System ogrzewczy domu jednorodzinnego wykorzystujący energię słoneczną akumulowaną w złożu ceramicznym w cyklu całorocznym

Podobne dokumenty
Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody. Energia słoneczna do napędu urządzeń klimatyzacyjnych

Obliczenie natężenia promieniowania docierającego do powierzchni absorpcyjnej

Projektowanie systemów WKiCh (03)

Jak zbudować dom poradnik

całkowite rozproszone

Laboratorium z Konwersji Energii. Kolektor słoneczny

Program BEST_RE. Pakiet zawiera następujące skoroszyty: BEST_RE.xls główny skoroszyt symulacji RES_VIEW.xls skoroszyt wizualizacji wyników obliczeń

Wymaganie do spełnienia przez budynek energooszczędny: Obliczenia i sposób ich prezentacji w projekcie jest analogiczny do pkt 3!!!

Jaką moc cieplną uzyskuje kolektor słoneczny?

Analiza działania kolektora typu B.G z bezpośrednim grzaniem. 30 marca 2011

Wpływ sposobu ogrzewania na efektywność energetyczną budynku

Budownictwo pasywne i jego wpływ na ochronę środowiska. Anna Woroszyńska

R = 0,2 / 0,04 = 5 [m 2 K/W]

Informacja o pracy dyplomowej

Zasada działania jest podobna do pracy lodówki. Z jej wnętrza, wypompowywuje się ciepło i oddaje do otoczenia.

Informacja dla mieszkańców zainteresowanych udziałem w projekcie montażu odnawialnych źródeł energii

Obliczenia wstępne i etapy projektowania instalacji solarnych

Efektywna Energetycznie Stolarka Okienna. pasywnej w Budzowie. dr arch. Agnieszka Cena Soroko Dolnośląska Agencja Energii i Środowiska

SZKOLENIE podstawowe z zakresu słonecznych systemów grzewczych

Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła dla przegrody płaskiej

Projekt: Poprawa jakości powietrza poprzez zwiększenie udziału OZE w wytwarzaniu energii na terenie Gminy Hażlach

AUDYT NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO

Dwutaryfowe, akumulacyjne chłodzenie sufitowe - modelowanie wydajności w programie Akufilbet

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

1. Obliczenie zapotrzebowania na moc i ciepło na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej

Pompy ciepła

Źródła energii nieodnawialne, czyli surowce energetyczne, tj. węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, torf, łupki i piaski

Wnikanie ciepła przy konwekcji swobodnej. 1. Wstęp

- stosunek kosztów eksploatacji (Coraz droższe paliwa kopalne/ coraz tańsze pompy ciepła)

Spis treści. 4. WYMIANA POWIETRZA W BUDYNKACH Współczynnik przenoszenia ciepła przez wentylację 65

Spotkanie informacyjne Instalacje solarne Pompy ciepła Fotowoltaika

ZUŻYCIE ENERGII DO OGRZEWANIA LOKALU W BUDYNKU WIELORODZINNYM. Paweł Michnikowski

Dziennik Ustaw 31 Poz WYMAGANIA IZOLACYJNOŚCI CIEPLNEJ I INNE WYMAGANIA ZWIĄZANE Z OSZCZĘDNOŚCIĄ ENERGII

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA. Poszukiwanie optymalnej średnicy rurociągu oraz grubości izolacji

OCENA OCHRONY CIEPLNEJ

Przygotowanie danych do świadectwa i charakterystyki energetycznej budynku

KOLEKTORY SŁONECZNE PODSTAWOWE INFORMACJE

BADANIE WYMIENNIKA CIEPŁA TYPU RURA W RURZE

PN-B-02025:2001. temperaturze powietrza wewnętrznego =20 o C, mnożnikach stałych we wzorach,

Sposób na ocieplenie od wewnątrz

5.5. Możliwości wpływu na zużycie energii w fazie wznoszenia

Symulacja działania instalacji z pompą ciepła za pomocą WP-OPT Program komputerowy firmy WPsoft GbR, Web: info@wp-opt.

Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Prezentacja IV Potwierdzenie spełnienia wymagań Programu przez projekt budowlany

Zintegrowane projektowanie energetyczne jako narzędzie poprawy efektywności energetycznej jednorodzinnych budynków mieszkalnych

Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Prezentacja IV Potwierdzenie spełnienia wymagań Programu przez projekt budowlany

Instalacje z kolektorami pozyskującymi energię promieniowania słonecznego (instalacje słoneczne)

Czy możliwe jest wybudowanie w Polsce domu o zerowym lub ujemnym zapotrzebowaniu na energię?

