Szacowanie napromieniowania powierzchni kolektora Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi

Transkrypt

1 Temat nr 7-10: Szacowanie napromieniowania powierzchni kolektora Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej

2 Literatura 1) Hermann Recknagel, Eberhard Sprenger, Ernst Schramek : Kompendium wiedzy. Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, 2) Ryszard Tytko: Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej, 3) Albers Joachim Systemy centralnego ogrzewania i wentylacji. Poradnik dla projektantów i instalatorów, 4) Adolf Mirowski, Grzegorz Lange, Ireneusz Jeleń: Materiały do projektowania kotłowni i nowoczesnych systemów grzewczych, 5) Opracowanie Viessmann: Podręcznik architekta, projektanta i instalatora. Kolektory słoneczne, 6) Halina Koczyk: Ogrzewnictwo praktyczne, 7) Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 2

3 Szacowanie napromieniowania Powszechność stosowania kolektorów słonecznych wymaga dostarczenia projektantom opisów metod i procedur obliczeniowych, które pozwolą na dokładną analizę zagadnień energetycznych związanych z ich stosowaniem. Wytyczne projektowe udostępniane przez producentów korzystają z danych całkowitych i często odnoszą się jedynie do kilku orientacji i lokalizacji Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 3

4 Szacowanie napromieniowania Źródła promieniowania emitują promieniowanie o różnych długościach fal,które jest zależna od temperatury intensywność promieniowania i wzrasta ze zwiększającą się temperaturą. Do temperatury 400ºC ciało promieniuje w zakresie fal długich, niewidzialnym zakresem podczerwonym, później zaczyna się zakres widzialnego promieniowania. Żarzące się się na czerwono metale promieniują światłem widzialnym o temp. 850ºC, a lampy halogenowe wysyłają od 1700ºC białe światło i małą cząstkę światła niewidzialnego, krótkofalowego promieniowania ultrafioletowego Ogół emitowanych różnych długości fal to spektrum Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej [Źródło 5] 4

5 Szacowanie napromieniowania Słońce dzięki swojej wysokiej temperaturze jest silnym źródłem promieniowania. Zakres widzialnego promieniowania, pomimo tego że jest tylko niewielkim wycinkiem całego spektrum, ma największą intensywność We wnętrzu Słońca zachodzą reakcje termojądrowe, przy których atomy wodoru zespalają się z atomami helu. Z powstałej masy w ilości 4 mln ton na sekundę jest uwalniana energia, która ogrzewa wnętrze Słońca do temperatury 15 mln stc Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 5

6 Szacowanie napromieniowania Stosunek słońca do Ziemi [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 6

7 Szacowanie napromieniowania Wpływ szerokości geograficznej i pór roku Północno- południowa oś ziemska jest pochylona względem eliptycznej orbity o 23,5 stopnia. Od marca do września półkula północna jest silniej nastawiono ku Słońcu, natomiast od września do marca bardziej nasłoneczniona jest południowa półkula. Z tego wynikają różne długości dni latem i zimą Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 7

8 Szacowanie napromieniowania Wpływ szerokości geograficznej i pór roku [Źródło 5] Nachylenie osi obrotu kuli ziemskiej powoduje różnice w długości czasu docierania promieniowania do Ziemi, a także wpływa na zmianę pór roku Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 8

9 Szacowanie napromieniowania Wpływ szerokości geograficznej i pór roku [Źródło 5] Długość dnia zależy od pory roku i szerokości geograficznej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 9

10 Szacowanie napromieniowania Wpływ szerokości geograficznej i pór roku Najwyższy lub najniższy punkt Słońca w południe uwzględniając szerokość geograficzną można obliczyć w następujący sposób: Najwyższy punkt Słońca na niebie 21 czerwca na zwrotniku Raka Hs = 90º - szerokość georaficzna + 23,5 º Najniższy punkt Słońca na niebie 21 grudnia na zwrotniku Raka Hs = 90º - szerokość georaficzna - 23,5 º Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 10

11 Szacowanie napromieniowania Wpływ szerokości geograficznej i pór roku [Źródło 5] Różnica w kącie padania promieni słonecznych w południe pomiędzy najkrótszym a najdłuższym dniem wynosi 47 º Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 11

12 Szacowanie napromieniowania Wpływ atmosfery [Źródło 5] Atmosfera ziemska częściowo zmniejsza moc promieni słonecznych. Część promieni słonecznych jest przez nią absorbowana, bądź odbijana. Promieniowanie które dociera do powierzchni Ziemi jest albo promieniowaniem bezpośrednim lub rozproszonym po przejściu przez powłokę chmur (dyfuzja) Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 12

13 Szacowanie napromieniowania Wpływ atmosfery Różnica pomiędzy promieniowaniem bezpośrednim a rozproszonym jest szczególnie istotna w przypadku kolektorów koncentrujących/ ogniskujących zwierciadła wklęsłe np. paraboliczne, które wykorzystują tylko promieniowanie bezpośrednie Systemy Energetyka energetyki słoneczna słoneczna odnawialnej 13

14 Szacowanie napromieniowania Masa powietrza Moc promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi jest zależna od długości drogi przebytej przez atmosferę. Ten efekt redukcji zwany Air Mass (AM) czyli masą powietrza, zależy od kąta padania promieni słonecznych. Najkrótsza droga promieni słonecznych przebiega pod kątem prostym do powierzchni ziemi i określana jest jako AM 1. Im dłuższą drogę muszą przebyć promienie słoneczne aby dotrzeć do powierzchni ziemi tym większe jest zjawisko redukcji w atmosferze. Granice mocy promieniowania bezpośredniego i rozproszonego są płynne. Również słabe światło z dużym udziałem promieni słonecznych rozproszonych zapewnia niezbędną moc napromieniowania Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 14

15 Szacowanie napromieniowania [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 15

16 Szacowanie napromieniowania Moc napromieniowania słonecznego Moc promieniowania słonecznego na określonej płaszczyźnie nazywa się napromieniowaniem. Napromieniowanie jest mocą promieniowania na płaszczyznę, określane jest w Watach na metr kwadratowy [W/m2]. Moc Słonecznego napromieniowania ulega znacznym zmianom. Przy dużym zachmurzeniu może osiągnąć wartość 50 W/m2 a przy przejrzystym niebie 1000 W/m Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 16

