Solar - wytyczne projektowe Podgrzewanie wody użytkowej - kolektor F2 SYSTEMY ENERGETYCZNE I SANITARNE
PLANOWANIE Wstęp Dobór instalacji solarnej zależny od następujących czynników: Wielkości zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową; Oczekiwanego stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię przez system solarny; Miejsca lokalizacji i warunków nasłonecznienia; Ukierunkowania i pochylenia kolektorów; Typu zastosowanego kolektora; Potrzeby dostosowania do miejscowych warunków (np. wykorzystanie istniejącego zasobnika ciepłej wody użytkowej) Poniżej omówiono zastosowanie kolektorów F2 w instalacjach solarnych pracujących wyłącznie dla potrzeb przygotowania ciepłej wody użytkowej. Popularność tego typu zastosowania systemów solarnych wynika z możliwości uzyskiwania dzięki nim stosunkowo wysokiego stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię. Nie bez znaczenia są też, decydujące o całkowitych kosztach wytwarzania energii cieplnej, koszty budowy i eksploatacji takich instalacji. W przypadku instalacji solarnych stosowanych do wspomagania instalacji ogrzewania pomieszczeń, podstawą ich doboru jest zapotrzebowanie na ciepło ogrzewanego obiektu, jak również temperatury pracy wspomaganego systemu grzewczego. Wobec istotnego przesunięcia w czasie okresu maksymalnego promieniowania słonecznego w stosunku do okresu największego zapotrzebowania na energię grzewczą, uzyskanie wysokiego stopnia pokrycia potrzeb energetycznych (nawet w instalacjach solarnych z próżniowymi kolektorami rurowymi R1) wymagać będzie znacząco dużych powierzchni pola kolektorowego. Dla zoptymalizowanego doboru tego typu instalacji niezbędne będzie zastosowanie specjalistycznych programów obliczeniowych.* Pozostałe informacje dotyczące różnych konfiguracji urządzeń można znaleźć w informacjach technicznych oraz w instrukcjach montażu poszczególnych produktów firmy Roth. Uziemienie i ochrona odgromowa Metalowe połączenia rurowe obwodu solarnego należy połączyć zielonym/żółtym przewodem min. 16 mm² Cu z główną szyną wyrównawczą potencjału (elektryczny). W przypadku istnienia odgromnika, można do niego podłączyć kolektory. W przeciwnym razie uziemienie instalacji wykonać za pomocą lokalnego uziemienia poprzez uziom wgłębny. Przeprowadzenie uziomu następuje na zewnątrz budynku. Uziom należy również połączyć z główną szyną wyrównawczą potencjału (główny) za pomocą przewodu o tym samym przekroju. Wpływ zużycia ciepłej wody Podstawą doboru instalacji solarnej do podgrzewania wody jest wielkość zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Z tego powodu należy dokładnie ją ustalić wykorzystując względnie, o ile jest to możliwe, wyniki pomiaru zużycia tego medium. Im precyzyjniej ustalone zostanie rzeczywiste zapotrzebowanie na ciepłą wodę, tym bardziej będzie można zoptymalizować system solarny i uzyskać wysoką efektywność jego działania. Ustalenie zapotrzebowania ciepłej wody w oparciu o liczbę osób W budownictwie mieszkaniowym zużycie ciepłej wody określa się zazwyczaj na podstawie liczby osób. Typowe zużycie w gospodarstwie domowym wody temperaturze 45 C przyjmuje się na poziomie 35 do 50 litrów na osobę na dobę. Przy określaniu zużycia należy uwzględnić również przyzwyczajenia oraz zastosowaną armaturę, jak również możliwe zmiany dotyczące poziomu zapotrzebowania (rozbudowa