Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk

Transkrypt

1 Zakład Problemów Eko-Budownicwa Insyu Podsawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk SPRAWOZDANIE Z PRZEPROWADZONYCH BADAŃ I WYKONANIA CHARAKTERYSTYK CIEPLNYCH KOLEKTORA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO HELIOSTAR 202 FIRMY THERMO-SOLAR POLSKA Nr umowy: IPPT/1419/2001 z dnia Warszawa Lipiec 2001

2 Badania kolekora promieniowania słonecznego HELIOSTAR 202 firmy THERMO-SOLAR POLSKA wykonano w laboraorium Zespołu Energeyki Słonecznej Zakładu Problemów Ekobudownicwa IPPT PAN Zespół realizujący ema: Dr hab. inż. Zbysław Plua 1) Dr inż. Ryszard Wnuk 2) kierownik emau 1) Poliechnika Warszawska, Insyu Techniki Cieplnej 2) Insyu Podsawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Zakład Problemów Eko-Budownicwa Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 2

3 Spis reści: 1. PRZEDMIOT I CEL BADAŃ STANOWISKO POMIAROWE PRZEBIEG BADAŃ Jusowanie symulaora promieniowania słonecznego (usalenie wzajemnej geomerii kolekor - symulaor) Sporządzenie charakerysyk przepływowych i ermicznych WYNIKI POMIARÓW Charakerysyki w funkcji emperaury wody Charakerysyki w funkcji wydaku OSZACOWANIE STAŁEJ CZASOWEJ KOLEKTORA SZACUNEK PRZEWIDYWANYCH ZYSKÓW ENERGETYCZNYCH INSTALACJI Z BADANYM KOLEKTOREM WNIOSKI Z BADAŃ I OCENA KONSTRUKCJI Lieraura Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 3

4 1. PRZEDMIOT I CEL BADAŃ Zespół Energeyki Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN, na zlecenie firmy ENERGIA SŁONECZNA THERMO-SOLAR POLSKA, Dzierżoniów, ul. Słonecznikowa 12, przeprowadził badania laboraoryjne kolekora promieniowania słonecznego HELIOSTAR 202. Celem badań było określenie podsawowych charakerysyk cieplnych i przepływowych kolekora płaskiego z pojedynczym kanałem przepływowym w posaci serpenyny z odcinkami prosymi równoległymi do krószego boku kolekora. Kolekor en charakeryzuje się nasępującymi paramerami echnicznymi: Wymiary zewnęrzne bruo Liczba i średnica kanałów przepływowych Kanały zbiorcze: 2,008 1,008 m 1 sz. rury miedziane z króćcami przyłączonymi po obu sronach każdego kanału Powierzchnia zewnęrzna 2,024 m 2 Powierzchnia czynna absorbera 1,742 m 2 Zgodnie ze zleceniem badania, przeprowadzone w warunkach laboraoryjnych przy użyciu symulaora promieniowania słonecznego, miały na celu: a) sporządzenie bezwymiarowych charakerysyk eksploaacyjnych kolekora o posaci η = η = a a 1 2 b 1 b 2 f f G G o o c 2 f G o 2 gdzie: Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 4

5 η f - sprawność cieplna kolekora, - średnia emperaura czynnika w kolekorze, [ 0 C] definiowana jako: fi - emperaura wody podawanej do kolekora, [ 0 C] fo - emperaura wody opuszczającej kolekor, [ 0 C] o - emperaura ooczenia, [ 0 C] f = G - gęsość srumienia promieniowania docierającego do fronowej powierzchni kolekora, [W m -2 ] fi + 2 fo b) określenie zależności sprawności cieplnej kolekora w funkcji wydaku masowego przepływającego czynnika (wody) dla sałej warości gęsości srumienia promieniowania padającego na kolekor, sałej emperaury czynnika na wlocie do kolekora i sałej emperaury ooczenia, c) określenie sałej czasowej kolekora, d) oszacowanie rocznych zysków energeycznych z jednoski powierzchni kolekora przy jego eksploaacji w polskich warunkach klimaycznych. Wymienione powyżej badania zosały wykonane zgodnie z meodyką opisaną w pracy [1], z uwzględnieniem zaleceń doyczących ego ypu badań podanych w normie ISO :1994 oraz ASHRAE Sandard [2, 3]. 2. STANOWISKO POMIAROWE Tesy kolekora promieniowania słonecznego przeprowadzono na specjalnym sanowisku badawczym Zespołu Energeyki Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN. Badania prowadzono z wykorzysaniem symulaora promieniowania słonecznego SS-24 odwzorowującego zgodnie z normą ASHRAE promieniowanie słoneczne o rozkładzie widmowym AIR MASS 2. Symulaor promieniowania słonecznego SS-24, jako urządzenie do prowadzenia badań kolekorów i insalacji słonecznych, spełnia wymogi sawiane ego ypu jednoskom produkowanym na świecie, a doyczących charakerysyki widmowej, równomierności napromieniowania, naężenia promieniowania, kolimacji i rodzaju pracy. Paramery wyżej wymienione są w odniesieniu do symulaora słonecznego SS-24 nasepujące: Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 5

