+ All Categories
Home > Documents > 07 Prepararea Solara a Apei Calde de Consum

07 Prepararea Solara a Apei Calde de Consum

Date post: 31-Dec-2015
Category:
Upload: begu-marian
View: 39 times
Download: 3 times
Share this document with a friend
35
4. PREPARAREA APEI CALDE DE CONSUM Sisteme de încălzire Apa caldă este necesară atât pentru spălare cât şi pentru alte scopuri domestice. Se desemnează drept apă potabilă apa de la robinet utilizată în scopuri alimentare şi care respectă anumite norme de igienă. In domeniul industrial sunt necesare cantităţi importante de apă caldă în cadrul diverselor procese. Cu toate că temperatura apei calde este inferioară valorii de 100 ºC se consumă cantităţi semnificative de energie în acest scop. Creşterea continuă şi chiar în salturi a preţului combustibililor aduce în discuţie interesul pentru energia solară. Australia, California şi Florida au fost printre primele locuri de pe glob unde s- a utilizat energia solară încă de la începutul secolului trecut în scopul preparării apei calde de consum, iar în anii ’80 fabricaţia în serie a acestor instalaţii era deja o practică curentă în ţări precum Japonia, SUA, Izrael, Australia şi altele. Experienţa acumulată în domeniul sistemelor de preparare a apei calde de consum este utilă şi la cele de încălzire sau de răcire cu ajutorul energiei solare. În principal există două tipuri de sisteme de preparare a apei calde de consum cu ajutorul energiei solare: Cele bazate pe principiul termosifonului adică al diferenţei de densitate între apa caldă şi cea rece ca forţă motrice pentru circulaţia fluidului (convecţie naturală-circulaţie naturală), Fig.4.1.a. În al doilea caz se utilizează o mică pompă care asigură circulaţia apei (circulaţie forţată), Fig.4.1.b. a) b) Fig.4.1. Reprezentarea schematică a sistemelor solare de încălzire a apei: a) termosifon; b) circulaţie forţată şi circuit cu antigel
Transcript

4. PREPARAREA APEI CALDE DE CONSUM Sisteme de încălzire Apa caldă este necesară atât pentru spălare cât şi pentru alte scopuri domestice. Se desemnează drept apă potabilă apa de la robinet utilizată în scopuri alimentare şi care respectă anumite norme de igienă. In domeniul industrial sunt necesare cantităţi importante de apă caldă în cadrul diverselor procese. Cu toate că temperatura apei calde este inferioară valorii de 100 ºC se consumă cantităţi semnificative de energie în acest scop. Creşterea continuă şi chiar în salturi a preţului combustibililor aduce în discuţie interesul pentru energia solară. Australia, California şi Florida au fost printre primele locuri de pe glob unde s-a utilizat energia solară încă de la începutul secolului trecut în scopul preparării apei calde de consum, iar în anii ’80 fabricaţia în serie a acestor instalaţii era deja o practică curentă în ţări precum Japonia, SUA, Izrael, Australia şi altele. Experienţa acumulată în domeniul sistemelor de preparare a apei calde de consum este utilă şi la cele de încălzire sau de răcire cu ajutorul energiei solare. În principal există două tipuri de sisteme de preparare a apei calde de consum cu ajutorul energiei solare:

Cele bazate pe principiul termosifonului adică al diferenţei de densitate între apa caldă şi cea rece ca forţă motrice pentru circulaţia fluidului (convecţie naturală-circulaţie naturală), Fig.4.1.a.

