P O L I T E C H N I K A K R A K O W S K A

im. Tadeusza Kościuszki

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

STUDIA PODYPLOMOWE

DORADZTWO ENERGETYCZNE W BUDOWNICTWIE

PRACA KOŃCOWA TEMAT:

KOLEKTORY SŁONECZNE WYKORZYSTYWANE DO PODGRZEWANIA CIEPŁEJ WODY W BUDOWNICTWIE JEDNORODZINNYM.

Napisana w

Instytucie Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza

Pod kierunkiem Prof. dr hab. M. Hopkowicza

Wykonała:Stanisława Michałek

KRAKÓW czerwiec 2009 r.

Spis treści.

1.Wprowadzenie………………………………………………………. 2.Cel i zakres pracy..............................................................................

3.Kolektory słoneczne- budowa , rodzaje……………………………

3.1.Cieczowe kolektory płaskie .........................................................

3.2.Rurowe kolektory próżniowe …………………………………..

3.3. Heatpipe - szczególny rodzaj kolektora próżniowego…………

4. Założenia do obliczeń.

5. Obliczenia zapotrzebowania ciepła na przygotowanie c.w.u. w budynku i ilości ciepła pozyskiwanego przez system solarny.

5.1. Obliczenia – zapotrzebowania energii na ogrzanie c.w.u.

5.2. Obliczenia wydajności solarnej układu kolektorów.

5.2.1. Układ z cieczowym kolektorem płaskim……………….

5.2.2. Układ z kolektorem próżniowym………………………..

5.3. Porównanie zapotrzebowania ciepła do przygotowania c.w.u. oraz jego produkcji przez różne układy solarne.

6.Analiza inwestycji.

6.1. Koszt inwestycji związanej z zastosowaniem kolektorów płaskich.

6.2. Koszt inwestycji związanej z zastosowaniem kolektorów próżniowych.

6.3.Porównanie obu inwestycji .

6.Wnioski……………………………………………………………

7. Literatura…………………………………………………………

1.Wprowadzenie.

Słońce jest czystym , nieuciążliwym dla otoczenia źródłem darmowej energii dla wszystkich procesów fizycznych ,chemicznych i biologicznych zachodzących na Ziemi i w atmosferze a jego promieniowanie najważniejszym czynnikiem środowiskowym dla życia.Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne , które może być przetwarzane w ciepło użyteczne. O możliwości przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło decyduje promieniowanie całkowite: Ih ,Hh Na promieniowanie całkowite składa się : promieniowanie bezpośrednie, rozproszone i odbite. Promieniowanie bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej,a jego kierunek padania jest uzależniony od aktualnej wysokości Słońca. Promieniowanie rozproszone , emitowane przez całą atmosferę jest skutkiem wielokrotnego załamania promieni słonecznych przechodzących przez gazową powłokę planety.Promieniowanie odbite (od najbliższego otoczenia) związane jest z występującymi elementami krajobrazu i architektury, które część padającego na nie promieniowania odbijają w kierunku rozpatrywanej powierzchni.Oprócz długości dnia i usłonecznienia (liczba godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną ) na wielkość natężenia bezpośredniego promieniowania słonecznego -wpływa też wysokość Słońca,przezroczystość atmosfery i zachmurzenie. Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach istotnymi parametrami są dzienne,miesięczne i roczne wartości nasłonecznienia(insolacji) – H wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny kolektora w określonym czasie. Innym parametrem charakteryzującym warunki solarne na potrzeby energetyki słonecznej jest tzw. usłonecznienie czyli przedział czasu ,w którym promieniowanie słoneczne bezpośrednie przekracza wartość Ib > 200 W/m2 określone w godzinach.