6 Charakerysyka widmowa Naężenie promieniowania i geomeria powierzchni roboczej Równomierność promieniowania Kolimacja Rodzaj pracy Jako wzorcowy rozkład widmowy promieniowania słonecznego przyjęo rozkład AM2. Część emisyjna symulaora, złożona z 40 halogenkowych lamp wyładowczych o mocy 400 W każda i 8 halogenowych żarówek ypu LH-41 o mocy 1000 W każda, zapewnia aki rozkład widma promienio-wania symulaora, w kórym 46,5% całkowiej wypromieniowanej energii zaware jes w przedziale długości fali nm (odchyłka 5% w sosunku do rozkładu AM2), 53.5% w przedziale nm (1% odchylenia wobec AM2). Maksymalne naężenie promieniowania symulaora wynosi ~ 1000 Wm -2. Przy projekowaniu odbłyśników do lamp i ich usawieniu przyjęo, że badana powierzchnia robocza kolekora jes oddalona od części emisyjnej symulaora promieniowania słonecznego o ok. 3,5 m. Isnieje możliwość płynnej regulacji naężenia promieniowania poprzez zmianę ej odległości jak i skokowej regulacji poprzez włączanie sekcji lamp (symulaor wyposażono w 4 niezależne sekcje po 10 lamp i 2 żarówki każda). Poprzez usawienie lamp i odbłyśników, dla zadanej powierzchni roboczej odchyłki od warość średniej naężenia promieniowania są mniejsze niż 9% dla wszyskich sanów pracy symulaora. Wiązka energii wypromieniowana z symulaora zawara jes w bryle, kórej promienie skrajne worzą z normalną do powierzchni roboczej kąy od 4 do Symulaor SS-24 jes przeznaczony do pracy ciągłej. Część emisyjna symulaora może być podnoszona do wysokości 3,5 m oraz obracana w zakresie kąów Badany kolekor promieniowania słonecznego był w rakcie badań usawiany na ruchomym saywie, kóry umożliwia jego pochylenie w zakresie (licząc od płaszczyzny horyzonalnej) oraz zmianę położenia (odległości) w sosunku do części emisyjnej symulaora. Na saywie umieszczone są sondy pomiarowe oraz króćce do podłączania kolekora. Do pomiaru emperaur (wloowa na kolekor, przyros emperaury na kolekorze, ooczenia) zasosowano ermoelemeny płaszczowe ypu K. Termoelemeny umieszczono Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 6