17 Szacowanie napromieniowania Natężenie promieniowania słonecznego w zależności od pogody materialy.wb.pb.edu.pl Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 17

18 Szacowanie napromieniowania Aby wyliczyć rzeczywistą ilość promieniowania przekształconego w energię solarno-techniczną, należy dodatkowo uwzględnić czas promieniowania. Watogodzina jest jednostką techniczną energii i równa jest energii zużytej przez układ o mocy jednego Wata w czasie nieprzerwanej pracy przez jedną godzinę. 1 Wh = 3600 J (dżuli) Energia uzyskana z promieniowania globalnego może być podawana w zestawieniu dziennym, miesięcznym i rocznym Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 18

19 Szacowanie napromieniowania Promieniowanie słoneczne [Źródło 5] Średnie dzienne sumy napromieniowania w ciągu roku różnią się prawie dziesięciokrotnie. Udział rozproszonego promieniowani wynosi średnio 50% Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 19

20 Szacowanie napromieniowania Energia słoneczna docierająca na Ziemię jest kilka tysięcy razy większa niż światowe zapotrzebowanie na energię. Współcześnie jednak w energetyce nie jest ona pozyskiwana w znaczącej ilości. Maksymalne natężenie energii słonecznej na Ziemi wynosi ok W/m2. Średnia sumy rocznego nasłonecznienia wahają się od 800 (Skandynawia) do 2200 (Sahara) kwh/m2/rok. W Polsce od 950 kwh/m kwh/m2. Energia słoneczna może być wykorzystywana w dwóch zasadniczych obszarach: do bezpośredniego ogrzewania wody lub innej cieczy z wykorzystaniem kolektorów słonecznych oraz do przetwarzania jej na energię elektryczną Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 20

21 Szacowanie napromieniowania Polska należy do krajów środkowej Europy, gdzie nasłonecznienie w ciągu roku jest dość zmienne. Dokładne oszacowanie nasłonecznienia jest praktycznie niemożliwe. Są rejony Polski, które charakteryzują się nasłonecznieniem dużo większym niż pozostała część Polski. Miesiące wiosenne i letnie praktycznie na całym obszarze Polski dostarczają odpowiednio dużej ilości promieni słonecznych, aby ich wykorzystanie i magazynowanie przynosiło odpowiednie korzyści. Prawie 80% energii promieniowania słonecznego przypada na te właśnie miesiące, a czas nasłonecznienia osiąga czasem liczbę 16 godzin w ciągu dnia. Nowoczesne kolektory słoneczne mogą niewielkiej ilości promieni zrobić pożytek. Odpowiednio dobrany zbiornik buforowy umożliwia nam magazynowanie ciepłej wody i wykorzystywanie jej w czasie najbardziej dla nas odpowiednim i korzystnym Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 21

22 Szacowanie napromieniowania Cieplne promieniowanie słoneczne to równomierny strumień energii wysyłany stale przez Słońce. Do zewnętrznej atmosfery Ziemi dociera promieniowanie o mocy 1,37 kw/m2. Wartość ta została nazwana stałą słoneczną. W atmosferze zostaje osłabione w wyniku rozproszenia, odbicia i absorpcji na cząsteczkach pyłów i gazów. W efekcie rozkłada się na promieniowanie bezpośrednie i promieniowanie rozproszone (pośrednie, dyfuzyjne) Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 22

23 Szacowanie napromieniowania Najbardziej istotne wielkości opisujące promieniowanie słoneczne to: 1. Usłonecznienie, czyli średnia liczba godzin słonecznych w roku, które zależy od długości dnia, zachmurzenia oraz przeźroczystości atmosfery. Usłonecznienie wyrażane jest w godz/rok 2. Natężenie promieniowania słonecznego wyrażone w W/m2 jest to gęstość mocy promieniowania padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieniowania. Natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnej granicy atmosfery nazwano stałą słoneczną. Średnia wartość stałej słonecznej wynosi około 1367 W/m2. 3. Napromieniowanie całkowite to sumy energii promieniowania słonecznego(bezpośredniego i rozproszonego) wyrażone w MJ/m2 lub kw h/m2. W promieniowaniu całkowitym udział promieniowania rozproszonego waha się od około 47% w lecie do 70% w zimie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 23

24 Szacowanie napromieniowania Warunki usłonecznienia na obszarze Polski leżącej w strefie klimatu umiarkowanego pomiędzy a szerokości geograficznej północnej, odpowiadają warunkom panującym w niektórych krajach Europy Środkowej, jak np. w Niemczech, Austrii i Czechach, czy też na Węgrzech, Słowacji i Ukrainie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 24

25 Szacowanie napromieniowania Średnioroczne sumy usłonecznienia dla reprezentatywnych rejonów Polski [godz.] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 25

26 Szacowanie napromieniowania Dla Polski suma promieniowania bezpośredniego i pośredniego wynosi w zależności od położenia od kwh/m2 rok co daje średnio 3600 MJ/m2 w ciągu roku Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 26

27 Szacowanie napromieniowania Średnioroczne sumy promieniowania na jednostkę powierzchni poziomej [kwh/m2 rok] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 27

28 Szacowanie napromieniowania Średnioroczne sumy promieniowania na jednostkę powierzchni poziomej [kwh/m2 rok] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 28

29 Szacowanie napromieniowania Położenie geograficzne Polski z grzbietami górskimi na południu i Morzem Bałtyckim na północy oraz napływ często zmieniających się mas powietrza, to warunki wpływające na charakter zachmurzenia, które w konsekwencji silnie oddziałuje na przestrzenny rozkład promieniowania całkowitego w Polsce. Wydzielono 11 regionów, które uszeregowano według przydatności dla energetyki słonecznej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 29

30 Szacowanie napromieniowania Regiony helioenergetyczne Polski Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 30

31 Szacowanie napromieniowania Dla potrzeb energetyki słonecznej, Polskę podzielono na jedenaście regionów heliograficznych (na podstawie W. Gogół, Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych Polska Akademia Nauk. Warszawa, 1993) i uszeregowano pod względem przydatności w następującej kolejności od najkorzystniejszego: I - Nadmorski VII - Podlasko-Lubelski VIII - Śląsko-Mazowiecki IX - Świętokrzysko-Sandomierski III - Mazursko-Siedlecki V - Wielkopolski II - Pomorski XI - Podgórski IV - Suwalski VI - Warszawski X - Górnośląski Okręg Przemysłowy Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 31

