04 Handbook Suncani Toplovodni Sustavi

Ovaj projekt financira Europska unija Ova publikacija izraena je uz pomo Europske unije. Za sadraj ove publikacije odgovorna je Srednja kola Oroslavje i ne odraava stavove Europske unije.

Damir Dovi

SUNANI TOPLOVODNI SUSTAVI

Prirunik

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije

Project financed by the European Union IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables Projekt je financiran sredstvima Europske unije IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO Nositelj projekta: Srednja kola Oroslavje Partneri na projektu: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Grad Oroslavje Struni suradnici: Darko Cobovi, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing.

Autor: Doc. dr. sc. DAMIR DOVI dipl. ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveuilita u Zagrebu Izdava: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Srednja kola Oroslavje Tehniki urednik: Mario Lesar, graf. ing. Dizajn i promocija: Culmena d.o.o. Web adresa: www.ipa-oie.com

Sadraj1. Uvod.............................................................................................

1 1 1 2 2 2 2 3 4 7 8 8 8 10 10 10 12 12 13 15 15 17 18 20 21 23 23 23 25 25

2. Fizikalne osnove 2.1 2.2

................................................................................ ..................................................................

Maseni i volumni protok Izmjena topline 2.2.2 Toplina 2.2.1 Temperatura

............................................................................ .........................................................................

............................................................................... ..................................................................

2.2.3 Provoenje topline 2.2.4 Konvekcija 2.2.5 Zraenje 2.3 2.4

..........................................................................

............................................................................. ....................................................

Izmjena topline izmeu dvaju medija Izmjena topline transportom mase

.......................................................

3. Obnovljivi izvori energije 3.1 3.2

...................................................................... ......................................................... ......................................................

Obnovljivi izvori i fosilna goriva

Karakteristike obnovljive energije

4. Sunevo zraenje 4.1 4.2 4.3 4.4

.............................................................................. ............................................................................ .......................................................................... ..................................................

Karakteristike

Efekt staklenika

Godinja promjena Suneva ozraenja Optimalni kut kolektora

.................................................................

5. Kolektori sunevog zraenja 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Efikasnost kolektora Ploasti kolektori Vakuumski kolektori

.................................................................

.....................................................................

......................................................................... ..................................................................... ................................................................... ..........................................

Neostakljeni apsorberi

Koncentrirajui kolektori i sunane elektrane Raspodjela strujanja u kolektorima

......................................................

6. Izmjena topline u ploastom kolektoru 6.1 6.2 Mehanizmi izmjene topline

.....................................................

.............................................................. ........................................ ......................................

Utjecaj konstrukcije na toplinske karakteristike

6.2.1 Utjecaj optikih svojstava apsorbera i stakla

6.2.2 Utjecaj spoja apsorbera i cijevi 6.3 Utjecaj strujanja radnog fluida

....................................................

26 28 28 28 33 33 33 34 34 35 37 37 39 40 40 43 46

..........................................................

7. Sunani toplovodni sustavi 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

................................................................... .............................................................. .............................................................. ...............................................................

Sustavi za pripremu PTV-a Sustavi za grijanje prostora Sustavi za grijanje bazena Regulacija Oprema i armatura Montaa kolektora

................................................................................ ....................................................................... .......................................................................

8. Ispitivanja sunevih kolektora i sustava

....................................................

9. Simulacija i ekonomino dimenzioniranje sunanih sustava 9.1 9.2 9.3 9.4 Prilog Metode prorauna Rezultati simulacije

.............................

........................................................................ ...................................................................... ................................................................ ...............................

Period povrata investicije

Optimizacija povrine kolektora i zapremine spremnika

...............................................................................................

Literatura

..........................................................................................

Damir Dovi: Sunani toplovodni sustavi [Prirunik]

1

1. UvodU dananje vrijeme svjedoci smo jaanja svijesti o potrebi koritenja obnovljivih izvora energije, kao i poveanja energetske uinkovitosti u proizvodnji i njezinu koritenju, a sve kao odgovor na ubrzan rast cijena fosilnih energenata, predvianja o njihovom iscrpljivanju u skoroj budunosti te oneienje okolia. Sunevo zraenje je najvei izvor obnovljive energije na Zemlji, gdje se pretvara u ostale oblike poput hidroenergije, energije vjetra, biomasu, energiju valova i dr. Danas se u svijetu suneva energija direktno najee koristi u toplovodnim sunanim sustavima za potrebe zagrijavanja potrone tople vode i grijanje prostora. Prorauni i praksa pokazuju da sunani sustavi u Republici Hrvatskoj mogu ponekad biti isplativi ak i bez namjenskih novanih potpora. Ipak, u veini zemalja koje imaju visoku stopu koritenja sunanih sustava po glavi stanovnika, npr. Cipar, Austrija, Grka, Njemaka, Danska, postoji sustav novanih potpora kojima se potie ugradnja sunanih sustava i znaajno sniavaju trokovi investicije. U naoj zemlji takvih sustavnih potpora jo nema, ve su one ograniene na manji broj sustava kroz regionalne projekte. Tako trenutno imamo samo oko 55.000 m2 instalirane kolektorske povrine (npr. Slovenija 112 000 m2, Austrija 2 800 000 m2) unato velikom tehnolokom potencijalu, posebice u primorskom dijelu nae zemlje. Uz nedostatak dravnih poticaja koji bi zasigurno potaknuli proizvodnju i ugradnju sunanih sustava u naoj zemlji, potrebno je i sustavno provoditi izobrazbu o tehnolokimekonomskim aspektima njihovakoritenja, a ona bi se odnosila na sve koji sudjeluju ili e tek sudjelovati u primjeni tih sustava, bez obzira radi li se o instalaterima ili projektantima.