7 w specjalnych sondach. Sonda do pomiaru emperaury ooczenia nie podlega bezpośredniemu wpływowi promieniowania symulaora i układu wenylacyjnego pomieszczenia. Rejesracja emperaury odbywa się w sposób cyfrowy z wykorzysaniem rejesraora programowalnego MOLYTEK model 3702 produkcji USA o dokładności odczyu emperaury 0,15 0 C z zapisem mierzonych warości na dysku kompuera. Pomiar gęsości srumienia promieniowania w płaszczyźnie kolekora prowadzono piranomerem CC - 12 z dwoma czujnikami pomiarowymi o czułości 1 W m -2 produkcji holenderskiej firmy Kipp & Zonen. Do pomiaru wydaku przepływającej wody zasosowano roamery o zakresie pomiarowym 0 90 kg h -1 oraz kg h -1 (dokładność wskazań 0,5 kg h -1 ). 3. PRZEBIEG BADAŃ 3.1. Jusowanie symulaora promieniowania słonecznego (usalenie wzajemnej geomerii kolekor - symulaor) Badania kolekora promieniowania słonecznego z wykorzysaniem symulaora promieniowania słonecznego będącego na wyposażeniu laboraorium Zespołu Energeyki Słonecznej Zakładu Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN, poprzedza usalenie wzajemnej konfiguracji (wzajemna odległość, ką pochylenia symulaora) kolekor symulaor, w celu osiągnięcia jak największej równomierności napromieniowania powierzchni badanego kolekora słonecznego. Zachodzi konieczność znalezienia akiego wzajemnego usyuowania kolekora względem części emisyjnej symulaora, aby w możliwie największym sopniu zapewnić naświelenie jego powierzchni zgodnie z wymaganiami sawianymi przez normę ASHRAE [2]. Doboru opymalnego usyuowania dokonano meodą prób. Dla różnych położeń kolekora względem symulaora (jego odległości od powierzchni czołowej symulaora, jego przesunięcia w poziomej osi symerii względem symulaora, jak również różnych kąów pochylenia samego symulaora) wykonywano pomiary gęsości srumienia promieniowania docierającego do powierzchni kolekora w 54 regularnie rozmieszczonych punkach pokrywających całą powierzchnię aperury kolekora. Z pomiarów ych sporządzano mapy rozkładów promieniowania oraz wyliczano warości średnie i mapy rozkładów odchyłek od średnich. Poniżej zaprezenowano osaeczny rozkład gesości srumienia promieniowania na powierzchniękolekora, dla przyjęego opymalnego usawienia. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 7

8 Rozkład gęsości srumienia promieniowania. Procenowe odchyłki promieniowania od warości średniej Rys. 1. Rozkład gęsości srumienia promieniowania i odchyłek od warości średniej na powierzchni fronowej badanego płaskiego kolekora promieniowania słonecznego. Rys. 1 przedsawia rozkład promieniowania docierającego na płaszczyznę kolekora dla usawienia opymalnego oraz mapę nierównomierności promieniowania w procenach. Na 89,5% powierzchni aperury kolekora odchyłki gesości srumienia promieniowania od warości średniej są mniejsze od 10%. Mapa odchyłek promieniowania od średniej umożliwia zlokalizowanie miejsca umieszczenia mierników promieniowania (2 sz.) w sposób zapewniający pomiar warości średniej gęsości srumienia promieniowania (w miejscach zerowej odchyłki warości lokalnej napromieniowania od warości średniej). Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 8

9 3.2. Sporządzenie charakerysyk przepływowych i ermicznych We wszyskich pomiarach kolekor usawiony był pod kąem 50 0 względem poziomu. Wydaek wody zasilającej kolekor w rakcie pomiarów charakerysyk cieplnych w funkcji emperaury wody podawanej do kolekora usalony był na poziomie 0,0339 ± 0,0005 lira na sekundę, co odpowiada zalecanej w normach warości 0,02 kg s -1 na każdy mer kwadraowy powierzchni absorbera kolekora. Woda przepływająca przez kolekor krążyła w obiegu zamknięym z ulraermosaem, w kórym sabilizowano emperaurę wody podawanej do kolekora. Wszyskich pomiarów dokonano dla średniej gęsości srumienia promieniowania G = 700 ± 10 W m -2 mierzonej w płaszczyźnie zewnęrznej powierzchni pokrycia fronowego kolekora. Temperaura powierza w pomieszczeniu laboraoryjnym była zmienna w rakcie poszczególnych pomiarów w zakresie C w zależności od akualnych warunków meeorologicznych. We wszyskich pomiarach wenylaory usawione obok kolekora wymuszały ruch powierza wzdłuż powierzchni napromieniowanej kolekora ze średnią prędkością 1 m s -1. Dla znalezienia zależności sprawności kolekora od wydaku masowego wody przepływającej kanałami kolekora wykonano pomiary zasilając kolekor wodą sieciową bez podgrzewania. Wydaek masowy w rakcie badań był zmieniany w zakresie od 0,00623 do 0,0432 kg s -1 (od 22,4 kg h -1 do155,4 kg h -1, zaś w przeliczeniu na jednoskę powierzchni absorbera 12,86 do 89,2 kg h -1 m -2 ). Temperaura wody zasilającej kolekor ulegała wahaniom zależnie od wydaku i akualnej emperaury wody wodociągowej w granicach od 20,5 do 22,3 0 C. Zanoowane w rakcie pomiarów przyrosy emperaury wody w kolekorze zmieniały się od ok. 28 do 5 0 C, podczas gdy emperaura ooczenia oscylowała pomiędzy warościami 25 a 26 0 C. Można więc przyjąć, że średnia emperaura wody w kolekorze w rakcie zdejmowania charakerysyki w funkcji wydaku masowego była zbliżona do emperaury ooczenia, czyli wyliczone warości sprawności kolekora są sprawnościami maksymalnymi dla danych wydaków. Zarówno przy pomiarach w funkcji wydaku, jak i emperaury wody na wlocie, po każdej zmianie warunków pracy kolekora, odczekiwano do osiągnięcia sanu usalonego układu (brak zmian emperaury wody opuszczającej kolekor). Nasępnie rejesrowano w odsępach jednominuowych wskazania przyrządów przez okres przynajmniej 20 minu. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 9

