folder_projketanci

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