În al doilea caz se utilizează o mică pompă care asigură circulaţia apei (circulaţie forţată), Fig.4.1.b.

a) b)

Fig.4.1. Reprezentarea schematică a sistemelor solare de încălzire a apei:

a) termosifon; b) circulaţie forţată şi circuit cu antigel

În sistemele de încălzire a apei, apa potabilă poate fi încălzită direct în colector (sau captator) sau indirect, cu ajutorul unui schimbător de căldură: agentul intermediar încălzit în colectori transferă căldura către apa caldă de consum, sau către cea menajeră în schimbătorul de căldură. Elementele esenţiale ale unei instalaţii de preparare a apei calde sunt grupul colector, grupul de stocare a căldurii şi sursa suplimentară de căldură. Radiaţia solară este absorbită şi convertită în căldură în grupul de colectare transferînd apoi această energie către fluid. Spre deosebire de sistemele de tip termosifon care nu au elemente de control, cele cu circulaţie forţată (atât pentru apă caldă de consum cât şi pentru apă caldă menajeră) sunt controlate de termostate diferenţiale. Colectorii plani absorb atât radiaţia directă cât şi pe cea difuză, asfel încât acestea pot funcţiona şi în perioadele de cer inourat în contrast cu colectorii care concentrează radiaţia. Din aceste motive, colectorii plani sunt preferaţi pentru temperaturi care nu depăşesc 100 ºC. Rezervorul de stocare a apei calde este amplasat deasupra colectorului în cazul sistemelor cu termosifon: apa încălzită -de densitate mai mică- se ridică în partea de sus a circuitului aşa cum se prezintă în Fig.4.1.a. Rezervorul de stocare trebuie izolat termic pentru a reduce pe cât posibil pierderile de căldură către mediul ambiant. Încălzitorul auxiliar asigură furnizarea căldurii şi în condiţiile unei radiaţii solare dezavantajoase. În cazul unor condiţii climatice severe (adică la temperaturi inferioare celei de îngheţ) trebuie înlocuită apa din circuit cu lichide antigel (ex. amestec etilen-glicol/apă, sau propilen-glicol/apă). Acest amestec trebuie separat de circuitul care furnizează apa caldă aşa cum se vede în Fig.4.1.b. În vederea unei funcţionări stabile circulaţia agentului este asigurată de către o pompă controlată printr-un termostat diferenţial; pompa intră în funcţiune doar la anumite valori prestabilite, de exemplu la o diferenţă de temperatură între distribuitorul superior al colectorului şi partea inferioară a rezervorului de 4 ºC. Lichidul antigel din circuitul colectorului este separat de apa potabilă prin intermediul schimbătorului de căldură, care poate fi amplasat fie în interiorul, sau în exteriorul rezervorului de stocare. In Fig.4.2.a este arătat un rezervor de stocare cu schimbător de căldură interior: în partea inferioară a rezervorului este amplasat schimbătorul pentru circuitul colectorilor, iar în partea de sus se află schimbătorul aferent sursei auxiliare de căldură. Se poate remarca şi stratul de izolaţie care înveleşte rezervorul în vederea reducerii pierderilor termice. Trebuie avute în vedere situaţii extreme de funcţionare ale sistemului: părţi ale acestuia sunt supuse condiţiilor meteo nefavorabile şi deci trebuie să reziste la îngheţ, iar în perioadele cu cerere

redusă de energie sistemul trebuie protejat la supraîncălzire în cazul unei insolaţii intense. Sistemul descris este aşa-numitul sistem cu încălzire indirectă a apei, Fig.4.3; circuitul colectorilor este închis şi prin urmare necesită un vas de expansiune precum şi o supapă de siguranţă. Se pot utiliza unul, sau două rezervoare de stocare fiind necesară o protecţie de supratemperatură în vederea prevenirii descompunerii lichidului din colectori, sau a accentuării exagerate a caracterului coroziv al acestuia.