2. Fizikalne osnove2.1 Maseni i volumni protokRad sunanih toplinskih sustava temelji se na izmjeni toplinske energije putem fluida koji protjee kroz pojedine dijelove sustava. Ovaj je protok definiran kao omjer mase fluida koji je proao kroz povrinu presjeka strujanja u jedinici vremena

m , kg/s t m masa fluida, kg t vrijeme, s. Ukoliko je protok okomit na povrinu presjeka strujanja moe se pisati m=m = A w , kg/s

(2.1)

(2.2)

A plotina povrine presjeka strujanja, m2 w brzina fluida, m/s gustoa fluida, kg/m3, tablica 2.1. Volumni protok definiran je kao omjer volumena fluida koji je proao kroz povrinu presjeka strujanja u jedinici vremenaV= V , m3/s t

(2.3)

V masa fluida, kg.

2V=

Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Pritom vrijedim

, m3/s

(2.4)

Ukoliko je protok okomit na povrinu presjeka strujanja moe se pisati

V = A w , m3/s.

(2.5)

2.2 Izmjena toplineKod sunanih toplinskih sustava najvei dio energije izmjenjuje se u obliku topline. U nastavku je dan pregled odgovarajuih mehanizama izmjene topline te izrazi kojima se oni opisuju. 2.2.1 Temperatura Temperatura (T, K i , C) veliina je stanja neke materije (tijela ili fluida) kojom se opisuje njezin stupanj zagrijanosti odnosno ohlaenosti. Temperatura ovisi o prosjenoj kinetikoj energiji, tj. brzini gibanja estica od kojih se sastoji materija, pri emu je temperatura to via to je vea kinetika energija. Za mjerenje temperature koristi se apsolutna Kelvinova i relativna Celzijeva skala. Veza izmeu tih dviju skala jestT ( K ) = ( C ) + 273,15

(2.6)

pri emu je 0 K najnia temperatura, tj. apsolutna nula koja odgovara teorijskom stanju pri kojem nema gibanja estica. 0 C odgovara toki smrzavanja vode pri standardnom atmosferskom tlaku (101325 Pa). Interval podjele identian je kod obiju skala. 2.2.2 Toplina Toplina (Q, J) je energija koja se izmjenjuje izmeu dvaju tijela (ili sustava) kada su ona na razliitim temperaturama. Toplinski tok je toplina izmijenjena u jedinici vremenaP= Q , J/s = W. t

(2.7)

esto se kod sunanih sustava za iskazivanje izmijenjene topline koristi mjerna jedinica, Wh umjesto, J. 1 Wh predstavlja toplinu koja se izmjeni tijekom 1 sata pri toplinskom toku od P = 1 W. Pri tome je 1 Wh= 3600 J. Kod ureaja namijenjenih izmjeni topline (npr. izmjenjivai topline, kolektori i dr.) za toplinski tok P koristi se i termin snaga. Gustoa toplinskog toka izmijenjeni je toplinski tok po jedinici povrine okomite na smjer irenja toplineq= P , W/m2 A

(2.8)

A plotina povrine izmjene topline, m2.2.2.3 Provoenje topline Provoenje topline (kondukcija) mehanizam je izmjene topline putem izmjene kinetike energije izmeu estica tvari (molekula, atoma) i gibanja slobodnih elektronabez njihovog primjetnog makroskopskog pomicanja, a sve uslijed postojanja temperaturnih razlika (gradijenta) unutar tvari. Provoenje topline jedini je mogui mehanizam izmjene topline unutar krutih neprozirnih tvari (kod prozirnih mogue je jo i zraenje) i izmeu krutih tvari koje su u toplinskom kontaktu.Isto tako, provoenje topline prisutno je i kod kapljevina i plinova ukoliko nema primjetnog mijeanja makroskopskih estica kada se nalaze u malom i ogranienom prostoru (npr. izmeu dviju stakle-


3

nih stjenki prozora). Kod laminarnog strujanja, kod kojeg nema mijeanja strujnica, toplina se provodi popreno na smjer strujnica. Prema Fourierovom zakonu, provoenjem se izmijenjeni toplinski tok kroz ravnu stjenku moe izraziti kaoP = T A , W

(2.9)

toplinska provodnost materijala stjenke, W/mK debljina stjenke, mT temperaturna razlika povrina stjenke, K A plotina povrine okomite na smjer irenja topline, m2. U tablici 2.1 dane su vrijednosti toplinske provodnosti za nekoliko gradbenih materijala i radnih fluida koji se koriste kod sunanih toplinskih sustava. Iz prikazanih vrijednosti moe se uoiti kako su metali najbolji, a plinovi najloiji vodii topline.Tablica 2.1: Toplinska svojstva tvari (pri 20 C)Materijal bakar (trgovaki) aluminij elik obini elik nehrajui kamena vuna staklo voda voda/glikol 40 % (solarna tekuina) zrak Gustoa 8300 2700 7840-7850 7900-7880 50-300 2700 998 1046 1,164 Toplinska provodnost , W/mK 372 229 47-59 14-20 0,036-0,043 0,76 0,598 0,382 0,0251 Specifini toplinski kapacitet cp, kJ/kgK 0,419 0,896 0,460-0,465 0,477-0,502 0,67 0,840 4182 3733 1,013

