Słoneczne instalacje grzewcze wydajność w warunkach eksploatacyjnych. Wyniki badań wybranych wielkoskalowych systemów

Transkrypt

1 Słoneczne instalacje grzewcze wydajność w warunkach eksploatacyjnych. Wyniki badań wybranych wielkoskalowych systemów Autor: dr Dariusz Czekalski, Katedra Podstaw InŜynierii, SGGW Warszawa ( Czysta Energia, nr 7-8/2009) Tylko niektóre systemy wielkoskalowe zostały poddane badaniom ich wydajności w warunkach eksploatacyjnych, przy czym zakres pomiarów i metoda wyznaczania poszczególnych parametrów istotnie róŝnią się między sobą. Sama konfiguracja systemów teŝ jest ich cechą indywidualną. Przykład szkolnej instalacji w Łodzi Pierwszy przedstawiany system grzewczy z kolektorami słonecznymi zainstalowany w Szkole Podstawowej nr 193 w Łodzi powstał w ramach duńskiego projektu w 2002 r. 1. System słuŝy do produkcji ciepłej wody oraz podgrzewania wody w basenie. MontaŜu 40 płaskich kolektorów o łącznej powierzchni 86 m 2 dokonano w ramach generalnego remontu szkoły. Kolektory zorientowane są w kierunku południowym i nachylone pod kątem 51 fot. 1. Fot. 1. Widok kolektorów słonecznego systemu grzewczego w SP 193 w Łodzi Priorytetowym zadaniem systemu jest przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej w ilości (wg projektu) 10 m 3 na dobę, z magazynowaniem energii w zasobniku o pojemności 3000 dm 3. NadwyŜki energii słonecznej kierowane są do ogrzewania wody w basenie. Cały proces sterowany jest za pomocą dwóch termostatów. JeŜeli ciepło dostarczane z instalacji kolektorów słonecznych nie zaspokaja potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody i wody basenowej, to wówczas działanie instalacji wspomaga z miejska sieć ciepłownicza. System został wyposaŝony w dwa liczniki ciepła, rejestrujące energię cieplną przekazywaną do zasobnika ciepłej wody i do basenu. Dodatkowo w zbiorniku solarnym umieszczono czujnik temperatury. Odczytów dokonywano codziennie w godzinach porannych. ObciąŜenie systemu na potrzeby ciepłej wody było niŝsze od zakładanej pierwotnie wartości średnia okresu 8 m 3 na dobę, a w szczególności występowały naturalne w takim obiekcie silne spadki zapotrzebowania w dniach świątecznych i podczas ferii.

2 PoniewaŜ kolektory dostarczają takŝe energię do ogrzewania basenu, wahania zapotrzebowania na ciepłą wodę uŝytkową nie mają duŝego wpływu na wydajność systemu słonecznego. Zaobserwowano, Ŝe zimą prawie cała energia słoneczna dostarczana jest głównie w celu pozyskania ciepłej wody uŝytkowej. Dobowa produkcja energii z instalacji słonecznej w maju osiągała maksymalnie 0,45 MWh, czyli ok. 5,23 kwh/m 2. Biorąc pod uwagę to, Ŝe stosowana orientacja płaszczyzny kolektorów pozwala w maju na napromienienie sumą dobową maksimum 7,5 kwh/m 2 moŝna pośrednio wnioskować, Ŝe sprawność konwersji osiągała wtedy aŝ 70%. W tabeli 1 zestawiono miesięczne produkcje energii słonecznej dostarczanej w sumie do obu odbiorników 1. Tab. 1. Wielkość produkcji energii cieplnej przez słoneczny system grzewczy w SP 193, wg 1 Miesiąc Zmierzona produkcja energii, MWh Zmierzona produkcja energii, MJ/m 2 Październik 2002 r. 2,4 100,5 Listopad 2002 r. 1,3 54,4 Grudzień 