Stefan Owczarek

3. TECHNOLOGIE WYKORZYSTUJĄCE ZYSKI CIEPLNE Z PROMIENIOWANIA SLONECZNEGO. Okna. Szklane fasady południowe

1. WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ W BUDOWNICWIE

Wzrost zaludnienia i chęć ponoszenia poziomu życia zmuszają do wytwarzania coraz większej ilości energii. Z drugiej strony zasoby tradycyjnych, kopalnych nośników energii zbliżają się ku końcowi. Ponadto nadmierne zużycie energii pierwotnej: węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego powoduje zagrożenie środowiska i klimatu. Zagrożenie środowiska powodują emisje tlenków siarki i azotu, a zagrożenie klimatu emisja dwutlenku węgla. W obawie o braki w dostawach ropy naftowej i węgla oraz występujące oznaki globalnego efektu cieplarnianego wystąpiło w krajach uprzemysłowionych znaczne zainteresowanie wykorzystaniem alternatywnych (niekonwencjonalnych) źródeł energii. Energia promieniowania słonecznego (EPS) jest jednym z najbardziej obiecujących niekonwencjonalnych źródeł energii. W budownictwie EPS znajduje wielorakie zastosowania. EPS jest wykorzystywana w budownictwie dwoma sposobami: pasywnym (biernym) i aktywnym. W urządzeniach wykorzystujących sposoby pasywne nie dostarcza się dodatkowej energii z zewnątrz. Natomiast w metodach aktywnych dostarcza się do instalacji dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczającego czynnik roboczy przez określony kolektor. W pozyskiwaniu energii cieplnej promieniowania słonecznego wykorzystuje się w większości zachodzących procesów konwersji energii tkw. "efekt szklarniowy".

Efekt szklarniowy. Wien analizując gęstość emisji promieniowania rozkładzie spektralnym ciała o ustalonej temperaturze, udowodnił, że maksimum tej gęstości jest związane z temperaturą i długością fali wzorem:

(1.1)

Dla przykładu zakładając, że temperatura powierzchni Słońca wynosi 6000K, promieniowanie słoneczne ma średnią długość około:=0.5 m. m=10^-6.

Odpowiednio, promieniowanie ścian pokoju T=300 K, :=10 m

Promieniowanie słoneczne przechodzi przez szybę okienną. Ponieważ struktura okna przepuszcza krótkie fale. EPS rozgrzewa ściany. Ściany wysyłają promieniowanie o długości fali 10 m a te nie mogą przejść przez szybę na zewnątrz, są odbijane od nich, powodując wzrost temperatury wewnątrz pomieszczenia. Zjawisko to nazwane jest efektem szklarniowym.

Sposoby wykorzystania konwersji temicznej energii promieniowania słonecznego

Energia promieniowania słonecznego jest wykorzystywana dwoma sposobami:

pasywnym (biernym) i aktywnym. W urządzeniach wykorzystujących sposoby pasywne nie dostarcza się dodatkowej energii z zewnątrz. Natomiast w metodach aktywnych dostarcza się do instalacji dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczającego czynnik roboczy przez określony kolektor.

Pasywne metody wykorzystania energii EPS stosuje w różnorodnych urządzeniach:

- urządzeniach do podgrzewania ciepłej wody użytkowe, w zbiornikach wystawionych

na działanie promieniowania słonecznego,

- do ogrzewania pomieszczeń w budynkach,

- w instalacjach termosyfonowych, składających się z kolektora i zbiornika ciepła,

- w szklarniach

- destylarniach i pewnych typach suszarni.

2. PASYWNE WYKORZYSTANIE EPS W BUDOWNICTWIE

2.1. Rodzaje systemów zysków EPS

Pasywne wykorzystanie EPS ogranicza się do naturalnego i samoregulującego się przepływu pozyskiwanego ciepła na drodze konwekcji swobodnej, przewodzenia i promieniowania. Działanie systemu biernego wykorzystania EPS do ogrzewania polega na stwarzaniu w budynku warunków wystąpienia efektu szklarniowego. Pozyskane ciepło jest rozpraszane w budynku, częściowo akumulowane w obudowie, a częściowo przejmowane przez powietrze wewnętrzne, które w ten sposób zostaje ogrzane. Dzięki zakumulowanemu ciepłu proces ogrzewania zachodzi po ustaniu operacji słońca, w porze nocnej.

Zależnie od miejsca absorbowania i konwersji termicznej wyróżnia się dwa rodzaje systemów: system zysków bezpośrednich i zysków pośrednich.

W systemie zysków bezpośrednich, promieniowanie słoneczne dociera do pomieszczenia przez okna i materiały izolacyjne przezroczyste. Jest ono pochłaniane przez powierzchnię całej obudowy i akumulowane tylko częściowo w masywnych przegrodach wewnętrznych. Pozyskiwanie, akumulowanie i wykorzystanie EPS następują w obrębie tego samego pomieszczenia. Pomieszczenie to jest więc kolektorem, zasobnikiem i grzejnikiem.

