Υβριδικοί σταθμοί θερμικής ισχύος

Ένας υβριδικός σταθμός παραγωγής θερμικής ισχύος παρουσιάζεται στο σχήμα 1.

Σχήμα 1: Διάγραμμα συνδεσμολογίας υβριδικού σταθμού θερμικής ισχύος με θερμοδοχείο διπλής ενέργειας.

Ο υβριδικός σταθμός θερμικής ισχύος του σχήματος 1 αποσκοπεί στην κάλυψη αναγκών θέρμανσης εσωτερικών χώρων και αποτελείται από τις ακόλουθες διακριτές συνιστώσες:

  • ηλιακούς συλλέκτες, ως μονάδες βάσης
  • θερμοδοχεία διπλής ενέργειας, ως μονάδες αποθήκευσης
  • καυστήρα κεντρικής θέρμανσης, ως εφεδρική μονάδα παραγωγής θερμικής ισχύος
  • ηλεκτρονική μονάδα κεντρικού ελέγχου, για τον έλεγχο της λειτουργίας του συστήματος
  • υδραυλικές συσκευές και λοιπά εξαρτήματα για την εξασφάλιση της ροής του μέσου και της ασφάλειας λειτουργίας του υδραυλικού δικτύου.

Η κεντρική μονάδα ελέγχου εκτελεί τους απαιτούμενους ελέγχους που θα καθορίσουν τη λειτουργία του συστήματος. Συγκεκριμένα, τα μεγέθη που ελέγχονται και οι συνεπαγόμενες εντολές λειτουργίας είναι:

  • Θερμοκρασία Τc,o προσαγωγής εργαζόμενου μέσου από τους ηλιακούς συλλέκτες και θερμοκρασίες Τs,j αποθήκευσης μέσου σε διάφορα επίπεδα στο θερμοδοχείο.

Αν η θερμοκρασία Τc,o είναι μεγαλύτερη από κάποια από τη θερμοκρασία Τs,j, τότε επιτελείται αποθήκευση στο θερμοδοχείο θερμικής ισχύος από τους ηλιακούς συλλέκτες. Η θερμική ισχύς αποθηκεύεται στον κόμβο j του θερμοδοχείου που εμφανίζει την αμέσως χαμηλότερη θερμοκρασία από την Τc,o. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία Τc,o μετράται όχι στην έξοδο από τους ηλιακούς συλλέκτες, αλλά στον εναλλάκτη θερμότητας του θερμοδοχείου, προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι απώλειες θερμότητας στο υδραυλικό δίκτυο μεταφοράς του μέσου από τους συλλέκτες προς το θερμοδοχείο.

  • Απαίτηση για παροχή θερμικής ισχύος και μέγιστη θερμοκρασία Τs,1 στο θερμοδοχείο.

Η απαίτηση για παροχή θερμικής ισχύος μπορεί να δηλωθεί με δύο τρόπους:

-        είτε μέσω της υφιστάμενης θερμοκρασίας των εσωτερικών χώρων, στην περίπτωση αυτόματης λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης μέσω θερμοστάτη

-        είτε μέσω της λειτουργίας του κυκλοφορητή του κυκλώματος των τερματικών θερμαντικών σωμάτων, στην περίπτωση χειροκίνητης λειτουργίας του συστήματος θέρμανσης.

Στην περίπτωση που υφίσταται απαίτηση για παροχή θερμικής ισχύος και η μέγιστη θερμοκρασία Τs,1 του μέσου αποθήκευσης στο θερμοδοχείο είναι μικρότερη από την ελάχιστη απαιτούμενη θερμοκρασία Τd,min για τη λειτουργία των τερματικών θερμαντικών σωμάτων, τότε λαμβάνει εντολή η εφεδρική μονάδα για παραγωγή θερμικής ισχύος, η οποία αποδίδεται στα ανώτερα στρώματα του θερμοδοχείου.

Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται γραφικά ο ανωτέρω αλγόριθμος λειτουργίας του συστήματος.

Σχήμα 2: Αλγόριθμος λειτουργίας υβριδικού σταθμού θερμικής ισχύος.

Σε εφαρμογές υβριδικών σταθμών μεγάλης ισχύος, όπως για παράδειγμα η θέρμανση εσωτερικών χώρων, η απαιτούμενη χωρητικότητα των δεξαμενών νερού που θα χρησιμοποιηθούν για αποθήκευση θερμότητας συνήθως υπερβαίνει τη μέγιστη χωρητικότητα ενός θερμοδοχείου διαθέσιμου στο εμπόριο. Στην περίπτωση αυτή, προκειμένου να καλυφθούν οι απαιτήσεις της διαστασιολόγησης του υβριδικού σταθμού, θα πρέπει να εγκατασταθούν περισσότερα του ενός θερμοδοχεία. Η εγκατάσταση περισσότερων του ενός θερμοδοχείων αυξάνει την πολυπλοκότητα του σταθμού, αναφορικά με τη συνδεσμολογία τους και τον αλγόριθμο αποθήκευσης, δηλαδή σε ποιο θερμοδοχείο αποθηκεύεται κάθε φορά η διαθέσιμη προς αποθήκευση θερμική ισχύς.