, kg/m3

2.2.4 Konvekcija Konvekcija je mehanizam izmjene topline izmeu krute stjenke i kapljevine (tekuine ili plina) koja se primjetno giba. Konvekcija se temelji na gibanju makroskopskih estica kapljevine (veih od molekula) razliitih temperatura, pri emu u meusobnim kontaktima dolazi do izmjene energije. to je vie takvih kontakata, to je intenzivnija izmjena topline, a to prije svega ovisi o uvjetima strujanja (brzini, geometriji stjenke i dr.) te fizikalnim svojstvima kapljevine. Kako uslijed gibanja fluida do stjenke dolaze uvijek nove estice razliite temperature, koje se kod turbulentnog strujanja jo dodatno mijeaju s onima iz ostatka struje, konvekcija dovodi do znatno intenzivnije izmjene topline nego to je to, primjerice, kod provoenja topline izmeu stjenke i mirujue kapljevine. Konvekcija moe biti slobodna ili prisilna. Kod slobodne je konvekcije gibanje kapljevine uz stjenku uzrokovano uzgonskim silama koje su posljedica razlike u gustoi estica razliitih temperatura uz i dalje od te stjenke. S druge strane, kod prisilne je konvekcije strujanje kapljevine izazvano vanjskim djelovanjem, npr. pumpom, ventilatorom ili vjetrom. Konvekcijom izmijenjen toplinski tok moe se prema Newtonovom zakonu izraziti kao

P = stj f A , W

(

)

(2.10)

koeficijent prijelaza topline, W/m2K

4


stj temperatura stjenke, C f temperatura fluida dalje od stjenke (izvan graninog sloja uz stjenku), CA plotina povrine okomite na smjer irenja topline, m2. Koeficijent prijelaza topline za rjeavanje praktinih problema odreuje se iz eksperimentalno dobivenih izraza uz primjenu teorema slinosti kojim je omoguena generalizacija rezultata dobivenih ispitivanjima na nekom modelu. Ti su izrazi dani u obliku funkcijske ovisnosti odreenih bezdimenzijskih znaajki definiranih tako da sadre fizikalne veliine koje najvie utjeu na izmjenu topline.Slobodna konvekcija

Nu = Nu (Gr, Pr)Nusseltov (bezdimenzijski) broj

(2.11)

Nu =

D

(2.12)

D karakteristina geometrijska veliina, npr. visina stjenke, promjer cijevi, opseg cijevi i dr., m toplinska provodnost fluida, W/mK. Grasshofov (bezdimenzijski) brojGr = g D3 stj f 2

stj

(2.13)

g gravitacijska konstanta = 9,81 m/s2 kinematiki viskozitet fluida, m2/s stj gustoa fluida uz stjenku, kg/m3 f gustoa fluida dalje od stjenke, kg/m3Prisilna konvekcija

Nu = Nu (Re, Pr)Reynoldsov (bezdimenzijski) broj

(2.14)

Re =

w D

(2.15)

w brzina strujanja fluida, m/s D karakteristina geometrijska veliina (npr. promjer cijevi, opseg cijevi i dr.), m. Prandtlov (bezdimenzijski) brojPr =

cp cp =

(2.16)

dinamiki viskozitet fluida, Pas, = gustoa fluida, kg/m3.2.2.5 Zraenje U irem smislu zraenje je emitiranje odreenih energetskih estica (alfa, beta estice, fotoni dr.) ili elektromagnetskih valova neke materije u prostor. Postoje razliite vrste s razliitim uzrocima unutar atoma, poput alfa, beta, gama, rendgenskog, neutronskog i elektromagnetskog zraenja. Elektromagnetsko zraenje obuhvaa UV zraenje, svjetlost (vidljivi dio spektra), infracrveno (IC) zraenje, radio valove i dr. Za izmjenu topline zanimljivo je ono elektromagnetsko zraenje


5

koje je odreeno temperaturom i prirodom pojedine tvari, a obuhvaa podruje valnih duljina od cca. 0,1-100 m, tj. dio UV podruja, cijeli vidljivi dio spektra i infracrveno podruje. U nastavku e se za to zraenje jednostavno koristiti termin "zraenje". Zraenje je mehanizam izmjene topline putem elektromagnetskih valova koja odailju tijela razliitih temperatura. Za razliku od provoenja i konvekcije, ovakav nain izmjene topline moe se odvijati sa i bez posrednika, jer se elektromagnetski valovi mogu iriti kroz vakuum (npr. u svemiru izmeu Sunca i Zemlje) kao i kroz razne plinove (npr. kroz atmosferu) ili prozirne medije (npr. kroz staklo sunevog kolektora). Sva tijela emitiraju elektromagnetske valove pri cjelokupnom spektru valnih duljina, a emu je uzrok titranje elektrona oko jezgre atoma. Zraenje E koje dolazi na povrinu nekog tijela moe biti djelomino ili u potpunosti apsorbirano, reflektirano i proputeno. To ovisi o svojstvima povrine, valnoj duljini zraenja, upadnom kutu zraenja te o vrsti materijala. Na osnovi zakona o odranju energije vrijedi: odnosno

E = r E + a E + E , W/m2,r + a + = 1

(2.17) (2.18)

r koeficijent refleksije a koeficijent apsorpcije koeficijent propusnosti. U teoretskim analizama zraenja koristi se koncept crnog tijela, idealiziranog etalonskog tijela koje u potpunosti apsorbira svo upadno zraenje svih valnih duljina iz svih smjerova, tj. a = 1. Raspodjela emitirane energije zraenjem crnog tijela odreene temperature po spektru valnih duljina odreena je Planckovim zakonom zraenja, slika 2.1.

