Zastosowanie metody potencjalow wezlowych do analizy i projektowania instalacji slonecznych cieplej wody

• Autorzy: Wojcicka-Migasiuk D

Warianty tytułu

EN

The application of node potential method to analyse and design sdhw systems

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono zastosowanie analogii termoelektrycznej poprzez wykorzystanie metody potencjałów węzłowych do utworzenia zastępczej sieci cieplnej (zsc) w celu sformułowania matematycznego modelu do analizy słonecznych instalacji ciepłej wody użytkowej. ZSC ma postać obwodu RC i składa się z 6 węzłów symulujących poszczególne elementy instalacji i gałęzi zawierających opory cieplne wymiany ciepła pomiędzy węzłami, dla każdego z węzłów sformułowano równanie bilansu cieplnego, a zatem powstał układ sześciu równań. W celu ich rozwiązania ułożono algorytm symulacyjny przy pomocy pakietu MathCad 7.0 służący naukowo-badawczej analizie termicznej a następnie wykonano pakiet symulacyjny w wersji użytkowej. Wykonano modele i przeprowadzono symulacje dla ustalonego i nieustalonego stanu pracy instalacji, zaprezentowano wyniki przeprowadzonych pomiarów w instalacji doświadczalnej i dokonano analizy porównawczej wyników symulacji z wynikami pomiarów. Potwierdziła ona przydatność modelu i pakietu symulacyjnego również w warunkach klimatycznych regionu Polski środkowo-wschodniej uznanej za region drugi w kraju pod względem dostępności energii promieniowania słonecznego (eps)o dużych możliwościach jej wykorzystania na terenach rolniczych. Pakiet symulacyjny jest głównym narzędziem opisanym w pracy i składa się z następujących sekwencji: 1. Wprowadzenie danych, 2. Obliczenia rezystancji cieplnych, 3. Obliczenia stanu ustalonego, 4. Obliczenia stanu nieustalonego. Narzędzie to jest uniwersalne i umożliwia dowolne rozszerzanie modelu ZSC o dodatkowe elementy, liczbową i graficzną prezentację wyników, w tym także quasi-przestrzenną prezentację wyników dla stanu przejściowego. Użytkowa wersja programu przeznaczona dla inżynierów projektantów takich systemów jest przyjazna dla użytkownika i jest dostępna także w wersji angielskiej. Algorytmy umożliwiają symulację stanów przejściowych w zależności zarówno od warunków pogodowych jak i wewnętrznych parametrów systemu. Praca prezentuje wyniki symulacji przeprowadzone w różnych zakresach wymuszeń. Analiza stanu niestacjonarnego wskazuje na nowe aspekty pracy termicznych instalacji słonecznych. Poszczególne opory cieplne są obliczane w ścisłej zgodności z zasadami wymiany ciepła odbywającej się na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania, zaprezentowane przykłady symulacji przedstawiono na wykresach wykazujących zależności wzglądem wymuszeń zewnętrznych i wewnętrznych parametrów układu. Pokazują one m.in. zmienność temperatur w poszczególnych węzłach zależną od różnej dostępności eps i innych warunków pogodowych.

EN

The publication presents the use of a method called Equivalent Thermal Network used to formulate mathematical model suitable for SDHW system analyses. The method makes the use of a thermal - electric analogy, in particular, the node potential method to formulate a mathematical model suitable for heating system transient performance analyses on the example of a solar thermal system. The Equivalent Thermal Network modelling such system has been composed. The network is constructed as RC circuits and consists of nodes and branches. The assumption assigns one node to each thermal element and thus the branches model the heat transfer between them. Each node has its thermal balance equation and they make up a system of six linear and the first order differential equations relevant to the presented example. Composed algorithms make possible to simulate transients in dependence either on weather conditions or system parameters. The work provides results of simulations performed at different ranges of inputs. The transient analysis adds new aspects to the thermal performance of such systems. Comparisons with measurements taken on a real object, which is a SDHW system, prove the usefulness of the method particularly for East-European climatic conditions focused in the central eastern region of Poland which is supposed to be the second best solar region in the country. The main tool described in the work is a simulation programme composed on the basis of MathCad2000 algorithms used for the designing, analyses and diagnostics. The algorithms cover four sequences: 1. Data introduction, 2. Computations of heat transfer coefficients, 3. Steady state computations of node temperatures, 4. Transient computations and instant node temperature results. This tool is versatile and enables simple introduction of new elements and extensions of the network and quasi-spatial graphic presentations of transient results. These simulation algorithms are in Polish as predicted for the target group which are engineers and designers in the region, but also English version is available. Particular thermal resistances are computed in strict accordance to heat transfer through radiation, convection and conductance. The examples of steady state and transient simulation results in all nodes are presented in figures, which show the simulation of their dependence on external inputs and system features and give the image of how temperatures in nodes change at different solar energy availability and other weather conditions.