domu, powiększenie rodziny). Jeśli jest to możliwe, należy odwołać się do pomiarów. Jest to szczególnie ważne w przypadku obiektów handlowo-przemysłowych, hoteli, obiektów sportowych, sal konferencyjnych itp. Uwzględnianie wahnięć okresowych Oprócz wahnięć tygodniowych (np. weekendowe przestoje w zużyciu w szkołach lub szczytowe zużycie weekendowe w porównaniu z dniami powszednimi w obiektach sportowych) należy również uwzględniać specyfikę danej pory roku czy sezonu (okres wakacji w szkołach, przerwa międzysemestralna w akademikach, zwiększone zapotrzebowanie na koloniach itp.). Przy ustalaniu wielkości zapotrzebowania ciepłej wody, nie należy w takich przypadkach uwzględniać wartości rozbiorów szczytowych, lecz bazować wyłącznie na wartościach średnich poziomu zużycia rozpatrywanego okresu. Inni użytkownicy ciepłej wody W przypadku wyposażenia obiektu w sprzęt gospodarstwa domowego obejmującego pralki i zmywarki, posiadających króciec przyłączeniowy do instalacji ciepłej wody użytkowej, urządzenia te należy uwzględnić w ogólnym bilansie zapotrzebowania wody zależnie od stopnia ich energooszczędności - licząc je odpowiednio jako 0,25 do 0,5 osoby. 2
PLANOWANIE Słownik pojęć Wpływ oczekiwanego stopnia pokrycia Oczekiwany stopień pokrycia przez energię solarną, oznacza pożądany udział rocznego zapotrzebowania na energię cieplną pokrywaną przez instalację solarną. Jego wartość jest ważnym parametrem w procesie doboru systemu solarnego. Ponieważ w bilansie uwzględnia się sumę doprowadzonej energii, przy ustaleniu stopnia pokrycia należy również uwzględnić ogół strat ciepła systemu (straty zasobnika, straty w rurociągach instalacji solarnej, a także o ile takie istnieją straty w instalacji cyrkulacji ciepłej wody użytkowej). Stopień pokrycia definiuje się jako: D [%] = (energia solarna/(energia solarna + ogół energii doprowadzonej z uzupełniającego źródła ciepła np. z kotła grzewczego)) x 100 Intensywność promieniowania słonecznego oraz zapotrzebowanie na ciepło nie pokrywają się czasowo. Z tego powodu uzyskanie zbliżonego do pełnego pokrycia potrzeb cieplnych przez instalacje solarne nie jest możliwe bez sezonowego magazynowania ciepła. Dobór instalacji solarnej przy założeniu 60%-stopnia pokrycia potrzeb cieplnych W przypadku założenia 60%-stopnia rocznego pokrycia zapotrzebowania na ciepło przez instalacje solarne, w miesiącach letnich można uzyskać praktycznie pełne jego pokrycie, co pozwala na okresowe wyłączenie kotła grzewczego. Dlatego też w przypadku domków jednorodzinnych dąży się do uzyskania 60% lub więcej stopnia pokrycia potrzeb cieplnych. Oczywiście w przypadku występowania dłuższych okresów w niekorzystnych warunkach pogodowych może okazać się konieczne włączenie kotła grzewczego, w celu pełnego zabezpieczenia dostaw ciepła. Stopień wykorzystania systemu a stopień pokrycia potrzeb cieplnych. słonecznego dla obszaru południe Niemiec wynoszą od 1000-1200 kwh/m2xrok i są około 10-20 % wyższe w porównaniu do napromieniowania Typowe stopnie wykorzystania systemu instalacji solarnych mieszą się w granicach od 30 do 50 %. Należy zauważyć, iż ze wzrastającym stopniem pokrycia potrzeb cieplnych stopień wykorzystania systemu spada (i odwrotnie). na północy wynoszącego 900-1000 kwh/m2xrok. Należy liczyć się z możliwością występowania obszarów charakteryzujących się odmiennymi od podanych powyżej wartościami, które to muszą być uwzględnione przy doborze pola kolektorowego instalacji solarnej Można to wyjaśnić w następujący sposób: 1. Wraz ze wzrastającym stopniem pokrycia wzrasta również średnia temperatura kolektora, ponieważ woda jest nie tylko wstępnie podgrzewana, lecz musi być również podgrzana do temperatury zadanej. Ponieważ ze wzrostem temperatury kolektora zwiększają się również straty na kolektorze to spada stopień wykorzystania systemu. 