solver catch
the
sun
W Y T Y C Z N E d l a P R O J E K T A N T Ă“ W Projektowanie duĹźych instalacji solarnych
2010
Spis treści 1. Wstęp do projektowania dużych instalacji solarnych
3
1.1. Informacje o dużych systemach solarnych
3
1.2. Elementy systemu solarnego
3
1.3. Wizualizacja systemu solarnego
4
2. Obliczenia projektowe
6
2.1. Wstępne informacje
6
2.2. Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)
7
2.3. Określenie powierzchni kolektorów słonecznych
7
2.4. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym
11
2.5. Wymiary konstrukcji na dach skośny
11
2.6. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim
13
2.7. Wymiary konstrukcji na dach płaski lub płaską powierzchnie
16
2.8. Określenie przepływu przez instalację kolektorów słonecznych
16
2.9. Rodzaje przepływów czynnika obiegowego przez układ solarny
18
2.10. Określenie średnic rur
19
2.11. Wymiarowanie naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej
20
2.12. Opory przepływu w rurociągach
20
2.13. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda
20
2.14. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda
22
3. Uzysk energetyczny dużej instalacji solarnej – symulacja
23
4. Wykresy sprawności i mocy dla poszczególnych kolektorów
25
4.1 Wykresy dla kolektorów G4+
25
4.2 Wykresy dla kolektorów GA4
26
4.3 Wykresy dla kolektora GA5
27
4.4 Wykresy dla kolektor GAK2.0
28
4.5 Wykresy dla kolektor GAK2.5
29
4.6 Wykresy dla kolektor GAK3.0
30
kolektory serii GAK
kolektory serii G, GA
1. Wstęp do projektowania dużych instalacji solarnych
1.1 Informacje o dużych systemach solarnych Instalacje solarne to nie tylko zaopatrywanie domów jednorodzinnych w ciepłą wodę użytkową, to także instalacje na dziesiątki kolektorów dla szpitali, ośrodków sportowych, hoteli oraz innych obiektów o dużym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę. Instalacje tego typu wymagają znacznych nakładów projektowych, pozwaają jednak na wykorzystanie ciepła z zasobów energii odnawialnej przez co wpływa na ochronę klimatu. Niezależnie czy projektujemy małą instalacje solarna dla domu jednorodzinnego czy też dużą instalacje przemysłowych rozmiarów ważne jest aby trzymać się z góry ustalonych wytycznych projektowych. Tylko tak wykonany projekt gwarantuje duże uzyski energetyczne oraz wysoką sprawność całego systemu solarnego.
1.2 Elementy systemu solarnego Duże instalacje solarne są zwykle zaopatrzone w zbiorniki buforowe, które akumulują dostarczoną przez kolektory energię cieplną. Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat typowej instalacji solarnej.
Rys.1 - Schemat dużej instalacji solarnej
3
Energia słoneczna, która dociera do kolektorów słonecznych jest w nich zamieniana na energię cieplną, która następnie zostaje przekazana poprzez wymiennik płytowy do zbiorników buforowych zasilających układ ciepłej wody użytkowej. Nad pracą całego układu czuwa sterownik solarny, który mierząc zadane temperatury uruchamia odpowiednie pompy i zawory. Kolektory słoneczne w instalacji c.w.u. działają zazwyczaj jako podgrzew wstępny. Jeżeli temperatura nie osiągnie odpowiedniej wartości, woda jest dogrzewa-na w tradycyjnej kotłowni. Czasami temperatura wody w zbiornikach jest wyższa od standardowej temperatury c.w.u, dlatego warto zastosować termostatyczne zawory mieszające. Dla dużych instalacji typowym rozwiązaniem jest także cyrkulacja ciepłej wody użytkowej w celu eliminacji używania wystudzonej w instalacji wody.
1.3 Wizualizacja systemu solarnego Doskonałym wyrazem troski o środowisko naturalne inwestora może być, umieszczona na jego stronie internetowej, wizualizacja pracy systemu solarnego.
Rys.2 - Wizualizacja systemu solarnego - schemat
Rys.3 - Wizualizacja systemu solarnego - wykres
Serwer wizualizacji w czasie rzeczywistym prezentuje parametry pracy systemu takie jak: temperatury, ciśnienie, nasłonecznienie, praca pompy, uzysk energetyczny, zużycie wody itp. w formie wykresu lub na schemacie. Dodatkowo wszystkie dane są archiwizowane, więc możliwy jest ich odczyt na wykresie z dowolnego przedziału czasowego.
4
Obliczenia projektowe
2. Obliczenia projektowe
2.1 Wstępne informacje Ze względu na szerokość geograficzną Polski instalacje solarne w 90% są przeznaczone do podgrzewania wody użytkowej, dlatego też niniejsze wytyczne projektowe dotyczą właśnie takiego układu. W dalszej części zostaną przedstawione sposoby obliczania zużycia wody, wymaganej powierzchni kolektorów słonecznych, przepływu glikolu przez instalację oraz dobór średnicy rur. Na wstępie warto zaznaczyć, że instalacje solarną należy projektować tak aby w okresie maksymalnego nasłonecznienia nie występowało ryzyko nadmiaru wytwarzanego ciepła. Stopień pokrycia solarnego to procentowy udział energii uzyskanej z kolektorów słonecznych w całkowitej energii potrzebnej do podgrzania wody użytkowej w ciągu roku. Im wyższy jest stopień pokrycia solarnego, tym większa jest oszczędność energii konwencjonalnej. Wpływa to jednak na występowanie nadwyżek produkcji ciepła w okresach letnich co powoduje wzrost czasów przestoju kolektorów, zmniejszając ich współczynnik sprawności. Dlatego też aby uzyskać optymalną wartość uzysku solarnego, sprawność układu oraz stosunek kosztu instalacji do energetycznych korzyści, stopień pokrycia dla dużych instalacji powinien znajdować się w przedziale 30-40%.