W systemie zysków pośrednich funkcje kolektora zasobnika i grzejnika są rozdzielone pomiędzy różne elementy budynku. Rolę kolektora i grzejnika spełnia najczęściej południowa ściana o ciemnej powierzchni zewnętrznej, usytuowana w niedalekiej odległości za szybami lub oddzielająca ogrzewane pomieszczenie od oszklonej przestrzeni buforowej w postaci werandy lub szklarni. Jeśli jest to masywna ściana to spełnia ona funkcję zasobnika ciepła to określa się ją mianem ściany kolektorowo-akumulacyjne. Uzyskana EPS jest przewodzona w głąb ściany docierając do pomieszczenia z pewnym opóźnieniem, albo kompensując straty ciepła tej ściany. Jeżeli jest to ściana lekka, izolowana o małej pojemności cieplnej to określa się ją mianem ściany kolektorowj. W tym przypadku ciepło jest przejmowane przez powietrze w lub przestrzeni między ścianą a oszkleniem ochronnym (termosyfon), a następnie unoszone do pomieszczenia przez specjalne otwory cyrkulacyjne.

2.2. System zysków bezpośrednich

Najprostszymi i najtańszymi sposobami wykorzystania energii słonecznej jest system zysków bezpośrednich, polegający na wykorzystaniu okien jako kolektorów promieniowania słonecznego i masywnych przegród wewnętrznych jako zasobnika ciepła. Pozyskiwanie, akumulacja i wykorzystanie energii słonecznej odbywa się w obrębie ogrzewanego pomieszczenia. Regulacja ilości przepuszczanego promieniowania jest możliwa po wyposażeniu okien w ruchome osłony (żaluzje, rolety, okiennice).

Rys.2.1. System zysków bezpośrednich. a) promieniowanie skupione na części masy akumula

cyjnej, b) promieniowanie rozproszone na całej powierzchni masy.

Okna jako kolektory słoneczne

Okna odgrywają ważną rolę w pozyskiwaniu energii promieniowania słonecznego.

Są one przezroczystym pokryciem ochronnym, decydującym o wykorzystaniu efektu szklarniowego do ogrzewania budynku. Z powodu znacznego współczynnika strat cieplnych, tyko okna południowe spełniają role kolektorów.

W krajowym budownictwie około 80% to okna drewniane, najczęściej zespolone, oszklone podwójnie szybami ze zwykłego szkła okiennego, grubości 3-4 mm. W indywidualnym budownictwie spotyka się jeszcze okna skrzynkowe lub krosnowe. Pojawiają się wciąż nowe konstrukcje okien spełniające wyższe wymagania termoizolacyjne.

Izolacje przezroczyste jako kolektory EPS i izolatory ciepła

W zagadnieniach wykorzystania EPS są poszukiwane i stosowane izolacje termiczne, które mają małą przewodność cieplną, a jednocześnie odznaczają się dużą przepuszczalnością promieniowania słonecznego. Zasadę działania takiej ściany wyjaśniono na rysunku:

Rys.2.2. Porównanie kumulacji ciepła promieniowania słonecznego i temperatury w ścianie nieprzezroczystej i przezroczystej

2.3. System zysków pośrednich

W przypadku kiedy ogrzewane są pomieszczenia przylegające do pomieszczeń wystawionych na działanie słońca, jest stosowany system zysków pośrednich, w którym funkcje kolektora, akumulatora i sposób rozprowadzenia ciepła są przypisywane różnym elementom budynku. W przypadku systemów pośrednich wyróżniamy helioaktywne elementy strukturalne budynku spełniające funkcje pozyskiwania energii promieniowania słonecznego. Do tych elementów należą: południowe okna, ściany kolektorowe, ściany kolektorowo akumulacyjne, przestrzenie buforowe.

Funkcje akumulacji nadwyżek ciepła pełnią przegrody akumulacyjne, ściany kolektorowo-akumulacyjne oraz w specjalne zasobniki (zbiorniki wodne lub magazyny ze zmianą fazy).

Rozdział ciepła w budynku odbywa się przez otwory i kanały cyrkulacyjne oraz drzwi między pomieszczeniami.

Zwiększenie efektywności systemu jest osiągane przez zmienną w czasie izolacją okien, przezroczystą izolację ścian, ekrany refleksyjne i elementy zacieniające.

Helioaktywne przegrody budowlane.

Do helioaktywnych przegród budowlanych należą:

- kolektororowo akumulacyjne,

- kolektorowe,

- akumulacyjne,

Najprostszym wzorem ściany kolektorowo-akumuacyjnej jest betonowa przegroda o czarnej powierzchni zewnętrznej umieszczona za szybą, oraz posiadająca u dołu i góry otwory umożliwiające cyrkulację powietrza, ściana Trombe'a. Schemat ściany pokazano na rys.2.3a. Ściana taka może być efektywna w warunkach znacznego promieniowania słonecznego (szrokość geograficzna poniżej 45o). Do wad ściany Trombe'a należą: długi czas nagrzewania, duże przesunięcie fazowe fali cieplnej, konieczność stosowania nocnej izolacji termicznej, słaba cyrkulacja powietrza, duża materiałochłonność.

Aby wyeliminować wadę małej izolacyjności ściany Trombe'a, stosuje się ścianę z dodatkową warstwą izolacyjną z materiału o możliwie dużym współczynniku przepuszczania promieniowania słonecznego (rys.2.3b). Aby zintensyfikować wymianę ciepła stosuje się ściany kanałowe, porowate lub z dynamiczną termoizolacją (rys 2.3.cd).