SYSTEMY KLIMATYZACJI BUDYNKÓW ZASILANE ENERGIĄ PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

PROJEKT TERMOMODERNIZACJI BUDYNKU ZAKRES I OCZEKIWANE REZULTATY PLANOWANYCH DZIAŁAŃ, ANALIZA UWARUNKOWAŃ I OGRANICZEŃ

Systemy solarne Systemy pasywne w budownictwie

WYKORZYSTANIE METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH W MODELOWANIU WYMIANY CIEPŁA W PRZEGRODZIE BUDOWLANEJ WYKONANEJ Z PUSTAKÓW STYROPIANOWYCH

Systemy hybrydowe PVT

Charakterystyka energetyczna budynku. LK&1083

metoda obliczeniowa Oceniany budynek EU = 49,23 kwh/(m 2 rok) EP = 173,51 kwh/(m 2 rok) /(m 2 rok)

PRZEGLĄD NOWOCZESNYCH TECHNOLOGII OZE ŹRÓDŁA ENERGII CIEPLNEJ. Instalacje Pomp Ciepła Instalacje Solarne

EKRAN 5. Zyski ciepła wg rozporządzenia [1]

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

Porównanie kolektora płaskiego i próżniowego.

Analiza wymiany ciepła w przekroju rury solarnej Heat Pipe w warunkach ustalonych

Przewodzenie ciepła oraz weryfikacja nagrzewania się konstrukcji pod wpływem pożaru

Charakterystyka energetyczna budynku. LK&521

WPŁYW ODZYSKU CIEPŁA NA DZIAŁANIE URZĄDZENIA CHŁODNICZEGO

Średnie miesięczne temperatury powietrza dla sezonu ogrzewczego wentylacji

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

ZrównowaŜony rozwój budynki przyszłości czyli Model Homes 2020 VELUX/MKK/BRANDING DENMARK/

POMPA CIEPŁA DO CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ Z 200 l ZASOBNIKIEM C.W.U. I JEDNĄ WĘŻOWNICĄ

Sposób przygotowania świadectwa: metodologia, podstawowe wzory i założenia

BADANIE SPRĘŻARKOWEJ POMPY CIEPŁA

Którędy budynki tracą ciepło?

Solar. Rurowe kolektory próżniowe ENERGIA SŁONECZNA DLA KOMFORTU CIEPŁA. Ciepło, które polubisz

Pompy ciepła - układy hybrydowe

Wentylacja z odzyskiem ciepła elementy rekuperacji

Dom.pl Domy szkieletowe: szczelność powietrzna w szkieletowych domach drewnianych

Instrukcja stanowiskowa

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

Dom.pl Zanim kupisz nowe okna, sprawdź, co oznaczają najważniejsze parametry okien

Charakterystyka energetyczna budynku. LK&952

OGRZEWANIE BUDYNKÓW GRUNTOWĄ POMPĄ CIEPŁA MARKI DIMPLEX

Fizyka cieplna budowli w praktyce : obliczenia cieplno-wilgotnościowe / Andrzej Dylla. Warszawa, cop Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń

Ocena Projektu Budowlanego Szkoły Pasywnej w Siechnicach.

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

Czy wiesz, że 1% energii na świecie zużywany jest na chłodzenie serwerowni?

Wykorzystanie energii słonecznej

Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych

Zastosowane technologie i praktyczne doświadczenia użytkownika budynku pasywnego

budownictwo niskoenergetyczne

Okna w nowobudowanych domach - co zmieni się od 2014 roku?

DOM ENERGOOSZCZĘDNY PROJEKT INFORMACYJNO-EDUKACYJNY PROMUJĄCY BUDOWNICTWO ENERGOOSZCZĘDNE I EKOLOGICZNE WŚRÓD MIESZKAŃCÓW GMINY PSARY

Poprawa efektywności energetycznej i ekonomicznej na przykładzie zakładu metalurgicznego

Ważny od do odwołania

Projektowana charakterystyka energetyczna budynku

Regionalny Program Operacyjny Województwa Podlaskiego na lata Oś Priorytetowa V. Gospodarka niskoemisyjna

Klimatyzacja & Chłodnictwo (2)

CHARAKTERYSTYKA ENERGETYCZNA BUDYNKU

Podgrzewanie wody basenowej kiedy pompa ciepła, a kiedy kolektory słoneczne?