2. Uzyskanie wysokiego stopnia pokrycia (patrz mapa). Wpływ ukierunkowania i nachylenia Maksymalne uzyski energii solarnej osiąga się przy ustawieniu kolektorów w kierunku południowym względem linii horyzontu. W praktyce jednak nawet przy nachyleniu w kierunku południowym i południowo zachodnim przy kącie nachylenia między 30-50 nie odnotowuje się znacznego obniżenia efektywności pracy instalacji. Większe odchylenia ukierunkowania zaopatrywania w ciepło wymaga względnie (kierunek wschód, zachód) należy kompensować dużych powierzchni kolektora, by również w okresach przejściowych mógł być zapewniony odpowiedni do potrzeb udział energii słonecznej w przygotowaniu ciepłej wody. W miesiącach letnich powstają w efekcie nadwyżki, tzn. część energii słonecznej nie jest potrzebna w efekcie spada stopień wykorzystania systemu. poprzez zwiększanie powierzchni pola kolektorowego. Uproszczona metoda doboru Przy średnim poziomie zużycia ciepłej wody użytkowej i optymalnym ukierunkowaniu w celu uzyskania stopnia pokrycia zapotrzebowania wynoszącego około 60% należy zastosować kolektor F2 o parametrach około od 1 Wpływ promieni słonecznych Warunki nasłonecznienia uzależnione są od lokalizacji. Typowe wartości promieniowania do 1,5 m² na osobę. Pojemność solarnego podgrzewacza powinna być zaprojektowana na pokrycie zapotrzebowania wody na 1,5 do dwóch dni. Szczecin P³la Gorzów Wielkopolski S³upsk Koszalin Bydgoszcz Gdañsk Grudzi¹dz Toruñ Elbl¹g Suwa³ki Olsztyn Ostro³êka om a Bia³ystok Stopień wykorzystania systemu Definiuje się jako stosunek użytkowej energii cieplnej przekazanej z systemu solarnego do systemu konwekcyjnego do energii słonecznej, która w tym samym czasie została dostarczona do pola kolektorowego instalacji solarnej. W przypadku prostych instalacji do podgrzania ciepłej wody wyposażonej w jeden zasobnik stopień wykorzystania systemu dotyczy w rzeczywistości energii cieplnej wprowadzonej z systemu solarnego do tego zasobnika. Zielona Góra Legnica Jelenia Góra Poznan Leszno Wa³brzych K³odzko Wroclaw Kalisz Skierniewice LódŸ Opole Konin Sieradz W³oc³awek Katowice P³ock Czestochowa Krakow Warszawa Radom Kielce Tarnobrzeg Siedlce Bia³a Podlaska Pu³awy Che³m Lublin Zamoœæ Rzeszów Stalowa Wola 990 1040 1022 kwh/m 2 Bielsko- Biala Tarnow Nowy S¹cz Krosno Przemyœl 3
DOBÓR - WYMIAROWANIE Nomogram do doboru systemu solarnego firmy Roth przeznaczonego do podgrzania wody użytkowej za pomocą kolektora płaskiego F2 Zu ycie wody na osobê i dzieñ Pojemnoœæ zbiornika Stopieñ pokrycia Osoby Punkt wyjœcia po³udnie Ukierunkowanie Liczba sztuk Powierzchnia brutto w m 2 pó³noc Lokalizacja K¹t nachylenia Liczba kolektorów Roth F2 Dla szybkiego doboru można skorzystać z powyższego nomogramu. Umieszczono na nim najważniejsze parametry decydujące o wielkości instalacji. Rozpoczynając od liczby osób kierując się czerwoną strzałką przykład do 4 osób zaznaczono