1 - ściana betonowa, 2 - murowana ściana pełna, 3 - kanałowa 4 - z pustaków ceramicznych, 5 - absorber, 6 - izolacja cieplna, 7 - przezroczysta termoizolacja 8 - dynamiczna termoizolacja, 9 - szczelina powietrzna, 10- szyba ochronna.

Rys. 2.3. Masywne ściany kolektorowo-akumulacyjne: a) ściana Trombe'a, b) murowana z przezroczystą termoizolacją, c)murowana kanałowa, d) ściana z dynamiczną termoizolacją.

Zwiększenie pojemności cieplnej zasobnika próbuje się osiągnąć przez zastosowanie substancji o dużym cieple właściwym, np. szklanych pojemników z wodą (rys 2.4). Wysokość pojemników dobiera się tak, aby wyeliminować stratyfikację wody i uzyskać możliwie równomierny rozkład temperatury cieczy.

1 - pojemniki z wodą, 2 - szczelina, 3 - lekka ściana osłonowa

4 - szyba ochronna, 5 - szkielet ze szkła zbroj., 6 - przestrzeń wypełniona wodą.

Rys.2.4.Kontenerowe ściany kolektorowo-akumulacyjne: a) z blaszanych pojemników,

b) z płyt szklanych.

Na uwagę zasługuje koncepcja obrotowej ściany kolektorowo-akumulacyjnej z ruchomą powłoką termoizolacyjną (rys.2.5.). Zmiany położenia powłoki ułatwiają sterowanie ilością i kierunkiem przepływu ciepła. Walcowy kształt segmentów stwarza ponadto lepsze warunki nasłonecznienia ściany. Proponuje się także segmenty w kształcie graniastosłupów o podstawie trójkąta. Jedna z płaszczyzn bocznych spełnia rolę zasobnika, druga stanowi izolację, a trzecia pokryta warstwą refleksyjną zabezpiecza pomieszczenie przed przegrzewaniem.

1 - masa akumulacyjna, 2 - ruchoma powłoka termoizolacyjna.

Rys. 2.5. Obrotowa ściana kolektorowo-akumulacyjna.

1 - płyta absorbera, 2 - kanał powietrzny, 3 -szyba ochronna, 4 - okno.

Rys. 2.6. Ściany kolektorowe.

Ściany kolektorowe.

Jeśli w sezonie grzewczym przeważa pogoda pochmurna, praktycznie nie można liczyć na akumulcję zysków ciepła w przegrodach budowlanych. W takich warunkach lepsze efekty daje stosowanie ścian kolektorowych, w których okresowo następuje włączenie podgrzewania czynnika (najczęściej powietrza, czasami wody) transportowango do pomieszczeń.

Najprostszym przykładem są ściany, na których zawieszone są pionowo, kompletne kolektory. Elementy te, będące częścią osobnej instalacji ogrzewczej lub wentylacyjnej, stanowią dodatkową warstwę termoizolacyjną ściany.

Na rysunku 2.6 pokazano dwa dość często podawane przykłady ścian kolektorowych: ścianę osłonową usytuowaną w pewnej odległości za szybą i pokrytą na całej wysokości budynku warstwą absorbującą promieniowanie słoneczne oraz ścianę z oknami, między którymi umieszczono kolektory stanowiące rodzaj grzejnika konwekcyjnego.

Są również produkowane modułowe elementy zastępujące tradycyjne ściany osłonowe. Spotyka się zarówno moduły w całości stanowiące kolektor powietrzny, jak również moduły wyposażone dodatkowo w okna, przez które promieniowanie słoneczne napływa bezpośrednio do pomieszczenia.

3.AKTYWNE WYKORZYSTANIE ENERGII PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W BUDOWNICTWIE

3.1. Uwagi ogólne

Spośród wielu sposobów wykorzystania EPS w budownictwie jednym z najbardziej ważnych jest wykorzystanie jej do ogrzewania, oświetlenia pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej.

W aktywnym systemie słonecznym następuje pozyskanie EPS jej rozdział i ma gazynowanie (akumulowanie) dzięki wyposażeniu budynku w dodatkowe elementy techniczne jak kolektory, instalacje, pompy, akumulatory wodne. Wymaga to stosowania urządzeń energetyki słonecznej. System aktywny angażuje jedno lub kilka mediów roboczych, które przesyłają, gromadzą i rozprowadzają energię słoneczną. Media robocze cyrkulują przy pomocy wentylatorów lub pomp. Podstawowymi urządzeniami systemów aktywnych są kolektory płaskie lub skupiające.

3.2. Kolektory płaskie

3.2.1.Elementy kolektora

. Przykład kolektora płaskiego pokazano na rysunku.3.1.

Rys.3.1. Budowa kolektora w widoku i przekroju poprzecznym.

Kolektor płaski składa się z następujących elementów:

- pokrycia, które musi być przezroczyste dla promieniowania słonecznego, jego zadaniem jest przepuszczenie EPS oraz zatrzymanie długofalowego promieniowania cieplnego pochodzącego od absorbera oraz ochrona absorbera przed złymi wpływami atmosfery.

- absorbera, który jest płytą pochłaniającą EPS, zadaniem płyty jest pochłanianie EPS i przekazywanie jej czynnikowi roboczemu.

- izolacji cieplnej, mającej za zadanie zmniejszenie strat cieplnych przez dolną i boczne ściany kolektora,

- ramy łączącej poszczególne elementy kolektora, zapewnia ona niezbędną wytrzymałość i sztywność kolektora.