Fig.4.2. Rezervorul de stocare conţine adesea schimbătorul de căldură în

interiorul său (a). Măsurarea debitului de apă pompat precum şi a diferenţei de temperatură aferente permite măsurarea aportului termic prin integrarea

valorilor în raport cu timpul (b). Proiectantul trebuie să evite completarea automată cu apă, căci acesta modifică concentraţia antigelului ceea ce va putea produce îngheţarea la temperaturi sensibil mai ridicate a colectorilor sau a conductelor de legătură.

a)

b)

Totodată sistemele cu antigel şi suprafeţe mari de colectare şi conducte de legătură lungi pot necesita un circuit de bypass pentru schimbătorul de căldură pentru a evita îngheţarea acestuia la pornire. O variantă a acestui sistem, aşa-numitul drain-back, utilizează apă tratată sau netratată în circuitul colectorului în vederea transferării energiei termice prin schimbătorul de căldură către apa potabilă. Acest agent termic intermediar este stocat într-un rezervor intermediar. Atunci cînd soarele încălzeşte colectorul este acţionată pompa de circulaţie până ce întreaga energie disponibilă este preluată de agentul intermediar. La oprirea pompei fluidul din colector este golit gravitaţional în aşa-numitul rezervor drain-back. La sistemele presurizate acest rezervor serveşte şi ca acumulator de presiune pe perioada de funcţionare şi de aceea este necesară existenţa unei supape de suprapresiune corelată cu temperatura dar şi cu supapa reducătoare de presiune. La sistemele nepresurizate rezervorul fiind deschis faţă de atmosferă nu este necesară o asemenea supapă (circuitul colectorului este separat de apa potabilă), iar oxidarea nu constituie o problemă. Panoul colector precum şi conductele de legătură trebuie înclinate corespunzător pentru a asigura golirea completă, iar presiunea de pompare trebuie să fie suficientă pentru a permite ridicarea nivelului apei pînă în punctul superior al colectorilor. Aceste sisteme nu prezintă pericolul de îngheţ: colectorii sunt umpluţi cu agent doar atunci cînd este cald şi prin urmare apa poate fi utilizată fără

Fig.4.3. Sistemul indirect de încălzire solară a apei

reţinere. Totodată apa are proprietăţi mai avantajoase din punct de vedere al circulaţiei prin colectori comparativ cu amestecurile de etilen-glicol/apă. În plus se evită pericolul fierberii apei în perioadele cînd instalaţia nu este folosită (de exemplu la atingerea temperaturii maxime în rezervorul de stocare), căci colectorii sunt goliţi. Un alt avantaj constă în absenţa circulaţiei gravitaţionale în perioadele când nu funcţionează pompa. După intervalele de repaos reumplerea colectorilor implică presiuni de pompare semnificative ceea ce face necesară utilizarea unei pompe de eficienţă ridicată (de exemplu, cu roţi dinţate, care sunt mai zgomotoase comparativ cu pompele centrifugale folosite în mod curent). O atenţie deosebită trebuie acordată la realizarea traseelor de conducte: înclinarea adecvată a acestora va asigura golirea completă a acestora precum şi aerisirea lor. În caz contrar pot surveni atât îngheţarea cât şi o funcţionare defectuoasă datorită pungilor de aer. Sistemul cu circulaţie directă spre deosebire de cel cu încălzire indirectă descris anterior pompează apa potabilă din rezervorul de stocare către colectori în situaţia în care energia solară disponibilă este îndestulătoare pentru a o încălzi, după care o readuce în acelaşi rezervor în vederea utilizării sale la momentul solicitării. Existenţa pompei face ca poziţia relativă a colectorilor faţă de rezervorul de stocare să fie indiferentă. Aceste sisteme cu circulaţie directă sunt utilizabile doar în zonele în care pericolul de îngheţ apare rar. În cazul în care apare o astfel de situaţie sistemul poate fi protejat fie prin circulaţia apei calde din rezervor către colectori, sau prin inundarea colectorilor cu apă rece.