SCHEMAT PROJEKTOWANIA INSTALACJI SOLARNEJ OPIERA SIĘ O POWTARZALNE ETAPY:
Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej - od tego parametru zależy wielkość projektowanej instalacji. Określenie powierzchni kolektorów słonecznych - znając sumaryczną powierzchnię instalacji solarnej możemy obliczyć ilość potrzebnych kolektorów słonecznych. Usytuowanie kolektorów - kolektory słoneczne należy podzielić na możliwie równe baterie, zwracając uwagę na ich odpowiednie ustawianie i zorientowanie względem stron świata. Określenie przepływu przez instalację - przepływ powinien być równy zalecanemu dla kolektora słonecznego. Określenie średnicy rur – dobrana średnica rurociągu musi gwarantować niewystępowanie prędkości czynnika mniejszej od 0,4 m/s i większej niż 1 m/s. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda.
6
2.2 Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) Oszacowanie faktycznego poboru ciepłej wody użytkowej nie jest rzeczą prostą ze względu na zmienne w czasie zużycie. Dlatego, przed przystąpieniem do prac projektowych należy przez dłuższy okres czasu odczytać wartości z licznika zamontowanego na rurociągu wody ciepłej dla całego budynku. Jeżeli pomiary nie są możliwe to należy zużycie c.w.u. założyć, uwzględniając strukturę budynku, na niższym poziomie. Dla obiektów dla których nie można wyznaczyć żadnych danych ułatwiających oszacowanie zużycia ciepłej wody, dla celów projektowych przyjmuje się 30 litrów zużycia c.w.u. na osobę na dobę, przy temperaturze c.w.u równej 50°C.
2.3 Określenie powierzchni kolektorów słonecznych Tabele numer 1 i 2 przedstawiają dane techniczne kolektorów słonecznych, które firma SOLVER ma w swojej ofercie:
G4+ wymiary (dł. x szer. x wys.)
GA4
2006 x 1006 x 80 mm
2006 x 1006 x 80 mm
2110 x 1210 x 80 mm
waga
38,9 kg
36,9 kg
46,7 kg
sprawność kolektora
85,7%
85,7%
81,6%
1654 W
1654 W
1975 W
sprawność optyczna
0,85
0,85
0,79
powierzchnia brutto
2,03 m2
2,03 m2
2,55 m2
powierzchnia absorbera
1,95 m2
1,95 m2
2,52 m2
powierzchnia apertury
1,93 m2
1,93 m2
2,42 m2
wysokoselektywny
wysokoselektywny
wysokoselektywny
216 st. C
216 st. C
216 st. C
1,41 l
1,41 l
1,7 l
maksymalne ciśnienie robocze
0,6 MPa
0,6 MPa
0,6 MPa
zalecany przepływ
2 l/min
2 l/min
2,5 l/min
Ok. 120 Pa
Ok. 120 Pa
Ok. 305 Pa
4 mm
3,2 mm
4 mm
wełna mineralna 50 mm
wełna mineralna 50 mm
wełna mineralna 40 mm
moc kolektora przy G=1000 W/m2
rodzaj absorbera temperatura stagnacji objętość cieczy w kolektorze
spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)
grubość szyby solarnej izolacja
Tab 1 – Dane techniczne kolektorów G4+, GA4 oraz GA5.
7
GAK2.0 wymiary (dł. x szer. x wys.)
GAK2.5
GAK3.0
2008 x 1007 x 80 mm
2106 x 1206 x 80 mm
2107 x 1406 x 80 mm
waga
37,6 kg
46,1 kg
54,8 kg
sprawność kolektora
81,9%
81,9%
81,9%
1596 W
1981 W
2340 W
sprawność optyczna
0,82
0,82
0,82
powierzchnia brutto
2,02 m2
2,54 m2
2,96 m2
powierzchnia absorbera
1,93 m2
2,42 m2
2,86 m2
powierzchnia apertury
1,93 m2
2, 42 m2
2,86 m2
wysokoselektywny
wysokoselektywny
wysokoselektywny
182,2 st. C
182,2 st. C
182,2 st. C
1,41 l
1,7 l
2,0 l
maksymalne ciśnienie robocze
0,6 MPa
0,6 MPa
0,6 MPa
zalecany przepływ
1,3 l/min
1,7 l/min
2 l/min
Ok. 300 Pa
Ok. 305 Pa
Ok. 310 Pa
4 mm
4 mm
4 mm
wełna mineralna 40 mm
wełna mineralna 40 mm
wełna mineralna 40 mm
moc kolektora przy G=1000 W/m2
rodzaj absorbera temperatura stagnacji objętość cieczy w kolektorze
spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)
grubość szyby solarnej izolacja
Tab 2 – Dane techniczne kolektorów serii GAK.