Urządzeniem najbardziej uproszczonym uważanym za kolektor jest płaszczyzna samego absorbera wystawiona jedną stroną na promieniowanie słoneczne z czynnikiem odbierającym pochłonięte ciepło z drugiej strony. Pyta poddana działaniu EPS częściowo te promienie odbija, przepuszcza i pochłania. Pochłonięta część energii zamienia się na ciepło, powodując wzrost temperatury ciała. Z drugiej strony, każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego (-273o C) pozbywa się energii, wypromieniowując fale elektromagnetyczne. Wskutek jednocześnie występującego zjawiska dopływu i odpływu energii ustala się stan równowagi-temperatura równowagi, w której szybkość emitowania promieniowania równoważona jest dopływem energii promieniowania słońca. Wartość temperatury równowagi jest określana na podstawie prawa promieniowania sformułowanego przez Planca

(3.1)

gdzie:

Ib - natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego w W/m2,

- stała Boltzmana równa (1/64.5)4, W/m2.K,

, - odpowiednio współczynniki absorpcji i emisji promieniowania dla materiału płyty.

Dla płyty metalowej pomalowanej na czarno, wartość ilorazu / jest zbliżona do jedności. Oznacza to, że w letni słoneczny dzień przy Ib = 800 W/m2, temperatura płyty powinna ustalić się na poziomie 70o C. Pominięto tu dwa zjawiska równoważące

się nawzajem: oddawanie energii przez chłodzenie naturalne, konwekcję oraz energię promieniowani słonecznego otrzymywaną przez odbicia od obiektów znajdujących się w pobliżu kolektora.

Dodatkowymi zabiegami stosowanymi w celu podwyższenia temperatury absorbera są: a) zwiększenie wartości wyrażenia /, b) umieszczenie nad powierzchnią absorbera jednej lub więcej przeżroczystych płyt, najczęściej szklanych.

do a) Współczynnik dotyczy zaabsorbowanego promieniowania słonecznego, którego widmo stanowią fale elektromagnetyczne o długości 0.25-2.5 m (promieniowanie krótkofalowe), a współczynnik promieniowania emitowanego przez płytę, o długości fali 3-30 m (promieniowanie długofalowe). Znane są materiały o dużych współczynnikach pochłaniania rzędu 0.9 dla krótkofalowego zakresu promieniowania i małych współczynników emisji rzędu 0.1 dla promieniowania długofalowego. Z takich materiałów jak: czarne tlenki niklu, chromu, miedzi, dla których wyrażenie / osiąga wartości 8-10, tworzy się tzw. powłoki selektywne absorberów pozwalające na uzyskanie wyższych temperatur w granicach 150-160oC.

do b) Stosowanie przesłon przezroczystych, dwu lub trzech umożliwia wykorzystanie "efektu szklarniowego" polegającego na tym, że szkło pozwala wniknąć do wnętrza EPS, ale absorbuje długofalowe promieniowanie emitowane przez materiał absorbera, zatrzymując w ten sposób ciepło w kolektorze. Dzięki tym modyfikacjom temperatura równowagi płyty osiąga 110 oC dla absorbera neutralnego i 190 oC dla absorbera selektywnego.

Materiały absorberów powinny mieć dobre przewodnictwo cieplne, małą gęstość, łatwą obróbkę mechaniczną, odporność na korozję atmosferyczną i od strony czynnika roboczego, odporność na wysokie temperatury.

Pokrycia absorberów (powłoki) powinny charakteryzować się wysoką przyczepnością do absorberów, odpornością na wysokie temperatury, właściwościami antykorozyjnymi oraz selektywnością. Współczynniki selektywności materiałów stosowanych na powłoki kolektorów zmieniają się od 1 (farby czarne) do 9 (nikiel czarny).

Współczynniki przepuszczalności EPS stosowanych na pokrycia kolektorów zmieniają się od 77% (poliester zbrojony włóknem szklanym) do 96% (teflon poliwęglowy)

Izolacja cieplna powinna mieć możliwie mały współczynnik przewodzenia ciepła i małą gęstość oraz odporność na temperaturę i czynniki zewnętrzne. Najniższe współczynniki przewodzenia z materiałów stosowanych w kolektorach posiadają: poliuretan (płyta piankowa) 0.024, ebonit (guma porowata) 0.030, polistyren porowaty 0.034, płyty z wełny mineralnej 0.035. Gęstość strumienia ciepła przenikającą przez tylną ściankę kolektora obliczamy z zależności:

(3.2)

gdzie

t - różnica między średnią temperaturą absorbera Tai średnią temperaturą otoczenia To

s - grubość izolacji, m,

- współczynnik przewodzenia ciepła dla materiału W/mK.

3.2.2. Sprawność kolektora

Sprawność chwilową kolektora słonecznego określa się z zależności:

(3.3)

gdzie:

Qu - moc użyteczna, W,

I - gęstość promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora, W/m2,

F - powierzchnia kolektora.

Moc użyteczną kolektora jest równa różnicy zaabsorbowanej EPS i strat cieplnych kolektora:

(3.4)

gdzie:

- współczynnik transmisji-absopcji przesłony przezroczystej powłoki absorbera,

UL=/s - współczynnik strat ciepła z absorbera, W/m2K.

