folder_projketanci
description
Transcript of folder_projketanci
kolektory serii GAK kolektory serii G, GA
1. Wstęp do projektowania dużych instalacji solarnych
1.1. Informacje o dużych systemach solarnych
1.2. Elementy systemu solarnego
1.3. Wizualizacja systemu solarnego
2. Obliczenia projektowe
2.1. Wstępne informacje
2.2. Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)
2.3. Określenie powierzchni kolektorów słonecznych
2.4. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym
2.5. Wymiary konstrukcji na dach skośny
2.6. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim
2.7. Wymiary konstrukcji na dach płaski lub płaską powierzchnie
2.8. Określenie przepływu przez instalację kolektorów słonecznych
2.9. Rodzaje przepływów czynnika obiegowego przez układ solarny
2.10. Określenie średnic rur
2.11. Wymiarowanie naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej
2.12. Opory przepływu w rurociągach
2.13. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda
2.14. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda
3. Uzysk energetyczny dużej instalacji solarnej – symulacja
4. Wykresy sprawności i mocy dla poszczególnych kolektorów
4.1 Wykresy dla kolektorów G4+
4.2 Wykresy dla kolektorów GA4
4.3 Wykresy dla kolektora GA5
4.4 Wykresy dla kolektor GAK2.0
4.5 Wykresy dla kolektor GAK2.5
4.6 Wykresy dla kolektor GAK3.0
3
3
3
4
6
6
7
7
11
11
13
16
16
18
19
20
20
20
22
23
25
25
26
27
28
29
30
Spis treści
3
Rys.1 - Schemat dużej instalacji solarnej
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, pozwa-
ają 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.
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.
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 do-
wolnego przedziału czasowego.
4
Rys.2 - Wizualizacja systemu solarnego - schemat Rys.3 - Wizualizacja systemu solarnego - wykres
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 pro-
centowy 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 ener-
getycznych 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:
7
wymiary (dł. x szer. x wys.)
waga
sprawność kolektora
moc kolektora przy G=1000 W/m2
sprawność optyczna
powierzchnia brutto
powierzchnia absorbera
powierzchnia apertury
rodzaj absorbera
temperatura stagnacji
objętość cieczy w kolektorze
maksymalne ciśnienie robocze
zalecany przepływ
grubość szyby solarnej
izolacja
spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)
G4+
2006 x 1006 x 80 mm
38,9 kg
85,7%
wełna mineralna 50 mm
1654 W
0,85
2,03 m2
1,95 m2
1,93 m2
wysokoselektywny
216 st. C
1,41 l
0,6 MPa
2 l/min
Ok. 120 Pa
4 mm
2006 x 1006 x 80 mm
GA4
wełna mineralna 50 mm
3,2 mm
Ok. 120 Pa
2 l/min
36,9 kg
85,7%
1654 W
0,85
2,03 m2
1,95 m2
1,93 m2
wysokoselektywny
216 st. C
1,41 l
0,6 MPa
Tab 1 – Dane techniczne kolektorów G4+, GA4 oraz GA5.
2110 x 1210 x 80 mm
wysokoselektywny
wełna mineralna 40 mm
46,7 kg
81,6%
1975 W
0,79
2,52 m2
2,42 m2
216 st. C
1,7 l
0,6 MPa
2,5 l/min
Ok. 305 Pa
2,55 m2
4 mm
wymiary (dł. x szer. x wys.)