W danych technicznych kolektora słonecznego rozróżnia się trzy jego powierzchnie: brutto, absorbera oraz apertury. Powierzchnia brutto to iloczyn zewnętrznych wymiarów kolektora słonecznego. Powierzchnia absorbera określa wielkość blachy absorbującej, natomiast powierzchnia apertury to wielkość tzw. przeszklenia kolektora słonecznego. Powierzchnia czynna kolektorów powinna w okresie najniższego zapotrzebowania dostarczać energię na podgrzanie c.w.u. bez występowania nadwyżki solarnej. Dla założonego zużycia wody można wyznaczyć powierzchnię kolektorów słonecznych z poniższych wzorów i tabel. Dla obliczeń można przyjąć, że jeden litr wody waży jeden kilogram, zatem ilość energii potrzebnej do podgrzewu wody z 10°C do 50°C można obliczyć z równania:
Q0- ilość energii potrzebnej do ogrzania wody [kJ] G- ilość ogrzewanej wody [kg] cw- ciepło właściwe wody [4,19 kJ/kg*K] (Tz-Tcwu)- różnica temperatur między wodą zimną a ciepłą [K]
W celu zamiany kJ na kWh należy otrzymaną wartość Q pomnożyć przez współczynnik równy: 1h/3600s, zatem:
Q1- ilość energii potrzebnej do ogrzania wody [kWh]
8
Poniższa tabela prezentuje ilość energii potrzebnej do ogrzania danej ilości wody od temperatury 10°C do 50°C, oraz powierzchnie kolektorów GAK2.0, GAK2.5 i GAK3.0 wymaganą do ogrzania zadanej ilości wody. Dla założenia, że podczas przeciętnego letniego dnia, bez zachmurzenia maksymalna solarna energia użyteczna na m2 powierzchni kolektora na dzień wynosi dla: GAK2.0 - ok. 3,40 kWh/m2 ( dla kolektora serii G4+ energia użyteczna będzie na podobnym poziomie ) GAK2.5 - ok. 3,28 kWh/m2 (dla kolektora serii GA5 energia użyteczna będzie na podobnym poziomie ) 2 GAK3.0 - ok. 3,20 kWh/m
Zużycie wody
Ilość energii
l
Powierzchnia kolektorów GAK2.0
GAK2.5
GAK3.0
kWh
m2
m2
m2
1000
46,56
13,69
14,19
14,55
1500
69,83
20,54
21,29
21,82
2000
93,11
27,39
28,39
29,10
2500
116,39
34,23
35,48
36,37
3000
139,67
41,08
42,58
43,65
3500
162,94
47,92
49,68
50,92
4000
186,22
54,77
56,78
58,19
4500
209,50
61,62
63,87
65,47
5000
232,78
68,46
70,97
72,74
5500
256,06
75,31
78,07
80,02
6000
279,33
82,16
85,16
87,29
6500
302,61
89,00
92,26
94,57
7000
325,89
95,85
99,36
101,84
7500
349,17
102,70
106,45
109,11
8000
372,44
109,54
113,55
116,39
8500
395,72
116,39
120,65
123,66
9000
419,00
123,24
127,74
130,94
9500
442,28
130,08
134,84
138,21
10000
465,56
136,93
141,94
145,49
Tab.3 - Energia potrzebna do ogrzania danej ilości wody
Na tym etapie projektu należy założyć odpowiednie pokrycie energetyczne, dla dużych instalacji solarnych wartość ta oscyluje wokół 40% (patrz rozdział 2.1). Otrzymaną powierzchnie pola kolektorów należy podzielić przez powierzchnię apertury kolektora, która wynosi: 2
Papertury dla GAK2.0 (G4+) – 1,93 m 2 Papertury dla GAK2.5 (GA5) – 2,42 m Papertury dla GAK3.0 – 2,86 m2
9
Ponieważ bardzo ważną sprawą jest odpowiedni podział ilości otrzymanych kolektorów na możliwie równe pola, należy zatem otrzymaną ilość kolektorów poddać optymalizacji pod kątem dostępnego miejsca na dachu oraz ograniczeniom wynikającym z maksymalnej ilości połączonych ze sobą kolektorów. Należy zwrócić uwagę na maksymalną ilość kolektorów w jednej baterii, ze względu na opory oraz przegrzewanie się kolektorów, tabela 4 przedstawia dopuszczalne ilości w zależności od rodzaju i wielkości kolektora:
Typ kolektora
Maksymalna ilość kolektorów w jednej baterii
G4+
4
GA4
4
GA5
3
GAK2.0
4
GAK2.5
3
GAK3.0
2
Tab.4 – Maksymalne ilości kolektorów w jednej baterii
Poniższy przykład pokazuje możliwości ustalania podziału kolektorów na pola. Dla obliczonej wymaganej powierzchni pola kolektorów równej ok. 60 m2, rozpatrując zastosowanie kolektorów GAK2.0, GAK2.5, GAK3.0 oraz G4+ i GA5 otrzymamy odpowiednio:
GAK2.0 lub G4+ - powierzchnia apertury: 1,93m2 2 2 60m /1,93m =31 zatem można ustalić podział: 30 kolektorów GAK2.0 połączonych w 10 baterii po 3 kolektorów 32 kolektory GAK2.0 połączonych w 8 baterii po 4 kolektory GAK2.5 lub GA5 – powierzchnia apertury: 2,42m 60m2/2,42m2=25 zatem można ustali podział: 24 kolektorów GAK2.5 połączonych w 8 baterii po 3 kolektorów 28 kolektory GAK2.5 połączonych w 7 baterii po 4 kolektory. GAK3.0 – powierzchnia apertury: 2,42m2 60m2/2,86m2=21 zatem można ustali podział: 20 kolektorów GAK3.0 połączonych w 10 baterii po 2 kolektorów.