Slika 2.1 Intenzitet vlastitog zraenja crnog tijela u ovisnosti o valnoj duljini za razne temperature

Energija koju crno tijelo emitira zraenjem na pojedinoj temperaturi dobije se integriranjem krivulje intenziteta zraenja za tu temperaturu sa slike 2.1 po svim valnim duljinama. Rezultat je Stefan-Boltzmannov zakon

6


Ec = T 4 , W/m2

(2.19)

Stefan-Boltzmannova konstanta = 5,6710-8 W/m2K4T termodinamika temperatura, K. Realna tijela zraenjem emitiraju manje energije od crnih, tako da Stefan-Boltzmanov zakon za realna tijela poprima oblik E = T 4 , W/m2(2.20)

koeficijent emisije (emisijski koeficijent)Kirchoffov stavak daje vanu vezu izmeu koeficijenata apsorpcije i emisije povrine tijela za zraenje pri odreenoj valnoj duljini i kod vremenski nepromjenjive temperature tijelaa =

(2.21)

Ovdje treba naglasiti da kod nekih tijela (npr. selektivnih premaza apsorbera suneva kolektora) koeficijenti apsorpcije pa tako i emisije mogu znatno varirati po valnim duljinama. Ukupno zraenje koje dolazi s povrine nekog tijela zbroj je vlastitog, reflektiranog i proputenog zraenja. Neto izmijenjeni toplinski tok zraenjem izmeu dvaju tijela razliitih temperatura razlika je odzraenih energija s njihovih povrina. Ukoliko je tijelo 1 toplije od tijela 2, izmijenjeni toplinski tok s tijela 1 na tijelo 2 moe se izraziti kaoP = F12 A1 T14 T24 , W

(

)

(2.22)

F12 geometrijski faktor oblika, ovisi o meusobnom geometrijskom poloaju tijela i koeficijentima emisije A1 plotina povrine tijela temperature T1, m2 T1 termodinamika temperatura tijela 1, K T2 termodinamika temperatura tijela 2, K. Vrijednosti F12 mogu se pronai u specijaliziranim prirunicima u obliku tablinih izraza za pojedine sluajeve. Izdvojeni karakteristini sluajevi koji se susreu u analizi izmjene topline u kolektorima: a) dvije paralelne ravne stjenkeF12 =

1 1/ 1 + 1 / 2 1

(2.23)

b) tijelo 1 obuhvaeno tijelom 2 pri emu je A1 A2 (npr. kolektor i nebeski svod)F12 = 1

(2.24)

Kada govorimo o Sunevu zraenju, mogu se koristiti sljedei termini i definicije: Sunevo zraenje odnosi se na elektromagnetske valove, odnosno ukupno zraenje (osim ako nije navedeno drukije) koje emitira Sunce. Ozraenje (iradijancija), W/m2 energija sunevog zraenja dozraena u jedinici vremena (energetski tok) na 1 m2 povrine plohe okomite na smjer tog zraenja (odnosno gustoa energetskog toka Suneva zraenja na neku plohu). Ozraenost (insolacija), J/m2 ili, Wh/m2 energija Suneva zraenja dozraena u nekom vremenu na 1 m2 povrine plohe okomite na smjer zraenja.


7

2.3 Izmjena topline izmeu dvaju medijaToplinski tok izmijenjen izmeu dvaju medija razliite temperature odvojenih stjenkom moe se izraziti kaoP = k A (f,t f,h ) , W

(2.25)

f,t ,f,h temperature fluida, CA povrina izmjene topline, m2 k koeficijent prolaska topline, W/m2KiliP= A (f,t f,h ) Ruk

, W

(2.26)

Ruk ukupni toplinski otpor prolasku topline, m2K/W.

Slika 2.2 Raspodjela temperatura pri izmjeni topline kroz ravnu stjenku

Pritom je za ravnu stjenku koeficijent prolaska topline definiran kao1 1 s 1 , W/m2K = + + k f,t s f,h

(2.27)

a ukupni toplinski otpor prolasku topline kaoRuk = Rf,t + Rstj + Rf,h , m2K/W

f,t , f,h koeficijenti prijelaza topline s fluida na stjenku, W/m2K s toplinska provodnost materijala stjenke, W/mK s debljina stjenke, m,(2.28)

Rf,t, Rf,h toplinski otpori prijelazu topline s fluida na stjenku, m2K/W Rstj toplinski otpor provoenju topline kroz stjenku, m2K/W. Za cijevnu (cilindrinu) stjenku vrijedi:d d du 1 1 , W/m2K = + u ln v + ku f,t 2 d u d v f,h d d dE 1 1 , W/m2K = + v ln v + k v d u f,t 2 d u f,h

(2.29) (2.30)

ku koeficijent prolaska topline sveden na unutranju povrinu stjenke cijevi, W/m2K kv koeficijent prolaska topline sveden na vanjsku povrinu stjenke cijevi, W/m2K du unutranji promjer cijevi, m, a dv vanjski promjer cijevi, m

8


2.4 Izmjena topline transportom maseToplinski tok doveden fluidu koji struji kroz neki od toplinskih ureaja u sunanom sustavu (npr. sunevi kolektor, izmjenjiva u spremniku) moe se izraziti kaoP = m cp (f,iz f,ul ) , W m maseni protok fluida, kg/s cp specifini toplinski kapacitet fluida, J/kgK f,ul temperatura fluida na ulazu u promatrani toplinski ureaj, C f,iz temperatura fluida na izlazu iz promatranog toplinskog ureaja, C.