Fig.4.4. Sistemul cu circulaţie directă pentru încălzirea solară a apei

Aceste sisteme nu sunt indicate pentru zonele cu apă având duritate sau aciditate excesivă căci depunerile de oxizi pot obtura sau coroda canalele din absorber conducând la scoaterea din uz a sistemului. Sistemele cu circulaţie directă sunt supuse presiunii existente în reţeaua de apă şi de aceea trebuie să reziste la aceste valori conform normelor în vigoare. Supapele de reglare a presiunii precum şi ventilele de siguranţă sunt necesare atunci când presiunea din reţeaua orăşenească de apă depăşeşte presiunea de lucru a colectorilor. Sistemele cu circulaţie directă utilizează de regulă un singur rezervor de stocare atît pentru stocarea energiei solare cât şi pentru încălzitorul de apă auxiliar, dar se pot utiliza şi două rezervoare de stocare. Sistemul Drain-down este o varintă a celui direct în care apa potabilă este pompată din rezervorul de stocare către panoul solar pentru a fi încălzită. Circulaţia apei continuă atâta timp cât există căldură disponibilă. Dacă sunt anticipate condiţii de îngheţ, sau dacă survine o întrerupere a alimentării cu energie electrică, sistemul este golit automat prin intermediul unuia sau mai multor vane de golire. În acest fel panourile colectoare precum şi conductele de legătură exterioare sunt izolate faţă de presiunea apei din reţeaua urbană. Atât colectorii cât şi conductele aferente trebuie executate cu o pantă corespunzătoare care să permită golirea conductelor exterioare colectorilor. Fiind supuse presiunii din reţeaua de apă aceste sisteme trebuie să reziste la testele de presiune, conform normelor în vigoare. Se utilizează unul sau două rezervoare de stocare. În cazul apei cu conţinut ridicat de carbonat de calciu sau cu aciditate excesivă pot apare depuneri de „piatră” sau coroziunea. Necesarul de apă caldă Sarcina aferentă preparării apei calde este relativ uniform repartizată pe parcursul anului, cu o uşoară reducere pe timpul verii, astfel încât aportul solar din perioada caldă a anului poate fi utilizat cu succes în acest scop. Astfel se explică de ce marea majoritate a instalaţiilor solare în funcţiune în prezent sunt destinate încălzirii apei potabile. Instalaţiile solare destinate utilizării combinate, atât pentru încălzirea apei potabile cât şi a spaţiului sunt mai eficiente în cazul sistemelor de mici dimensiuni, adică cu o suprafaţă de colectare mai mică de 10 m2. Instalaţiile pentru utilizare combinată sunt caracterizate de costuri specifice mai mici comparativ cu instalaţiile destinate doar încălzirii apei (costurile suplimentare sunt relative reduse). Din punct de vedere al economiilor potenţiale la aceeaşi investiţie este mai avantajos să se instaleze mai multe sisteme de mici dimensiuni, însă cu

eficienţă ridicată, repartizate pe un număr mare de clădiri decât să se instaleze sisteme de mari dimensiuni pe un număr redus de clădiri. Un sistem de mari dimensiuni poate reduce considerabil mai mult emisiile poluante de CO2 comparativ cu unul de mici dimensiuni, dar care, probabil, va implica costuri mai ridicate raportate la unitatea de CO2 redus. Standardele europene prevăd un consum zilnic de apă de 50 l/persoană comparativ cu 75 l/persoană specific pentru SUA. Cu toate că există o varietate mare de obiceiuri şi implicit de repartizări ale consumului de acm pe parcursul unei zile totuşi profilul sarcinii medii, ca procentaj din consumul zilnic de apă este cel prezentat în Fig.4.5. Consumul de apă rezidenţial, sau comercial depinde în mare măsură de obiceiurile rezidenţilor precum şi de intervalul orar al activităţii. Clădirile rezidenţiale mono/multifamiliale necesită de şapte ori mai multă apă caldă decât clădirile destinate birourilor şi de circa 25 de ori mai mult decât magazinele de vânzare cu amănuntul. De aceea este util să se definească sarcina specifică în vederea descrierii unui sistem energetic solar, respectiv cantitatea de de apă caldă zilnică raportată la aria colectorului. Raportarea consumului zilnic de apă la suprafaţa colectorilor, aşa-numita sarcină specifică poate fi corelată cu numărul de persoane, după cum este prezentat în Fig.4.6., pentru două valori ale temperaturii de furnizare a acm.