10
2
2.4 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym Jeżeli projektowana instalacja ma się znajdować w budynku wyposażonym w dach skośny, należy sprawdzić usytuowanie dachu względem stron świata oraz kąt połaci dachowej. Należy także sprawdzi czy dysponowana powierzchnia dachu jest wystarczająca dla przyjętego podziału pola kolektorów. Jeżeli nie ma możliwości założone usytuowanie to należy przeprowadzić nowy podział z możliwie równymi poszczególnymi polami.
2.5 Wymiary konstrukcji na dach spadzisty Na rysunku numer 4 widoczna jest konstrukcja pod kolektory słoneczne na dach skośny wraz z zaznaczonymi podstawowymi odległościami. Dokładne dane wielkości konstrukcji dla poszczególnych rodzajów kolektorów słonecznych oraz ich różnej ilości zostały przedstawione w tabeli numer 5.
Rys.4 – Widok konstrukcji pod kolektory słoneczne na dach skośny wraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami
11
B Między profilami wzdłużnymi
A Wymiar
Profil poprzeczny
Typ kolektora
C Profil wzdłużny
G4+, GA4, GAK2.0
1 kolektor
1000 mm
900 mm
2070 mm
2 kolektory
2000 mm
1100 mm
2070 mm
3 kolektory
3000 mm
2 x 1100 mm
2070 mm
Typ kolektora
GA5, GAK2.5
1 kolektor
1200 mm
1000 mm
2170 mm
2 kolektory
2400 mm
1200 mm
2170 mm
3 kolektory
3600 mm
2 x 1200 mm
2170 mm
Typ kolektora
GAK3.0
1 kolektor
1400 mm
1200 mm
2170 mm
2 kolektory
2800 mm
1400 mm
2170 mm
Tab.5 – Wymiary podstawowych odległości dla konstrukcji na dach skośny dla poszczególnych kolektorów słonecznych
W tabeli 5 zostały zamieszczone szerokości konstrukcji wsporczej (wymiar poprzeczny), jednak nie jest to wymiar całkowity baterii kolektorów, ponieważ kolektor wystaje nieco poza profil poprzeczny. Szerokość baterii jest sumą wymiaru poprzecznego kolektorów oraz odległością między kolektorami, w tabeli numer 6 zostały przedstawione szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów.
Typ kolektora
1 kolektor
2 kolektory
3 kolektory
G4+, GA4, GAK2.0
1007 mm
2094 mm
3181 mm
GA5, GAK2.5
1206 mm
2492 mm
3778 mm
GAK3.0
1406 mm
2892 mm
4378 mm
Tab.6 – Szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów słonecznych
12
2.6 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim Kolektory słoneczne ustawia się z nachyleniem między 30° a 45° do powierzchni na specjalnych konstrukcjach. Podczas instalacji kolektorów w rzędach na dachu lub innej płaskiej powierzchni, jeden za drugim, należy zwrócić uwagę na zachowanie odpowiedniej odległości między nimi. Odpowiednio dobrana odległość między rzędami eliminuje wzajemne zacienianie się kolektorów, które zmniejszałoby sprawność całego systemu solarnego.