Η λειτουργία ενός υβριδικού σταθμού με αποθήκευση θερμότητας σε περισσότερα του ενός θερμοδοχεία θα αναλυθεί με τη βοήθεια ενός παραδείγματος. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται μία περίπτωση εγκατάστασης τριών θερμοδοχείων σε ένα υβριδικό σταθμό θέρμανσης.

Σχήμα 3: Συνδεσμολογία τριών θερμοδοχείων αποθήκευσης σε υβριδικό σταθμό θερμότητας.

Στο προηγούμενο σχήμα παρατηρείται ότι τα τρία θερμοδοχεία είναι ταυτόχρονα σε σειρά και παράλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους ως προς τους ηλιακούς συλλέκτες. Η εν σειρά συνδεσμολογία εξασφαλίζει ότι νερό και θερμότητα μπορούν να μεταφέρονται από το ένα θερμοδοχείο στο άλλο, ενώ η παράλληλη συνδεσμολογία ως προς τους ηλιακούς συλλέκτες συνεπάγεται ότι η παραγόμενη θερμότητα από τους συλλέκτες μπορεί να αποθηκεύεται σε οποιοδήποτε από τα θερμοδοχεία, χωρίς να επηρεάζεται η υφιστάμενη κατάσταση σε κάποιο άλλο. Η θερμότητα μεταφέρεται από τους συλλέκτες στα θερμοδοχεία μέσω κλειστών υδραυλικών κυκλωμάτων στα οποία η ροή του μέσου εξασφαλίζεται μέσω του κυκλοφορητή Κ1.

Ο καυστήρας θέρμανσης είναι συνδεδεμένος αποκλειστικά στο πρώτο θερμοδοχείο, το οποίο αποτελεί το θερμοδοχείο αιχμής. Από το ίδιο θερμοδοχείο τροφοδοτείται το δίκτυο διάθεσης θερμότητας προς τελική χρήση στα θερμαντικά σώματα και το δίκτυο διάθεσης ζεστού νερού προς χρήση. Η θερμότητα από τον καυστήρα μεταφέρεται στο πρώτο θερμοδοχείο μέσω κλειστού υδραυλικού κυκλώματος, στο οποίο η ροή του μέσου εξασφαλίζεται μέσω του κυκλοφορητή Κ4.

Η ροή της θερμότητας είναι δυνατή από το τρίτο προς το δεύτερο θερμοδοχείο, μέσω του κυκλοφορητή Κ3 και από το δεύτερο προς το πρώτο θερμοδοχείο μέσω του κυκλοφορητή Κ2.

Η λειτουργία του υβριδικού σταθμού θέρμανσης εξασφαλίζεται και ελέγχεται από μία κεντρική ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Ο αλγόριθμος αποθήκευσης θερμικής ισχύος από τους ηλιακούς συλλέκτες θα πρέπει να αποσκοπεί:

  • στην εξασφάλιση της μέγιστης δυνατής θερμοκρασίας στο θερμοδοχείο αιχμής, γεγονός που θα ελαχιστοποιήσει τη λειτουργία του συμβατικού καυστήρα θέρμανσης
  • στη μεγιστοποιήσει της αξιοποίησης της παραγόμενης θερμικής ισχύος από τους ηλιακούς συλλέκτες.

Και οι δύο ανωτέρω στόχοι προσεγγίζονται μέσω της επιδίωξης της διατήρησης διαβάθμισης θερμοκρασίας κατά αύξουσα φορά από το τρίτο θερμοδοχείο προς το πρώτο θερμοδοχείο. Τούτο επιτυγχάνεται με την κατάλληλη εγκατάσταση κυκλοφορητών και ηλεκτροβανών στο υδραυλικό δίκτυο του υβριδικού σταθμού, οι οποίες λειτουργούν αυτόματα με βάση τις εντολές που δέχονται από τη μονάδα ελέγχου. Ωστόσο πριν από την παροχή εντολών λειτουργίας, η μονάδα ελέγχου δέχεται σήματα θερμοκρασίας από συγκεκριμένα σημεία του συστήματος. Συγκεκριμένα, τα δεδομένα που εισάγονται στη μονάδα ελέγχου κάθε χρονική στιγμή είναι:

  • θερμοκρασία προσαγωγής κυκλώματος ηλιακών συλλεκτών Τ0
  • θερμοκρασία Τ1 χαμηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 1
  • θερμοκρασία Τ1΄ υψηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 1
  • θερμοκρασία Τ2 χαμηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 2
  • θερμοκρασία Τ2΄ υψηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 2
  • θερμοκρασία T3 χαμηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 3
  • θερμοκρασία Τ3΄ υψηλών στρωμάτων αποθήκευσης θερμοδοχείου 3.