Podstawiając (3.3) do (3.4) wzór na sprawność chwilową napisano w postaci:

(3.5)

Ze wzoru (5.5) wynika, że sprawność kolektora jest tym większa im temperatura otoczenia jest bliższa temperaturze absorbera. Jeżeli te temperatury są równe sprawność kolektora jest równa sprawności optycznej .

W praktyce określenie temperatury absorbera TA jest kłopotliwe dlatego chwilową sprawność kolektora wyraża się wzorem zawierającym temperaturę czynnika grzewczego.

(3.6)

gdzie:

Dla kolektorów słonecznych do podgrzewania powietrza FM=(0.8-0.9), FR=(0.7-0.8),

=0.4-0.9, UL=5-15 W/m2K,

3.2.3. Instalacje do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

EPS może być wykorzystywana do podgrzewania ciepłej wody użytkowej w budownictwie, przede wszystkim w domkach jednorodzinnych, ośrodkach rekrea cyjnych , schroniskach oraz w basenach kąpielowych. Najprostszymi najstarszym typem słonecznego podgrzewacza wody jest otwarty, spłaszczony zbiornik na dachu z czarnym dnem. Ulepszonym urządzeniem do podgrzewania ciepłej wody użytkowej jest instalacja termosyfonowa z konwekcją naturalną czynnika powodowaną zmianami jego gęstości wskutek absorbcji EPS. Uproszczony schemat takiej instalacji przedstawia rys.3.2. Podgrzana energią słoneczną woda dociera do izolowanego zbiornika (na skutek zaistnienia konwekcji naturalnej), a zimniejsza woda ze zbiornika wpływa do dolnej części kolektora promieniowania słonecznego (na skutek sił grawitacji). Stąd dla tych podgrzewaczy zbiornik magazynujący powinien być umieszczony ok.40 cm powyżej górnej krawędzi kolektora. Termosyfonowe podgrzewacze nie są stosowane w przypadku, kiedy temperatura otoczenia spada znacznie poniżej zera, ponieważ zamarzanie wody w rurach kolektora może powodować ich pękanie i zniszczenie. Aby uniknąć tego niebezpieczeństwa, w klimacie zimniejszym stosuje się instalacje o dwóch odzielnych obiegach. W takich instalacjach w kolektorze płynie płynie czynnik

o temperaturze krzepnięcia mniejszej niż ma woda (wodne roztwory glikolu etylowego oleje organiczne, płyn borygo. W drugim obiegu mamy zbiornik z wodą (zasobnik). Te dwa obiegi rozdzielone są wymiennikiem ciepła. Najprostszym wymiennikiem ciepła jest wężownica.

Połączenie kolektor - zasobnik tworzy obieg kolektorowy. Drugi obieg nazywany umownie obiegiem odbioru CWU. Zasada funkcjonowania instalacji polega na jednoczesnym, nadążnym uzupełnianiu zbiornika wydatkiem wody o określonej temperaturze w przypadku poboru wody ciepłej. Współdziałanie “kolektor - zasobnik - układ odbioru CWU” określa następujące stany funkcjonowania zasobnika magazynującego ciepło:

- stan ładowania,

stan rozładowywania,

stan jednoczesnego ładowania i rozładowywania.

stan spoczynku,

Rys.3.2. Schemat termosyfonowej słonecznej instalacji podgrzewu cwu.

W przypadku kiedy czas rozładowania różni się znacznie od czasu ładowania stosuje się w zasobniku wypełnionym wodą specjalne złoża: na przykład parafinę wykorzystując do magazynowania ciepła ciepło przemiany fazowej. Poszczególne elementy złoża o kształtach kul lub walców stanowią powłokę z tworzyw sztucznych (lub innych materiałów np. z metali) wypełnioną substancją ulegającą przemianie fazowej. W odniesieniu do ośrodka ciekłego zasobnika spełniają one funkcje wymienników ciepła.

Stanem ładowania przyjęto określać stan akumulowania ciepła w złożu zasobnika, które jest dostarczane przez czynnik roboczy obiegu kolektorowego. Charakteryzuje się on cyrkulacją czynnika roboczego w obiegu kolektor - zasobnik. Stan ładowania wynika z właściwości źródła energii i efektywności jego wykorzystania, parametrów strukturalnych zasobnika oraz wielkości i rozkładu w czasie odbioru zmagazynowanego ciepła. Występowaniu źródła ciepła niekoniecznie odpowiadać musi stan ładowania ciepła w złożu. Czynnikiem decydującym o czasie ładowania jest strumień promieniowania oraz pozyskane ciepło przez czynnik roboczy obiegu kolektorowego. Wartość temperatury czynnika roboczego musi być kontrolowana i odnoszona do temperatur złoża w celu uniknięcia niepożądanego ochłodzenia złoża wskutek przepływu przez nie czynnika roboczego. Cyrkulacja czynnika roboczego ustaje więc, gdy jego przepływ powodowałby zmniejszanie entalpii złoża.

Stan rozładowania występuje w czasie odbioru wody związanego z zapotrzebowaniem na ciepło. Odbiór wody następuje ze stref złoża charakteryzujących się najwyższą temperaturą.

Czas występowania źródła ciepła i jego wykorzystania, czyli akumulowania ciepła w zasobniku może pokrywać się z czasem zapotrzebowania na ciepło. Proces ładowania i rozładowania może więc przebiegać jednocześnie.