10 O ile we właściwym okresie pomiarowym nie nasąpiło isone zachwianie sanu równowagi ermicznej układu, pomiar aki uznawano za prawidłowy, a do dalszego opracowania przyjmowano warości średnie z okresu pomiarowego. W przypadkach przeciwnych procedura osiągania sanu równowagi ermicznej była powarzana. W sumie uzyskano 14 (6 dla charakerysyk w funkcji wydaku i 8 dla charakerysyk w funkcji emperaury) punków pomiarowych w 5 wykonanych seriach pomiarowych. Zbiorcze wyniki pomiarów i obliczeń przedsawiono w abelach 1 i WYNIKI POMIARÓW 4.1. Charakerysyki w funkcji emperaury wody Tabela 1. Zbiorcze (uśrednione) wyniki pomiarów i obliczeń charakerysyki cieplnej kolekora fi fo o G Q uż η f - o ( f - o )/G 0 C 0 C 0 C W m -2 W - K m 2 K/W 20,92 27,75 25,63 698,9 970,3 0,797-1,29-0, ,20 31,90 26,15 699,3 951,6 0,781 2,40 0, ,49 33,17 26,45 695,0 948,9 0,784 3,38 0, ,88 57,63 25,78 709,1 817,0 0,661 28,97 0, ,59 63,95 27,02 707,9 760,7 0,617 34,26 0, ,23 76,80 27,30 689,5 648,6 0,540 47,21 0, ,39 91,31 28,12 696,5 558,0 0,460 61,23 0, ,30 95,17 28,20 703,6 549,9 0,449 65,04 0,09244 Warości ciepła dosarczonego, użyecznego i sprawności w powyższej abeli zosały wyliczone zgodnie z podanymi poniżej zależnościami (przy przyjęciu oznaczeń idenycznych ze sosowanymi w [1]): Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 10

11 Ciepło dosarczone do zewnęrznej powierzchni kolekora Q dos : Q dos = A G gdzie A = 1,742 m 2 - powierzchnia absorbera kolekora. Ciepło użyeczne odebrane przez przepływającą przez kolekor wodę Q uż : Q uż = m& c w ( ) fo fi gdzie: c w = 4187 [J kg -1 K -1 ] - ciepło właściwe wody m& - wydaek masowy wody [kg s -1 ] Sprawność cieplna kolekora η: η = Q Q uż dos Osania kolumna abeli 1 zawiera warości zredukowanej różnicy emperaury zdefiniowanej jako: = f G Wielkości wynikowe z powyższej abeli zosały przedsawione graficznie na rysunku 2. o Rys. 2. Zależność sprawności kolekora w funkcji emperaury zredukowanej Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 11