waga
sprawność kolektora
moc kolektora przy G=1000 W/m2
sprawność optyczna
powierzchnia brutto
powierzchnia absorbera
powierzchnia apertury
rodzaj absorbera
temperatura stagnacji
objętość cieczy w kolektorze
maksymalne ciśnienie robocze
zalecany przepływ
grubość szyby solarnej
izolacja
spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)
GAK2.0
2008 x 1007 x 80 mm
37,6 kg
81,9%
1596 W
0,82
2,02 m2
1,93 m2
1,93 m2
wysokoselektywny
182,2 st. C
1,41 l
0,6 MPa
1,3 l/min
Ok. 300 Pa
4 mm
wełna mineralna 40 mm
GAK2.5
2106 x 1206 x 80 mm
46,1 kg
81,9%
1981 W
0,82
2,54 m2
2,42 m2
2, 42 m2
wysokoselektywny
182,2 st. C
1,7 l
0,6 MPa
1,7 l/min
Ok. 305 Pa
4 mm
wełna mineralna 40 mm
GAK3.0
2107 x 1406 x 80 mm
54,8 kg
81,9%
2340 W
0,82
2,96 m2
2,86 m2
2,86 m2
wysokoselektywny
182,2 st. C
2,0 l
0,6 MPa
2 l/min
Ok. 310 Pa
4 mm
wełna mineralna 40 mm
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. prze-
szklenia 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
Zużycie wodyPowierzchnia kolektorów
GAK2.0 GAK2.5 GAK3.0
1000 13,69 14,19 14,55
1500 20,54 21,29 21,82
2000 27,39 28,39 29,10
2500 34,23 35,48 36,37
3000 41,08 42,58 43,65
3500 47,92 49,68 50,92
4000 54,77 56,78 58,19
4500 61,62 63,87 65,47
5000 68,46 70,97 72,74
5500 75,31 78,07 80,02
6000 82,16 85,16 87,29
6500 89,00 92,26 94,57
7000 95,85 99,36 101,84
7500 102,70 106,45 109,11
8000 109,54 113,55 116,39
8500 116,39 120,65 123,66
9000 123,24 127,74 130,94
9500 130,08 134,84 138,21
10000 136,93 141,94 145,49
Ilość energii
l kWh
46,56
69,83
93,11
116,39
139,67
162,94
186,22
209,50
232,78
256,06
279,33
302,61
325,89
349,17
372,44
395,72
419,00
442,28
465,56
2m 2m 2m
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 2użyteczna na m powierzchni kolektora na dzień wynosi dla:
2GAK2.0 - ok. 3,40 kWh/m ( dla kolektora serii G4+ energia użyteczna będzie na podobnym poziomie )2GAK2.5 - ok. 3,28 kWh/m (dla kolektora serii GA5 energia użyteczna będzie na podobnym poziomie )2
GAK3.0 - ok. 3,20 kWh/m
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:
2P dla GAK2.0 (G4+) 1,93 mapertury
2P dla GAK2.5 (GA5) – 2,42 mapertury
2P dla GAK3.0 – 2,86 mapertury
Tab.3 - Energia potrzebna do ogrzania danej ilości wody
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:
Poniższy przykład pokazuje możliwości ustalania podziału kolektorów na pola. Dla obliczonej wymaganej 2powierzchni pola kolektorów równej ok. 60 m , rozpatrując zastosowanie kolektorów GAK2.0, GAK2.5,
GAK3.0 oraz G4+ i GA5 otrzymamy odpowiednio:
Typ kolektoraMaksymalna ilość
kolektorów w jednej baterii
4
4
3
4
3
2
G4+
GA4
GA5
GAK2.0
GAK2.5
GAK3.0
Tab.4 – Maksymalne ilości kolektorów w jednej baterii
2GAK2.0 lub G4+ - powierzchnia apertury: 1,93m22
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
2GAK2.5 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
2.4 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym
Jeżeli projektowana instalacja ma się znajdować w budynku wyposażonym w dach skośny, należy spraw-
dzić usytuowanie dachu względem stron świata oraz kąt połaci dachowej. Należy także sprawdzi czy dyspo-
nowana powierzchnia dachu jest wystarczająca dla przyjętego podziału pola kolektorów. Jeżeli nie ma
możliwości założone usytuowanie to należy przeprowadzić nowy podział z możliwie równymi poszczegól-
nymi polami.
2.5 Wymiary konstrukcji na dach spadzisty
Na rysunku numer 4 widoczna jest konstrukcja pod kolektory słoneczne na dach skośny wraz z zazna-
czonymi 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 skośnywraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami
11
Tab.5 – Wymiary podstawowych odległości dla konstrukcji na dach skośny dla poszczególnych kolektorów słonecznych
Tab.6 – Szerokości całkowite baterii 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.
A
Profil poprzecznyWymiar
Typ kolektora
Typ kolektora
1 kolektor
2 kolektory
3 kolektory
1 kolektor
2 kolektory
3 kolektory
1 kolektor
2 kolektory
Typ kolektora
B
Między profilamiwzdłużnymi
C
Profil wzdłużny
1000 mm
2000 mm
3000 mm
1200 mm
2400 mm
3600 mm
1400 mm
2800 mm
G4+, GA4, GAK2.0
900 mm
1100 mm
2 x 1100 mm
GA5, GAK2.5
1000 mm
1200 mm
2 x 1200 mm
GAK3.0
1200 mm
1400 mm
2070 mm
2070 mm
2070 mm
2170 mm
2170 mm
2170 mm
2170 mm
2170 mm
Typ kolektora 1 kolektor 2 kolektory 3 kolektory
G4+, GA4, GAK2.0 1007 mm 2094 mm 3181 mm
GA5, GAK2.5
GAK3.0
1206 mm 2492 mm 3778 mm
1406 mm 2892 mm 4378 mm
12
2.6 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim
Kolektory słoneczne ustawia się z nachyleniem między 30° a 45° do powierzchni na specjalnych konstruk-
cjach. 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.