32 Szacowanie napromieniowania Określenie przydatności poszczególnych regionów Polski dla potrzeb energetyki słonecznej oparto na takich kryteriach jak: - liczba godzin ze słońcem, - sumy miesięczne i roczne promieniowania całkowitego, - przezroczystość atmosfery (w tym wpływy antropogeniczne), - albedo podłoża, - czas wystąpienia nieprzerwanych okresów dopływu bezpośredniego promieniowania Słońca, - ocena warunków lokalnych Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 32

33 Szacowanie napromieniowania Najlepsze warunki solarne obserwujemy w pasie nadmorskim, od kwietnia do września występują tam najwyższe sumy promieniowania całkowitego i najwięcej godzin usłonecznienia. Skupienie w tym okresie ponad 70% średniej sumy rocznej promieniowania całkowitego, która np. w Kołobrzegu przekracza 3800 MJ/m2 (1056 KWh/m2). Wyróżniającym się regionem jest obszar Podlasko - Lubelski ze względu na częsty napływ suchych mas powietrza z nad Ukrainy. Najmniej korzystne warunki odnotowano w regionach Podgórskim, Suwalskim, Warszawskim i Górnośląskim. Na przydatność regionów Górnośląskiego i Warszawskiego rzutują zanieczyszczenia powietrza pochodzenia przemysłowego Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 33

34 Szacowanie napromieniowania Największą sprawność kolektora uzyskuje się wtedy, gdy promienie słoneczne padają prostopadle do powierzchni absorbera. Ponieważ kąt padania promieni słonecznych zależy od pory dnia i roku, płaszczyzna kolektorów powinna być ustawiona odpowiednio do położenia słońca w okresie występowania największego napromieniowania. W praktyce kąt nachylenia pola kolektora zależy najczęściej od nachylenia dachu. W naszych szerokościach geograficznych optymalne nachylenie kolektora wynosi 30-60, przy czym dla instalacji użytkowanych w okresie letnim powinien on zawierać się w zakresie 15-45, w instalacjach służących do wspomagania ogrzewania budynków może zawierać się w przedziale i jeśli jest możliwość wyboru, zaleca się wybierać większy kąt nachylenia Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 34

35 Szacowanie napromieniowania Sprawność kolektora jest funkcją jego parametrów konstrukcyjnych ( użyte materiały, izolacje termiczne, układ rurociągu), ale także i eksploatacyjnych ( wydatek czynnika, napromienienie, prędkość i kierunek wiatru, obciążenie cieplne ). Dobór liczby kolektorów opiera się na założeniu, że w okresie letnim mają zapewnić prawie 100% energii potrzebnej do podgrzania wody użytkowej do odpowiedniej temperatury w ilości odpowiadającej dobowemu zużyciu. W przypadku kolektorów płaskich ich łączna powierzchnia powinna wynosić 1,5-3,0m2 w przeliczeniu na 100 dm3 dobowego rozbioru ciepłej wody. Natomiast w przypadku kolektorów próżniowych wystarczy 1,2-1,6 m2 /100dm Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 35

36 Szacowanie napromieniowania Nachylenie powierzchni odbierającej promieniowanie słoneczne Wartości energii napromieniowania globalnego odnoszą się do powierzchni ustawionej prostopadle do w kierunku promieniowania. Duże znaczenie ma nachylenie płaszczyzny. Jeżeli płaszczyzna odbiorcza jest nachylona zmienia się: - kąt promieniowania, - moc napromieniowania, - ilość energii. W naszej szerokości geograficznej promienie słoneczne nigdy nie padają prostopadle należy zapewnić odpowiednie nachylenie płaszczyzny odbiorczej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 36

37 Szacowanie napromieniowania Efektywność promieniowania w zależności od kąta padania [Źródło 5] Napromieniowanie wobec powierzchni horyzontalnej zmniejsza się lub zwiększa w zależności od nachylenia płaszczyzny odbiorczej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 37

38 Szacowanie napromieniowania Usytuowanie powierzchni odbiorczej Na półkuli północnej optymalnym ustawieniem jest ustawienie w kierunku południowym. Odchylenie powierzchni odbiorczej od kierunku południowego określa się jako azymut. Powierzchnia skierowana prostopadle na południe ma azymut 0 stopni. W technice solarnej kierunki podaje się inaczej niż w geografii, przy użyciu kompasu, południe 0 stopni, zachód + 90 stopni, wschód 90 stopni. Zakres, w którym wydajność kolektora jest optymalna można zdefiniować pomiędzy kątem nachylenia południowo-wschodnim, a południowozachodnim między Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 38

39 Szacowanie napromieniowania Azymut kolektora - w warunkach Polski największe promieniowanie słoneczne występuje z kierunku południowego, dlatego należy ustawiać zwierciadła kolektorów idealnie na południe. W praktyce dopuszcza się odchylenie od kierunku południowego nawet do 45, ale wiąże się to ze zmniejszeniem wydajności kolektora. W okresie letnim odchylenie od kierunku południowego rzędu 20 nie ma wpływu na wydajność kolektorów Energetyka słoneczna Systemy energetyki odnawialnej 39

40 Szacowanie napromieniowania Kąt nachylenia kolektora - określa się jako: α = φ ± 15 gdzie: φ - kąt szerokości geograficznej (dla warunków Polski wynosi od ) Dla obszaru Polski szerokość geograficzna φ wynosi 49-55, zatem kąt ten powinien wynosić 34-70, przy czym wartość mniejsza jest zalecana dla instalacji użytkowanych latem (od 30 ), a większa dla instalacji użytkowanych zimą (60 ). Instalacje całoroczne powinny mieć kąt nachylenia zbliżony do Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 40

41 Szacowanie napromieniowania Diagram ujmujący zależność względnej wartości natężenia promieniowania od kątów azymutu (na obwodzie koła) oraz nachylenia (okręgi współśrodkowe) Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 41

42 Szacowanie napromieniowania Wpływ kąta ustawienia kolektora na uzysk ciepła w poszczególnych miesiącach roku Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 42