Zestaw Solarny SFCY

Materiały edukacyjne dla doradców Na podstawie projektu gotowego z kolekcji Muratora M03a Moje Miejsce. i audytorów energetycznych

Energia Słońca. Andrzej Jurkiewicz. Energia za darmo

Letni komfort. z mineralną wełną szklaną URSA. Stockbyte/Thinkstock

Transkrypt:

System ogrzewczy domu jednorodzinnego wykorzystujący energię słoneczną akumulowaną w złożu ceramicznym w cyklu całorocznym Model matematyczny i wyniki wstępne OGRZEWNICTWO Dr inż. JACEK KASPERSKI MAGDALENA DANIELSKA Wydział Mechaniczno-Energetyczny Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechnika Wrocławska Systemy słonecznego dogrzewania powietrza w pomieszczeniach sprawne są w klimacie Polski jedynie w okresie wiosny i jesieni a akumulowanie pozyskanego ciepła jest znikome. W artykule przedstawiono ogólną koncepcję systemu ogrzewania domu jednorodzinnego z całoroczną akumulacją ciepła w suchym złożu ceramicznym. Po analizie możliwych wariantów pracy systemu opracowano jego algorytm obliczeniowy a następnie model matematyczny i program obliczeniowy. Przeprowadzono kilka serii obliczeń o charakterze wstępnym. Obliczenia oparto na modelu promieniowania słonecznego charakterystycznego dla klimatu Wrocławia oraz jego średniomiesięcznej temperatury powietrza. PROMIENIOWANIE słoneczne od wieków wykorzystywane było przez ludzi do ogrzewania wody i budynków. Również w obecnych czasach przy stawianiu domów bierze się pod uwagę rozmieszczenie takich elementów, jak drzwi i okna w zależności od warunków otoczenia, w tym także nasłonecznienia (gdy dąży się do maksymalnego wykorzystania padających promieni słonecznych). Powszechnie znana jest konstrukcja Trombe a, której ogromną zaletą jest możliwość wykorzystania jej do celów klimatyzacyjnych w okresie letnim przez odpowiednie otwarcie dodatkowych kanałów i zasysanie zimnego powietrza z północnej zacienionej ściany lub z gruntowego wymiennika ciepła. Także popularnym w Polsce rozwiązaniem pasywnego systemu ogrzewania jest układ zaproponowany przez Balcomba, w którym zastosowana jest szklana weranda. Rozwój jednak idzie dalej i zaczęto już odchodzić od prób zmian konstrukcyjnych budynków skupiając się raczej na ulepszaniu układów umożliwiających pozyskanie energii promieniowania słonecznego kolektorach. Współczesne techniki grzewcze wykorzystujące kolektory słoneczne najczęściej koncentrują się na wytwarzania c.w.u. Typowo, stosowane są kolektory płaskie, które zdolne są do osiągania stosunkowo niewysokiej temperatury w najlepszym tylko przypadku przekraczającej 100 o C. Rzadkością są kolektory skupiające, które pozwalają osiągnąć temperaturę znacznie wyższą. Podobnie nietypowe są solarne systemy klimatyzacyjne lub choćby wspomaganie ogrzewania pomieszczeń. Systemy dogrzewania powietrza w klimacie Polski sprawne są jedynie w okresie wiosny i jesieni, zimą bowiem natężenie promieniowania słonecznego jest zbyt małe. Akumulowanie pozyskanego ciepła zwyczajowo ograniczone jest do kilku godzin lub dni. Ograniczenie to wynika głównie ze znacznych rozmiarów akumulatora ciepła, jego funkcję przejmuje najczęściej masa ścian budynku o ile został on wykonany w technologii ciężkiej (murowanej i/lub betonowej). Ogólna koncepcja systemu grzewczego Technologie wykorzystywania energii promieniowania słonecznego do celów grzewczych lub klimatyzacyjnych znajdują szerokie zastosowanie dopiero gdy można je adaptować do w miarę dowolnego budynku. Aby było to możliwe, rozmiary urządzeń muszą być na tyle niewielkie aby nie stwarzały problemów transportowych, montażowych oraz aby nie dekomponowały architektonicznie budynku. Autorzy niniejszego artykułu założyli odmienne podejście do zagadnienia architektury budynku i systemu ogrzewczego mogą się one istotnie ze sobą przeniknąć. Koncepcję systemu ogrzewczego dla domu jednorodzinnego z całoroczną akumulacją ciepła oparto na ścisłej współpracy dwóch elementów: suchego złożu ceramicznego oraz skupiającego, nadążnego kolektora słonecznego, służącego do nagrzewania złoża. Nośnikiem ciepła jest gorące powietrze o temperaturze mogącej osiągać kilkaset C. Znaczne rozmiary izolowanego cieplnie złoża oraz współpracującego z nim ruchomego kolektora wymuszają swoistą architekturę budynku, zdecydowanie podporządkowaną wymaganiom technicznym systemu ogrzewczego. Ogólną budowę opisywanego obiektu przedstawiono na rys. 1. Centralną część budynku stanowi Rys. 1. Ogólna koncepcja domu jednorodzinnego z akumulacyjnym złożem ceramicznym zasilanym z jednopłaszczynowo-nadążnego, skupiającego kolektora słonecznego CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 5/2008 23