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
Tab.7 – Wartości kąta β dla miast wojewódzkich
Rys.5 - Padanie promieni słonecznych na rzędy kolektorów
Miasto MiastoSzerokość
geograficznaSzerokość
geograficznaWartośćkąta β
Wartośćkąta β
13
Białystok
Bydgoszcz
Gdańsk
Gorzów Wielkopolski
Katowice
Kielce
Kraków
Lublin
Łódź
53°07' 53°47'
53°07' 50°40’
54°22’ 52°17’
52°44’ 50°02’
50°15’ 53°26’
50°53’ 53°02’
50°03’ 52°13’
51°14’ 51°06’
51°47’ 51°56’
13,38
13,38
12,13
13,77
16,25
15,62
16,45
15,27
14,72
Olsztyn
Opole
Poznań
Rzeszów
Szczecin
Toruń
Warszawa
Wrocław
Zielona Góra
12,72
15,83
14,22
16,47
13,07
13,47
14,28
15,40
14,57
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 mie-
siąca 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:
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:
β = 90 - X - szerokość geograficzna
Tab.9 - Wartości kąta β dla miast wojewódzkich dla 22 VI, 21 III, 23 IX.
Miasto MiastoSzerokość
geograficznaSzerokość
geograficznaWartośćkąta β
Wartośćkąta β
Białystok
Bydgoszcz
Gdańsk
Gorzów Wielkopolski
Katowice
Kielce
Kraków
Lublin
Łódź
53°07' 53°47'
53°07' 50°40’
54°22’ 52°17’
52°44’ 50°02’
50°15’ 53°26’
50°53’ 53°02’
50°03’ 52°13’
51°14’ 51°06’
51°47’ 51°56’
13,38
13,38
12,13
13,77
16,25
15,62
16,45
15,27
14,72
Olsztyn
Opole
Poznań
Rzeszów
Szczecin
Toruń
Warszawa
Wrocław
Zielona Góra
12,72
15,83
14,22
16,47
13,07
13,47
14,28
15,40
14,57
14
35
40
45
50
35
40
45
50
35
40
45
50
35
40
45
50
35
40
45
50
35
40
45
50
6,89
7,21
3,14
3,35
3,55
3,71
6,25
6,68
7,06
7,39
3,58
3,83
4,05
4,24
6,25
6,68
7,06
7,39
4,17
4,46
4,72
4,94
6,1
6,52
6,33
2,8
2,97
3,13
3,26
5,57
5,92
6,22
6,48
3,19
3,39
3,57
3,72
5,57
5,92
6,22
6,48
3,72
3,95
4,16
4,33
5,43
5,78
6,08
4,93
5,22
5,46
5,66
2,54
2,68
2,81
2,91
5,05
5,34
5,59
5,8
2,9
3,06
3,21
3,32
5,05
5,34
5,59
5,8
3,38
3,57
3,74
3,87
4,54
4,77
4,97
5,13
2,34
2,46
2,56
2,64
4,65
4,89
5,09
5,26
2,67
2,8
2,92
3,02
4,65
4,89
5,09
5,26
3,11
3,27
3,4
3,51
3,96
4,12
4,25
4,36
2,04
2,12
2,19
2,24
4,05
4,22
4,36
4,46
2,32
2,42
2,5
2,56
4,05
4,22
4,36
4,46
2,71
2,82
2,91
2,98
2,89
3,02
3,14
3,22
2,48
2,59
2,69
2,77
4,32
4,52
4,69
4,82
2,27
2,36
2,42
4,32
4,52
4,69
4,82
4,42
4,58
4,71
2,17
4,22
Typ kolektora
15 17,5 20 22,5 25 27,5
Odstęp rzędów kolektorów l [ m ]
Kąt wysokościsłońca β
Kąt nachyleniaα
GAK2.0 usytuowanie
pionowe
GAK2.0 usytuowanie
poziome
GAK2.5 usytuowanie
pionowe
GAK2.5 usytuowanie
poziome
GAK3.0 usytuowanie
pionowe
GAK3.0 usytuowanie
poziome
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.
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.