2002 r. 0,8 33,5 Styczeń 2003 r. 0,4 16,7 Luty 2003 r. 2,5 104,7 Marzec 2003 r. 5,6 234,4 Kwiecień 2003 r. 6,3 263,7 Maj 2003 r. 9,1 380,9 Wydajność cieplna omawianego systemu słonecznego jest bardzo wysoka. Do zbiorników akumulacyjnych od października do maja kolektory dostarczyły jednostkowo 328 kwh/m 2. Zakładając, co jest ryzykowne, jednakowo intensywne obciąŝenie systemu takŝe w miesiącach letnich, moŝna oczekiwać wydajności rocznej na poziomie aŝ 640 kwh/m 2. Warto zauwaŝyć, Ŝe wskaźnik rozmiaru instalacji określany w m 2 powierzchni kolektorów w przeliczeniu na 100 dm 3 objętości zbiornika wynosi w tym rozwiązaniu 2,67, przy czym w odniesieniu do rzeczywistego dobowego rozbioru ciepłej wody wskaźnik ten nieznacznie przekracza 1. W konsekwencji temperatury w zbiorniku solarnym są stosunkowo niskie w godzinach porannych od października do połowy marca tylko sporadycznie przekraczały 20 C, natomiast w kwietniu, maju i czerwcu niekiedy notowano więcej niŝ 30 C. Przy tak niskich temperaturach wydajności mogą być bardzo wysokie, ale udział energii słonecznej w przygotowaniu ciepłej wody szacuje się w tych warunkach na 30-35% w skali roku. Instalacje słoneczne na budynkach TBS w Zgierzu Drugi oceniany pod względem wydajności przykład systemu wielkoskalowego to budynki osiedla mieszkaniowego Towarzystwa Budownictwa Społecznego (TBS) w Zgierzu. W dziewięciu z nich zainstalowano systemy odnawialnych źródeł energii, słuŝące do zasilania centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej. W skład systemów wchodzą spręŝarkowe pompy ciepła, płaskie cieczowe kolektory słoneczne oraz ogrzewacze elektryczne. W niniejszym opracowaniu analizowane jest tylko to rozwiązanie, w którym wydajność segmentu słonecznego moŝna analizować na podstawie publikowanych wyników pomiarów 2. W czterech blokach mieszkalnych instalacja ciepłej wody zasilana jest energią elektryczną ze wspomaganiem z sekcji kolektorów słonecznych. W trzech blokach nominalną liczbę mieszkańców oceniono na 84, natomiast w czwartym na 56. Na dachach zainstalowano po 40 (w mniejszym bloku 28) kolektorów (fot. 2) o łącznej powierzchni brutto 80,32 m 2 (56,24 m 2 ). Wodę uŝytkową dla bloku gromadzi się w trzech zasobnikach połączonych szeregowo, kaŝdy o objętości 2000 dm 3. Przekazywanie ciepła z zestawu

3 kolektorów słonecznych do zasobników następuje przez płytowy wymiennik ciepła typu glikol woda uŝytkowa. W razie potrzeby dogrzewanie wody uŝytkowej do wymaganej temperatury 55 C i cykliczne przegrzewanie wody w zasobnikach do temperatury 70 C (ze względów sanitarnych) realizują elektryczne ogrzewacze przepływowe o mocach 2 x 2 4 kw. W wybranym bloku prowadzono monitoring pracy węzłów ciepłowniczych poprzez zainstalowanie liczników ciepła i wodomierzy. Odczytów dokonywano w okresie od 6 października 2001 r. do 2 października 2002 r. w odstępach zazwyczaj miesięcznych. Wyniki przedstawiono w postaci rozkładu dwóch strumieni energii słonecznej oraz elektrycznej (rys. 1), przy czym rejestrowane w kwh zyski energii odniesiono do zuŝycia m 3 ciepłej wody Jednostkowe zuŝycie energii, kwh/m do do do do do do do do do do do do Okresy pomiędzy