złoże w kształcie sześcianu o boku rzędu kilku metrów wypełnione cegłami. Cegły ustawione są w formie ażurowego stosu aby umożliwić przepływ powietrza. Złoże o znacznych rozmiarach i wysokiej temperaturze wymaga również znacznej ilości izolacji cieplnej np. wełny szklanej lub mineralnej. Przestrzeń mieszkalna obudowana zostałaby pierścieniowo wokół centralnie usytuowanego złoża (rys. 2) po to, aby w sezonie grzewczym przekazywać do pomieszczeń także ciepło przenikające przez izolację. Skupiający kolektor słoneczny pozwala na ogrzewanie powietrza do wysokiej temperatury. Poziom uzyskiwanej temperatury wynika głównie z bieżącej gęstości bezpośredniego promieniowania słonecznego oraz stopnia koncentracji lustra. Wymagany stopień koncentracji z zakresu 10 100 zrealizować można [1] za pomocą liniowych luster parabolicznych z pionowa lub nachyloną osią obrotu. Kolektory nadążne wykonywać mogą wiele wariantów ruchu, co było już przedmiotem wcześniejszych analiz jednego z autorów [2], w których akcentowano użyteczność kolektora z nachyloną osią obrotu. Prostota realizowanego w ten sposób ruchu obrotowego pozwala na centralne, nieruchome usytuowanie absorbera i wykonywanie jedynie obrotu lustra, co w znakomity sposób ułatwia zachowanie szczelności nośnika ciepła, w tym przypadku powietrza płynącego wewnątrz użebrowanego absorbera. Optymalnym usytuowaniem tak działającego kolektora jest azymut południowy, z zachowaniem, w miarę dobrej, widoczności słońca w kierunkach od wschodu do zachodu, które dla czytelności oznaczono na rys. 1. Lustro skupiające kolektora powinno mieć rozmiary zbliżone do rozmiarów samego złoża w przybliżeniu kilku metrów wysokości/długości i szerokości. Wokół lustra należy zbudować galerię szklaną chroniącą instalację przed uszkodzeniami spowodowanymi silnym wiatrem i opadami atmosferycznymi. Konstrukcja galerii powinna zostać podporządkowana dużej przepuszczalności promieniowania słonecznego, nie jest to więc konstrukcja standardowa wymaga bowiem specjalnych gatunków szkła oraz pojedynczej tafli szyb. Struktura przestrzeni mieszkalnej owiniętej wokół złoża (rys. 2) nie była jeszcze na tym etapie przedmiotem optymalizacji, wskazać należy jednak, że uzyskiwane przez system wydajności grzewcze nie będą zbyt duże i zbliżone raczej do kilku kw. Należy więc przewidywać zastosowanie dobrej izolacji ścian i okien oraz systemu odzysku ciepła z wentylacji w analogii do technologii budownictwa niskoenergetycznego. Przewidywana powierzchnia mieszkalna to około 100 150 m 2. Rys. 