czerwoną linię pionowo w górę. W punkcie przecięcia z osią jednostkową zapotrzebowania dziennego wykreślono poziomą linię w kierunku linii niebieskiej pojemność zasobnika. Przesuwając się dalej w punkcie przecięcia linii pomocniczej z prostą oczekiwanego stopnia pokrycia odznacza się linią pionową w kierunku prostych opisujących lokalizację instalacji. Następnie odszukuje się planowane ukierunkowanie i nachylenie pola kolektorowego. Linia pomocnicza kończy się na prostej określającej liczbę niezbędnych kolektorów. Kierunek odczytu na przykładzie 4-osobowego gospodarstwa domowego o średnim zapotrzebowaniu na ciepłą wodę, lokalizacja: miasto Hanower, kierunek południowy kolektorów przy nachyleniu dachu 45 Roczne œrednie wartoœci napromieniowania s³onecznego w kwh/m2 1150-1200 1100-1150 1050-1100 1000-1050 950-1000 900-950 4
OBLICZENIE oraz dobór pompy Odpowiednio do liczby kolektorów oraz planowanej średnicy orurowania instalacji mnoży się jednostkową stratę ciśnienia przez liczbę metrów rury w obiegu instalacji solarnej. Wynik nanosi się do tabeli nr 1. W tabeli nr 2 oblicza się straty ciśnienia obejmujące pole kolektora i stację solarną. Wartości oporności pola kolektorowego wynikają z liczby kolektorów i ich rozmieszczenia (szeregowe, równoległe) oraz straty ciśnienia pojedynczego kolektora. W oparciu o całkowitą sumę wyznaczonych powyżej strat ciśnienia należy następnie wykorzystując charakterystyki hydrauliczne pompy stacji solarnej wyznaczyć rzeczywisty punkt jej pracy. Optymalną efektywność działania pompa osiaga pracując na drugim biegu. W przypadku gdy odczytana wysokość podnoszenia pompy będzie zbyt mała należy skorygować wcześniejszy założony sposób połączenia kolektorów w pole (zastąpić szeregowe połączenie kolektorów układem równoległym) lub zwiększyć średnicę orurowania instalacji. Maksymalna wysokość podnoszenia Pompa Wysokość pompowania [m] Wysokość pompowania [m] przy 280l/h przy 500l/h RS 25/6 Stopień 1 1,8 1,2 Stopień 2 4,0 3,5 Stopień 3 5,8 5,5 w rurze (tabela nr 1) Liczba Kolektor płaski F1 Roth Przepływ L/h Rura miedziana (CU) DN w odniesieniu do 40% mieszaniny glikolu z wodą /m (mws) Długość rury m 2 w rzędzie 120 12 400 (0,040) x = 2 w rzędzie 120 15 180 (0,018) x = 3 w rzędzie 180 15 250 (0,025) x = 3 w rzędzie 180 18 100 (0,010) x = 4 w rzędzie 240 18 150 (0,015) x = 5 w rzędzie 300 22 80 (0,008) x = 4 2x2 w rzędzie 240 18 150 (0,015) x = 6 2x3 w rzędzie 360 22 110 (0,010) x = 6 2x3 w rzędzie 360 28 50 (0,005) x = 8 2x4 w rzędzie 480 22 180 (0,018) x = 8 2x4 w rzędzie 480 28 70 (0,007) x = Dodatek 50% z tytułu strat miejscowych = Straty ciśnienia w kolektorach, stacji solarnej oraz wymienniku ciepła (tabela nr 2) Liczba Kolektor F1 Przepływ L/h kolektory stacja solarna 2 w rzędzie 120 4400 + 250 = 3 w rzędzie 180 10500 + 550 = 4 w rzędzie 240 18000 + 1000 = 5 w rzędzie 300 30000 + 1150 = 6 2x3 w rzędzie 360 10500 + 2200 = 8 2x4 w rzędzie 480 18000 + 4000 = Suma straty ciśnienia = 5