Słowa kluczowe

PL

instalacje sloneczne; woda ciepla; podgrzewanie wody; surowce energetyczne; niekonwencjonalne zrodla energii; metoda potencjalow wezlowych; promieniowanie sloneczne; algorytmy; projektowanie

EN

solar collector; warm water; water heating; energy raw material; unconventional energy source; node potential method; solar radiation; algorithm; design

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Agrophysica
• Rocznik: 2001
• Tom: 39
• Opis fizyczny: s.1-106,fot.,rys.,tab.,bibliogr.

Twórcy

autor

Wojcicka-Migasiuk D

• Instytut Agrofizyki PAN, Lublin

Bibliografia

• 1. Anderson B., Wells M.: The Homeowner's Guide to Natural Heating and Cooling, Brick House Publishing Co., Amherst, New Hampshire, 1994,
• 2. Antonopoulos K.A., Vrachopoulos M.: On-site experimental estimation of thermal conductivities and heat capacities in multilayer walls under arbitrary transient conditions using explicit and implicit finite difference schemes. Int. J. Energy Research, J. Wiley & Sons Ltd., 20,1,17-32, 1996.
• 3. ASHRAE Standard 93-77, Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors. New York, 1977.
• 4. Beckman J.A., Klein J. Duffie J.A.: Solar heating design by the f-chart method, Wiley & Sons, New York, 1977,
• 5. Beckman W.A.: Solar Thermal. Sun World, 21, 4, 6-7, 1997.
• 6. Bernrd R,, Menguy G., Schwartz M,: Le Rayonment Solaire. Conversion Thermique et Applications Technique & Documentation, Paris, 1979.
• 7. Bodziak K., Nalewaj K., Wójcicka-Migasiuk D.: Laboratory to Practise Use of Solar Systems - Didactic Laboratory System: Solar Thermal Collector - Heat Pump - PV Array, Proc. Eur o Sun'96 DGS Sonenenrgic Verlags-GmbH- Munchen, s.1583-1586, 1996.
• 8. Bodziak K., Nalewaj K,, Wójcicka-Migasiuk D,: Stanowisko do badania zintegrowanych systemów grzewczych z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. Rynek Energii, 3, 14-17, 1996.
• 9. Bollin E.: Monitoring and Computer Aided Evaluation of a Large Scale Solar Thermal System at a Holiday Resort Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 83-88, 1996.
• 10. BS 5918: Solar heating systems for domestic hot water, British Standard Institution, 1980.
• 11. Bzowska D.: Wpływ losowych zmian pogody na procesy wymiany ciepła w budynkach, Praca doktorska, IPPT PAN W-wa,1996.
• 12. Bzowska D., Kossecka E,: Analiza probabilistyczna dobowych danych pogodowych dla Warszawy, Zeszyty Naukowe IPPT PAN 10, 1992,
• 13. Bzowska D., Kossecka E.: Analiza promieniowania słonecznego w Warszawie w aspekcie energetyki słonecznej. Zeszyty Naukowe IPPT PAN, 4, 1993.
• 14. Carpenter J.L., Vallis EA., Vranch AT.; Performance of a UK Dairy Solar Water Heater. Journal of Agricultural Engineering Resources, 35, 131-139, 1986.
• 15. Carvalho M.J., Costa J.CX.: Monitoring of ten water heating solar systems Proc. of the Biennial Congress of the ISES, Denver, USA, 2, 2, 1992.
• 16. Castro M.A. Carpio J., Peire J., Rodriguez J.A.: Renewable- Energy integration assessment through a dedicated computer program Solar Energy, 57, 6, 471-484, 1996.
• 17. Chochowski A. i in.: Metoda sterowania pracą instalacji słonecznej, PB 0487/S4/94/07 SGGW W-wa, 1996.
• 18. Chochowski A.; Analiza stanów termicznych płaskiego kolektora słonecznego. SGGW W-wa, 1991.
• 19. Chochowski A., Czekalski D.: Charakterystyka pozyskiwania energii słonecznej w instalacjach z kolektorami cieczowymi, Część III, COW, Nr 11, 1996.
• 20. Chochowski A., Czekalski D.: Zasoby energii słonecznej w regionie warszawskim. COW, 6, 1996.
• 21.Chochowski A., Wójcicka- Migasiuk D,: Equivalent network method in steady state analysis of hot water plants incorporating solar collectors in diaries. - abstract- 3rd Int. Conference" Physics of Agro and Food Products", Inst. Agrofizyki PAN, Lublin, 24, 1998.