(2.31)

3. Obnovljivi izvori energije3.1 Obnovljivi izvori i fosilna gorivaNajvei obnovljivi izvor energije na Zemlji je Sunce. Energija Suneva zraenja se pretvara u druge iskoristive oblike obnovljive energije (slika 3.1) poput: hidroenergije biomase energije vjetra energije valova energije morskih struja toplinske energije oceana. Uz navedeno, u obnovljivu energiju spada i geotermalna energija energija plime i oseke. Geotermalna energija ima izvor u kemijskim i nuklearnim reakcijama u slojevima duboko ispod zemljine povrine te u toplinskom kapacitetu rastaljene zemljine jezgre. Energija plime i oseke ima izvor u orbitalnom gibanju i gravitacijskim silama izmeu Zemlje, Mjeseca i Sunca.Kratkovalno zraenje Topl. za zagrijavanje zraka, zemlje i oceana: 81 000 TW 47%

Sunevo zraenje: 173 000 TW

Direktna refleksija: 52 000 TW, 30%

Ciklus isparav.kondenzac.: 40 000, TW 23% Fotosinteza: 40 TW, 50 C) prema izljevnom mjestu tako da PTV iz spremnika promijea s hladnom vodom. to se tie cjevovoda, oni bi openito trebali biti to je mogue krai ne bi li se toplinski gubici sveli na najmanju mjeru. Svi dijelovi cjevovoda kolektorskog kruga moraju se izolirati izolacijom debljine ( - ) promjer cjevovoda. Za to se esto se koristi specijalna UV otporna (Armaflex) izolacija, kojoj je nedostatak to je mogu otetiti ptice. U veim sustavima koristi se mineralna vuna obloena Al limom (koji izmeu ostalog prua zatitu i od ptica). U manjim kunim sustavima do 10 m2 kolektorske povrine cjevovodi su obino promjera 10 do 20 mm.

7.6 Montaa kolektoraKolektori se obino montiraju na krov (slika 7.9a). Bolje je rjeenje ako se kolektori montiraju kao dio krova (slika 7.9b) jer se tako tedi na materijalu pokrova ,npr. crijepu, a na tom mjestu dobiva se i izvrsna toplinska izolacija. Isto tako, kolektori se mogu montirati na ravne krovove, terase ili tlo koristei posebne nosae (slika 7.10). Pri tome je potrebno provjeriti nosivost krovne konstrukcije.


35

a)

b)

Slika 7.9 a) Kolektor montiran na krov b) Kolektor montiran kao dio krova

U veim sustavima kolektori se spajaju u grupe, slika 7.10. Ovdje treba voditi rauna o tome da se pravilnim dimenzijama cjevovoda osigura jednoliki protok kroz sve grupe. Sustav se balansira ventilima u pojedinim granama s ugraenim mjeraem protoka. Na najviem dijelu instalacije, odnosno izlazu iz kolektora ili grupe, montira se odzrani ventil koji se koristi za isputanje zraka iz cjevovoda tijekom punjenja sustava.

Slika 7.10 Sunani sustav s grupama kolektora montiranim na krovne nosae

8. Ispitivanja sunevih kolektora i sustavaU EU ispitivanja se provode u ispitnim laboratorijima akreditiranim od strane neke akreditacijske agencije prema sljedeim normama: EN 12975-2: Solar thermal systems and components Solar collectors Part 2: Test methods EN 12976-2: Solar thermal systems and components Factory made systems Part 2: Test methods, koja preuzima dio ispitivanja iz ISO 9459-2:1995 Solar heating-Domestic water heating systems: Outdoor test methods for system performance characterisation and yearly performance of solar only systems. Isto tako, pojedini ispitni centri provode ispitivanja prema nacrtima normi: ENV 12977-2 (Custom built systems) i ENV 12977-3 (Stores) Europski odbor za normizaciju (CEN) uveo je dobrovoljnu oznaku "Solar Keymark" kojom se potvruje da je kolektor kolektor ispitan prema gore navedenim EN normama i ispunjava sve zahtjeve iz njih te da je provedena provjera osiguranja kvalitete u proizvodnji. Veina kolektora koji se dostavljaju na trite EU-a , kao i Hrvatske, nosi oznaku "Solar Keymark".

36


Ispitivanje kolektora (prema EN 12975-2:2006) ukljuuje: 1. Mjerenje efikasnosti sa i bez vjetra 2. Odreivanje faktora promjene upadnog kuta 3. Izraun toplinskog kapaciteta 4. Pad tlaka 5. Ispit kvalitete 5.1 Tlana proba (1.5 max radni tlak) 5.2 Otpornost na visoku temperaturu (odreivanje stagnacijske temperature) 5.3 Ispitivanje izloenosti dugotrajnom Sunevu zraenju 5.4 Vanjski i unutranji toplinski ok 5.5 Propusnost na kiu 5.6 Otpornost na smrzavanje 5.7 Mehaniko optereenje stakla i spojeva s kuitem (uslijed vjetra i snijega) 5.8 Otpornost na udarce (kamenje, tua).

a)

b)

Slika 8.1 a) Ispitna linija za mjerenje toplinskih karakteristika kolektora i b) sustava