Ostatnim stanem zasobnika jest okres braku akumulowania lub poboru ciepłej wody użytkowej. Nie oznacza to ustania procesów cieplnych zachodzących w zasobniku, o ile występuje w nim stratyfikacja temperatury lub jego temperatura będzie różna od temperatury otoczenia. Występująca różnica temperatury wymusza przepływ ciepła na drodze w najogólniejszym przypadku przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Stan taki przyjęto nazywać stanem spoczynku.

3.2.4. Systemy i układy do podgrzewania ciepłej wody z kolektorów słonecznych

Istnieje wiele możliwości połączenia kolektorów słonecznych z instalacjami użytkowymi. Najprostsze w których woda z sieci przepływa przez kolektor i po podgrzaniu jest kierowana do wykorzystania. Przyrosty temperatury w takich kolektorach są niewielkie. Aby zwiększyć przyrosty temperatury stosuje się układ przepływowy w którym woda podgrzewana jest wielokrotnie. Jeszcze wyższą temperaturę wody otrzymuje się stosując układ bezpośredni przepływowy ze zbiornikiem wodnym. Przepływ wody spowodowany jest różnicą gęstości wody podgrzanej w kolektorze i wody o niższej temperaturze w zasobniku. Im większa różnica temperatur, tym większa różnica gęstości i tym intensywniejszy przepływ wody przez kolektor (rys.3.2). Układ na rys.3.3 zawiera pompę cyrkulacyjną zwiększająca krotność przepływu wody przez instalację. W tych układach w celu zapewnienia prawidłowej eksploatacji kolektorów wskazane jest zastosowanie automatyki. Jej działanie sprowadza się do sterowania pracą pompy, tak aby przepływ wody zachodził tylko wówczas, gdy temperatura w kolektorze jest o 2-5oC wyższa od temperatury wody w zbiorniku. Powyżej omawiane układy bezpośrednie wymagają materiałów odpornych na korozję i nie mogą być stosowane w okresie zimowym. Układy pośrednie, w których obieg cieczy roboczej w kolektorze jest oddzielony od obiegu wody użytkowej poprzez wymiennik ciepła (rys.3.4).

Rys.3.3.Układ do podgrzewania wody z pompą ciepłai regulatorem(termostatem różnicowym)

Rys.3.4. Układ do podgrzewania wody pośredni w którym obieg cieczy roboczej jest oddzielony od obiegu wody użytkowej wymiennikiem ciepła.

Układy te wymagają stosowania urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, na przykład podczas przerw w dopływie prądu do silnika pompy. W wielu przypadkach strumień EPS jest niewystarczający do zapewnienia dostawy cieplej wody. wówczas konieczne jest stosowanie układów z dodatkowym źródłem ciepła rys.3.5-3.6.

Rys.3.5. Układ do podgrzewania wody z dwoma zbiornikami i dodatkowym źródłem ciepła.

Rys.3.6.Układ do podgrzewania wody z dwoma zbiornikami oraz wymiennikiem ciepła w postaci spirali umieszczonej w zbiorniku.

Poprawę warunków zasilania w ciepłą wodę można uzyskać wykorzystując zjawisko stratyfikacji (rozwarstwienia) wody w zbiorniku. Woda cieplejsza gromadzi się w górnej części zbiornika.

Kolektory słoneczne montuje się praktyczne w trzech miejscach:

- na dachu budynku,

- na południowej ścianie budynku lub przy ścianie,

- obok budynku.

W każdym z tych przypadków należy stosować odpowiednie zasady montażu.

3.2.5. Instalacje do podgrzewania powietrza

Słoneczne kolektory powietrzne znajdują zastosowanie tam, gdzie istnieje zapotrzebowanie na ciepłe powietrze o temperaturze 15-50oC. Są to między innymi następujące procesy:

- ogrzewanie pomieszczeń inwentarskich,

- ogrzewanie hal i magazynów,

- podgrzewanie szklarni i tuneli foliowych,

- ogrzewanie budynków mieszkalnych,

- suszenie drewna i materiałów budowlanych,

- regulacja mikroklimatu w przechowalniach płodów rolnych.

W skład instalacji podgrzewania powietrza oprócz kolektorów słonecznych wchodzą: kanały powietrzne, wentylatory, akumulatory ciepła, klapy i zasuwy oraz filtry powietrza, wymienniki ciepła i systemy rozprowadzające. System, wykorzystujący akumulator kamienny, przedstawiono na rysunku 3.7

Rys.3.7. Kolektor dachowy z kamiennym akumulatorem do ogrzewania domu

W ciągu dnia powietrze ogrzewane jest wstępnie w przybudowanej od strony południowej szklarni, a następnie po przejściu przez kolektor dachowy i ostatecznym dogrzaniu oddaje ciepło w akumulatorze kamiennym umiejscowionym w centralnej części budynku, a następnie kanałem pod podłogą wraca do szklarni. Nocą lub w dni pochmurne po zamknięciu zasuw, akumulator kamienny oddaje samodzielnie ciepło do pomieszczeń. Z uwagi na opory wywołane przepływem powietrza przez akumulator wymagany jest wentylator.

