Eksperymentalna instalacja do badań ogrzewania ściennego

Niskotemperaturowe systemy ogrzewania wymagają dużych powierzchni grzewczych i często nazywane są ogrzewaniem płaszczyznowym. Zaletą ogrzewania podłogowego (wodnego lub elektrycznego), ściennego czy sufitowego jest praca przy niskich temperaturach medium grzewczego, co umożliwia osiągnięcie innego profilu temperatury w ogrzewanych pomieszczeniach niż w przypadku tradycyjnych grzejnikowych systemów grzewczych. Z kolei do wad tego typu rozwiązań zaliczyć można wspomniane wymagania względem powierzchni grzewczych – potrzebne są duże płaszczyzny, które nie mogą być przykrywane czy przesłaniane (np. grubymi dywanami czy meblami).

Systemy te zyskują w ostatnich latach na znaczeniu dzięki coraz częstszemu stosowaniu niskotemperaturowych źródeł ciepła, np. pomp ciepła czy kolektorów słonecznych. Charakterystyka ich pracy skutkuje dodatkowo zwiększaniem sprawności gazowych kotłów kondensacyjnych. Zasadne jest zatem kształcenie studentów w tym zakresie w sposób zapewniający jak największą skuteczność dydaktyczną, a mianowicie poprzez pomiary laboratoryjne, a nie jedynie wykłady czy ćwiczenia rachunkowe. Z tego powodu na Wydziale Energetyki i Paliw AGH powstała specjalna instalacja dydaktyczno-badawcza do pomiarów parametrów pracy niskotemperaturowych systemów grzewczych.

Opis instalacji

Elementy instalacji grzewczej wraz z niezbędnymi układami zabezpieczającymi i monitorującymi umieszczono na tablicy o wymiarach 130×180 cm (fot. 1). W skład instalacji weszły następujące układy pomiarowe i wykonawcze: bojler elektryczny BIAWAR OW-E 10 (o mocy grzewczej 2 kW, pracujący w zakresie temperatur 30–80°C) [1] z możliwością ustawienia temperatury, do jakiej ogrzewana jest woda – pełni on funkcję źródła ciepła, pompa wirnikowa WILO-Stratos Eco 25/1-5 BMS wyposażona w sterowanie wydajnością za pomocą sygnału napięciowego 0–10 V [2],
analogowe przetworniki temperatura/napięcie w postaci układu LM35 [3],
przetworniki ciśnienie/prąd WIKA A-10 [4],
sterowany napięciem zawór Heimeier TSE-M [5],
wodomierz z impulsatorem BMeters GSD8 45R [6],
komputerowa karta pomiarowa DAQ (Multifunctional Data Acquisition) NI USB-6008 [7], ściana grzewcza firmy NaturalSystem podłączona do instalacji w układzie obiegu zamkniętego przy użyciu rur wlotowych i wylotowych.

Oprogramowanie

Oprogramowanie bazuje na środowisku graficznym LabView 8.5. Kreuje ono tzw. „wirtualny przyrząd pomiarowy” (zob. np. [11]), dzięki czemu pozwala na monitorowanie wszystkich sygnałów i sterowanie. Możliwe są również automatyczne zmiany parametrów procesu ogrzewania (np. przepływu) oraz obserwacje wynikających z tego zmian w pracy układu.

Zapis danych do pliku (np. w postaci tekstowej) pozwala na późniejszą analizę obserwowanych wielkości. Przeprowadzone pomiary Poniżej podano przykłady pomiarów, które zostały wykonane przy użyciu opisywanej instalacji, jednak nie wyczerpuje to oczywiście wszystkich możliwości wykorzystania tego układu.

Testowanie pompy i zaworu

W ramach dydaktyki interesujące wydaje się zapoznanie studentów z pracą pomp i zaworów w instalacji grzewczej. Opisywany pomiar polegał na ustawianiu stopnia otwarcia zaworu i obserwacji przepływu. Wyniki zaprezentowano na rys. 1. Widać, że realna zmiana przepływu następuje dla otwarcia zaworu do ok. 30%. Powyżej tej wartości w zasadzie nie obserwuje się zmian przepływu. Pomiar został wykonany dla pompy pracującej przy 20, 50 i 100-proc. wydajności nominalnej.