Rys.5 - Padanie promieni słonecznych na rzędy kolektorów
Do obliczenia odległości między rzędami kolektorów należy wyznaczyć kąt wysokości słońca β, wyznaczony dla grudnia. Kat tez jest zależny od szerokości geograficznej miejsca montażu instalacji. Wyznacza się go:
β=90-23,5-szerokość geograficzna Miasto
Szerokość geograficzna
Wartość kąta β
Miasto
Szerokość geograficzna
Wartość kąta β
Białystok
53°07'
13,38
Olsztyn
53°47'
12,72
Bydgoszcz
53°07'
13,38
Opole
50°40’
15,83
Gdańsk
54°22’
12,13
Poznań
52°17’
14,22
Gorzów Wielkopolski
52°44’
13,77
Rzeszów
50°02’
16,47
Katowice
50°15’
16,25
Szczecin
53°26’
13,07
Kielce
50°53’
15,62
Toruń
53°02’
13,47
Kraków
50°03’
16,45
Warszawa
52°13’
14,28
Lublin
51°14’
15,27
Wrocław
51°06’
15,40
Łódź
51°47’
14,72
Zielona Góra
51°56’
14,57
Tab.7 – Wartości kąta β dla miast wojewódzkich
13
Odstęp L między rzędami kolektorów oblicza się ze wzoru:
Wysokość kolektora h wynosi: GAK2.0 - usytuowanie pionowe h = 2,06m; poziome h=1,06m GAK2.5 –usytuowanie pionowe h = 2,11m; poziome h=1,21m GAK3.0 –usytuowanie pionowe h = 2,11m; poziome h=1,41m W tabeli numer 8 przedstawiono odległości między rzędami kolektorów GAK2.0 (które są prawdziwe także dla kolektora G4+, ze względu na takie same wymiary), GAK2.5 (GA5) oraz GAK3.0 dla usytuowania poziomego i pionowego dla różnych wartości kąta wysokości słońca β oraz kąta nachylenia α. Ponieważ kąt padania promieni słonecznych przyjęty do obliczeń (23,5°) jest wartością słuszną dla miesiąca grudnia, obliczone odległości między rzędami kolektorów są wartościami gwarantującymi, że przez cały rok nie wystąpi zacienianie wzajemnie kolektorów. Jednak instalacja solarna w okresie zimowym zapewnia nieznaczne pokrycie, warto więc przeanalizować, czy przy niewystarczającej ilości miejsca na dachu nie zmniejszyć rozstawu baterii dla uniknięcia dodatkowych kosztów instalacyjnych dla ich montażu w innym miejscu. Dla instalacji, które będą pracowały sezonowo rozstaw baterii kolektorów obliczamy również ze wzoru 2.4, jednak wartość kąta padania promieni słonecznych β obliczamy ze wzoru:
β = 90 - X - szerokość geograficzna gdzie: X – najniższy kąt padania promieni słonecznych dla dnia okresu zakładanej pracy układu solarnego. W tab. 9 znajdują się wartości kąta padania promieni słonecznych β dla równonocy oraz przesilenia letniego:
Miasto
Szerokość geograficzna
Wartość kąta β
Miasto
Szerokość geograficzna
Wartość kąta β
Białystok
53°07'
13,38
Olsztyn
53°47'
12,72
Bydgoszcz
53°07'
13,38
Opole
50°40’
15,83
Gdańsk
54°22’
12,13
Poznań
52°17’
14,22
Gorzów Wielkopolski
52°44’
13,77
Rzeszów
50°02’
16,47
Katowice
50°15’
16,25
Szczecin
53°26’
13,07
Kielce
50°53’
15,62
Toruń
53°02’
13,47
Kraków
50°03’
16,45
Warszawa
52°13’
14,28
Lublin
51°14’
15,27
Wrocław
51°06’
15,40
Łódź
51°47’
14,72
Zielona Góra
51°56’
14,57
Tab.9 - Wartości kąta β dla miast wojewódzkich dla 22 VI, 21 III, 23 IX.
14
Kąt wysokości słońca β
15
17,5
20
22,5
25
27,5
Typ kolektora
Kąt nachylenia α
GAK2.0 usytuowanie pionowe
GAK2.0 usytuowanie poziome
GAK2.5 usytuowanie pionowe
GAK2.5 usytuowanie poziome
GAK3.0 usytuowanie pionowe
GAK3.0 usytuowanie poziome
Odstęp rzędów kolektorów l [ m ]
35
6,1
5,43
4,93
4,54
4,22
3,96
40
6,52
5,78
5,22
4,77
4,42
4,12
45
6,89
6,08
5,46
4,97
4,58
4,25
50
7,21
6,33
5,66
5,13
4,71
4,36
35
3,14
2,8
2,54
2,34
2,17
2,04
40
3,35
2,97
2,68
2,46
2,27
2,12
45
3,55
3,13
2,81
2,56
2,36
2,19
50
3,71
3,26
2,91
2,64
2,42
2,24
35
6,25
5,57
5,05
4,65
4,32
4,05
40
6,68
5,92
5,34
4,89
4,52
4,22
45
7,06
6,22
5,59
5,09
4,69
4,36
50
7,39
6,48
5,8
5,26
4,82
4,46
35
3,58
3,19
2,9
2,67
2,48
2,32
40
3,83
3,39
3,06
2,8
2,59
2,42
45
4,05
3,57
3,21
2,92
2,69
2,5
50
4,24
3,72
3,32
3,02
2,77
2,56
35
6,25
5,57
5,05
4,65
4,32
4,05
40
6,68
5,92
5,34
4,89
4,52
4,22
45
7,06
6,22
5,59
5,09
4,69
4,36
50
7,39
6,48
5,8
5,26
4,82
4,46
35
4,17
3,72
3,38
3,11
2,89
2,71
40
4,46
3,95
3,57
3,27
3,02
2,82
45
4,72
4,16
3,74
3,4
3,14
2,91
50
4,94
4,33
3,87
3,51
3,22
2,98
Tab.8 - Odległości między rzędami kolektorów
2.7 Wymiary konstrukcji na dach płaski lub płaską powierzchnie Na rysunku numer 6 widoczna jest konstrukcja pod kolektory słoneczne na dach płaski lub inną płaską powierzchnie wraz z zaznaczonymi podstawowymi odległościami. Dokładne dane wielkości konstrukcji dla poszczególnych rodzajów kolektorów słonecznych oraz ich różnej ilości zostały przedstawione w tabeli nr 10.