12 Rys. 2 przedsawia zależność sprawności kolekora od zdefiniowanej powyżej zredukowanej różnicy emperaury. Sandardowo przyjęo w lieraurze opisywać aką zależność linią prosą wynikająca z równania Hoela - Whilliera - Blissa [3] dla sanu usalonego kolekora: η = F ( τα) F U f ' ' e L G o gdzie: F' - współczynnik efekywności absorbera będący miarą doskonałości konsrukcji absorbera jako wymiennika ciepła; (τα) e - efekywny współczynnik ransmisyjno - absorpcyjny, będący w przybliżeniu iloczynem ransmisyjności osłony przezroczysej i absorpcyjności powierzchni absorbera dla promieniowania długofalowego; U L - średni w zakresie emperaury pracy kolekora łączny współczynnik sra cieplnych kolekora odniesiony do jednoski powierzchni absorbera. Linia prosa na rys. 2 jes linią regresji liniowej punków pomiarowych na poziomie ufności 90% i opisuje ją równanie: ze współczynnikiem korelacji R = 0,998. η = 0,798-3,76 Przybliżenie funkcji sprawności cieplnej krzywą drugiego sopnia daje wynik η = 0,795 3,281 5,404 ( ) 2 ze współczynnikiem korelacji R = 0,998. Podane powyżej wzory definiują sprawność kolekora odniesioną do powierzchni absorbera (sprawność neo), nie zaś do powierzchni zajmowanej przez obrys zewnęrzny kolekora. Chcąc określić sprawność bruo (sosunek ciepła użyecznego do energii promieniowania docierającego do całej powierzchni kolekora), należy sprawność neo przemnożyć przez współczynnik będący sosunkiem powierzchni absorbera do powierzchni zajmowanej przez obrys zewnęrzny kolekora. W przypadku badanego kolekora współczynnik en wynosi 0,82. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 12

13 Z podanych powyżej równań charakerysyk cieplnych kolekora można wnioskować, że maksymalna sprawność neo badanego kolekora wynosi blisko 80% przy średniej emperaurze czynnika w kolekorze równej emperaurze ooczenia i przy ylko składowej bezpośredniej promieniowania pochłanianego przez kolekor. Warość iloczynu współczynnika efekywności absorbera F' przez zasępczy współczynnik sra U L (mylnie powszechnie uożsamiana z samym ylko współczynnikiem sra U L ) uśredniona dla zakresu emperaur eksploaacji 20 0 C < f < 90 0 C wynosi dla badanego kolekora (współczynnik b 1 w aproksymacji liniowej wyników pomiarów) F'U L = 3,76 [W m -2 K -1 ] Różny od zera (ujemny) współczynnik przebiegu krzywej sprawności (aproksymacja paraboliczna) c 2 = - 5,404 [W 2 m -4 K -2 ] wskazuje, że zasępczy współczynnik sra ciepła U L jes słabą funkcją różnicy emperaury kolekora i ooczenia (rośnie wraz ze wzrosem różnicy emperaury). Fak en należy uwzględniać przy szacowaniu zysków energeycznych kolekora przy jego eksploaacji w zakresie wyższych emperaur pracy przy równocześnie niewielkich warościach srumienia promieniowania, co wynika bezpośrednio z zależności: FU ' = 3, , 404 = 3, , 404 L f śr G o [W m -2 K -1 ] Wyznaczona z równania parabolicznego maksymalna możliwa do osiągnięcia w kolekorze nadwyżka zredukowanej różnicy emperaury roboczej ponad emperaurę ooczenia (w momencie, gdy sprawność kolekora spada do zera) wynosi: = 0,186 [m 2 K W -1 ] co przy średniej gęsości srumienia promieniowania w pomiarach równej około 700 W m -2 odpowiada maksymalnej możliwej do osiągnięcia emperaurze płynu w kolekorze przewyższającej o 130,2 0 C emperaurę ooczenia Charakerysyki w funkcji wydaku Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 13