poszczególnymi odczytami Zapotrzebowanie łączne Energia elektryczna Energia słoneczna Rys. 1. Udział energii słonecznej w przygotowaniu ciepłej wody w wybranym bloku TBS Zgierz (instalacja słoneczna + kotły elektryczne), wg 2 Największe zapotrzebowanie jednostkowe energii do podgrzania ciepłej wody, w granicach kwh/m 3, notowano w miesiącach zimowych i w 80-90%, pokrywane było przez energię elektryczną. W szczególności w listopadzie i grudniu efekty pracy instalacji słonecznej były praktycznie zerowe. Wyraźny wzrost udziału energii słonecznej nastąpił w kwietniu, wówczas z instalacji słonecznej pochodziło 30 kwh/m 3. W kolejnych miesiącach udział ten rósł, dochodząc do kwh/m 3 w lipcu i sierpniu. W miesiącach tych, przy obniŝonym (co jest naturalne) w stosunku do okresu zimowego łącznym zapotrzebowaniu jednostkowym na energię, wynoszącym kwh/m 3, energia słoneczna pokrywała 80-85% zapotrzebowania. NaleŜy przy tym zauwaŝyć, Ŝe brak danych na temat rozkładu zuŝycia ciepłej wody w ciągu roku utrudnia pełną ocenę wydajności instalacji słonecznej, poniewaŝ nie moŝna ustalić parametrów pracy systemu w poszczególnych miesiącach. Przykładowo wiadomo, Ŝe w miesiącach letnich zapotrzebowanie na ciepłą wodę w blokach drastycznie maleje ze względu na sezon urlopowy i w tym kontekście bardzo wysoki udział energii pochodzącej z instalacji słonecznej w lipcu i sierpniu w nieduŝym

4 stopniu wpływa na ocenę całoroczną. Na podstawie rocznego zuŝycia ciepłej wody w bloku (828 m 3 ) moŝna jedynie oszacować globalne wskaźniki wydajność słonecznego systemu grzewczego. Zapotrzebowanie energetyczne na podgrzanie ciepłej wody średnio w ciągu całego roku wynosiło 71 kwh/m 3, a ilość energii pochodzącej z instalacji słonecznej 24,7 kwh/m 3. Fot. 2. Kolektory słoneczne systemu zainstalowanego na budynkach TBS w Zgierzu Zatem sekcja kolektorów słonecznych dostarczyła prawdopodobnie ok kwh energii w ciągu roku, co oznacza jednostkową wydajność kolektorów na poziomie 255 kwh/m 2. Udział energii słonecznej w przygotowaniu ciepłej wody wyniósł orientacyjnie 30-35%. Stosunkowo niska wydajność jednostkowa kolektorów wynika prawdopodobnie z rozbieŝności pomiędzy projektowanym obciąŝeniem systemu a rzeczywistym rozbiorem ciepłej wody. Wskaźnik rozmiaru instalacji określany w m 2 powierzchni kolektorów w przeliczeniu na 100 dm 3 objętości zbiornika wynosi w tym rozwiązaniu 1,34, ale w odniesieniu do rzeczywistego dobowego rozbioru ciepłej wody to juŝ 3,54. Jest to sytuacja odwrotna niŝ w poprzednim przykładzie. Średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę wyniosło zaledwie 27 dm 3 na osobę. Przykład instalacji w klasztorze w Tuchowie Kolejnym słonecznym systemem wielkoskalowym, którego wydajność zbadano w warunkach eksploatacyjnych, jest instalacja kolektorów słonecznych słuŝąca do podgrzewania ciepłej wody uŝytkowej w seminarium i klasztorze Redemptorystów w Tuchowie 3. Łączna powierzchnia płaskich kolektorów umieszczonych na dachach wynosi 126 m 2. Współpracują one z zasobnikami ciepłej wody o łącznej objętości wynoszącej 9000 dm 3. Instalację zaprojektowano dla 120 osób przy rozbiorze ciepłej wody o temperaturze 45 C