OBLICZENIE Pojemność instalacji solarnej, ochrona przed zamarzaniem, przeponowe naczynie wzbiorcze. Pojemność instalacji, ochrona przed zamarzaniem, przeponowe naczynie wzbiorcze. W celu określenia pojemności naczynia wzbiorczego i ustalenia niezbędnej ilości czynnika zabezpieczającego instalację solarną przed zamarzaniem należy wyznaczyć całkowitą pojemność instalacji. Wyznacza się ją poprzez sumowanie pojemności zastosowanych kolektorów, orurowania instalacji i wymiennika zabudowanego w zasobniku solarnym. Dodatkowo należy uwzględnić pojemność tzw. poduszki zabezpieczającej tj. wstępnej zawartości czynnika grzewczego będącej minimalną wymaganą objętością czynnika w naczyniu wzbiorczym w najniższej temperaturze. Jej obliczeniowa wartość powinna wynosić 0,5 % pojemności instalacji, lecz nie mniej niż 3 litry. W celu ustalenia ilości czynnika zabezpieczającego przed zamarzaniem użytego do sporządzenia 40% wodnego roztworu mnoży się całkowitą pojemność instalacji przez współczynnik 0,4. (Uwaga: zawsze kontrolować rzeczywiste stężenie mieszanki!) Pojemność użytkową naczynia wzbiorczego określa się w oparciu o współczynnik rozszerzalności cieplnej czynnika grzewczego w instalacji solarnej wynoszącego około 0,8 % jego pojemności β = 0,08) oraz objętość par tego czynnika mogących powstać w pozostających w stanie stagnacji kolektorach. Przy ustaleniu ilości par poza pojemnościami kolektorów należy uwzględnić także pojemność orurowania instalacji po stronie zasilania (wyjście z pola kolektorowego) aż do wysokości dolnej jego krawędzi, jak również pojemność przewodów połączeniowych pomiędzy poszczególnymi kolektorami. Taka ustalona pojemność naczynia wzbiorczego nie jest jednak jego pojemnością znamionową. Ta uzależniona jest bowiem od wielkości ciśnienia napełnienia instalacji i ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa. Przy wysokości ciśnienia statycznego poniżej 15 m, ciśnienie napełnienia instalacji winno wynosić 2 bar. Ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa zabudowanego w stacji solarnej firmy Roth wynosi 6 bar. W takim przypadku znamionowa pojemność naczynia wzbiorczego jest około dwukrotnie większa od pojemności użytkowej. w rurze (tabela nr 1) Pojemność (objętość) urządzenia Pojemność kolektora 1,15l x (liczba) kolektorów = l Rura miedziana CU 12x1 0,08l/m x Metr rury = l Rura miedziana CU 15x1 0,13l/m x Metr rury = l Rura miedziana CU 18x1 0,20l/m x Metr rury = l Rura miedziana CU 22x1 0,31l/m x Metr rury = l Rura miedziana CU 28x1,5 0,50l/m x Metr rury = l Rura miedziana CU 32x1,5 0,80l/m x Metr rury = l Pojemność wymiennika ciepła 1 zabudowanego w zasobniku = l Poduszka zabezpieczająca = 3 l Całkowita objętość (pojemność) = l Potrzebna ilość płynu solarnego F1 firmy Roth Ochrona przeciwmrozowa do -19 C, 40% wodny roztwór glikolu propylenowego Całkowita pojemność instalacji x 0,4 = l Pojemność użytkowa naczynia naczynia wzbiorczego 1. Rozszerzalność czynnika grzewczego o około 8% Całkowita pojemność instalacji x 0,08 = l 2. Objętość pary Pojemność kolektora 1,15 l x... (liczba) kolektorów = l Pojemność zasilających przewodów rurowych (rur) powyżej dolnej krawędzi kolektora = l Suma objętości rozszerzalnościowej = Znamionowa pojemność naczynia wzbiorczego 2 Pojemność użytkowa naczynia wzbiorczego x 2 = l 1 patrz: dane katalogowe zasobnika 2 przy ciśnieniu statycznym 1,5 barów, ciśnieniu napełnienia instalacji 2 bary i ciśnieniu otwarcia zaworu bezpieczeństwa 6 barów Uwaga: Powyższe wyliczenia dotyczą wyłącznie tych parametrów. W innych przypadkach należy zaczerpnąć informacji. ROTH POLSKA Sp. z o.o. ul. Dekoracyjna 1c 65-722 Zielona Góra tel. +48 68 320 20 72 fax: +48 68 325 94 38 e-mail: service@roth-polska.com www.roth-polska.com