14 W abeli 2 zesawiono uśrednione wyniki pomiarów i wyliczone warości (ciepło użyeczne, sprawność) serii pomiarowych mających na celu sporządzenia charakerysyk cieplnych kolekora w funkcji wydaku wody. Ciepło dosarczone, użyeczne i sprawność kolekora były wyliczane w sposób analogiczny, jak opisano uprzednio, Tabela 2. Zbiorcze (uśrednione) wyniki pomiarów i obliczeń charakerysyki kolekora w funkcji wydaku fi fo o G &m Q uż η 0 C 0 C 0 C W m -2 kg s -1 W - K 22,24 50,31 25,59 687,1 0, ,9 0,611 28,07 22,09 41,24 25,79 682,6 0, ,7 0,731 19,16 21,98 36,06 26,03 690,8 0, ,0 0,757 14,08 21,23 30,62 25,75 699,1 0, ,0 0,797 9,39 20,92 27,75 25,63 698,9 0, ,3 0,797 6,83 20,60 25,93 25,69 705,7 0, ,2 0,783 5,33 Rys.3. Zmiana sprawności i przyrosu emperaury wody w kolekorze w funkcji wydaku czynnika przepływającego przez kolekor Rys. 3 jes graficzną prezenacją wielkości zamieszczonych w abeli 2. Sprawność Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 14

15 maksymalna kolekora rośnie dosyć szybko w zakresie wzrosu małych wydaków czynnika przepływającego kolekorem aż do warości ok. 0,0025 kg s -1 i prakycznie pozosaje niezmienna powyżej ej warosci. Fak en można łumaczyć ym, że przepływ przez kolekor odbywa się ylko jedną rurką o kszałcie zwinięej serpenyny i każdy nawró kanału przepływowego urbulizuje przepływ, przez co wpływ wydaku masowego na współczynniki przejmowania ciepła od ścianek kanału jes niewielki. 5. OSZACOWANIE STAŁEJ CZASOWEJ KOLEKTORA Celem określenia sałej czasowej kolekora promieniowania słonecznego jes znalezienie przedziału czasu (liczonego od momenu zmiany jakiegoś parameru, np. naężenia napromieniowania słonecznego G), po kórym wpływ pojemności cieplnej kolekora na jego bilans może być pomijalny. Badanie kolekora w celu wyznaczenia sałej czasowej wykonano wg nasępującej meodyki [2,3]: - wloową emperaurę płynu fi na kolekor urzymywano na poziomie emperaury ooczenia, o = 26,6 0 C przy naężeniu przepływu wody przez kolekor wynoszącym m& = kg s -1 (122 kg h -1 ). Naężenie promieniowania wynosiło 694 ± 12 W m -2. Po osiągnięciu sanu usalonego w ych warunkach, przyros emperaury wody na kolekorze wyniósł 6,5 o C. - w warunkach sanu usalonego, przy paramerach jak wyżej, energia padająca na kolekor zosała zredukowana do zera (poprzez wyłączenie symulaora promieniowania słonecznego). W chwili wyłączenia symulaora czas τ = τ pocz = 0. Sałą czasową określa okres czasu, przy kórym licząc od τ = 0 spełniony jes warunek: fe,1 fe, pocz fi fi = 0,368 Zgodnie z wykresem na rys. 4, przedsawiającym zarejesrowany przebieg zmian emperaury wody wylowej z kolekora od chwili τ = 0, czas po kórym od chwili wyłączenia symulaora promieniowania słonecznego przyros emperaury wody w kolekorze spadł do 0,368 warości począkowej wyniósł 140 sekund. Jes o warość sałej czasowej kolekora. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 15

16 34 33 emperaura wyloowa, o C sała czasowa czas, s Rys. 4. Przebieg zmian emperaury wyloowej z kolekora, po wyłączeniu symulaora promieniowania słonecznego, dla określenia sałej czasowej kolekora Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 16