Standardna ispitivanja sustava do 10 m2 i 900 Lit prema EN 12976-2:2006 ukljuuju: 1. Otpornost na smrzavanje 2. Zatita od pregrijavanja 3. Tlana proba 4. Prikladnost za pitku vodu 5. Otpornost na vanjske utjecaje 6. Zatitna oprema (sigurnosni ventili, ekspanzijske posude. .) 7. Oznaavanje 8. Toplinske karakteristike sustava provedba ispitivanja karakteristika komponenti prema ISO 9459-5 8.1 Odreivanje pomone energije (el grijai, kotao,) 8.2 Odreivanje "parazitske" energije (pumpa, regulacija) 8.3 Odreivanje energije odvedene potroau 8.4 Odreivanje udjela solarne u ukupnoj energiji 8.5 Simulacije rada za razne pogonske i vremenske uvjete na temelju mjerenja 8.6 Provjera pokrivanja potreba bez rada kolektora 9. Zatita od povratnog strujanja 10. Elektrina sigurnost Ispitivanje komponenti spremnika za potrebe PTV-a i grijanja: odreivanje toplinskih gubitaka odreivanje ukupne godinje prikupljene energije u kombinaciji s razliitim kolektorima ili regulacijom ili pumpama.


37

Ispitivanje materijala 1. Odreivanje propusnosti stakla 2. Odreivanje karakteristika premaza apsorbera 3. Odreivanje faktora promjene upadnog kuta stakla Posebna ispitivanja Paralelna ispitivanja dvaju usporedivih sustava Ispitivanja kombiniranih sustava za pripremu PTV-a i grijanje prostora

9. Simulacija i ekonomino dimenzioniranje sunanih sustava9.1 Metode proraunaSunani sustav mora biti tako dimenzioniran do pokrije dio ili ukupnu potrebu za toplinskom energijom u odreenom periodu godine, a da se izbjegne pregrijavanje sustava i zastoj rada u bilo kojem trenutku. U tu je svrhu najbolje provesti simulaciju rada sunanog sustava na satnoj razini. Simulacija ukljuuje proraun dovedene i odvedene energije iz sustava u pojedinom satu tijekom dana te slijedom toga odreivanje temperatura vode u spremniku i kolektorskom krugu. Na taj se nain dobiju podaci o dinamikim karakteristikama sustava tijekom cijelog dana, to omoguuje meusobno usklaivanje povrine kolektora, zapremine i broja spremnika te toplinskog uinka izmjenjivaa topline i snage pomonog izvora topline. Konane dimenzije i karakteristike komponenti dobiju se optimizacijom u odnosu na cijenu investicije i prikupljenu energiju (tj. ekvivalentne utede na trokovima za gorivo), i to tako da period povrata investicije bude najmanji. Osim provoenja detaljnih simulacija rada, proraun sustava mogue je napraviti prema raznim drugim poopenim metodama temeljenim na odreivanju potrebnih parametara iz dijagrama, poput f-chart metode ili , f-chart metode i dr. (vie u [1]). Te metode daju informaciju samo o mjesenim vrijednostima prikupljene suneve energije za odreenu povrinu kolektora i zapreminu spremnika, ali ne omoguuju uvid u dinamiko ponaanje sustava to je od izuzetne vanosti za kvalitetno projektiranje sustava, postizanje eljenih temperatura u spremniku i najvee efikasnosti u radu. Neto detaljnija metoda, koja ukljuuje i proraun toplinskih gubitaka u dijelovima sunanog sustava, temelji se na originalnoj f-chart metodi, a opisana je u normi koja se koristi za energetsko certificiranje zgrada HRN EN 15316-4-3 (Sustavi grijanja u zgradama Metoda prorauna energijskih zahtjeva i uinkovitosti sustava Dio 4-3: Sustavi za proizvodnju topline, toplinski sustavi sunevog zraenja). U nastavku su dani osnovni izrazi koji se koriste u prethodno spomenutoj simulaciji rada toplovodnog sunanog sustava. Izrazi se odnose na kombinirani sustav s jednim spremnikom za zagrijavanje PTV-a i grijanje prostora. Korisna suneva energija prikupljena kolektorima u vremenu t moe se odrediti iz eksperimentalnih podataka o efikasnosti kolektora dobivenih od proizvoaa premaQkol = kol Gsun Akol t [Wh],

(9.1)

pri tome je t = 1 h. Gsun je sunevo ozraenje na plohu kolektora u odreenom satu karakteristinog dana pojedinog mjeseca u godini. Podaci o mjerenim satnim vrijednostima sunevog zraenja na horizontalnu plohu i plohu nagnutu pod 45 prema horizontali su dani u prilogu. Za druge kutove nagiba plohe potrebno je provesti zaseban proraun (vie u [1]). U prilogu su isto tako dani i podaci o temperaturi okolinog zraka potrebni za proraun efikasnosti.

38


Toplinska energija koja se odvodi iz spremnika tijekom potronje PTV-a pri protoku m (kg/s) rauna se prema:QPTV = mcp (s1 svj ) t, Wh

(9.2)

gdje je s1 temperatura vode u spremniku na poetku svakog vremenskog intervala (t = 1h). Svjea voda koja se dovodi u spremnik jest temperature svj = 10-15 C. Raspodjela potronje vode tijekom dana znaajno utjee na dinamiko ponaanje sustava, odnosno njegovo dimenzioniranje. Na alost, protok PTV-a u pojedinom satu tijekom dana teko je tono odrediti. U tu se svrhu mogu koristiti dijagrami poput onih sa slike 9.1. Openito, moe se uzeti da potronja PTV-a referentne temperature 45 C u kuanstvima iznosi oko 40-60 litara/dan po osobi, dok je u hotelima i autokampovima ona znatno via i iznosi oko 80-120 litara/dan po osobi.