3.2.6. Projektowanie kolektorów słonecznych

Przed przystąpieniem do projektowania kolektora należy ustalić zapotrzebo wanie ciepła w okresie jego użytkowania (na przyklad roczne, miesięczne itp) oraz wartości EPS padającej w tym okresie na płaszczyznę kolektora. W celu określenia EPS należy skorzystać z danych uśrednionych promieniowania zmierzonego na plaszczyznie poziomej na stacjach metorologicznych. Następnie należy przeliczyć te wielkosci na plaszczyznę kolektora przy pomocy odpowiednich modeli (patrz Liu Jordan). Roczna gęstość EPS na plaszczyznę poziomą waha się w granicach 950-1250 kWh/m2. W przypadku Warszawy średnie promieniowanie całkowite za lata 1976-85 wynosi 962 kWh/m2.

Dla poszczególnych miesięcy odpowiednie średnie wartości zestawiono w tablicy 1.

Tablica 1. Suma całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą w poszczególnych miesiącach roku w Warszawie. Średnie z lat 1976-85.

Miesiąc	Prom.całkowite kWh/m2	Miesiąc	Prom.całkowite kWh/m2
Styczeń	17.2	Lipiec	146.5
Luty	34.6	Sierpień	126.1
Marzec	65.4	Wrzesień	80.7
Kwiecień	102.1	Październik	47.0
Maj	145.2	Listopad	20.4
Czerwiec	148.3	Grudzień	12.2

W przypadku kiedy nachylenie płaszczyzny kolektora określają kąty: azymut =0 (płaszczyzna ściśle południowa)i kącie nachylenia =32o promieniowanie całkowite wynosi 996 kWh/m2. Dla poszczególnych miesięcy sumy całkowitego promieniowania zestawiono w tablicy 2.

Tablica 2. Suma całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyznę =0 =32o w poszczególnych miesiącach roku w Warszawie. Średnie z lat 1976-85.

Miesiąc	Prom.całkowite kWh/m2	Miesiąc	Prom.całkowite kWh/m2
Styczeń	22.5	Lipiec	147.1
Luty	46.1	Sierpień	128.6
Marzec	75.0	Wrzesień	84.4
Kwiecień	106.0	Październik	55.0
Maj	141.9	Listopad	27.2
Czerwiec	144.7	Grudzień	18.9

Zapotrzebowanie na ogrzanie wody użytkowej w miesiącu dla trzech osób oblicza się z zależności: Qz=3*60ldziennie*30dni*(45-10)oC*4.19kJ/kgK=791.91MJ=219.98KWh..

Zapotrzebowanie ciepła w miesiącu jest pokrywane przez ciepło dostarczane z instalacji słonecznej. Ciepło z instalacji słonecznej obliczamy biorąc wartość promieniowania I z tablicy 1 lub 2, mnożąc przez sprawność instalacji oraz powierzchnię kolektora F.

(3.8)

Z powyższej zależności obliczana jest powierzchnia kolektora. Łatwo zauważyć, że projektując kolektor na zapotrzebowanie w miesiącach zimowych otrzymuje się w miesiące letnie nadwyżki ciepłej wody. Natomiast projektując na miesiące letnie mamy do czynienia z niedoborami ciepłej wody w miesiące zimowe. Dlatego w praktyce kolektory projektuje się na wartości promieniowania występujące w kwietniu. W miesiącach zimowych niedobory wody cieplej uzupełniamy dogrzewaniem ze źródła konwencjonalnego.

4.DOMY ZEROENERGETYCZNE

4.1. Dom słoneczny we Freiburgu

Kryzysy paliwowe i wzrost kosztów energii stały się powodem promowania przez rządy krajów rozwiniętych budownictwa o niskim zużyciu energii. Powstały placówki badawcze, których zadaniem było opracowanie projektów budynków energooszczędnych. Zasadą projektowania tych budynków to dobra izolacyjność obudowy budynku i duży stopień wykorzystania EPS. Budynki w Polsce obecnie zużywają na ogrzewanie około 200kWh/m3. W budynkach energooszczędnych budowanych w Szwecji, Niemczech lub USA zużycie to wynosi 60-100 kWh/m3. Są budowane w Niemczech domy wzorcowe, w których zużycie energii konwencjonalnej jest zerowe (zeroenergetyczne). Domy takie sa jeszcze droższe od domów tradycyjnych. Są to domy które mają być budowane powszechnie w przyszłości.

Jako przykład domu w którym zainstalowano wielokolektorowe urządzenia słoneczne można podać zeroenergetyczny dom słoneczny we Freiburgu. Dom ten był wybudowany ze środków finansowych wielu instytucji. Między innymi władz ISES (International Solar Energy Society), władz miasta Frejburga i innych. Zainstalowano tam następujące urządzenia:

- system odzyskiwania wodoru drogą elektrolizy (fotolizy). 70 m2 - izolacji transparentnej,

36 m2 - modułów fotowoltaicznych,

14 m2 - dwustronnego kolektora

Rys.4.1 Elewacja południowa w zero energetycznym budynku we Freiburgu, Niemcy

Rys.4.2. Plan parteru (a) i pierwszego piętra (b) w samowystarczalnym energetycznie słonecznym budynku, Freiburg, Niemcy.

Rys.4.3. Proste zabezpieczenie przed przegrzewaniem

Rys 4.4. Dwustronnie napromieniany kolektor słoneczny używany do ogrzewania cieplej wody użytkowej w samo wystarczalnym energetycznie domu słonecznym we Freiburgu.