Początek formularza W Polsce wydzielono 11 regionów, które uszeregowano według przydatności dla energetyki słonecznej . Rys.1 Regiony helioenergetyczne Polski I Nadmorski II; Pomorski III Mazursko - Siedlecki IVSuwalski V; Wielkopolski VIWarszawski VIIPodlasko - Lubelski VIII; Śląsko - Mazowiecki IXŚwiętokrzysko-Sandomierski X Górnośląski XIPodgórski Najkorzystniejsze warunki solarne są w pasie nadmorskim, gdzie od kwietnia do września występują najwyższe sumy promieniowania całkowitego i najwięcej godzin usłonecznienia. Wyróżniającym się też regionem jest Podlasko - Lubelski ze względu na częsty napływ suchych mas powietrza z nad Ukrainy. Najmniej korzystne warunki są w regionach Podgórskim, Suwalskim, Warszawskim i Górnośląskim. Zadaniem instalacji solarnej jest zamiana energii promieniowania słonecznego w ciepło użyteczne. 2. Cel i zakres pracy. Głównym celem pracy była analiza dwóch wariantów układu solarnego przeznaczonego do ogrzewania wody użytkowej w budynkach jednorodzinnych.Analiza została przeprowadzona zgodnie z PN-EN 15316-4-3 .W celu porównania układów przeprowadzono obliczenia zapotrzebowania na ciepło do podgrzania ciepłej wody oraz produkcji ciepła przez kolektory słoneczne. Do obliczeń przyjęto aktualnie produkowane i sprzedawane zestawy do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. I – wariant z kolektorami płaskimi II –wariant z kolektorami próżniowymi rurowymi Porównano także koszty obu inwestycji i korzyści związane z wykorzystaniem kolektorów słonecznych w domku jednorodzinnym.     Dół formularza

3.Kolektory słoneczne –budowa, rodzaje.

Kolektor słoneczny - urządzenie do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierająca do kolektora zamieniana jest na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).Zasady rządzące konwersją energii słonecznej w ciepło użytkowe mają wpływ na konstrukcję oraz materiały i technologie stosowane do budowy kolektorów.

Działanie kolektora jest następujące:

1. Słońce ogrzewa umieszczony w kolektorze absorber, który pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło. Skuteczność pochłaniania zależy od rodzaju absorbera. Zwykły, czarny absorber dużą część promieniowania odbija. Skuteczniejszy jest tzw. absorber selektywny – pochłania on 95% padającego na niego promieniowania.

2. Od absorbera ogrzewa się czynnik grzewczy (może to być woda lub płyn niezamarzający), który przepływa przez kolektor.

3. Ogrzany płyn przepływa do zasobnika.

4. Tam oddaje ciepło ogrzewanej wodzie użytkowej, znajdującej się w zasobniku, i ochłodzony wpływa z powrotem do kolektora.

Ciepło przechwycone przez kolektor lub zespół kolektorów jest odprowadzane do magazynu ciepła za pomocą czynnika grzewczego w celu dalszego wykorzystania. Automatyka instalacji (sterownik) działa w taki sposób, że wychwytuje każdą nadwyżkę ciepła, jaką można przekazać i zakumulować w magazynie (zasobniku). „Produkcja” ciepła przez kolektory często mija się w czasie z zapotrzebowaniem na nie, dlatego instalacje solarne z reguły wyposażane są w magazyny ciepła - zasobniki.

Dalsze wykorzystanie ciepła zależy od potrzeb np. wspomaganie wytwarzanie ciepłej wody użytkowej (cwu). Także do wspomagania niskotemperaturowych instalacji centralnego ogrzewania (co) lub do podgrzewania wody basenowej. Instalacje solarne można wyposażać w sterowniki, które panują nie tylko nad optymalnym wykorzystaniem ciepła słonecznego, ale także zawiadują całą instalacją co, przygotowania i dystrybucji cwu łącznie z regulowaniem pracą kotła (opalanego gazem, olejem itp.) i reagowaniem na zmiany pogodowe.

Ciepło wytwarzane przez próżniowe kolektory słoneczne można wykorzystywać także w procesach technologicznych do podgrzewu surowców, podgrzewu ścieków dla intensyfikacji procesów chemicznych itp.

W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

• podgrzewania wody użytkowej,

• podgrzewanie wody basenowej,

• wspomagania centralnego ogrzewania,

• chłodzenia budynków,

• ciepła technologicznego.

