részét a bérkötségek képezk, mve a mukaerő ára áuk jóva aasoyabb, a szoárs távhőeátást kötséghatékoyabba ehete megoda. Eek eeére keres ke a verseyképesség öveéséek tovább ehetőséget ovatív megodásokka. Egy ye eképzeést vázo fe (Böszörméy, 2010). Az átaa eírt koepó a szoárs hő fajagos kötségeek sökketésére összpotosít a szezoás hőtároó hatékoyabb khaszáása áta. Eek éyege a hőtároó agyobb mértékű kmerítése hőszvattyú segítségéve. Eek fotos következméye az, hogy a hőtároó a fűtés szezo vége feé éyegébe hdegeerga tároójává vák. A koepó gyakorat megvaósítása érdekébe a hőtároó fetötéséve és kürítéséve összefüggő foyamatokat, főeg a hőmérséket rétegeződést, aaposa meg ke vzsgá. Ehhez eső épésbe hatékoy segítséget yújthat az egy egyszerűsített matematka mode aapjá evégzett számjegyes szmuáó. Akowedgmet Ths pubato s the resut of the Projet mpemetato: Researh etre for effet tegrato of the reewabe eergy soures, ITMS: supported by the Researh & Deveopmet Operatoa Programme fuded by the ERDF. Fehaszát szakrodaom: Böszörméy, L., se., Šváková, E., Böszörméy, L., ju. (2010), A szezoás hőtároáso aapuó szoárs távhőeátó redzerek fejesztéséek távata. Magyar épüetgépészet, 12/2010, Budapest, Šváková, E. (2011),. Obaové koštruke podzemýh zásobíkov. Poruhy a obova obaovýh koštrukí budov,vysoké Tatry, Podbaské, Eker, U. (2003), Soar tehooges for budgs. Joh Wey ad Sos, West Sussex, Egad Beer, M., Bodma, M., Magod, D., Nussbker, J., - Raab, S., Shm, T., Sewad, H. (2003), Soar uterstützte Nahwärmeversorgug mt ud ohe Lagzet-Wärmespeher. Stuttgart Kapao, P,, Lukáč, P. (2010), Temperatute Chages of Hot Water Dstrbuto Syste I: Joura of Apped See the Thermodyams ad Fud Mehas. Vo. 4, o. 1 p ISSN