0

2

4

6

8

10

12

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6

Ora

Proc

enta

jul d

in c

onsu

mul

ziln

ic

de a

pa, %

Fig.4.5. Graficul orar al consumului zilnic de apă caldă menajeră

20

30

40

50

60

70

3 3,5 4 4,5 5 5,5 6Numarul de persoane

Sarc

ina

spec

ifica

, l/(

mp

col*z

i)

45 deg C60 deg C

Această mărime este relevantă doar pentru sistemele destinate exclusiv pentru prepararea apei calde menajere. Valorile specifice maxime sunt de circa 60-70 l/(zi*m2) iar cele minime de 30 l/(zi*m2), în vreme ce valorile satisfăcătoare sunt în marja de 50-60 l/(zi*m2) în cazul instalaţiilor mici. Consumul de acm per persoană are influenţă şi asupra sarcinii specifice aşa cum se poate observa din Fig 4.7. Necesarul de energie pentru prepararea acm Necesarul energetic lunar variază cu numărul de zile al lunii repective precum şi cu temperatura corespunzătoare a sursei de apă, aşa cum se prezintă în Fig.4.8.

050

100150200250300350400450

J F M A M J J A S O N D

Luna

Con

sum

ul e

nerg

etic

luna

r, kW

h

Fig.4.8. Graficul lunar al consumului energetic corespunzător preparării

acm (necesarul anual de energie este de 4171.6 kWh, adică 15 GJ)

Fig.4.7. Corelarea sarcinii specifice cu consumul zilnic de apă pe persoană (pentru numărul declarat de persoane)

Puterea termică pentru prepararea acm este rezultatul produsului dintre debitul volumic de apă )(tV (variabil cu ora şi cu perioada anuală), al densităţii apei , al căldurii specifice c , precum şi al diferenţei de temperatură dintre valoarea la care trebuie furnizată apa FT respectiv cea a sursei de apă )(tTs

)()( tTTctVtQ sFwh

Temperatura de furnizare a apei calde este stabilită de regulă la 60 0C, în timp ce temperatura sursei de apă )(tTs variază cu anotimpul. În cazul unei familii de patru persoane necesarul zilnic de apă este, conform normelor europene

zimziltV /200,04*/50)( 3 Cu toate că necesarul de energie de la sfârşitul verii reprezintă 81 % din cel specific lunii ianuarie totuşi consumul lunar de energie pentru prepararea acm poate fi considerat constant pe parcursul unui an. Bilanţul energetic al unui sistem solar În Fig.4.8. este prezentată o diagramă a fluxurilor energetice caracteristice instalaţiilor solare de încălzire. Valorile numerice ale diferitelor componente energetice sunt exemplificative.

Gradul de utilizare Gradul de utilizare este un indicator al performanţei unui sistem care corelează aportul solar al acestuia cu energia solară captată de către colector.

colectorpeincidentasolaraEnergiauicolectorulcircuituldinEnergia

uicolectorulcircuitulpentruutilizaredeGradul '

În cazul stocării energiei captate de către colector într-un rezervor apar pierderi care afectează energia utilă a sistemului. Prin urmare gradul de utilizare al sistemului se referă la căldura transferată de circuitul colectorilor către sistemul convenţional

colectorpeincidentasolaraEnergiastocariiaferentePierderileuicolectorulcircuituldinEnergia

sistemuluialutilizaredeGradul

'

Consumul de apă caldă per persoană este adesea ridicat. Prin urmare consumul zilnic trebuie raportat la numărul de persoane care ocupă permanent un spaţiu şi nu la numărul de persoane care trăiesc într-o clădire pe anumite perioade de timp. Numărul de persoane care ocupă permanent un

spaţiu corespunde spre exemplu cu numărul de paturi dintr-un spital sau cu cifra locatarilor dintr-o clădire rezidenţială. Fracţia solară Cantitatea anuală de energie solară furnizată în vederea preparării acm reprezintă o măsură a reducerii consumului de energie aferentă din sistemele convenţionale. Fracţia solară este definită ca raport al energiei solare furnizată sistemului solarQ şi sarcina convenţională totală convQ punând astfel în evidenţă energia auxiliară ce trebuie furnizată auxQ