• 22. Chochowski A., Wójcicka-Migasiuk D., Wieczorek J.: Model deterministyczny promieniowania słonecznego. Mat. Konf. Naukowej Mechaniczne Właściwości Materiałów Rolniczych, Instytut Agrofizyki PAN, Lublin, 32-34, 1997,
• 23. Chochowski A., Wójcicka-Migasiuk D., Wieczorek J.: Deterministic approach to solar radiation. Int. Conf. AgEng, Oslo'98, Part 2, 1030-1031,1998.
• 24.Chwieduk D,: Analiza efektywności wykorzystania energii słonecznej do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. COW nr 5/81, 198!.
• 25. Chwieduk D.: Słoneczne i gruntowe systemy grzewcze - zagadnienia symulacji funkcjonowania i wydajności cieplnej. IPPT PAN Warszawa, 1994.
• 26. Chybuwski B.: Instalacje ciepłej wody użytkowej. Arkady W-wa, 1973.
• 27. Coiante D,, Barra L.: Renewable Energy Capability to Save Carbon Emissions. Solar Energy, 57, 6,485-491, 1996,
• 28. Czekalski D.: Wpływ sposobu sterowania przepływem czynnika na wydajność energetyczną kolektorów słonecznych. Praca doktorska. SGGW W-wa, 1993.
• 29. Domański R.: Magazynowanie energii cieplnej. PWN W-wa, 1990.
• 30. Druck H., Hahne F„: Thermal Testing of Stores for SDHW Systems. Proc, EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 136-137, 1996.
• 31. Duffie J.A., Beckman J.A.: Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley and Sons, New York, 1991.
• 32. Dutre A.: European Commission Report, EMPG P-2 European Transient Simulation Model for Thermal Solar Systems, Solar Energy R&D in the E.C., s. A, 5, 1985.
• 33. Fisch M.N., Cuigas M., Dalenback J.O.: Large Scale Solar District Heating - Status and Future in Europe Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 157-170, 1996.
• 34.Folkerts D. Orshoven van D., Pavic D„ Mack M.: A New Design Tool for Collectors with Transparent Insulation (TIM) Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 171-175, 1996.
• 35. Frci U., Muller-Scholl C.: Quality Control and Standardization in the Field of Solar Thermal Energy Components and Systems, Presentation of existing ISO-standards and new CEN-standards under development, Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 182-188, 1996.
• 36. Furbo S„ Shah L.J.: Opimum Solar Collector Fluid Flow Rates Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH-Munchen, 189-193, 1996.
• 37. Gogół W.: Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych. Ekspertyza KTiS PAN W-wa, 1993 ,
• 38.Gołębiowski Cz., Wiśniewski G.: Kolektory słoneczne do podgrzewania wody i powietrza. IBMER W-wa, 1990.
• 39. Green A.: The influence of operating conditions on the thermal performance of non-concentrating solar collectors. PhD. Thesis, University of Wales College of Cardiff, 1984.
• 40. Grzegorzewski Z.; Kolektor słoneczny "Distanda Minimalis". Murator Nr 1(141), 85, 1996.
• 41.Grzybowska A,: Zasoby energii słonecznej w Polsce, Charakterystyka dopływu promieniowania słonecznego na powierzchnie nachylone i ściany pionowe. IMIGW CPBR 10.15, 1988.
• 42. Hurland E.: Eco-Renovation Chelsea Green Publishing Co., Vermont,1994.
• 43. Hering M.: Termokinetyka dla elektryków. WNT W-wa, 1980.
• 44.Hobler T.: Ruch ciepła i wymienniki. WNT W-wa, 1979.
• 45. Hollands K.G.T., Fraser K.F., Brunger A.P.: An empirical model for natural convection heal exchangers in SDH W systems. Solar Energy, 55, 75-84, 1995.
• 46. Howel J.R., Bannerot R.B., Vliet G.C.: Solar - thermal energy systems, McGraw-Hill Co., New York, 1982,
• 47.Howells P,B,: Simulation of system control strategies for solar thermal applications. PhD Thesis, University of Wales College of Cardiff, 1984.
• 48.Janowski R.: Dynamika nagrzewania i sprawność instalacji słonecznej pracującej w fazie akumulacji. Praca magisterska pod kier, dr inż. D. Czekalskiego, SGGW W-wa, 1997