43 Szacowanie napromieniowania W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące optymalne kąty nachylenia: Instalacja solarna do podgrzewu wody użytkowej od 30 do 45 - taki mały kąt nachylenia uwzględnia wysokie położenie słońca w lecie. Instalacja solarna wspomagająca ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60 - przy uwzględnieniu niskiego położenia słońca w okresach przejściowych i w zimie. Poprzez świadomy wybór dużego kąta nachylenia w lecie uzyskuje się skrócenie okresów stagnacji Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 43

44 Szacowanie napromieniowania Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 44

45 Szacowanie napromieniowania Współczynnik sprawności kolektora Sprawność kolektora jest zależna od ilości promieni słonecznych padających na aperturę powierzchni kolektora, która zamienia go na ciepło. Apertura to powierzchnia kolektora, na którą pada Słońce. Część napromieniowania słonecznego na kolektor jest odbijana i absorbowana przez szybę kolektora. Z zależności pomiędzy całkowitą wartością napromieniowania słonecznego padającego na kolektor, a tą częścią, która została przetworzona przez absorber w ciepło, można wyliczyć sprawność kolektora Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 45

46 Szacowanie napromieniowania Optyczny współczynnik sprawności Określany jako ƞ0 jest sprawnością określoną przy warunkach zerowej różnicy temperatur pomiędzy temperaturą czynnika solarnego a temperaturą otoczenia. Kiedy kolektor nagrzeje się oddaje część ciepła do otoczenie przez izolację, promieniowanie cieplne obudowy i konwekcję. Te straty można wyliczyć za pomocą współczynnika strat ciepła k1 i k2 i różnicy temperatur ΔT, pomiędzy absorberem a otoczeniem Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 46

47 Szacowanie napromieniowania Sprawność kolektora [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 47

48 Szacowanie napromieniowania Sprawność kolektora Optyczny współczynnik sprawności i współczynnik start ciepła jest określony w normie europejskiej EN [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 48

49 Szacowanie napromieniowania Sprawność kolektora sprawność optyczna [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 49

50 Szacowanie napromieniowania Sprawność kolektora Moc maksymalną kolektora definiuje się jako iloczyn optycznego współczynnika sprawności i maksymalnego przyjętego napromieniowania wynoszącego 1000 W/m2. Przy przyjętym optycznym współczynniku sprawności wynoszącym 80%, moc maksymalna wynosi 800 W/m2. Jednak w praktyce rzadko uzyskuje się taką wartość. Normy przyjmują najniższą moc kolektora na poziomie 500 W/m2. Do obliczeń przyjmuje się 600W/m2 z założeniem niższych temperatur, aby kolektor działał z oczekiwana mocą. Im większa będzie różnica temperatur pomiędzy kolektorem a otoczeniem tym większe będą straty termiczne sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem temperatury cieczy wewnątrz kolektora, albo wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 50

51 Szacowanie napromieniowania Projektując kolektory słoneczne należy uwzględnić następujące kryteria: - kolektory w Polsce powinny być w miarę możliwości zwrócone w kierunku południowym, - kąt nachylenia kolektora powinien być powiązany z szerokością geograficzną i przeznaczeniem instalacji, np. instalacja do przygotowania c.w.u., instalacja do ogrzewania domu, basenu, - kolektory nie mogą być zasłonięte przez drzewa, sąsiednie budynki, lub inne obiekty w godzinach od Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 51

52 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 52

53 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Wielkość zużycia energii w gospodarstwie domowym [Źródło 2] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 53

54 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Na podstawie dotychczasowych wyliczeń, można założyć, że średnie zużycie energii w domu jednorodzinnym zamieszkałym przez 5 osób wynosi ok kwh/ rok. Zużycie energii elektrycznej wynosi ok kwh/rok, energia na cele ogrzewania to ok kwh/rok, grzanie c.w.u. pochłania ok kwh/rok. Technologie solarne umożliwiają pozyskiwanie darmowej i ekologicznej energii cieplnej. Obecnie po kolektory słoneczne sięgają nie tylko właściciele domów jednorodzinnych. Na te nowoczesne rozwiązania coraz częściej decydują się także spółdzielnie mieszkaniowe Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 54

55 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Ilość energii, potrzebna do ogrzewania c.o., trzykrotnie przekracza ilość energii, niezbędnej do przygotowania c.w.u. Aby wspomagać ogrzewanie budynku (do 30%) instalacją solarną, niezbędne jest zastosowanie większej ilości kolektorów słonecznych i większego zasobnika. Rozwiązanie takie, może doprowadzić do nadmiaru energii solarnej w okresie letnim. Dodatkową energię cieplną w okresie letnim, należy odpowiednio zagospodarować, aby zapewnić optymalne wykorzystania energii cielnej i opłacalność inwestycji Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 55

56 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Dzięki wykorzystaniu energii słonecznych w domu można nie tylko zaoszczędzić, ale i zadbać w odpowiedni sposób o środowisko naturalne. Nasz klimat nie jest najlepszy do rozwoju rynku kolektorów słonecznych. Ilość dni słonecznych w roku powoduje, że kolektory słoneczne najprawdopodobniej nigdy nie staną się głównym źródłem ciepła w domach prywatnych. Według specjalistów, solary w okresie wiosennym i letnim pozwalają na pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę w domach prywatnych w mniej więcej 90%. Latem, kiedy słońce grzeje najmocniej i najdłużej, nawet w Polsce kolektory słoneczne mogą zapewnić 100% energii zużywanej na ciepłą wodę. Dzięki ich zastosowaniu można znacząco zmniejszyć płacone rachunki Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 56

57 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Do podgrzania wody do użytku domowego wystarczy, aby kolektory słoneczne były wystawione na działanie słońca przez około 3 godziny w ciągu dnia. Generalnie, im większe zużycie ciepłej wody występuje w danym domu, tym bardziej opłacalna staje się inwestycja w kolektory słoneczne. Wraz z rozwojem budownictwa niskoenergetycznego rosnąć będzie znaczenie instalacji solarnych wspomagających pracę układów c.o., a nie tylko c.w.u Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 57

58 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Montaż instalacji słonecznej w domku jednorodzinnym jest uzasadniony w ok. 80% wszystkich przypadków modernizacji instalacji grzewczej. U prywatnych inwestorów pojawia się pytanie odnośnie opłacalności instalacji słonecznej w połączeniu ze wszystkimi kosztami modernizacji Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 58