Rys. 6 - Widok konstrukcji pod kolektory słoneczne na dach płaski lub inną płaską powierzchnię wraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami
W tabeli 10 zostały zamieszczone szerokości konstrukcji wsporczej (wymiar poprzeczny), jednak nie jest to wymiar całkowity baterii kolektorów, ponieważ kolektor wystaje nieco poza profil poprzeczny. Szerokość baterii jest sumą wymiaru poprzecznego kolektorów oraz odległością między kolektorami (ok. 80 mm), w tabeli numer 6 zostały przedstawione szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów.
2.8 Określenie przepływu przez instalację kolektorów słonecznych Objętościowy strumień czynnika obiegowego (roztwór glikolu propylenowego) w znacznym stopniu wpływa na charakterystykę pracy całej instalacji solarnej. Przy stałym nasłonecznieniu większy strumień czynnika przez instalację kolektorów wpłynie na obniżenie różnicy temperatur zasilania i powrotu, jednak zwiększy zużycie energii przez pompę zasilającą. Natomiast niższy strumień objętościowy powoduje zwiększenie różnicy temperatur, przez co wzrasta średnia temperatura kolektora, wynikiem czego jest odpowiednio niższa sprawność kolektora.
16
1100 mm
2 x 1100 mm
2 kolektory
3 kolektory
1200 mm
2 x 1200 mm
2 kolektory
3 kolektory
2 x 1200 mm
2 kolektory 2000 mm
2000 mm
2000 mm
2000 mm
2000 mm
2000 mm
2000 mm
2000 mm
Między stopkami
B
2800 mm
1400 mm
GAK3.0
3600 mm
2400 mm
1200 mm
GA5, GAK2.5
3000 mm
2000 mm
1000 mm
D Między profilami wzdłużnymi
2 x 1200 mm
1200 mm
2 x 1200 mm
1200 mm
1000 mm
2 x 1100 mm
1100 mm
900 mm
G4+, GA4, GAK2.0
Profil poprzeczny
C
2170 mm
2170 mm
2170 mm
2170 mm
2170 mm
2070 mm
2070 mm
2070 mm
Profil wzdłużny
E
1330 mm
1330 mm
1330 mm
1330 mm
1330 mm
1330 mm
1330 mm
1330 mm
Kątownik wsporczy
Tab.10 - Wymiary podstawowych odległości dla konstrukcji na dach płaski lub inną płaską powierzchnie dla poszczególnych kolektorów słonecznych
1200 mm
1 kolektor
Typ kolektora
1000 mm
1 kolektor
Typ kolektora
900 mm
Między stopkami
1 kolektor
Typ kolektora
Wymiar
A
Zalecany przepływ przez kolektory na metr kwadratowy absorbera wynosi odpowiednio: 2 GAK2.0 - 60 l/h*m 2 GAK2.5 - 48 l/h*m GAK3.0 - 40 l/h*m2 Wskazane przepływy są orientacyjne, jednak nie powinny zbytnio odbiegać od zalecanych wartości. Zbytnie obniżenie przepływu może spowodować przejście z przepływu turbulentnego do laminarnego przez kolektor, co skutkować będzie zmniejszeniem odbioru ciepła. Podwyższenie przepływu wpłynie na zwiększone zużycie energii przez pompę obiegu solarnego.
2.9 Rodzaje przepływów czynnika obiegowego przez układ solarny Ponieważ zalecane przepływy przez instalację solarną są wartościami orientacyjnymi, można je poddać pewnej optymalizacji na etapie projektu. Podczas przepływu roztworu glikolu przez instalację solarną rozróżniamy dwa zakresy prędkości : •
High-Flow – dla małych instalacji (domy jednorodzinne) – zależny od budowy kolektora, waha się od 2 35 do 80 l/h x m powierzchni kolektora.
•
Low-Flow – dla dużych instalacji solarnych – dobierany indywidualnie do konkretnej instalacji w 2 zakresie od 25 do 40 l/h x m powierzchni kolektora.
Rodzaj przepływu
Przepływ l/h x m2
Zastosowanie
HIGH-FLOW
35 – 60
małe instalacje, domki jednorodzinne
LOW-FLOW
25 -40
duże instalacje
Tab. 11 – Rodzaje przepływu czynnika przez instalację solarną
Natężenie przepływu High-Flow sprawdza się już w instalacjach średnich, a w instalacjach dużych możliwe jest jeszcze dalsze zmniejszenie wskaźnika natężenia przepływu nawet do 15 l/h na każdy metr kwadratowy powierzchni kolektora. Optymalny dobór natężenia przepływu możliwy jest jedynie z wykorzystaniem programów komputerowych. Natężenie przepływu Low-Flow w dużej instalacji zapewnia wysoką efektywność pracy przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów inwestycji (średnice przewodów, mniejsza pompa obiegowa, ilość czynnika grzewczego) oraz eksploatacji (mniejsze obciążenie pompy obiegowej).