3. Sposób pracy analizowanego systemu grzewczego uzależniony jest od chwilowego promieniowania słonecznego: a) duża, b) średnia, c) mała gęstość promieniowania lub noc Warianty współpracy kolektora ze złożem Wstępna analiza możliwych wariantów pracy systemu grzewczego wykazała, że wyodrębnić można trzy podstawowe tryby pracy, zobrazowane na rys. 3. W przypadku dużej gęstości promieniowania słonecznego możliwe jest osiąganie wysokiej temperatury powietrza a więc i nagrzewanie (doładowywanie) złoża. Gdy promieniowanie słoneczne jest mniejsze, może ono już nie pozwalać na osiągnięcie temperatury wyższej niż bieżąca temperatura złoża ale wystarcza jeszcze do bezpośredniego nagrzewania pomieszczeń mieszkalnych. Podczas dni o bardzo małej gęstości promieniowania lub podczas nocy kolektor osiąga zbyt małą temperaturę i ciepło niezbędne do ogrzewania pomieszczeń pobierane będzie (rozładowywane) ze złoża akumulacyjnego. Oprócz zamierzonego rozładowywania złoża, przez izolację złoża nieustannie przenika pewien strumień ciepła do przylegających pomieszczeń, podobnie pewien strumień ciepła odpływa ze złoża w kierunku gruntu, a także z absorbera kolektora do powietrza w galerii szklanej. Opracowanie algorytmu obliczeniowego wymagało szczegółowej analizy przepływu strumieni ciepła między poszczególnymi elementami systemu. Ich wzajemną współpracę pokazano na rys. 4, gdzie poszczególne strumienie ciepła oznaczono indeksami numerowymi co ułatwiło późniejsze prace obliczeniowe. Warto zaznaczyć, że poszczególne strumienie ciepła zależą od parametrów zewnętrznych, m.in. poziomu temperatury otoczenia, pory roku i pory dnia a więc od danych klimatycznych. Dla przykładu: strumień strat ciepła (indeks 6) z pomieszczeń do otoczenia wyznacza potrzeby grzewcze budynku i dla miesięcy letnich zanika lub przyjmuje wartość ujemną. Wartości bieżącej gęstości promieniowania słonecznego obliczano już za pomocą wcześniej opracowanego przez jednego z autorów programu Solarsym [3]. Opisany model obliczeniowy promieniowania został potwierdzony dla danych pomiarowych wrocławskiej stacji aktynometrycznej U.Wr, przez co można go uznać za poprawny dla klimatu Wrocławia i okolic. Temperaturę otoczenia dla budynku Rys. 2. Przestrzeń mieszkalna domu otacza złoże akumulacyjne co pozwala na wykorzystywanie ciepła przenikającego przez osłony izolacyjne złoża Rys. 4. Graficzna reprezentacja struktury przepływu wielu strumieni ciepła między elementami systemu grzewczego 24 CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 5/2008