• 49.Janowski T., Nalewaj K., Wójcicka-Migasiuk D., Złonkiewicz Z.: Laboratory of Heating Systems Employing Solar Energy 2nd Int. Conf. ELMECO'97, Conf. Proc., Wydawnictwa Uczelniane Politechniki Lubelskiej, 269-272, 1997.
• 50.Januszewski J.: Zasady projektowania urządzeń słonecznych do celów grzewczych. Wrocław PW, 1986.
• 51.Kemal Dagsoz A,, Yuksel Huseyin M,: SDHW Systems with Closed Circuit Proc. KuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH-Munchen, 111-114, 1996.
• 52.Khalifa AJN.: Computer aided design of solar energy systems, PhD. Thesis, University of Wales College of Cardiff, 1989.
• 53.Khatib I.A.: Indoor short term performance testing of SDHW Systems and long term predictions" PhD. Thesis, University of Wales College of Cardiff, 1989.
• 54.Kierlańczyk T., Kotte G.: Zasady doboru wielkości zasobników ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych, COW nr 6, 1996.
• 55.King C.: Energy Management, European Commission Directorate General XII for Science, Research and Development, 1995.
• 56.King C.; Solar Water Heating European Commission Directorate General XII for Science, Research and Development, 1995.
• 57.Kowalczyk B.: Macierze i ich zastosowania. WNT W-wa, 1976.
• 58.Lagasse J.: Teoria obwodów elektrycznych. WNT W-wa, 1965.
• 59.Leun CJ van der, Out P.G.: Thousand-Solar-Water-Heater Projects: Lower Cost, Higher Quality. Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 234-239, 1996 .
• 60.Luther J. i in.: Achievemnts and Results. Annual Report 1995, Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme, Freiburg, 1996.
• 61.Mańkowski S,: Projektowanie instalacji ciepłej wody użytkowej. Arkady W-wa, 1981.
• 62.Marshall R.; SEUDM.BS2, program komputerowy, University of Wales College of Cardiff, 1990
• 63.Michalski T,: Słoneczny dom w Szwajcarii. Murator Nr 1(141), 84, 1996.
• 64.Milburn D.I., Hollands K.G.T.: The directional response error in integrating-sphere hansmittance measuremets at solar wavelengths. Solar Energy, 55, 2, 85-91, 1995.
• 65.Morgan T.R.: The Performance and Optimisation of Autonomous Renewable Enrgy Systems. PhD. Thesis, University of Wales College of Cardiff, 1996.
• 66.Nijegodorov N., Jain P.K., Devan KRS: A graphical method of measuring the performance characteristics of solar collectors. Renewable Energy, 7,1, 23-31, 1996.
• 67. Norton B., Prapas D.E., Milonidis E., Probert S.D.: Response function for solar-energy collectors. Solar Energy, 40, 4, 371-383, 1988,
• 68. Omer Comakli i in.: Solar-assisted heat pump and energy storage for residential heating. Solar Energy, 51,5, 357-366, 1993.
• 69. Ong K.S.: Thermal performance of solar air heaters: mathematical model and solution procedure. Solar Energy, 55, 95-109, 1995.
• 70. Owczarek S.: Vector model for calculation of solar radiation intensity and sums incident on tilted surfaces. Identification for the three sky condition in Warsaw, Renewable Energy, 11,1, 77-96, Elsevier Science Ltd . 1997.
• 71. Owczarek S.: Kierunki projektowania kolektorów słonecznych. Informacja lnstal 10(176), 20-25, 1998.
• 72.Owczarek S., (praca zbiorowa pod kier.): Rozwój kierunków projektowania energooszczędnych budynków mieszkalnych. Prace IPPT PAN, W-wa, 1989.
• 73.Paassen van A.H.: Indoor climate and energy calculations. PhD thesis, Delft University of Technology, WTHD 137, 1981.
• 74.Pabis J.: Możliwości i warunki wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii w produkcji ogrodniczej. Wyd. SGGW, W-wa, Materiały konferencyjne, 24-32, 1991.
• 75.Panek A, i in,: Stochastyczny model klimatu Polski - identyfikacja i symulacja; sprawozdanie za lata 1987- 1990 z realizacji tematu 4.4/CPBP 02.21 : Modelowanie i badanie komfortu cieplnego w pomieszczeniach; kierownik naukowy B. Okołowicz-Grabowska, Inst. Ogrzewnictwa i Wentylacji P.W.