5. EFEKTYWNOŚĆ SYSTEMÓW OGRZEWANIA BUDYNKÓW WYKORZYSTUJĄ

CYCH ENERGIĘ EPS

Efektywność systemu ogrzewania budynków o niskim zużyciu energii

Efektywność jest porównywana w stosunku do budynku typowego (referencyjnego).

Jako typowy przyjęto budynek zaprojektowany bez zwiększonych wymagań zużycia energii na ogrzewanie budynku. Energia ogrzewania w budynku o niskim zużyciu ciepła zależy od racjonalizacji izolacyjności obudowy budynku, parametrów sprawności zainstalowanych systemów słonecznych, oraz stopnia wykorzystania zysków słonecznych. Wyrażenia odniesione do budynku typowego oznaczono literą „R”. Budynek o parametrach ulepszonych (po renowacji) oznaczono literą „U”.

Przyjęto oznaczenia:

Q_hU- wartość zapotrzebowania ciepła w budynku ulepszonym po renowacji (ocenianym),

Q_hU- wartość zapotrzebowania ciepła w budynku typowym (referencyjnym),

Q_SU- straty ciepła w budynku ulepszonym po renowacji (ocenianym),

Q_SU- straty ciepła w budynku typowym (referencyjnym),

Q_ZSWU- zyski słoneczne ciepła wykorzystane w budynku ulepszonym po renowacji,

Q_ZSWU- zyski słoneczne ciepła wykorzystane w budynku typowym (odniesienia).

Wartość ciepła ogrzewania możemy wyrazić jako różnice przez straty ciepła budynku i zysków z urządzeń zainstalowanych odbiorników promieniowania słonecznego.

Ważne są zależności:

(5.1)

Dzieląc pierwsze równanie przez Q_hR otrzymano:

(5.2)

Wyciągając przed nawias Q_SU jest:

(5.3)

Wzór (5.3) można napisać w postaci:

(5.4)

Oznaczając przez:

(5.5)

Wzór (5.4) napisano w postaci:

(5.6)

gdzie

f_SUR - stosunek strat w budynku ulepszonym do zapotrzebowania w budynku typowym,

(współczynnik termorenowacji),

η_k- stosunek energii uzyskanej z kolektora do energii padającej na kolektor (sprawność

kolektora),

η_c- stosunek zysków energii słonecznej wykorzystanej w budynku do zysków

całkowitych (sprawność wykorzystania zysków cieplnych).

Przyjmując ponadto znane wyrażenia:

(5.7)

gdzie

SP - suma promieniowania w okresie grzewczym na jednostkę powierzchni [kWh/m²],

SD- suma stopniodni w okresie grzewczym,

U- średni współczynnik przenikania obudowy budynku,

A_p- średnia powierzchnia kolektorowa, na którą pada promieniowanie słoneczne

A_z- średnia powierzchnia zewnętrzna budynku ocenianego, (+wpływy z wentylacji).

Ostatecznie wzór na wartość zapotrzebowania rocznego ciepła w budynku ulepszonym ma postać:

(5.8)

Ze wzoru wynika, że aby energia ogrzewania była jak najmniejsza, to współczynnik termorenowacji f_SUR powinien być jak najmniejszy, natomiast możliwie największe muszą być: współczynnik η_c -współczynnik wykorzystania zysków słonecznych, η_k - sprawność kolektorów słonecznych oraz SP- średnia wartość energii promieniowania słonecznego na jednostkę obudowy budynku, powierzchnia odbiorników promieniowania słonecznego (wspomagające urządzenia grzewcze: okna, kolektory,) powinna być możliwie duża.

gdzie 1, 2, ...n Płaszczyzny kolejnych odbiorników promieniowania.

Możliwie małe powinny być: U- średni współczynnik przenikania ścian oraz A_z - powierzchnia zewnętrzna budynku.

Ze wzoru (9a) wynika że straty są wprost proporcjonalne do powierzchni A_z . Stąd straty jednostkowe są proporcjonalne do współczynnika kształtu
. Natomiast zmniejszają się ze współczynnikiem zwartości
. Stąd budynki energooszczędne powinny mieć najmniejszy współczynnik zwartości. Takie figury jak kula, sześcian, walec znormalizowany.

LITERATURA

1.Gogół W.: Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych, Ekspertyza "Konwersja termiczna energii promieniowania slonecznego w warunkach krajowych", Warszawa, grudzień 1993.

2. Praca zbiorowa: Rozwój kierunków projektowania energooszczędnych budynków mieszkalnych, Prace IPPT PAN Nr 2, 1989 r

3. Praca zbiorowa: Budynki i ich elementy przystosowane do uzysku i akumulacji energii cieplnej ze źródeł odnawialnych promieniowania słonecznego i ciepła powierzchniowych warstw gruntu. Prace IPPT PAN Nr 27,1990 r.

4. Wołoszyn M.A. Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa, 1991 r.

5. Wiśniewski G. Kolektory słoneczne, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa, 1992 r.

6. Owczarek S. :O ekstremalizacji energii promieniowania słonecznego na budynek, Książka konferencyjna "Budynki o niskim zużyciu energii cieplnej", Kraków 1996 r.

7. Lewandowski W.M. Proekologiczne źródła energii odnawialnej. WNT. Warszawa 2002.

8. Pluta Z. Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna wydawnicza PW. Warszawa 2007.

1

20

---