Rys. 6 - Widok konstrukcji pod kolektory słoneczne na dach płaski lub inną płaską powierzchnięwraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami
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
Wym
iar
Typ
ko
lekt
ora
Typ
ko
lekt
ora
Typ
ko
lekt
ora
1 k
ole
kto
r
2 k
ole
kto
ry
3 k
ole
kto
ry
1 k
ole
kto
r
2 k
ole
kto
ry
3 k
ole
kto
ry
1 k
ole
kto
r
2 k
ole
kto
ry
A
Mię
dzy
sto
pka
mi
20
00
mm
10
00
mm
90
0 m
m2
07
0 m
m1
33
0 m
m
20
00
mm
20
00
mm
11
00
mm
20
70
mm
13
30
mm
20
00
mm
30
00
mm
2 x
11
00
mm
20
70
mm
13
30
mm
20
00
mm
12
00
mm
10
00
mm
21
70
mm
13
30
mm
20
00
mm
24
00
mm
12
00
mm
21
70
mm
13
30
mm
20
00
mm
36
00
mm
2 x
12
00
mm
21
70
mm
13
30
mm
G4
+, G
A4
, GA
K2
.0
GA
5, G
AK
2.5
GA
K3
.0
20
00
mm
14
00
mm
12
00
mm
21
70
mm
13
30
mm
90
0 m
m
11
00
mm
2 x
11
00
mm
10
00
mm
12
00
mm
2 x
12
00
mm
12
00
mm
2 x
12
00
mm
20
00
mm
28
00
mm
2 x
12
00
mm
21
70
mm
13
30
mm
Mię
dzy
sto
pka
mi
Pro
fil p
op
rzec
zny
Mię
dzy
pro
fila
mi
wzd
łużn
ymi
Pro
fil w
zdłu
żny
Kąt
ow
nik
wsp
orc
zy
B
C
ED
Tab
.10
- W
ymia
ry p
od
staw
ow
ych
od
legł
ośc
i dla
ko
nst
rukc
ji n
a d
ach
pła
ski l
ub
inn
ą p
łask
ą p
ow
ierz
chn
ie d
la p
osz
czeg
óln
ych
ko
lekt
oró
w s
łon
eczn
ych
Zalecany przepływ przez kolektory na metr kwadratowy absorbera wynosi odpowiednio:2
GAK2.0 - 60 l/h*m2
GAK2.5 - 48 l/h*m2GAK3.0 - 40 l/h*m
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 zwię-
kszone 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.
18
Rodzaj przepływu ZastosowaniePrzepływ l/h x m2
duże instalacje
małe instalacje, domki jednorodzinne
HIGH-FLOW
LOW-FLOW
35 – 60
25 -40
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).
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 przepływają-
cego 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.
30% 1012
40% 1016 1,020
50% 1020 1,025
60% 1024 1,030
70% 1028 1,035
1,015
Stężenie glikoluGęstość roztworu
3kg/m
Gęstość roztworukg/l
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 wzbior-
czego. 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 prze-
pływem 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 wy-
miennik. Energia dostarczana do wymiennika z układu solarnego powinna być taka sama jak energia odbie-
rana przez układ wodny. Przy założeniu zatem, że wymiennik ma sprawność równą 100%, różnica tempe-
ratur 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
-15°C 4,00
-20 C° 3,97
-25 C° 3,94
-30 C° 3,91
-35 C° 3,89
Roztwór glikoluCiepło właściwe
cw [kJ/kgK]
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:
21
Aby uzyskać odpowiedni stopień niezamarzania glikolu propylenowego należy go rozmieszać w odpowie-
dnich proporcjach, co prezentuje tabela numer 14:
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
Temperaturazamarzania
Tab. 14 – Proporcje mieszania glikolu dla uzyskania odpowiedniej temperatury zamarzania.
Tab.13 – Ciepło właściwe roztworu glikolu
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 dopływa-
jącej 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
23
2Przeciętny roczny zysk kolektora 447 kWh/m
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
Suma
873 2575 10231 8 34
Zysk solarny Miesiąc Napromieniow.Energia
konwencjonalnaStopieńpokrycia
Sprawność
60353 133672 76431 45 45
Rys.7 – Symulacja stopnia pokrycia instalacji solarnej
Rys.8 – Symulacja napromieniowania, mocy systemu oraz temperatury.
24
Napromieniowanie na kolektor
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.
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.
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 2 – Zależność mocy kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 1 – Zależność sprawności kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
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+
spra
wn
ość
mo
c
25
spra
wn
ość
mo
c
4.2 Wykresy dla kolektora GA4
26
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 4 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA4 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
Wykres 3 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA4do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
4.3 Wykresy dla kolektora GA5
spra
wn
ość
mo
c
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
900
800
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
Wykres 5 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA5 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
Wykres 6 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA5do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
27
4.4 Wykresy dla kolektora GAK2.0
spra
wn
ość
mo
c
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
900
800
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 8 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
Wykres 7 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
28
spra
wn
ość
mo
c
4.4 Wykresy dla kolektora GAK2.5
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
900
800
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 10 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK2.5 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
Wykres 9 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK2.5 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
29
4.4 Wykresy dla kolektora GAK3.0
spra
wn
ość
mo
c
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
00%
900
800
700
600
500
400
300
200
100
000
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 12 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK3.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
Wykres 11 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK3.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika
i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia
2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]
30
solverc a t c h t h e s u n
ul. Zagórska 167, 42-600 Tarnowskie Góry
tel. 0048 32 768 31 56, fax: 0048 32 768 31 38
[email protected], www.solver.katowice.pl