59 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Przy ustalaniu parametrów instalacji solarnej, niezwykle ważnym zagadnieniem jest ustalenie w jakim stopniu instalacja ma pokryć potrzeby energetyczne (cieplne) budynku. Wskaźnik pokrycia solarnego będzie wynosił np. ok. 60%, to pozostałe ok. 40% energii cieplnej, dostarczone zostanie z kotła gazowego, węglowego, pompy ciepła, grzałek, kominka Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 59

60 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Potrzeby energetyczne do zasilenia c.w.u., c.o [Źródło 2] Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 60

61 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Systemy słoneczne w budownictwie Systemy firmy Viessmann są systemami z układem stabilizacji ciśnienia z czynnikiem niezamarzającym. Systemy te: - gwarantują niezawodną ochronę antyzamrożeniową zimą, - nie zużywają ciepła wytworzonego w sposób konwencjonalny, po to aby ochronić kolektor przez zamarzaniem, - umożliwiają łatwe ułożenie rur w instalacji kolektorów, - oferują możliwie najskuteczniejszą ochronę przeciw korozji dotyczy to wszystkich komponentów instalacji Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 61

62 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Układ stabilizacji ciśnienia z czynnikiem niezamarzającym [Źródło 5] Efektywność energetyczna Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 62

63 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Układ stabilizacji ciśnienia z czynnikiem niezamarzającym systemach z czynnikiem niezamarzającym używa się nośnika ciepła, który z reguły składa się z mieszanki wody i środka niezamarzającego (glikolu). Nośnik ciepła jest tłoczony przez kolektor połączony z absorberem za pomocą pompy przejmując jednocześnie jego energię cieplną, aby następnie oddać ją w wymienniku ciepła podgrzewacza c.w.u. Glikol chroni instalację przed zamarzaniem zimą. System ten oferuje jednocześnie możliwie największą ochronę przed korozją, ponieważ przyjęte w handlu solarne czynniki grzewcze dodatkowo zawierają inhibitory korozji Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 63

64 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Układ stabilizacji ciśnienia z czynnikiem niezamarzającym Zamknięte układy stabilizacji ciśnienia zawsze wymagają naczynia wzbiorczego, które poprzez rozciągającą się membranę przejmuje na siebie zwiększone ciśnienie w instalacji. Tego rodzaju systemy solarne występują w 95% ogółu instalacji w Europie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 64

65 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Układ stabilizacji ciśnienia z termiczną ochroną antyzamrożeniową System z termiczną ochroną antyzamrożeniową jest podobnie zbudowany jak układ stabilizacji ciśnienia ze środkiem niezamarzającym. Różnica polega na tym, że zamiast czynnika niezamarzającego w instalacji krąży czysta woda. Aby woda nie zamarzała zimą, energia cieplna uzyskana w sposób konwencjonalny, jest transportowana z pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. do kolektora. Z energetycznego punktu widzenia w takim systemie ilość energii wyprodukowanej latem trzeba pomniejszyć o ilość energii zużytej na podgrzanie kolektorów zimą. Wkład energii zimą na podgrzanie kolektora jest zależny od aktualnej temperatury na zewnątrz i waha się do 10% wydajności z kolektorów słonecznych Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 65

66 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Układ stabilizacji ciśnienia z termiczną ochroną antyzamrożeniową [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 66

67 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie System samoopróżniający się (Drainback system) samoczynnego odpływu solarnego czynnika grzewczego z kolektora słonecznego do zbiornika. Cechą charakterystyczną systemu Drainback jest to, że czynnik grzewczy samoczynnie wypływa z instalacji słonecznej, kiedy system ten nie może pracować. Zjawisko to ma miejsce jedynie wtedy, kiedy konstrukcja kolektorów umożliwia odpływ grawitacyjny. Wszystkie połączenia pomiędzy rurami łączącymi kolektor z instalacją muszą być nachylone. Spływający solarny czynnik grzewczy gromadzony jest w zbiorniku Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 67

68 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie System samoopróżniający się (Drainback system) samoczynnego odpływu solarnego czynnika grzewczego z kolektora słonecznego do zbiornika. System ten jest systemem samoopróżniającym się, który z reguły napełniony jest czystą wodą. Z tego powodu z wszystkich części instalacji, które są narażone na zamarzanie musi być spuszczana woda. Instalacja słoneczna, z takim systemem odpływu, pod żadnym pozorem, nie może pracować przy ujemnych temperaturach powietrza, nawet jeśli kolektor sam się nagrzewa dzięki promieniowaniu słonecznemu. Ponieważ ten typ instalacji wymaga ułożenia przewodów ze spadkami umożliwiającymi samoczynny odpływ, jest on trudniejszy do zamontowania niż układ kolektorów pracujących w układzie zamkniętym Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 68

69 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie System samoopróżniający się (Drainback system) samoczynnego odpływu solarnego czynnika grzewczego z kolektora słonecznego do zbiornika. [Źródło 5] Systemy Energetyka energetyki słoneczna słoneczna odnawialnej 69

70 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Kolektory słoneczne są urządzeniami przetwarzającymi ciepło, które działają nieprzerwanie nawet 20 lat, zakładając poprawny montaż i właściwe warunki eksploatacji. Są one (w przeciwieństwie do innych elementów techniki grzewczej) stale narażone na działanie czynników atmosferycznych, dlatego niezbędne jest aby spełniony został warunek poprawnego montażu urządzenia: musi ono być stale zabezpieczone przed korozją i statyczne konstrukcyjnie. Ze względu na znaczne zróżnicowanie typów, kolektory słoneczne można wykorzystać zarówno w budynkach nowo budowanych jak i modernizowanych. Można je montować na dachach skośnych jak i płaskich, na fasadzie budynku oraz na konstrukcji wolno stojące Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 70