Pomiar różnicy temperatur

Wyniki obserwacji różnicy temperatur na zasilaniu i powrocie dla zmiennego przepływu pokazano na rys. 2. Zgodnie z oczekiwaniami najbardziej zauważalna różnica temperatur występuje przy jak największej mocy źródła ciepła i jak najmniejszym przepływie. Wpływa na to oczywiście fakt, że przy minimalnym przepływie czas, podczas którego ciepło może być odebrane od medium grzewczego, jest najdłuższy.

Pomiar mocy cieplnej przekazywanej do ścianki grzewczej

Kolejny krok to przemnożenie zmierzonej różnicy temperatur oraz przepływu i obliczenie mocy cieplnej przekazanej do ścianki. Moc cieplna ścianki zwiększa się wraz z szybkością przepływu medium grzewczego dla każdej z zadanych mocy grzewczych bojlera (rys. 3). Różny jest natomiast przyrost mocy ścianki, od ok. 25 W przy wzroście przepływu o 1 l/min dla minimalnej mocy grzewczej bojlera, poprzez 40 W/(l/min) dla średniej mocy, do ok. 100 W/(l/min) dla mocy maksymalnej. Widać zatem, że sterowanie niezależnie mocą grzewczą bojlera i przepływem umożliwia osiągnięcie odpowiedniej mocy cieplnej ścianki.

Maksymalna osiągnięta moc grzewcza ścianki wyniosła 1060 W dla przepływu 8 l/min. Wynika to oczywiście z ograniczonej mocy grzewczej bojlera (ok. 2 kW) i strat ciepła w instalacji. Dokładniejsze analizy pokazały, że straty w instalacji mogą być porównywalne ze stratami ciepła w ściance. Wynika to z faktu, że długość przewodów w ściance (z racji jej małych gabarytów) jest zbliżona do długości przewodów przyłączeniowych oraz elementów pomiarowo-sterujących. Taka sytuacja nie wystąpi oczywiście w „prawdziwej” instalacji grzewczej.

Wykorzystanie kamer termograficznych

Zastosowanie kamery termograficznej umożliwia zilustrowanie przestrzennego przekazu ciepła od medium grzewczego na powierzchnię ścianki i później do ogrzewanego otoczenia. Zastosowana kamera mogła pracować w rozdzielczości 0,1°C do temperatury 25°C, dlatego wybrano pracę instalacji przy niewielkiej mocy grzewczej bojlera. Wynik zobrazowano na rys. 4.

Moc grzewcza wyprowadzana z przewodu grzewczego jest największa na prostych odcinkach, a mniejsza na łukach/kolankach – jest to związane z zaburzeniami przepływu. Należy tu oczywiście mieć na uwadze także efekt bliskości krawędzi (gdzie przepływ ciepła nie jest jednowymiarowy) czy możliwe rozbieżności umieszczenia orurowania w ściance (np. odległość między przewodem grzewczym a płaszczyzną może nie być identyczna). Istotny jest również rozkład temperatur w zamrażarce.

Na rys. 5 przedstawiono wyniki skanu termograficznego dla zakresu kamery do 200°C z rozdzielczością 1°C. Umożliwia to badanie większych mocy grzewczych z mniejszą dokładnością. Zobrazowano przekazywanie do ścianki mocy równej 180 W (po lewej) i 360 W (z prawej strony). Łatwo dostrzec różnice: przy 180 W temperatura ścianki „nad” rurą wynosi trzydzieści kilka stopni, a przy większej mocy dochodzi do ok. 50°C. W obydwu przypadkach przepływ utrzymywany był na poziomie 2 l/min.

Czujniki strumienia ciepła

Można porównać moc przekazywaną do ścianki i oddawaną do otoczenia przez ściankę przy pomocy czujników strumienia ciepła. Mają one postać płaskich płytek naklejanych na badaną powierzchnię (fot. 2; czujniki takie opisano dokładniej m.in. w publikacji [12]). Dane pochodzące z czujników odczytano za pomocą mierników [13], które nie były sprzężone z instalacją (mierzone wielkości rejestrowane były w pamięci własnej mierników).