Slika 9.1 Primjer satne potronje PTV-a u kuanstvu kroz dan, [1]

Toplinska energija akumulirana u spremniku jestQsprem = Qkolg QPTV , Wh.

(9.3)

gdje g uzima u obzir toplinske gubitke cjevovoda i izmjenjivaa (g = 0,9). Porast prosjene temperature spremnika zapremine Vsprem tijekom svakog sata jest = Qsprem Vsprem cp

, C.

(9.4)

Temperatura vode u spremniku na kraju svakog sata tada je

s2 = s1 + , C.

(9.5)

Izrazi (9.1)-(9.5) omoguuju izraun promjene temperature vode u spremniku tijekom karakteristinog dana u mjesecu. Ukupna povrina kolektora i zapremina spremnika tada se odreuju na nain da se postignu eljene temperature u spremniku u pojedinom mjesecu (npr. u ljetnim mjesecima maks. 55 C). Na kraju pojedinog dana postignuta temperatura spremnika umanjuje se za (2-3) C zbog toplinskih gubitaka tijekom noi te se s tom vrijednou ulazi u simulaciju rada za sljedei dan, tj. u sljedei korak iteracije. Nakon prorauna nekoliko koraka simulacije (tj. za nekoliko dana) postie se stacionarna raspodjela temperatura od jutarnjih do veernjih sati. Temeljem te temperaturne raspodjele provodi se proraun potrebne energije pomonog grijaa (kotla, el. grijaa) da bi se voda zagrijala na eljenu temperaturu (npr. 50 C). Najvea temperatura PTVa u spremniku bi u jednom dijelu dana morala biti izmeu 45-55 C radi sprjeavanja razmnoavanja legionele, ali ne znatno via, jer se time nepotrebno smanjuje efikasnost kolektora. Iznos toplinske energije dodatnog izvora (el. grija, kotao) rauna se premaQPTV = mcp (50o C Ts2 ) t , Wh.

(9.6)


39

U ovakvom modelu prorauna pretpostavljeno je da se PTV dogrijava izvan spremnika (npr. ploastim izmjenjivaem) na temperaturu 50 C, tako da je temperatura u spremniku ovisna samo o toplini dovedenoj kolektorima i onoj odvedenoj kroz potronju PTV-a. U najveem broju sustava to se dogrijavanje dogaa na izmjenjivau u samom spremniku (vidi poglavlje 7.1). No voda ima tu viu temperaturu (50 C) samo pri vrhu spremnika, tako da takva situacija ne utjee puno na prosjene temperature Ts1,2 s kojima se rauna u simulaciji. Detaljniji prorauni trebali bi ukljuiti i utjecaj temperaturne raspodjele u spremniku. Tu se uspjeno mogu koristiti programi za numeriku simulaciju poput npr. TRNSYS-a. U sluaju kada se koristi kombinirani sustav za bilo radijatorsko, podno ili zidno grijanje, gornji izraz za akumuliranu toplinu poprima sljedei oblikQsprem = Qkolg QPTV QH,nd , Wh.

(9.7)

Pri tome mora biti poznat iznos potrebne topline za grijanje QH,nd (norma HRN EN 13790).

9.2 Rezultati simulacijePrimjenjujui prethodno opisanu metodu, provedena je simulacija rada sunanog sustava za obiteljsku kuu korisne povrine Ak = 100 m2 s 4 ukuana, smjetenu u dvama razliitim klimatskim podrujima Zagrebu i Splitu, [10]. U dijagramu na slikama 9.2a,b prikazana je izraunata temperatura vode u spremniku tijekom karakteristinog dana u pojedinom mjesecu. Povrina je kolektora tako odreena da se u potpunosti pokrije potreba za zagrijavanjem PTV-a u ljetnim mjesecima. Rezultati oekivano pokazuju da je srednja godinja efikasnost kolektora vea u Splitu kol = 0,60 nego u Zagrebu kol = 0,49. Zanimljivo je vidjeti kako je tijekom ljetnih mjeseci efikasnost kolektora kol = 0,62 u Splitu tek neto vea nego u zimskim mjesecima kol = 0,58. Tako male razlike posljedica su niih temperatura u spremniku zimi (to podie efikasnost) i druge strane niih vrijednosti temperature zraka i ozraenosti (to pak sniava efikasnost). U Zagrebu je efikasnost kolektora zimi kol = 0,4 znatno nia nego ljeti kol = 0,56. To je posljedica veih razlika temperatura zraka i iznosa ozraenosti zimi i ljeti od onih u Splitu. Isto tako, efikasnosti se u ljetnim mjesecima u Zagrebu i Splitu znatno manje razlikuju nego one za ova dva grada u zimskim mjesecima, i to upravo zbog veih razlika u temperaturama zraka i ozraenosti tijekom zimskih mjeseci.60 55 50 45 Tem peratura (C) 40 35 30 25 20 15 10 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Doba dana, h30 25 20 0 3 6 9 12 15 18 21 24 Doba dana, h 60 55 50

sijeanj travanj srpanj listopad

Temperatura (C)

45 40 35

sijeanj travanj srpanj listopad

a)

b)

Slika 9.2 Simulirane vrijednosti promjene temperatura u spremniku PTV-a tijekom karakteristinog dana za optimirani sunani sustav u a) Zagrebu i b) Splitu, [17]

40


9.3 Period povrata investicijeVisina investicije i njezin period povrata esto u konanici odreuju dimenzije komponenti sunanog sustava, i to prije svega ukupnu povrinu kolektora. U postupku optimizacije nastoji se odabrati ono rjeenje koje daje najmanji period povrata investicije. Pri tome je zgodno prikazati cijenu investicije kao zbroj promjenjivih trokova ovisnih o ukupnoj povrini kolektora Ckol i nepromjenjivih trokova sustava Cfix.Cinvest = Ckol Akol + Cfix [kn].