definiowano przyjmując średnie miesięczne wartości wynikające z danych pomiarowych dla Wrocławia za ostatnie lata. Algorytm obliczeniowy i model numeryczny Współpraca elementów systemu cieplnego wymaga uwzględnienia stanów nieustalonych poszczególnych jego elementów. Na zjawisko to wpływa głównie pojemność cieplna składników i w tym kontekście należy zauważyć, że zdecydowanie największą pojemność ma tu złoże. O rząd mniejszą pojemność ma sama konstrukcja budynku zaś o kilka rzędów mniejszą pojemność sam absorber kolektora. Pewną nieustaloność procesu powoduje także skończona wielkość przepływu powietrza i powodowane tym opóźnienie transportowe. Ze względu na prostotę oraz łatwość oprogramowania modelu obliczeniowego postanowiono potraktować złoże jako jedyny element zależny od pozostałych poziomów temperatury, strumieni ciepła i od bieżącego czasu. W formie zapisu matematycznego, zmiana temperatury złoża jako głównego elementu bilansowego: δ t δτ zlo = f ( q 1, q 2,..., q n,...) daje się określać zbiorem równań opisujących warunki wymiany ciepła na poszczególnych elementach systemu cieplnego. W przypadku złoża uwzględniono jego rozmiary, gęstość i ciepło właściwe cegieł, ich względne wypełnienie objętości złoża, warunki wnikania ciepła od powietrza, grubość i współczynnik przewodzenia ciepła izolacji cieplnej. Aby uchronić złoże i izolację cieplną przed zniszczeniem założono pewien maksymalny poziom temperatury złoża (400 C). W przypadku kolektora uwzględniono geometrię swobody jego ruchu, rozmiary lustra, jego stopień koncentracji i współczynnik refleksyjności. Proces absorbowania promieniowanie słonecznego uwzględniał współczynnik transmisyjności szyb galerii, szkła osłony próżniowej absorbera oraz jego współczynnik emisyjności na powierzchni zewnętrznej oraz stopień ożebrowania i współczynnik wnikania ciepła do powietrza wewnątrz rury. Wymiana ciepła między złożem a pomieszcze- Rys. 5. Algorytm obliczeniowy programu służącego do modelowania systemu ogrzewczego (1) Rys. 6. Przebieg zmian temperatury złoża i absorbera dla przykładowych trzech kolejnych dni roku niami wynikała z opisanej już wcześniej izolacji złoża, podobnie uwzględniono także straty ciepła ze złoża do gruntu pod budynkiem. Obciążenie cieplne systemu grzewczego wynikające ze strat ciepła na izolacji przegród budowlanych oraz wentylacji bytowej opisano jako zależność liniową względem chwilowej różnicy temperatury. Definiowano jedynie nominalną wydajność grzewczą dla temperatury zewnętrznej równej 0 C, natomiast dla innych wartości temperatury otoczenia wydajność grzewcza obliczana była jako proporcjonalna do różnicy temperatur. Oprócz zbioru równań dotyczących procesów wymiany ciepła w skład modelu obliczeniowego włączono opisany wcześniej (rys. 3, 4) algorytm zwrotnicowania strumieni ciepła w zależności od bieżącego stanu systemu grzewczego. Algorytm w postaci przydatnej do obliczeń numerycznych przedstawiono graficznie na rys. 5. Model obliczeniowy przetworzono następnie do postaci programu numerycznego pozwalającego na wygodne prowadzenie prac analitycznych. Typowa procedura obliczeniowa polegała na zadaniu wybranych parametrów systemu cieplnego, wybraniu kroku czasowego (1 30 min) całkowania i wykonaniu pełnego, rocznego cyklu obliczeniowego. Wyniki symulacyjnych obliczeń temperatury złoża i absorbera wykonane dla trzech dni kwietnia pokazano na rys. 6. Na wykresie kolorem czerwonym zaznaczono temperaturę powierzchni wewnętrznej absorbera nagrzewającego powietrze. Kształt wykresu tej zmiennej wynika z pory dnia i bieżących zależności geometrycznych położenia kolektora względem kierunku padania promieni słonecznych. W okresie zwiększonego pochłaniania tego promieniowania widoczny jest przyrost temperatury (ładowanie) złoża, pomiędzy tymi okresami widoczne jest jego powolne rozładowywanie. Ponieważ układ danych do modelu obliczeniowego wymaga założenia poprawnej temperatury złoża akumulacyjnego na dzień 1 stycznia, niezbędne jest iteracyjne wykonanie kilku cykli obliczeniowych aby ustalić właściwą wartość tej temperatury powinna ona zamykać się w pętli obliczeniowej z wartością wyliczaną na koniec roku. W praktyce, dla założonej mocy grzewczej budynku mieszkalnego wystarcza tu kilkakrotne przeprowadzenie pełnego cyklu obliczeń. Dodatkowej iteracji, zewnętrznej względem opisanej wymaga ustalenie poprawnej wielkości mocy grzewczej. Jako kryterium poprawności uznano tu najniższą temperaturę złoża, jaką w modelowym klimacie osiągnąć może ono w styczniu, lutym lub marcu w zależności od przyjętych założeń systemu cieplnego. Dla zapewnienia warunków minimum wymiany ciepła określono, że temperatura złoża nie powinna spadać poniżej 50 C co uznawano za rozładowanie cieplne. Jako ogranicznik temperatury złoża przyjmowano poziom 400 C, który można osiągnąć jedynie w okresie sezonu letniego. Dopiero wykonanie podwójnej pętli opisanych obliczeń iteracyjnych pozwala wyznaczyć możliwości grzewcze systemu cieplnego. CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 5/2008 25