W tab. 1 podano przykładowe wyniki, uśrednione dla wybranych wartości przepływu medium grzewczego, jednak ich interpretacja nie jest prosta. Pomiar zaczynano od małej mocy grzewczej bojlera, którą zwiększano do poziomu średniego i wysokiego i dla każdego zakresu mocy zmieniano przepływ z małego na duży. Widoczny jest efekt akumulacji ciepła przez ściankę, kiedy przy średniej mocy bojlera ilość ciepła wyemitowanego przewyższa wartość dostarczoną do ścianki. Z kolei przy dużej mocy bojlera instalacja dostarcza więcej ciepła, niż oddaje go ścianka.

Oczywiście aby obliczyć całkowitą ilość ciepła metodą pomiaru strumienia, należy dokładniej przebadać różne obszary ścianki – tu zostały wyszczególnione tylko dwa. Dokładniejsza interpretacja danych wymaga wyposażenia ścianki w czujniki mierzące temperaturę w wielu punktach, co pozwoliłoby oddzielić stany ustalone od nieustalonych oraz obliczyć m.in. pojemność cieplną ścianki.

Podsumowanie i wnioski

Przedstawiona instalacja umożliwia przeprowadzenie wielu pomiarów w skali laboratoryjnej, które pozwolą unaocznić studentom działanie poszczególnych elementów instalacji grzewczej, takich jak źródło ciepła, pompa, zawory itd. Możliwość monitoringu i rejestracji danych pozwala na śledzenie i analizę reakcji instalacji na różne zmiany, np. wielkości przepływu. Uzupełnia ona zatem wiadomości teoretyczne z zakresu ciepłownictwa przekazywane podczas wykładów i jednocześnie uzmysławia studentom, jak ważną rolę w systemach ciepłowniczych odgrywają elementy monitoringu i sterowania.

Opisywana instalacja może również zostać wykorzystana do monitoringu rzeczywistego systemu grzewczego (np. domu jednorodzinnego). Należy w takim wypadku odłączyć bojler i podłączyć układ do istniejącej instalacji budynku. Dzięki zaprogramowaniu pracy pompy ze zmienną wydajnością (wchodzącej w skład instalacji laboratoryjnej) rejestrować można charakterystyki instalacji grzewczej. Planowane jest prowadzenie takich pomiarów w kolejnych sezonach grzewczych, zwłaszcza dla wielkopowierzchniowych instalacji niskotemperaturowych.

Przedstawione wyniki mogą też posłużyć do opracowania systemów sterowania instalacjami niskotemperaturowymi, uwzględniających m.in. gromadzenie ciepła w ściankach i bezwładność cieplną. Znaleźć tu mogą zastosowanie pomiary strumienia ciepła emitowanego przez ogrzewanie płaszczyznowe do pomieszczenia. Planowana dalsza rozbudowa instalacji polegać będzie m.in. na sprzężeniu czujników strumienia ciepła i wykorzystaniu funkcji LabView do zdalnego (przez internet) przesyłania danych i poleceń. 

Literatura

1. Instrukcja obsługi, http://www.biawar.com.pl/index.php/download-document/18-instrukcja-obslugi-podumywalkowe-ow-e10.html.
2. http://www.wilo.pl/cps/rde/xchg/pl-pl/layout.xsl/979.htm.
3. http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf.
4. http://www.wika.us/upload/DS_PEA10_en_us_16479.pdf.
5. http://www.imi-internationalcee.com/pl/products_catalog/all,c,457,p,1086,TSEM.html.
6. http://bmeters.pl/galeria/woda/wodomierz_gsd8-45mid_pl.pdf.
7. http://www.ni.com/pdf/manuals/371728b.pdf.
8. http://www.ni.com/labview.
9. http://naturalsystem.pl.
10. Filipowicz M., Raźniak A., Obłąkowska D., Pomiar współczynnika przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych w warunkach praktycznych, IZOLACJE nr 11/2006.
11. Świsulski S., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabView, Wydawnictwo PAK, 2005.
12. Filipowicz M., Raźniak A., Obłąkowska D., Zastosowanie pomiarów strumienia ciepła w audycie, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2006.
13. Urządzenia firmy Almemo, http://www.ahlborn.com.