71 Zastosowanie kolektorów słonecznych w budownictwie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 71

72 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 72

73 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Obiegiem pierwotnym instalacji słonecznej określa się wszystkie elementy i połączenia rur, które łączą kolektor z pojemnościowym podgrzewaczem c.w.u. Instalacje kolektorowe mogą być używane przy wykorzystaniu rożnych wartości przepływu. Jednostką jest przepływ w litrach / (h m2), zaś wartością odnośną jest powierzchnia absorbera. Duże natężenie przepływu oznacza przy jednakowej mocy kolektora niższą różnicę temperatury w obwodzie kolektorów, zaś małe natężenie przepływu dużą różnicę temperatury. Przy dużej różnicy temperatur (=małe natężenie przepływu) wzrasta średnia temperatura kolektora, a współczynnik sprawności kolektora spada. Jednakże przy małym natężeniu przepływu, potrzeba mniej energii elektrycznej do zasilania pompy i są możliwe mniejsze średnice rurociągów Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 73

74 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Rozróżnia się pomiędzy: - Praca low-flow (niski przepływ) = Praca z natężeniem przepływu do 30 l / (h m2) - Praca high-flow (wysoki przepływ) = Praca z natężeniem przepływu przekraczającym 30 l /(h m2) - Praca matched-flow (przepływ zmienny) = Praca ze zmiennym przepływem Dla bezpiecznego projektowania: Przepływ musi być na tyle wysoki, aby zapewnić bezpieczny i równomierny przepływ przez cale pole. Przy kolektorach płaskich i rurowo próżniowych z rurką typu Heatpipe wartość ta wynosi 25 l/(h m2) przy 100% mocy pompy. Przy bezpośrednim przepływie w kolektorach rurowo próżniowych, w których pojedyncza rura jest podłączona równolegle do kolektora, wymagany jest strumień objętości 40 l / (h m2) Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 74

75 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 75

76 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wymiarowanie obiegu solarnego Zależnie od strumienia przepływu i wymiaru rur, wynikają rożne prędkości przepływu. Polecany zakres wynosi pomiędzy 0,4 a 0,7 m/s i jest dobrym kompromisem pomiędzy stratą ciśnienia, a trudnością z odpowietrzeniem. Decydująca w wymiarowaniu obiegu solarnego jest prędkość przepływu, która zostaje osiągnięta przy określonym łącznym natężeniu przepływu. Aby straty ciśnienia były jak najniższe, prędkość przepływu w rurach nie może przekroczyć 1m/s. Wyższa prędkość zwiększa straty ciśnienia, zaś znacznie mniejsza prędkość utrudnia odpowietrzenie Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 76

77 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Opór przepływu w instalacji słonecznej W instalacjach słonecznych wyliczenia strat ciśnienia jest warunkiem oszczędnej i wolnej od wad pracy całej instalacji. W tym zakresie wymagane są takie same zasady, co we wszystkich instalacjach hydraulicznych. Opór obiegu pierwotnego instalacji słonecznej ( obwód glikolowy ) wynika z dodawania poniższych oporów: - opór kolektorów, - opór rurociągów, - pojedyncze opory armatur, - opór wewnętrznego wymiennika ciepła w zbiorniku albo pierwotnej strony zewnętrznego płytowego wymiennika ciepła Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 77

78 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Przy wyliczaniu strat ciśnienia należy wziąć pod uwagę, że solarny czynnik grzewczy ma inną lepkość niż czysta woda. Hydrauliczne właściwości medium wyrównują się ze sobą, wraz ze wzrostem temperatury. Przy niskich temperaturach (około zera), duża lepkość płynu solarnego może doprowadzić do tego, że niezbędna moc pompy będzie o 50% wyższa niż w przypadku instalacji napełnionej zwykłą wodą. Powyżej temperatury 50 stopni różnica lepkości między płynem solarnym a wodą jest niewielka Energetyka słoneczna Systemy energetyki odnawialnej 78

79 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Pompa obiegu solarnego W zamkniętych instalacjach słonecznych używa się w powszechnej sprzedaży pompy wirnikowej. Jeśli pompa na miejscu instalacji jest zabezpieczona przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury nie trzeba brać pod uwagę więcej szczególnych wymagań odnośnie stałości temperatur. Praca z mieszanką glikolowo-wodną jest zwykle bezproblemowa. [Źródło 5] Energetyka słoneczna Systemy energetyki odnawialnej 79

80 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Pompa obiegu solarnego Wraz z rozpowszechnieniem instalacji słonecznych, pojawiły się na rynku specjalne pompy solarne z dopasowaną charakterystyką, które wyróżniają się dobrym wskaźnikiem sprawności (porównywalnie niski strumień objętości przy wysokiej stracie ciśnienia). Coraz bardziej popularne są pompy solarne tak zwane pompy z dużą wydajnością z niskim zużyciem prądu, dzięki czemu poprawia się wydajność całego systemu solarnego. Dobierając pompę należy uwzględnić maksymalny przepływ i straty ciśnienia w całej instalacji słonecznej Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 80

81 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Pompa obiegu solarnego Rozdzielacz solarny zawiera oprócz pompy obiegu solarnego wszystkie elementy niezbędne do pracy tego obiegu (pierwotnego). [Źródło 5] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 81

82 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wskaźnik przepływu (rotametr) Wskaźnik przepływu, nazywany także rotametrem, wskazuje aktualny przepływ i służy w połączeniu z dwoma termometrami do kontroli funkcjonowania. Obydwa elementy stanowią integralną część zestawu pompowego. W instalacjach z jednym polem (kolektorów) wskaźnik przepływu jest wbudowany w obieg wtórny instalacji. Kiedyś wskaźnik przepływu był często instalowany w zaworze regulacyjnym, za pomocą którego był nastawiany przepływ czynnika w instalacji. Dziś już się tego nie robi, ponieważ strata ciśnienia powodowała nieproporcjonalnie duże zużycie energii pomocniczej (prąd konieczny do napędu pompy) Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 82

83 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wskaźnik przepływu (rotametr) [Źródło 5] Wskaźnik przepływu (z lewej) jest częścią rozdzielacza solarnego. Dla zrównoważenia większej ilości pól montuje się wersję z bypassem Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 83

84 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje do ciepłej wody użytkowej w budynkach indywidualanych Instalacje do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach indywidualnych charakteryzują się stosunkowo prostą budową. Instalację solarną zabudować można również w istniejących budynkach, montaż jest stosunkowo prosty. W instalacjach z zasobnikiem dwuwężownicowym, następuje stopniowy podgrzew wody przez kolektory słoneczne. Proces ten jest stosunkowo długi, ponieważ wężownica solarna znajduje się w dolnej części zasobnika, a pobór ciepłej wody następuje z górnej części. Pozostałe źródła ciepła (np. kocioł gazowy, grzałka elektryczna) zasilają zasobnik, który stanowi swoiste sprzęgło hydrauliczne Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 84