Rys. 7. Przebieg zmian temperatury złoża akumulacyjnego dla wariantu z pionową osią obrotu kolektora Wstępne wyniki obliczeniowe Wstępne obliczenia modelowe przeprowadzono dla wariantu budynku z pionową osią obrotu kolektora. Założono rozmiary złoża 4 4 4 m wypełnionego w 80% objętości cegłami, z 100 cm warstwą wełny mineralnej jako izolacją cieplną. Założono 40-krotną koncentrację promieniowania słonecznego na kolektorze o rozmiarach lustra 4 5 m w świetle. Obliczenia wykazały, że nominalna (dla otoczenia o temperaturze 0 C) wydajność grzewcza wyniosłaby około 3,4 kw. Przebieg zmian temperatury dla takiego obciążenia cieplnego zobrazowano na rys. 7 czerwoną linią. Złoże obciążane większą, nominalną wydajnością grzewczą obniża swoją temperaturę poniżej poziomu 50 C, już w okresie pierwszych miesięcy roku (np. dla wydajności 3,4 kw w okresie końca marca). Złoże obciążane mniejszą wydajnością grzewczą nagrzewa się do wyższej, choć należy zaznaczyć, że jednak ograniczonej temperatury. Za zjawisko to odpowiada niski poziom koncentracji lustra oraz stały upływ ciepła przez przegrody izolacyjne złoża. Modyfikacja pochylenia kolektora Uzyskiwane wartości mocy grzewczej w znacznym stopniu zależą od specyfiki ruchomości kolektora, np. od wartości kąta nachylenia kolektora do podstawy. Kolektor o pionowej osi obrotu, prezentowany na rys. 1 w znakomity sposób upraszcza konstrukcję szklanej galerii osłonowej oraz ułatwia utrzymanie jej w czystości (kurz, deszcz, śnieg). Kolektor o nieco odmiennej konstrukcji, a mianowicie o stałym kącie pochylenia w kierunku północnym, wraz z dostosowaną do niego galerią szklaną pokazano na rys. 8. Kąt stałego nachylenia kolektora można ustalić na różnym poziomie, w przypadku nieruchomych, cieczowych kolektorów płaskich za optymalny uznaje się kąt około 40 o. Rys. 9. Przebieg zmian temperatury złoża akumulacyjnego dla wariantu z kolektorem słonecznym o osi obrotu nachylonej do podstawy o kąt 50 o Przyjęcie takiej wielkości jest o tyle niepoprawne, że wartość tego kąta wyznaczana jest przy założeniu wykorzystania zarówno bezpośredniego jak i rozproszonego promieniowania słonecznego na stałej (nieruchomej) płaszczyźnie absorbującej. Wstępne analizy przeprowadzone programem obliczeniowym wykazały, że optymalny kąt nachylenia ruchomego kolektora wynosi w przybliżeniu około 50 o a osiągana wydajność cieplna systemu wzrasta wtedy o około 8% względem wydajności kolektora pionowego. Przebieg zmian temperatury złoża dla kolektora o pochylonej osi obrotu pokazano na rys. 9. Porównanie wyników osiągniętych w wariancie z kolektorem o pionowej i nachylonej osi obrotu pokazuje, że oprócz samych wartości temperatury zmienia się również nieco profil roczny zmian (zwłaszcza w okresie wiosny). Wpływ stopnia koncentracji lustra Stopień koncentracji promieniowania zależy, m.in. od wielkości (średnicy) rury absorbera dzięki czemu absorber o mniejszej średnicy osiąga większe stopnie koncentracji. Wzrost koncentracji nie jest jednak dowolny, natrafia się tu bowiem na ograniczenia spowodowane niestarannością wykonania profilu zakrzywienia lustra i zaburzeniami na jego powierzchni. Zjawiska te nie zależą od parametrów termodynamicznych systemu cieplnego, ale od technologii i staranności warsztatowej wykonania kolektora. Stopień koncentracji lustra ma jednak istotny wpływ na pracę systemu cieplnego co wyznaczono kolejnym eksperymentem obliczeniowym. Porównanie pracy systemu cieplnego z kolektorami o stopniu koncentracji od 10 do 100 pokazuje, że poziom wydajności cieplnej systemu osiągać może aż 6-krotną różnicę. Większy stopień koncentracji powoduje ogólne podwyższenie wydajności cieplnej, jak również podwyższenie wartości temperatury złoża osiąganej w okresie letnim (rys. 10, 11). Dla wyższych stopni koncentracji algorytm ograniczający górną temperaturę Rys. 8. Wariant domu z jednopłaszczynowo-nadążnym, skupiającym kolektorem słonecznym o nachylonej osi obrotu (w tym przypadku zastosowano kąt 75 o względem podstawy) Rys. 10. Przebieg zmian temperatury złoża akumulacyjnego dla wariantu z kolektorem słonecznym o pionowej osi obrotu i różnym stopniu koncentracji lustra 26 CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 5/2008