17 6. SZACUNEK PRZEWIDYWANYCH ZYSKÓW ENERGETYCZNYCH INSTALACJI Z BADANYM KOLEKTOREM Wyniki symulacji numerycznej meodą F-Char pracy słonecznej insalacji przygoowania ciepłej wody użykowej wyposażonej w kolekory HELIOSTAR 202 i pracującej w sandardowych polskich warunkach klimaycznych przedsawiono poniżej. Założenia doyczące konsrukcji i eksploaacji insalacji: insalacja z wydzielonym obiegiem kolekorowym oddającym energię do zbiorników akumulacyjnych poprzez wymiennik ciepła sumaryczna powierzchnia pochłaniająca kolekorów A = 3,484 m 2 (2 kolekory o powierzchni absorbera 1,742 m 2 każdy) pojemność zbiornika akumulacyjnego wynosi 300 lirów (86,1 lira na każdy 1 m 2 powierzchni absorbera) wymagana emperaura wody ciepłej wynosi 45 0 C; emperaura wody zasilającej (wodociągowej) jes zmienna od 10 0 C zimą do 15 0 C laem iloczyn (τα) e F' kolekorów wynosi 0,8 (jes o maksymalna sprawność kolekorów) U L = 3,76 W m -2 K -1 (średni współczynnik sra ciepła z kolekora do ooczenia) kolekory pochylone są pod kąem 45 0 względem poziomu i skierowane na południe; obliczeń dokonano dla założonych rzech różnych wielkości dziennego zużycia ciepłej wody równych odpowiednio 150, 200 i 250 lirów na dobę Wyniki ych obliczeń zamieszczono w abeli. Poszczególne kolumny abeli oznaczają: H poziome F-Char E słon E konwenc - średnia dzienna suma nasłonecznienia na powierzchnię poziomą w danym miesiącu - sopień pokrycia porzeb cieplnych w danym miesiącu energią słoneczną - użyeczna energia słoneczna zaabsorbowana w danym miesiącu przez kolekory insalacji - miesięczna energia, kóra musi być dosarczona z układu konwencjonalnego (np. en. elekryczna, gaz lub sieć ciepłownicza) Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 17

18 Tabela 3. Zesawienie danych meeorologicznych oraz wyników symulacji numerycznej funkcjonowania insalacji słonecznej Mc. Średnia emp. zewn. Dane meeorologiczne Zużycie dzienne 150 lirów Zużycie dzienne 200 lirów Zużycie dzienne 250 lirów Średnie H poziome dzienne Udział promien. dyfuz. F-Char E słon E konwenc F-Char E słon E konwenc F-Char E słon E konwenc - I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Sumy lub średnie roczne 0 C MJm -2 dn -1 % - MJm -2 mc -1 MJm -2 mc -1 - MJm -2 mc -1 MJm -2 mc -1 - MJm -2 mc -1 MJm -2 mc -1-3,1 2,00 73,6 0, ,0 627,5 0, ,6 856,0 0, ,8 1083,9-2,2 4,29 65,2 0, ,1 405,4 0, ,4 600,3 0, ,8 799,0 1,6 7,59 58,0 0, ,0 272,9 0, ,5 461,1 0, ,1 661,2 7,6 12,25 52,6 0, ,6 118,2 0, ,4 265,7 0, ,9 434,4 13,8 16,86 47,8 0, ,9 21,1 0, ,1 138,6 0, ,5 286,9 17,3 17,80 49,5 0, ,0 8,1 0, ,8 113,9 0, ,5 250,0 19,1 17,00 51,0 0, ,3 5,8 0, ,5 110,3 0, ,1 245,4 18,2 14,64 48,3 0, ,5 31,0 0, ,1 149,6 0, ,3 296,6 13,8 9,68 53,2 0, ,7 144,3 0, ,2 295,7 0, ,0 464,9 7,8 5,46 56,3 0, ,7 308,8 0, ,9 498,7 0, ,2 697,6 2,5 2,42 69,4 0, ,6 538,0 0, ,2 750,0 0, ,2 962,5-1,1 1,42 77,2 0,0000 0,0 681,4 0,0000 0,0 908,6 0,0000 0,0 1135,7 3398,7 -- 0, ,3 3162,6 0, ,8 5148,4 0, ,4 7318,1 Roczny zysk 1 m 2 absorbera , , ,9 - Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 18

19 Analiza wyników obliczeń zamieszczonych w powyższej abeli wskazuje, że w warunkach polskich zyski energeyczne z 1 m 2 powierzchni absorbera kolekora zależą silnie od warunków jego eksploaacji. Przy niewielkim obciążeniu modelowej insalacji (150 lirów ciepłej wody na dobę) średnie jednoskowe roczne zyski są niewielkie i wynoszą 1257,3 kjm -2 a -1 (około 349 kwh na rok), ale za o kolekory dosarczają prawie całej energii niezbędnej do przygoowania wody w okresie lenim. Dla odmiany, duże obciążenie insalacji, np. 250 lirów dziennie, zwiększa zyski jednoskowe kolekora kolekora do 1507,9 kjm -2 a -1 (około 419 kwh na rok), jednak sopień pokrycia porzeb cieplnych jes mniejszy. Wyniki obliczeń przeprowadzone dla określonych lokalizacji w naszym kraju, mających miejscowy mikroklima odbiegający od średniej krajowej, mogą dać inne wyniki, odbiegające zarówna in plus, jak i minus od wyliczonych warości. Równocześnie wyniki obliczeń wskazują dobinie, że w okresie zimowym eksploaacja kolekorów jes mało efekywna. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 19