18
2.10 Określenie średnic rur Kolejnym etapem jest określenie średnic rur podłączeń pola kolektorów. Średnica rurociągu jest wartością wynikową przepływu objętościowego, prędkości oraz gęstości czynnika obiegowego. Prędkość przepływającego czynnika nie powinna być większa niż 1m/s, jednocześnie nie mniejsza niż 0,4m/s. Średnicę rurociągu oblicza się ze wzoru:
gdzie: d – obliczana średnica rurociągu [m] Q – Przepływ przez projektowany rurociąg [kg/s] w – prędkość czynnika [m/s] ρ – gęstość przepływającego czynnika [kg/m3]
Ponieważ przepływ zazwyczaj podany jest w l/s należy tą wartość przeliczyć na kg/s, korzystając ze wzoru:
gdzie: Q – Przepływ przez projektowany rurociąg [kg/s] QL – Przepływ przez projektowany rurociąg [l/s] ρL – gęstość przepływającego czynnika [kg/l]
Tabela numer 12 prezentuje gęstości roztworu glikolu o różnym stężeniu.
Stężenie glikolu
Gęstość roztworu kg/m3
Gęstość roztworu kg/l
30% 40% 50% 60% 70%
1012 1016 1020 1024 1028
1,015 1,020 1,025 1,030 1,035
Tab.12 – Gęstości roztworów glikolu
19
2.11 Wymiarowanie naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej Ze względu na zmienną temperaturę pracy instalacji solarnej w systemie występują wahania ciśnienia. Aby przyrosty te nie wpływały negatywnie na prace układu niezbędne jest zastosowanie naczynia wzbiorczego. Aby dobrać odpowiednią objętość naczynia przeponowego można posłużyć się wzorem:
gdzie: Vnw – obliczeniowa pojemność naczynia wzbiorczego V – pojemność wodna całej instalacji k – ilość kolektorów słonecznych g – pojemność wodna kolektora P- ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa H – wysokość statyczna instalacji Dla otrzymanej wartości należy dobrać naczynie wzbiorcze większe, najbliższe w typoszeregu danego producenta. Jeżeli nie istnieje naczynie o wymaganej objętości, należy zaprojektować układ z odpowiednią ilością naczyń mniejszych, tak aby ich suma objętości była większa od obliczeniowej.
2.12 Opory przepływu w rurociągach Dobierając pompę do instalacji solarnej należy także zwrócić uwagę na straty ciśnienia wywołane przepływem przez rurociągi zasilające i powrotne. Opory te są zależne od długości instalacji, występowania strat miejscowych (kolanek, trójników), przepływu oraz chropowatości rurociągu.
2.13 Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda Ponieważ na etapie wymiarowania wymiennika glikol – woda strumień czynnika przepływającego przez układ solarny jest już znany, możliwe zatem jest oszacowanie strumienia wody przepływającego przez wymiennik. Energia dostarczana do wymiennika z układu solarnego powinna być taka sama jak energia odbierana przez układ wodny. Przy założeniu zatem, że wymiennik ma sprawność równą 100%, różnica temperatur na wlocie i wylocie z wymiennika dla obu obiegów jest taka sama, a więc różnica przepływów będzie wynikała tylko z różnicy ciepła właściwego wody oraz roztworu glikolu.
20
Glikol propylenowy – 3,6 kJ/kgK Woda – 4,19 kJ/kgK zatem:
Strumień glikolu w instalacji jest 1,16 razy większy niż strumień wody przepływającej przez wymiennik. Dla roztworu glikolu i wody w obiegu solarnym ciepło właściwe mieszaniny będzie nieco inne. W tabeli zostały przedstawione wartości ciepła właściwego w zależności od temperatury zamarzania roztworu:
Roztwór glikolu
Ciepło właściwe cw [kJ/kgK]
-15°C -20°C -25°C -30°C -35°C
4,00 3,97 3,94 3,91 3,89
Tab.13 – Ciepło właściwe roztworu glikolu
Aby uzyskać odpowiedni stopień niezamarzania glikolu propylenowego należy go rozmieszać w odpowiednich proporcjach, co prezentuje tabela numer 14:
Temperatura zamarzania
Masa koncentratu
Objętość koncentratu
Objętość wody
- 35 °C
5,3 kg
5,1 l
4,9 l
- 30 °C
4,9 kg
4,7 l
5,3 l
- 25 °C
4,4 kg
4,2 l
5,8 l
- 20 °C
3,9 kg
3,7 l
6,3 l
- 15 °C
3,4 kg
3,3 l
6,7 l
Tab. 14 – Proporcje mieszania glikolu dla uzyskania odpowiedniej temperatury zamarzania.
21
Moc wymiennika należy obliczyć według powierzchni kolektorów, przyjmując 570 W/m2 (nie jest to maksymalna moc kolektorów wg EN 12 975). Temperaturę czynnika solarnego na wylocie z wymiennika należy przyjąć około 20°C. Temperatura wody dopływającej do wymiennika powinna wynosić około: 10°C – jeżeli zasilany jest zbiornik z c.w.u. 15°C – jeżeli zasilany jest zbiornik buforowy Logarytmiczna różnica temperatur między wodą zasilającą wymiennik a roztworem glikolu wypływającego z wymiennika powinna wynosić 5-6 K.