Rys. 11. Przebieg zmian temperatury złoża akumulacyjnego dla wariantu z kolektorem słonecznym o osi obrotu nachylonej do podstawy o kąt 50 o i różnym stopniu koncentracji lustra Rys. 12. Zależność wydajności grzewczej systemu cieplnego od stopnia koncentracji lustra złoża powoduje zbliżenie wydajności grzewczej systemu cieplnego dla kolektora z pionową i nachyloną osią obrotu (rys. 12). Wnioski Autorzy przedstawili koncepcję domu jednorodzinnego zintegrowanego z systemem całorocznego, akumulacyjnego ogrzewania pomieszczeń. System grzewczy oparto na współpracy suchego złoża akumulacyjnego z wypełnieniem ceramicznym z nadążnym, skupiającym kolektorem słonecznym. Analiza możliwych wariantów współpracy elementów systemu cieplnego umożliwiła opracowanie algorytm obliczeniowego a następnie modelu matematycznego i programu komputerowego. Za pomocą programu przeprowadzono kilka serii obliczeń o charakterze wstępnym. Obliczenia oparto na modelu promieniowania słonecznego charakterystycznego dla klimatu Wrocławia oraz jego średnio-miesięcznej temperatury powietrza. Wstępne analizy przeprowadzone programem obliczeniowym wykazały, że otrzymywane wartości wydajności grzewczej wynoszą w zależności od przyjętych parametrów 3,5 6 kw przy temp. otoczenia 0 C. Są to wydajności niewielkie ale spotykane w budynkach niskoenergetycznych o dobrej izolacji cieplnej. Przybliżony, optymalny kąt nachylenia kolektora nadążnego wynosi około 50 o, a osiągana wydajność cieplna systemu wzrasta wtedy o 8% względem wydajności z kolektorem o osi pionowej. Porównanie wyników osiągniętych w wariancie z kolektorem o pionowej i nachylonej osi obrotu pokazuje, że oprócz samych wartości obciążenia cieplnego zmienia się również profil roczny zmian temperatury złoża. Porównanie pracy systemu cieplnego z kolektorami o stopniu koncentracji 10 i 100 wykazało, że poziom wydajności cieplnej osiągnąć może aż 6-krotną różnicę. Większy stopień koncentracji powoduje ogólne podwyższenie wydajności cieplnej ale i również temperatury złoża osiąganej w okresie letnim. Dla wyższych stopni koncentracji algorytm ograniczający górną temperaturę złoża powoduje zbliżenie wydajności grzewczej systemu cieplnego dla kolektora z pionową i nachyloną osią obrotu. Opracowany model matematyczny i program obliczeniowy wykazał użyteczność do prowadzenia dalszych analiz. Za pomocą modelu badać można wpływ różnych wariantów konstrukcyjnych systemu grzewczego oraz szukać ew. punktów optymalnej współpracy. Model pozwala przewidywać efekty zastosowania różnych materiałów wypełnienia złoża, technologii izolacji, wariantów swobody ruchu nadążnego kolektora itp. Będzie to tematem dalszych prac autorów. L I T E R A T U R A [1] Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, OWPW, Warszawa 2000 [2] Kasperski J.: Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody w zastosowaniu do napędu urządzeń klimatyzacyjnych, Chłodnictwo & Klimatyzacja 11/2006 [3] Kasperski J., Drzeniecka-Osiadacz A, Lewkowicz M.: Symulacja gęstości promieniowania słonecznego na podstawie aktynometrycznych danych pomiarowe, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 4/2007 Czy wiesz, że... Systemy do klimatyzacji samochodów W Międzynarodowym Salonie Przemysłu Obronnego zorganizowanym w Kielcach od 3 do 6 września br. znalazły się, oprócz typowego sprzętu dla wojska, również eksponaty dla odbiorców niezmilitaryzowanych. Firma WEBASTO z podwarszawskich Łomianek przedstawiła, np. systemy do klimatyzacji autobusów i ciężarówek. Mogą być one zainstalowane w każdym pojeździe o elektrycznym zasilaniu 24 V. Dachowe systemy klimatyzacyjne Compact Cooler 5 oraz Compact Cooler 8 składa- ją się z wentylatorów sterowanych elektronicznie, elektronicznego termostatu i wodnego wymiennika ciepła. Cyrkulacja powietrza następuje przez panel dystrybucji lub kanały powietrza. Systemy mają budowę modułową, umożliwiają szybki i prosty montaż. Duża moc chłodząca i dwuletnia gwarancja producenta, to dodatkowe zalety tej nowości. Wojciech Niemiec CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA nr 5/2008 27