85 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Zwykle projektuje się instalację słoneczną na potrzeby c.w.u. w wysokości 60% łącznego zapotrzebowania na to ciepło (domy jedno- i wielorodzinne). Latem osiąga się poprzez to pełne pokrycie potrzeb. Ilość produkowanego ciepła przez instalację słoneczną może w tym czasie być na tyle duża, że nie ma potrzeby używania konwencjonalnego źródła ciepła. Uzyskanie wyższego stopnia pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. nie jest celowe z powodów techniczno-ekonomicznych Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 85

86 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi W domku jednorodzinnym zużycie na jednego członka rodziny jest wyższe, niż w budynku wielorodzinnym. Według norm niemieckich przyjmuje się zużycie 30 l wody o temperaturze 60 stopni C na osobę. W budynku wielorodzinnym wartość zalecana to 22 l o temperaturze 60 C na osobę Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 86

87 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Dobierając urządzenia, należy kierować się następującymi zasadami: zapewnić ok. 100% pokrycia potrzeb c.w.u. w maksymalnie długim okresie czasu w ciągu roku; założyć w projekcie, minimalną ilość załączeń kotła grzewczego w miesiącach letnich; zapewnić wstępny podgrzew c.w.u. w okresach jesienno-zimowych; oszacować dzienne zużycie c.w.u; określić pojemność zasobnika c.w.u; wyznaczyć powierzchnię czynną kolektorów słonecznych; dokonać analizy, mającej na celu optymalizację ustawienia oraz nachylenia kolektorów; oszacować koszty Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 87

88 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Warunki konieczne do określenia powierzchni kolektorów słonecznych Parametrami decydującymi o wymaganej wielkości powierzchni kolektorów są: ilość użytkowników korzystających z c.w.u.; pojemność zasobnika c.w.u.; typ kolektora; wymagany wskaźnik pokrycia solarnego dla c.w.u.; profil zużycia c.w.u.; warunki klimatyczne w miejscu zastosowania; usytuowanie i nachylenie kolektorów Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 88

89 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Pojemność instalacji Całkowita pojemność płynu solarnego w typowej instalacji solarnej dla domu jednorodzinnego składa się z pojemności: rur o długości ok. 25 m i średnicy 15 mm = 25 m 0,133 l/m = 3,2 l; wężownicy solarnej zasobnika 300 l, jej pojemność wynosi = 10,7 l; 3 płaskich kolektorów słonecznych o pow. ok. 2 m2 = 3 1,8 l = 5,4 l; grupy pompowej, przewodu naczynia wzbiorczego, itd., pojemność wynosi ok. 1,2 l. Całkowita pojemność płynu solarnego w omawianej instalacji wynosi ok. 20,5 l. Należy założyć, że podobną pojemność posiadać będzie instalacja z kolektorami rurowymi próżniowymi Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 89

90 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja ze zbiornikiem podgrzewającym ciepłą wodę użytkową Instalacje mogą być zaopatrzone w zbiornik biwalentny (co jest zalecane w nowych lub unowocześnionych instalacjach) lub dodatkowy monowalentny podgrzewacz c.w.u. Jako regułę dla biwalentych zbiorników w domach jedno- i wielorodzinnych (wysoki współczynnik pokrycia potrzeb) można dobrać 100 l objętości zbiornika na 1,5 m2 powierzchni płaskiego kolektora albo 1,0 m2 kolektora próżniowego. Warunek: Przewidziana do montażu powierzchnia dachu wykazuje maks. odchylenie 45 stopni od kierunku południowego, a kąt nachylenia znajduje się pomiędzy 25 a 55 stopni. Mniejsza wydajność spowodowana niekorzystnym nachyleniem lub ustawieniem do kierunku, powinna być zrekompensowana poprzez większą powierzchnię kolektorów Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 90

91 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja ze zbiornikiem podgrzewającym ciepłą wodę użytkową [Źródło 5] Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 91

92 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja ze zbiornikiem podgrzewającym ciepłą wodę użytkową Przy modernizacji instalacji można użyć monowalentnego pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. jako wstępny podgrzew c.w.u [Źródło 5] Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 92

93 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Dobór podgrzewacza c.w.u [Źródło 5] Założenia do planowania: Zużycie 30 l na osobę (60 stopni C) Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 93

94 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje ze zbiornikiem buforowym i podgrzewaczem typu kombi W instalacjach słonecznych w domach jedno- i wielorodzinnych zbiorników buforowych i podgrzewaczy typu kombi używa się w połączeniu z instalacjami wspomagającymi ogrzewanie (pomieszczeń). Urządzenia te są dopasowane do pracy instalacji i odpowiednio dobrane pod względem wielkości i przyłączeń. Istnieje możliwość, aby używać tych zbiorników także do ogrzewania wody użytkowej. Zastosowanie zbiornika buforowego i kombi ma swoje granice, moc grzania i produkcja chwilowa jest dużo mniejsza, niż w przypadku pojemnościowego podgrzewacza c.w.u. Należy wziąć także pod uwagę spadki ciśnienia w wymienniku ciepła. Dlatego nie jest możliwe, aby dobrać instalację tylko na podstawie zużycia na osobę. W tym przypadku zawsze należy uwzględnić możliwości zastosowania Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 94

95 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje ze zbiornikiem buforowym i podgrzewaczem typu kombi [Źródło 5] Przy magazynowaniu ciepła pochodzącego z kolektorów słonecznych w wodzie grzewczej można dodatkowo podgrzać zimną wodę użytkową, np. zewnętrznie w module świeżej wody Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 95

96 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje ze zbiornikiem buforowym i podgrzewaczem typu kombi Przy magazynowaniu ciepła pochodzącego z kolektorów słonecznych w wodzie grzewczej można dodatkowo podgrzać zimną wodę użytkową, np. wewnętrznie (podgrzewacz typu Kombi) Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej [Źródło 5] 96

97 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje ze zbiornikiem buforowym [Źródło 5] W instalacji ze zbiornikiem buforowym, zbiornik buforowy zaopatruje obwód grzewczy Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 97