2.14 Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda
Jeżeli w systemie występuje zbiornik buforowy to często między tym zbiornikiem a zbiornikiem ciepłej wody użytkowej jest zainstalowany wymiennik. Moc tego wymiennika powinna być dobrana tak, aby możliwe było pokrycie połowy szczytowego godzinnego zapotrzebowania na c.w.u. Temperatura dopływającej wody po stronie c.w.u. wynosi 10°C, natomiast temperatura na wylocie z wymiennika po stronie wody grzewczej powinna wynosić ok 15°C. Logarytmiczna różnica temperatur między wodą zimną zasilającą wymiennik a wodą wypływającą z wymiennika powinna wynosić 5-6 K.
22
3 Uzysk energetyczny dużej instalacji solarnej - symulacja
Na rynku istnieją profesjonalne programy do symulowania pracy instalacji solarnych. Wpisując miejsce, rodzaj instalacji, kąt ustawiania, usytuowanie wzg. stron świata oraz ilość kolektorów, a także pojemność zbiorników, otrzymujemy symulację sprawności i uzysku energetycznego układu solarnego. Możliwe jest także oszacowanie ograniczenia emisji szkodliwych substancji do otoczenia. Poniżej znajduje się symulacja pracy instalacji solarnej: Projekt: Solar zwyczajny Lokalizacja: Warszawa, szer. geograficzna: 52,2° Kolektor: 135,10 m2 - G4+ Charakterystyka: c0 = 0,857, c1 = 3,894 W/(m2K), c2 = 0,0012 W/(m2K˛) Pochyłość: 45,0°, Azymut: 0,0° Typ instalacji: Kaskada Zasobnik 1: 2000 litr, Temp. min. 54°C (Boiler) Zasobnik 2: 2000 litr, Temp. max. 75°C (Zasobnik solarny) Zapotrzebowanie ciepła: 366,35 kWh/dzień = 7000 Litrów/dzień z 10°C na 55°C
Miesiąc
Zysk solarny
Napromieniow.
Energia konwencjonalna
Stopień pokrycia
Sprawność
Styczeń
933
3031
10545
8
31
Luty
2131
5662
8635
20
38
Marzec
4541
10677
7043
40
43
Kwiecień
6808
15253
4487
61
45
Maj
9111
20908
2708
79
44
Czerwiec
8639
18803
2750
78
46
Lipiec
8580
18050
3145
75
48
Sierpień
7776
15662
3922
68
50
Wrzesień
6490
13288
4793
59
49
Październik
3180
6518
8349
28
49
Listopad
1290
3245
9822
12
40
Grudzień
873
2575
10231
8
34
Suma
60353
133672
76431
45
45
Przeciętny roczny zysk kolektora 447 kWh/m2
23
Rys.7 – Symulacja stopnia pokrycia instalacji solarnej
Rysunek 7 prezentuje wykresy sprawności systemu solarnego oraz stopień pokrycia. Jak widać stopień pokrycia instalacji oscyluje wokół 45%. Średnioroczna sprawność systemu jest na podobnym poziomie.
Napromieniowanie na kolektor
Rys.8 – Symulacja napromieniowania, mocy systemu oraz temperatury.
Na rysunku numer 8 widoczne są zmiany temperatury, mocy systemu oraz nasłonecznienia w okresie jednego roku. Dla każdego miesiąca można odczytać statystyczny poziom promieniowania słonecznego na kolektor, odpowiadająca temu moc systemu solarnego oraz temperatury zasobnika.
24
4 Wykresy sprawności i mocy dla poszczególnych kolektorów Wykresy 1-12 przedstawiają zależności sprawności oraz mocy kolektorów słonecznych w funkcji ilorazu różnicy temperatur, czynnika i zewnętrznej, do nasłonecznienia.
4.1 Wykresy dla kolektora G4+ 90% 80% 70% 60%
sprawność
50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 1 – Zależność sprawności kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
700 600 500
moc
400 300 200 100 000 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 2 – Zależność mocy kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
25
0,10
4.2 Wykresy dla kolektora GA4
90% 80% 70%
sprawność
60% 50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 3 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA4 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
700 600
moc
500 400 300 200 100 000 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 4 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA4 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
26
0,10
4.3 Wykresy dla kolektora GA5
90% 80% 70% 60%
sprawność
50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 5 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA5 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
900 800 700 600 500
moc
400 300 200 100 000 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 6 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA5 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
27
0,10
4.4 Wykresy dla kolektora GAK2.0
90% 80% 70%
sprawność
60% 50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 7 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
900 800 700 600
moc
500 400 300 200 100 000 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 8 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
28
0,10
4.4 Wykresy dla kolektora GAK2.5
90% 80% 70% 60%
sprawność
50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 9 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK2.5 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
900 800 700 600 500
moc
400 300 200 100 000 0,00
0,03
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 10 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK2.5 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
29
0,10
4.4 Wykresy dla kolektora GAK3.0
90% 80% 70%
sprawność
60% 50% 40% 30% 20% 10% 00% 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
0,10
Wykres 11 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK3.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
900 800 700 600
moc
500 400 300 200 100 000 0,00
0,03
0,05
0,02
0,01
0,09
0,07
0,08
0,06
0,04
Wykres 12 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK3.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
(Ti-Ta)/G [°C∙m2/W]
30
0,10
www.solver.katowice.pl
solver catch
the
sun
ul. Zag贸rska 167, 42-600 Tarnowskie G贸ry tel. 0048 32 768 31 56, fax: 0048 32 768 31 38 info@solver.katowice.pl, www.solver.katowice.pl