• 76.Parrott L,, Kok R,, Lacroix K.: Daily Average Temperatures: Modeling and Generation with a Fourier Transform Approach. Trans. ASAE, 39(5), 1911-1922, 1996,
• 77.Piekarski M., Poniewski M.: Dynamika i sterowanie procesami wymiany ciepła i masy WNT W-wa, 1994.
• 78.Pluta Z.: Badanie ogrzewczych instalacji słonecznych i ich elementów w warunkach naturalnych i symulacyjnych. Sprawozdanie z tematu 4.3.2.4/2/1987 CPBP 02.18, 1987.
• 79.Pluta Z., Wnuk R.: Zbiorniki magazynujące ciepło w instalacjach pozyskujących energię promieniowania słonecznego COW nr 10, 1997.
• 80.PN-91/B02020, Ochrona cieplna budynków. Wymagania i obliczenia,PKNMiJ
• 81.Recknagel-Sprenger. Ogrzewanie i Klimatyzacja. Poradnik EWFE - Gdańsk, 1994,
• 82.Solar Energy , vol. 55, No. 1, Units and symbols in Solar Energy, ss. I1I-IV, 1995.
• 83.Staniszewski B,: Wymiana ciepła - podstawy teoretyczne, PWN W-wa, 1979.
• 84.Szpryngiel M.: Zintegrowane źródła niekonwencjonalnej energii w rolnictwie. Zesz. Probl. Post, Nauk Roln., KTR PAN Lublin, 425, 257-263, 1996.
• 85.Travassaros C.: Developing markets for solar thermal. Sun World, 21,3, 8-9, 1997.
• 86.Turrent et al.: Solar Thermal Energy in Europe. Solar Energy R&D in the EC, series A vol.3, Comission of the European Communities, 1983.
• 87.Tymiński J.: Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce do 2030 roku. Aspekt Energetyczny i Ekologiczny IBMER W-wa, 1997.
• 88.Ulrich A.: Najwyższy czas wejść na dach. VIESSMAN Aktualności, 2(6), Wrocław, 1998.
• 89.Visser H., Ree BGC van der: The DST method for SDHW systems - R &D for ISO and CEN standards, Proc. EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, ss. 424-428, 1996.
• 90.Wasilewski W,: Uproszczona metoda wymiarowania węzłów równoległych c.o. i c.w.u. z ogranicznikami strumienia wody sieciowej. COW, 10, 11-18, 1998.
• 91.Wiśniewski G.: Kolektory słoneczne. Poradnik wykorzystania energii słonecznej, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, W-wa, 1992.
• 92.Wiśniewski M., Żero A.: Math Cad Plus 6.0, Exit, 1997.
• 93.Wiśniewski S„ Wiśniewski T.S.: Wymiana Ciepła. WNT W-wa, 1994.
• 94.Wittwer C-, Horlitz O., Rommel M.: A Flexible Simulation Programme for Multitasking Operating Systems to Investigate Controllers in Thermal Solar Systems Proc, EuroSun'96 DGS Sonenenrgie Verlags-GmbH- Munchen, 435-440, 1996.
• 95.Wnuk R,: Słoneczne instalacje podgrzewu cieplej wody użytkowej. IPPT PAN W-wa, 1994.
• 96 Wolf D.,Kudish A.I.,Sembira A.N.: Dynamic simulation and parametric studies on a central solar domestic hot water systems. Energy, 9, 2, 1984.
• 97 Wójcicka-Migasiuk D.: Możliwości wykorzystania energii słonecznej w Makroregionie Środkowo-Wschodnim Polski. Konferencja Naukowo-Techniczna Rynek Energii Cieplnej, Mat. Konferencyjne, 151-154, 1995.
• 98. Wójcicka-Migasiuk D,: Odnawialne źródła energii, Opracowanie: Materiały pomocnicze do wykładu wykonane w ramach programu Tempus JEP 11030-96. Wyd. KPE Politechniki Lubelskiej, Lublin, 1998.
• 99. Wójcicka-Migasiuk D., Chochowski A.: Simulation model for solar heating systems in rural applications". Proc. Int. Conf. TAE'99, Praga, 15-17 września 1999, 550-555, 1999.
• 100. Wójcicka-Migasiuk D.: Thermal - Electric Analogy Applied in Transient Simulation. 3rd International Conference Electromagnetic Devices and Processes in Environment Protection ELMECO'2000.
• 101.Wójcicka-Migasiuk D,, Nalewaj K., Zlonkiewicz Z.: Heat Pump system supply in the aspect of application to solar laboratory. 3rd Int. Conf. Electromagnetic Devices and Processes in Environment Protection ELMECO'2000.
• 102.Wójcicka-Migasiuk D., Nalewaj K. Złonkiewicz Z.: 2000 Photovoltaic test stand performance in the winter climate of central-eastern Poland. 3rd Int. Conf, Electromagnetic Devices and Processes in Environment Protection, ELMECO'2000.