20 7. WNIOSKI Z BADAŃ I OCENA KONSTRUKCJI Przeprowadzone badania kolekora pozwalają na sformułowanie nasępujących wniosków: A. Charakerysyka sprawności cieplnej kolekora w funkcji emperaury w przebadanym zakresie emperaur (od emperaury ooczenia do maksymalnej emperaury wody wyloowej przekraczającej 95 0 C) wykazuje lekkie zakrzywienie. Świadczy o o słabej zależności współczynnika sra cieplnych kolekora od emperaury. Przy eksploaacji w warunkach nauralnych współczynnik sra może mieć silniejszą zależność od emperaury z uwagi na oddziaływanie nieboskłonu o pozornej emperaurze znacznie niższej od emperaury ooczenia; B. Oszacowana średnia warość iloczynu współczynnika sra ciepła kolekora do ooczenia przez współczynnik efekywności absorbera, odniesiona do powierzchni absorbera, wynosi F'U L 3,76 W m -2 K -1. Jes o warość ypowa dla współczesnych konsrukcji kolekorów z jedną szybą i pokryciem selekywnym absorbera. C. Oszacowana warość iloczynu efekywnego współczynnika ransmisyjno - absorpcyjnego kolekora (τα) e przez współczynnik efekywności absorbera F', będącego równocześnie maksymalną sprawnością kolekora przy zerowym bilansie sra ciepła (średnia emperaura wody równa emperaurze ooczenia) wynosi: η max = F'(τα) e 0,8 Warość powyższa nie odbiega od naksymalnych sprawności podawanych w lieraurze dla kolekorów o podobnej konsrukcji, jak badany, Należy przy ym jednak nadmienić, że jes o warość jedynie dla składowej bezpośredniej promieniowania słonecznego. Przy znaczym udziale składowej dyfuzyjnej w promieniowaniu całkowiym (> 20%) sprawność maksymalna może być odpowiednio mniejsza. D. Sała czasowa kolekora wynosząca 2 min 20 sekund jes pomijalnie mała w porównaniu ze skalą dobową zjawisk amosferycznych, a jednocześnie na yle duża, że ewenualny układ serujący pracą insalacji nie będzie przerywał pracy pompy przy krókorwałych przesłonięciach chmurami arczy słonecznej w okresie lenim. E. Oszacowanie rocznych zysków energeycznych badanego kolekora wskazuje na silną zależność zysków od sposobu eksploaacji insalacji z kolekorami jak badany. Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 20

21 Lieraura 1. Szypliński J., Wnuk R., Meodyka badań kolekorów słonecznych przy użyciu symulaora promieniowania słonecznego, Archiwum Termodynamiki, Vol.8, (1987), Nr 3, sr ISO : Tes mehods for solar collecors - Par 1: Thermal performance of glazed liquid heaing collecors including pressure drop (Meody badań kolekorów słonecznych. Część 1: Sprawność cieplna oszklonych cieczowych kolekorów słonecznych i ich charakerysyka hydrauliczna). 3. ASHRAE Sandard Mehods of esing o deermine he hermal performances of solar collecors, American Sociey of Heaing, Refrigeraing and Air Condiioning Engineers, New York, USA, (1977). 4. Duffie J.A., Beckmann W.A, Solar Energy Thermal Processes, John Wiley & Sons, New York, Konwersja ermiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych, Eksperyza Komieu Termodynamiki i Spalania Wydz. IV PAN wykonana pod kierunkiem W. Gogóła, Oficyna Wyd. Poliechniki Warszawskiej, (1994) Zakład Problemów Eko-Budownicwa IPPT PAN 21