Ze względu na budowę kolektory można podzielić na :

• płaskie

  • gazowe

  • cieczowe

  • dwufazowe

• płaskie próżniowe

• próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)

• skupiające (prawie zawsze cieczowe)

• specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna)

3.1. Cieczowe kolektory płaskie.

Kolektor płaski składa się z :

• przezroczystego pokrycia;

• absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);

• wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);

• izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa)

Schemat kolektora płaskiego

Budowa kolektora płaskiego:
a) rama gięta z profilu aluminiowego,
b) izolacja cieplna,
c) meander miedziany z absorberem,
d) przezroczyste przykrycie ze specjalnego szkła solarnego

3.2. Kolektory próżniowo-rurowe składają się z:

• rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich na jakiej znajduje się Polska. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej , dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni.

• niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami , bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta.

Kolektor próżniowy
Fot. Vaillant

3.3. Heatpipe - szczególny rodzaj kolektora próżniowego
Kolektory działające na zasadzie ,,Heatpipe” są wysokosprawnymi kolektorami i bardzo bezpiecznymi w eksploatacji.Najczęściej stosowane są w takich instalacjach gdzie spodziewane są tzw. okresy stagnacji / okresowy brak odbioru ciepła/.

Kolektory próżniowe zaprojektowane z wykorzystaniem technologii „heatpipe” są zazwyczaj do siebie bardzo podobne. Rura próżniowa ma średnicę 8 mm i wypełniona jest parującym freonem, który skrapla się w jej górnej części, oddając ciepło w kondensatorze cieczy chłodzącej (50-milimetrowym odcinku rurki o średnicy 12 mm). Konstrukcja „rurki ciepła” jest szczelnie zamknięta w podwójnej rurze z próżnią, takiej samej jak w tradycyjnym kolektorze próżniowym. Rura ta ma zazwyczaj długość od 1500 do 1800 mm. Przemiana zachodząca w układzie jest przemianą izochoryczną, a więc zarówno temperatura, jak i ciśnienie w skraplaczu są wysokie.

Kolektor próżniowy „heatpipe”
Fot. Viessmann

4.Założenia do obliczeń.

W obliczeniach przyjęto:

-Instalacja solarna do przygotowania c.w.u. planowana jest dla domku jednorodzinnego w Brzesku.

-Liczba mieszkańców - 4

-temperatura c.w.u. : 60^o C

-temperatura wody zimnej- 10⁰ C

-ceny gazu 0,935 zł/m³ –źródło Wyciąg z taryfy w zakresie dostarczania paliwa gazowego Nr 2/2009

-ceny energii elektrycznej 0,306 zł/kW

-w okresach złej pogody i poza sezonem projektowanym uzupełniającego ciepła do podgrzewu c.w.u. dostarcza kocioł gazowy CGG-2K moc od 8 kW do 24 kW

-kolektor płaski dla I przykładu –Vitosol 100-F typ SV1

-kolektor próżniowy dla II przykładu-Vitosol 200

-zbiornik ciepłej wody z podgrzewaczem Vitocel 100 -U

-Instalacja składać się będzie z kolektorów , zasobnika ciepłej wody , układu zabezpieczającego z pompą obiegową , kotła gazowego . Elementy instalacji połączone będą rurkami miedzianymi. Układ instalacji zgodnie ze schematem:

Instalacja solarna z podgrzewaczem dwu wymiennikowym i zasilaniem z kolektorów oraz pieca c.o.

Instalacja solarna z zasobnikiem dwu wężownicowym jest najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem dla projektowanych rozwiązań. Jeden wymiennik podłączony jest do baterii kolektorów a drugi do zasilania ciepłą wodą z pieca c.o. Ponieważ w sezonie pozagrzewczym kolektory zapewniają z reguły około 100% pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę (przy prawidłowo dobranej instalacji ) więc nie ma potrzeby zasilania z pieca, zaś w sezonie grzewczym przy słabszym nasłonecznieniu załącza się zasilanie z pieca, niezależnie czy jest to piec ze sterownikiem i czujnikami temperatury czy tradycyjny bez sterowania.
Do zasobnika dwuwężownicowego można także dołączyć grzałkę, która zapewni ciepłą wodę w przypadku, gdy w okresie marzec-wrzesień przez kilka dni z rzędu zabraknie słońca.