Αντίστοιχα, η μονάδα ελέγχου δίνει εντολές για τη λειτουργία των ακόλουθων συσκευών:

  • κυκλοφορητή κυκλώματος ηλιακών συλλεκτών Κ1
  • κυκλοφορητή κυκλώματος θερμοδοχείων 1 & 2 Κ2
  • κυκλοφορητή κυκλώματος θερμοδοχείων 2 & 3 Κ3
  • κυκλοφορητή κυκλώματος καυστήρα Κ4
  • ηλεκτροβάνα V1 προσαγωγής θερμοδοχείου 1
  • ηλεκτροβάνα V2 προσαγωγής θερμοδοχείου 2
  • ηλεκτροβάνα V3 προσαγωγής θερμοδοχείου 3.

Ο αλγόριθμος λειτουργίας έχει σκοπό να καθορίσει πρακτικά σε ποιο θερμοδοχείο θα αποθηκευτεί η παραγόμενη θερμική ισχύς από τους ηλιακούς συλλέκτες και αν θα λειτουργήσει ο καυστήρας κεντρικής θέρμανσης. Η εντολή για την έναρξη του καυστήρα θέρμανσης δίνεται αν υπάρχει απαίτηση για παραγωγή θερμικής ισχύος και αν η μέγιστη θερμοκρασία του μέσου στο θερμοδοχείο αιχμής είναι μικρότερη από την ελάχιστη θερμοκρασίας λειτουργίας των θερμαντικών σωμάτων. Ο απαιτούμενος έλεγχος και η σχετική εντολή έχουν ως εξής:

  • αν T1΄<Τd,min και Qd > 0, τότε: K4: OΝ, διαφορετικά Κ4: OFF.

Προκειμένου να εξασφαλιστεί ότι θα μεγιστοποιηθεί η αποθήκευση θερμότητας από το θερμοδοχείο και ταυτόχρονα η διαβάθμιση της θερμοκρασίας στα μέσα αποθήκευσης θα είναι αύξουσα με φορά από το τρίτο προς το πρώτο θερμοδοχείο, θα πρέπει να ελέγχεται κατά σειρά προτεραιότητας αν είναι δυνατή η αποθήκευση θερμότητας στο πρώτο, στο δεύτερο ή στο τρίτο θερμοδοχείο. Πρακτικά, αν η θερμοκρασία εξόδου του μέσου από τους ηλιακούς συλλέκτες είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του θερμοδοχείου αιχμής, τότε η θερμότητα αποθηκεύεται στο πρώτο θερμοδοχείο. Αν όχι, τότε η θερμότητα θα αποθηκευτεί στο θερμοδοχείο με την αμέσως χαμηλότερη θερμοκρασία αποθηκευμένου μέσου, με προτεραιότητα αν αποδίδεται στο δεύτερο έναντι του τρίτου θερμοδοχείο. Η διαδικασία αποθήκευσης που περιγράφηκε υλοποιείται με τους ακόλουθους ελέγχους και τις αντίστοιχες εντολές:

  • αν T0>T1, τότε K1: ΟΝ, V1: open, V2: close, V3: close, διαφορετικά:
  • αν T0<T1 και T0>T2, τότε K1: ΟΝ, V1: close, V2: open, V3: close, διαφορετικά:
  • αν T0<T1 και T0<T2 και T0>T3, τότε K1: ON, V1: close, V2: close, V3: open, διαφορετικά:
  • αν T0<T1 και T0<T2 και T0<T3, τότε K1: OFF, V1: close, V2: close, V3: close.

Η τελευταία εντολή εξασφαλίζει ότι δεν θα προκύψει ροή του μέσου από τους συλλέκτες προς οποιοδήποτε θερμοδοχείο, αν σε κανένα επίπεδο των θερμοδοχείων δεν ανιχνεύεται θερμοκρασία μικρότερη από αυτήν του μέσου στην έξοδό του από τους ηλιακούς συλλέκτες.

Τέλος, στην περίπτωση που μέσω της αποθήκευσης θερμότητας στο δεύτερο ή στο τρίτο θερμοδοχείο προκύψει αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου σε σχέση με τη θερμοκρασία του μέσου στο πρώτο ή στο δεύτερο θερμοδοχείο αντίστοιχα, θα πρέπει να εξασφαλιστεί μεταφορά του μέσου και τη θερμότητας από το τρίτο ή το δεύτερο θερμοδοχείο προς το δεύτερο ή το πρώτο αντίστοιχα. Τούτη η λειτουργία εξασφαλίζεται μέσω των ακόλουθων δύο ελέγχων και εντολών:

  • αν T2΄>T1, τότε K2: OΝ
  • αν T3΄>T2, τότε K3: OΝ.