(9.8)

Tada ukupna povrina kolektora postaje varijabla po kojoj se vri optimizacija. Fiksni trokovi definirani su za odreeni raspon ukupne povrine kolektora i odnose se na spremnik, regulaciju, pumpe, ekspanzijske posude, ventile, cijevi, ugradnju i dr. Dakako, ukoliko su spremnik i sva pripadajua armatura dio konvencionalnog sustava koji bi se ionako morao ugraditi, onda investicija u sunani sustav obuhvaa samo one dijelove koji se dodatno moraju ugraditi (kolektori, regulacija, dodatne cijevi, pumpe, razlika u cijeni sunanog spremnika i manjeg spremnika u konvencionalnom sustavu i dr.). Najtoniji nain odreivanja investicije u sunani dio sustava jest razlika ukupne cijene konvencionalnog sustava kombiniranog sa sunanim i samog konvencionalnog sustava. Utede na trokovima za gorivo koje se ostvaruju kroz koritenje sunanog sustava tijekom godine odreuju se iz rezultata simulacija. Iznosom su jednake cijeni za odreeno gorivo koje bi se moralo potroiti da se dobije koliina energije jednaka iskoritenoj Sunevoj energiji za zagrijavanje vode (za PTV i grijanje prostora). Ta se uteda moe izraunati premaS=

Qkolg H kotao

d

CG , kn.

(9.9)

gdje je Hd donja ogrjevna mo goriva (kg/J, mn3/J), a CG je cijena goriva (kn/kg, kn/mn3 ). Qkolg je ukupna prikupljena godinja suneva energija iskoritena za zagrijavanje vode. Treba napomenuti da ovdje nisu uraunate utede vezane uz smanjene toplinske gubitke konvencionalnog dijela sustava. One posebice dolaze do izraaja ljeti kada je smanjena potronja energije (samo za pripremu PTV-a), a dodatni izvor topline (kotao) mora biti vei dio vremena u stanju pripravnosti (stand by reim rada) kako bi odravao temperaturu vode u spremniku. Koritenje sunanih sustava omoguuje rad samo s povremenim ukljuivanjem dodatnog izvora topline, tj. ne mora biti u stanju pripravnosti cijelo vrijeme, ime se postiu znatne utede i podie prosjena godinja efikasnost konvencionalnog dijela sustava. Za procjenu tih uteda potrebno je koristiti proraune iz skupine normi HRN EN 15316. Njihovim pridodavanjem prikupljenoj Sunevoj energiji znatno se moe smanjiti izraunata vrijednost perioda povrata investicije (ovisno o veliini sustava cca. 10-30 %). Jednostavni period povrata investicije rauna se premaP= Cinvest , godina. S

(9.10)

U prethodnom izrazu radi jednostavnosti nije uzet u obzir utjecaj kamata niti inflacije. Ukoliko se investicija financira bankarskim kreditom, utjecaj kamate produljio bi period povrata. S druge strane, utjecaj inflacije bio bi takav da skrauje period povrata.

9.4 Optimizacija povrine kolektora i zapremine spremnikaU tablici 8.1 dane su optimizirane vrijednosti povrina kolektora i zapremina spremnika sunanih sustava za pripremu PTV-a razliitih veliina ovisno o broju osoba, i to za klimatska podruja Zagreba i Splita. Optimalna povrina kolektora u ovisnosti o broju osoba prikazana je dijagramski na


41

slici 9.3. Isto tako, za sve sustave je izraunat period povrata investicije, slika 9.4. Za proraun je uzeta relativno visoka potronja PTV-a referentne temp. 45 C u iznosu od 80 lit/dan po osobi. To predstavlja prosjenu vrijednost potronje u sunanim sustavima u rezidencijalnom i turistikom sektoru (apartmani, autokampovi i sl.). Naelno, kod sunanih sustava poveanje potronje PTV-a rezultira poveanjem iznosa godinje prikupljene suneve energije, jer dovodi do sniavanja prosjene temperature vode u spremniku. Isti efekt ima i poveanje zapremine spremnika, no ono povlai i vee investicijske trokove, tako da u konanici moe dovesti do poveanja perioda povrata investicije. Sustavi su optimizirani prema dvama kriterijima, a to su: 1. da se u potpunosti pokriju energetske potrebe za pripremom PTV-a u srpnju i kolovozu 2. minimalni period povrata investicije. Investicijski su trokovi procijenjeni temeljem prosjenih trinih cijena opreme razliitih proizvoaa i cijena kolektora prosjenih toplinskih karakteristika. Kod sustava za pripremu PTV-a sa 6 i vie osoba koji ionako moraju imati spremnik sa svom pripadajuom armaturom (npr. ventili, ekspanzijske posude, pumpe i dr.) u investiciju sunanog dijela sustava uraunati su samo trokovi za kolektore, cjevovode, regulaciju, "solarni set" (pumpa, ekspanzijska posuda, ventili i dr.) i ugradnju te razlika u cijeni izmeu sunanog spremnika i onog za konvencionalni sustav. Rezultat toga je naglo smanjenje perioda povrata investicije u odnosu na sustave za broj osoba

Documents

04 Handbook Suncani Toplovodni Sustavi