na nominalnym jednostkowym poziomie 70 dm 3 na dobę. System uzupełnia kocioł gazowy o mocy 90 kw. Zastosowano tu trzy ciepłomierze oraz zestaw czujników temperatury. Pomiar obejmuje ilość energii dostarczanej przez kolektory oraz kocioł gazowy. Po roku monitoringu porównano wynik obliczeń symulacyjnych z wynikami wskazań ciepłomierzy. Według obliczeń segment słoneczny powinien dostarczyć 241 GJ, a kocioł gazowy 208 GJ, co oznaczałoby pokrycie zapotrzebowania w 53,7% przez energię słoneczną. W rzeczywistości segment słoneczny dostarczył 226 GJ (ok. 500 kwh w przeliczeniu na 1 m 2 ), a kocioł 487 GJ. Zatem energia słoneczna pokryła tylko 31,7% zapotrzebowania. W szczególności w grudniu i styczniu udział energii słonecznej nie przekroczył 5%. W miesiącach letnich sięgał

5 natomiast ok. 60%. Uwidoczniły się tu typowe zjawiska weryfikujące prognozy efektów eksploatacji systemów słonecznych. Przede wszystkim końcowa temperatura ciepłej wody zadana w kotle gazowym na poziomie 45 C okazała się zbyt niska i została podniesiona podczas eksploatacji do 52 C. System jest silnie rozbudowany (długie drogi transportu ciepła), co ogranicza uŝyteczne wykorzystanie energii produkowanej przez kolektory słoneczne. Niekorzystny okazał się takŝe rozkład sezonowego zapotrzebowania na energię załamanie zuŝycia przypadło na sierpień. Ponadto utoŝsamianie energii dostarczanej z kolektorów słonecznych do węzłów wymiany ciepła z energią oszczędzoną przez wspomagane tradycyjne źródło prowadzi do przeszacowania udziału energii słonecznej w procesie grzewczym. System słoneczny w Poddębicach Inny przykład wielkoskalowego słonecznego systemu grzewczego o znanej orientacyjnej wydajności pochodzi z Poddębic 4, gdzie kilka lat temu na dachach 23 bloków mieszkalnych umieszczono płaskie kolektory słoneczne o łącznej powierzchni 1287 m 2. Współpracują one z centralną kotłownią węglową. Na podstawie wskazań ciepłomierzy ustalono przebieg jednostkowej produkcji energii cieplnej przez kolektory (rys. 2). W skali sezonu uzyskano ok. 380 kwh w przeliczeniu na 1 m 2 powierzchni. Na siedem miesięcy sezonu ciepłego (kwiecień-październik) przypadło 345 kwh, a na okres zimny zaledwie 35 kwh, czyli poniŝej 10% produkowanej energii. Potwierdza to tezę, Ŝe w polskich warunkach klimatycznych wydajność słonecznych instalacji grzewczych w okresie od listopada do lutego jest znikoma kwh/m-c styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień Rys. 2. Wydajność 1 m 2 powierzchni kolektora systemu słonecznego w Poddębicach Instalacje słoneczne na budynkach w ŁomŜy Ostatnim ocenianym pod względem wydajności słonecznym systemem grzewczym jest jedno z rozwiązań ŁomŜyńskiej Spółdzielni Mieszkaniowej 5. Spółdzielnia ta od 1996 r. wyposaŝa wybrane bloki w hybrydowe układy grzewcze, w skład których wchodzą spręŝarkowe pompy ciepła, instalacje słoneczne i kotły gazowe albo elektryczne. Wobec bardzo uproszczonej aparatury monitorującej te obiekty analizę wydajności słonecznego systemu grzewczego moŝna przeprowadzić tylko dla jednego bloku. Posiada on powierzchnię mieszkalną m 2 z 48 mieszkaniami i został oddany do zasiedlenia w 2006 r. WyposaŜono go w słoneczny system