Obliczenia przeprowadzono wg PN-EN 15316-4-3.Instalacje grzewcze w budynkach metoda obliczania zapotrzebowania na ciepło i ocena sprawności instalacji-Część 4-3:Źródła ciepła,cieplne instalacje solarne.

5.Obliczenie zapotrzebowania ciepła na przygotowanie c.w.u.

1.Średnie dobowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę w budynku .

V_dśr = 4*35 l=140 l/d=0,14 m³/

2. Średnie godzinowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę w budynku .

V _{h śr}= 0,14 m³:18=0,0078 (m³/h)

3.Zapotrzebowanie na ciepło na ogrzanie 1 m³ wody.

Q_cwj= $\frac{4,2*1000*(60 - 10)}{0,8*0,7}\ \ \ \ =$375000 kJ/m³=375 MJ/m³=104.17 kW/m³

4.Roczne zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie c.w.u w budynku.

Q_cwj= 104,17* 0,14*0,95 *365 = 5056,78 kW

5.Obliczenie zapotrzebowania mocy cieplnej na przygotowanie c.w.u.

Φ=0,0078*0,375*1*4,48*278= 3 ,6 kW

5.2. Dane do obliczeń.

Tabela.1. Obliczenie związku różnicy temperatur.

Miesiąc	θref	θe,avg	ΔT	Jednostka
Styczeń	117,2	-2,1	119,3	K
Luty	115,8	-1	116,8	K
Marzec	110,3	3,1	107,2	K
Kwiecień	103,4	8,4	95,0	K
Maj	96,1	13,9	82,2	K
Czerwiec	92,8	16,4	76,4	K
Lipiec	89,9	18,6	71,3	K
Sierpień	90,7	18	72,7	K
Wrzesień	96,9	13,3	83,6	K
Październik	102,7	8,9	93,8	K
Listopad	110,6	2,9	107,7	K
Grudzień	115,6	-0,9	116,5	K

Θ_ref=11,6+1,18*60 +3,86*10-1,32*θ_e,avg [⁰ C]

Tabela.2. Średnie miesięczne promieniowanie słoneczne dla Krakowa.

Miesiąc	Im	Jednostka
Styczeń	44	W/m^2
Luty	74	W/m^2
Marzec	115	W/m^2
Kwiecień	155	W/m^2
Maj	204	W/m^2
Czerwiec	199	W/m^2
Lipiec	202	W/m^2
Sierpień	181	W/m^2
Wrzesień	123	W/m^2
Październik	74	W/m^2
Listopad	42	W/m^2
Grudzień	33	W/m^2

5.2.Układ z kolektorem płaskim- przykład I:

Kolektor płaski VITOSOL 100 F typ SV1 –wysoko wydajny przeznaczony szczególnie do wspomagania c.w.u.

A=4.6 m² η₀=0,743, k₁=4,16 k₂=0,0124

U_loop=2, 48 W/m² K

IAM =0,94

Wydajność systemu solarnego jest obliczana miesiąc po miesiącu za pomocą wzoru:

Tabela.3. Obliczenie całkowitej rocznej solarnej wydajności układu kolektorów słonecznych.

Miesiąc	Długość miesiąca [h]	X	Y	Q sol,us,m	Qsol,out,m	Jedn.
Styczeń	744			383,0		kWh
Luty	672			365,0		kWh
Marzec	744			430,2		kWh
Kwiecień	720			433,9		kWh
Maj	744			467,2		kWh
Czerwiec	720			450,8		kWh
Lipiec	744			468,0		kWh
Sierpień	744			460,6		kWh
Wrzesień	720			421,7		kWh
Październik	744			409,5		kWh
Listopad	720			376,7		kWh
Grudzień	744			381,6		kWh
	Całkowita solarna wydajność		QTot,sol,out		kWh

5.3. Układ II z kolektorem próżniowym Vitosol 200 T.

Kolektor próżniowy Vitosol 200 T

A= 4,1 m² /2*2,01/

U _loop=1,66 W/m² K

IAM =1,0

η_o=0,806 k₁=1,13 k₂=0,00638