98 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi W instalacji z podwyższoną temperaturą powrotu (wody) ogrzana kolektorami woda jest pobierana, gdy temperatura w zbiorniku jest wyższa niż temperatura na powrocie obiegu grzewczego. Jeśli nie została osiągnięta nastawiona temperatura zasilania, kocioł automatycznie włączy się Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 98

99 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi W instalacji z podwyższonym powrotem, obwód grzewczy posiada kocioł Wymagania ochrony Gospodarka Systemy cieplnej energetyki energetyczna budynków odnawialnej [Źródło 5] 99

100 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wymagania ochrony Gospodarka Systemy cieplnej energetyki energetyczna budynków odnawialnej [Źródło 2] 100

101 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej [Źródło 2] 101

102 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej [Źródło 2] 102

103 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacje z kotłem kondensacyjnym Błędne jest myślenie, że instalacje słoneczne nie mogą być łączone z kotłami kondensacyjnymi. Poprawne jest, gdy instalacja słoneczna podgrzewa zimną wodę (wodę użytkową lub wodę grzewczą) w systemie. W przypadku, gdy instalacja grzewcza musi dostarczyć brakującą resztę ciepła, kocioł włączy się podwyższając temperaturę wody użytkowej z przykładowo 50 stopni C (ogrzanej solarnie) do 60 stopni C (temperatura docelowa) z reguły poza obszarem jego kondensacji. Porównywalny przykład można wyliczyć dla solarnego wspomagania ogrzewania. Zasadniczo kombinacja z instalacją słoneczną nie ma wypływu na wydajność i bezpieczeństwo pracy kotła. Poprawne jest, aby sumaryczny czas pracy (roczny) kotła grzewczego skrócił się, a wydajność całego systemu wzrosła. Decydujące jest oszczędzanie energii Wymagania ochrony Gospodarka Systemy cieplnej energetyki energetyczna budynków odnawialnej [Źródło 5] 103

104 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej Do wyłącznego ogrzewania niecki basenu odkrytego można zastosować nieoszklone kolektory, czyli proste maty absorpcyjne albo węże z tworzywa sztucznego. Z technicznego punktu widzenia nie są to kolektory: maty absorpcyjne albo węże z tworzywa sztucznego są zgodne z normą EN Te plastikowe absorbery mają dobry współczynnik sprawności optycznej, ponieważ nie zachodzą tu straty poprzez oszkloną pokrywę. Jednak z powodu brakującej izolacji nie chronią przed stratami ciepła, co sprawia, że termiczne straty są odpowiednio duże. Z tego powodu używa się ich tylko w pracy z małą różnicą temperatur w stosunku do otoczenia, czyli z bardzo małym delta T Wymagania ochrony Gospodarka Systemy cieplnej energetyki energetyczna budynków odnawialnej 104

105 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej Absorbery basenowe są podłączone bezpośrednio do wody w basenie. Absorbery montuje się zazwyczaj horyzontalnie, albo na ziemi (podłożu) albo na dachach płaskich z użyciem pasów mocujących, które są przymocowane do podłoża i zapewniają stabilność montażową. Można je także zamontować na lekko skośnych dachach. Absorber zimą jest kompletnie opróżniany Wymagania ochrony Gospodarka Systemy cieplnej energetyki energetyczna budynków odnawialnej 105

106 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej Kolektory mogą być wykorzystywane do podgrzewania wody w basenach. Baseny generalnie podzielić można na odkryte lub zakryte. Baseny mogą mieć przykrywane lustro wody, aby zabezpieczyć wodę przed niepotrzebnym ubytkiem ciepła. Jednocześnie różne są okresy korzystania z basenów (letnie lub całoroczne). Przy obliczaniu powierzchni czynnej kolektorów słonecznych, niezbędnej do podgrzewu wody basenowej, zakłada się, że kolektory słoneczne uzupełniają straty ciepła, wynikające z wychładzania wody Wymagania ochrony Energetyka Systemy cieplnej energetyki słoneczna budynków odnawialnej 106

107 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej W typowej instalacji basenowej, ciepło z kolektorów, wykorzystywane jest również do przygotowania ciepłej wody, niezbędnej do korzystania przez kąpiących się pod prysznicami Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 107

108 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej [Źródło 2] Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 108

109 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Instalacja do podgrzewania wody basenowej Instalacja słoneczna z ogrzewaniem wody w basenie odkrytym podczas lata, może być wykorzystana w okresie przejściowym i zimą do wspomagania ogrzewania Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej [Źródło 5] 109

110 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Aby otrzymać najlepsze efekty pracy instalacji solarnej, należy przestrzegać następujących wskazówek: kolektor powinien być zwrócony stroną szklaną na południe; kolektor powinien być pochylony ok. 45 względem poziomu jest to optymalny kąt przy wykorzystaniu kolektora od lutego do listopada; jeżeli kolektor pracował będzie tylko w miesiącach letnich (np. do ogrzewania wody w basenie lub do domku letniego), należy go zainstalować pod kątem ok. 30, przy pracy całorocznej ok. 45 ; kolektory należy instalować w miejscu niezacienionym przez drzewa, krzaki itp.; wskazane jest stosowanie czynnika roboczego np. glikol rozcieńczony z wodą 1: Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 110

111 Obiegi grzewcze z kolektorami słonecznymi Kolektory montuje się na wspornikach, ponad dachem w odległości około 15 cm od połaci dachu pochyłego. Natomiast na dachach płaskich na specjalnych stojakach o właściwym kącie i kierunku. Umieszczając kolektory na dachu należy pamiętać, że każdy metr kwadratowy, waży około 35 kg, i że trzeba zapewnić dojście w razie potrzeb modernizacji. Cały system wykorzystywania energii słonecznej, instaluje się w domu. Średnica miedzianych rur łączących kolektor z wymiennikiem, to mm dla max. 6 kolektorów, przy przepływie cieczy solarnej ok. 6 l/min. Rury muszą być izolowane otuliną piankową, o grubości wewnątrz ok.10 mm, na zewnątrz 20 mm Energetyka Systemy energetyki słoneczna odnawialnej 111

112 Dziękuję za uwagę Życzę powodzenia na egzaminie i wielu sukcesów zawodowych!!!! mgr inż. Alina Jeszke-Tymkowska tel a.tymkowska@gmail.com