6 grzewczy do przygotowania ciepłej wody uŝytkowej złoŝony z płaskich kolektorów krajowego producenta, umieszczonych na dachu budynku (fot. 3). Fot. 3. Widok kolektorów słonecznego systemu grzewczego Łączna powierzchnia kolektorów wynosi 144 m 2. Podstawowym źródłem zasilania bloku jest węzeł cieplny Miejskiego Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej (jednostka wytwórcza ciepłownia miałowa). Zainstalowano w nim ciepłomierz odczytywany co miesiąc. Podobnie rozwiązano pomiar w podwęźle centralnego ogrzewania. Określane jest takŝe miesięczne zuŝycie ciepłej wody. W tych okolicznościach jedyna metoda oceny wydajności systemu słonecznego musi opierać się na załoŝeniu, Ŝe róŝnica wskazań wodomierzy jest zuŝyciem ciepła z miejskiej sieci na potrzeby ciepłej wody w budynku. Drugim koniecznym, a z doświadczenia wynika, Ŝe słusznym załoŝeniem jest to, iŝ w grudniu instalacja słoneczna daje znikome zyski, a więc z na przykładzie okresu moŝna wyznaczyć bazową energochłonność przygotowania ciepłej wody. W tabeli 2 zawarto dane z ciepłomierzy i wodomierza obejmujące okres od listopada 2007 r. do końca 2008 r. W pierwszej kolejności zauwaŝono, Ŝe zuŝycie ciepłej wody w budynku jest zaskakująco niskie przeciętnie zaledwie ok. 75 dm 3 na mieszkanie w ciągu doby. Oznacza to, Ŝe wskaźnik powierzchni instalacji słonecznej wypada na poziomie 3,9 m 2 /100 dm 3, co nie rokuje wysokiej cieplnej wydajności jednostkowej. Energochłonność bazową przygotowania ciepłej wody obliczono na poziomie 0,35 GJ/m 3. Zatem podgrzanie rocznej objętości 1358 m 3 wymagałoby zuŝycia 475 GJ, a dzięki wspomaganiu systemem słonecznym faktycznie zuŝyto na ten cel 268 GJ. Zatem, zgodnie z załoŝeniami metodycznymi, system słoneczny pozwolił oszczędzić 207 GJ w ciągu roku, co daje 400 kwh z 1 m 2 kolektorów. Udział energii słonecznej przekraczał 30% w miesiącach zimowych i osiągał ok. 65% w miesiącach ciepłych (w czerwcu 87%). Taki rozkład stopnia pokrycia zapotrzebowania w sezonie to efekt róŝnokierunkowej orientacji płaszczyzn kilku sekcji kolektorów. Udział energii słonecznej w skali roku, wg tej nieco szacunkowej metody obliczeń, to 43,6%.

7 Tab. 2. ZuŜycie energii cieplnej w bloku ŁomŜyńskiej Spółdzielni Mieszkaniowej, zasilanym przez słoneczny system grzewczy Miesiąc ZuŜycie Udział ZuŜycie energii ZuŜycie energii ZuŜycie energii energii cieplnej, licznik cieplnej, licznik c.w.u., cieplnej główny, GJ c.o., GJ m 3 słonecznej c.w.u., GJ % Rok 2007 Grudzień Rok 2008 Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień Łącznie ,6 Źródła 1. Nielsen J. E.: Instalacja kolektorów słonecznych w budynku szkolnym w Łodzi. Analiza danych: październik 2002-czerwiec Plan Energii 7/ Walewski J.: Kolektory na osiedlu TBS. Doświadczenia inwestycyjne i eksploatacyjne. Rynek Instalacyjny 7, 8/ Gołębiowski S., Wiśniewski G., Nguyen Viet Ha: Programy komputerowe w projektowaniu instalacji słonecznych. Czysta Energia 2/ Krajewski W.: Poddębice solarne miasteczko. Czysta Energia 11/ Juszczyk A.: Analiza opłacalności wykorzystania energii słonecznej w instalacjach wielkoskalowych. Praca magisterska. SGGW Foto: Archiwum autora