conv

aux

conv

solar

QQ

QQF 1

Energia auxiliară furnizată Qaux variază, în cazul unui boiler, cu eficienţa acestuia; în cazul perioadei de vară durata de funcţionare a boilerului este considerabil mai scăzută faţă de cea de iarnă şi prin urmare eficienţa corespunzătoare funcţionării în sarcină parţială va fi cu circa 10% mai redusă comparativ cu cea optimă caracteristică funcţionării în plină sarcină. Fracţia solară poate fi exprimată şi în funcţie de consumul de combustibil, respectiv de eficienţa boilerului

utilaEnergiaboileruluiEficientalcombustibideConsumulsolaraFractia

1

1

Sarcina convenţională totală poate lua în considerare:

1. energia totală necesară pentru încălzirea acm consumate 2. energia totală necesară pentru încălzirea acm consumate plus

pierderile de circulaţie 3. energia totală necesară pentru încălzirea acm consumate plus

pierderile de circulaţie şi cele de stocare 4. cererea totală de energie atât pentru acm cât şi pentru încălzirea

spaţiilor inclusiv toate pierderile. Fracţia solară variază continuu, putând fi definită atât ca valoare momentană (notată cu f) cât şi ca valoare medie (lunară, sau anuală).

La sistemele cu circulaţie directă, precum şi la cele cu schimbător de căldură având un singur rezervor de stocare se constată o creştere a fracţiei solare odată cu mărirea suprafeţei de colectare conform Fig.4.10.

Prezenţa celui de-al doilea rezervor de stocare afectează în mod negativ fracţia solară datorită creşterii pierderilor rezultate din mărirea suprafeţelor expuse mediului ambiant. Sistemele cu circulaţie directă şi cu supapă de temperare TV prezintă o fracţie solară uşor mai ridicată comparativ cu sistemele fără supapă de temperare sau a celor cu încălzire indirectă (Fig.4.11). Experienţa practică acumulată a arătat că fracţia solară scade odată cu creşterea numărului de persoane (implicit cu consumul zilnic de apă) conform Fig.4.12.

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Suprafata colectoare, mp

Frac

tia s

olar

a, F

Dir HX

Fig.4.10. Fracţia solară ca funcţie de suprafaţa colectoare în cazul unui

singur rezervor de stocare; sistemele cu circulaţie directă prezintă un uşor avantaj comparativ cu cele cu schimbător de căldură HX

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6Suprafata colectoare, mp

Frac

tia s

olar

a, F

Dir, TVDirHX

Fig.4.11. Fracţia solară în cazul sistemelor cu două rezervoare de stocare

variază între 0,5 şi 0,75 fiind mai mare în cazul celor cu circulaţie directă şi cu supapă de temperare TV

Fracţia solară depinde şi de o serie de alţi factori, precum, înclinarea şi orientarea faţă de direcţia sud a colectorilor precum şi de intensitatea radiaţiei (zona de radiaţie). În Fig.4.13 sunt pezentate aceste dependenţe sub formă unui grup de nomograme care permit calculul fracţiei solare pe baza necesarului zilnic de acm, al numărului de colectori, al înclinării acestora faţă de planul orizontal dar şi al orientării acestora faţă de direcţia sud şi al zonei de radiaţie.

45

50

55

60

65

70

3 4 5 6

Numarul de persoane

Frac

tia s

olar

a, %

Fig.4.12. Fracţia solară ca funcţie de numărul de persoane în cazul

instalţiilor mici şi al consumurilor per capita ridicate

Metode de calcul a fracţiei solare Estimarea fracţiei solare se poate face cu ajutorul metodei f-chart dezvoltată de către Beckmann. Deşi a fost concepută pentru sisteme cu două rezervoare aşa cum este arătat în Fig.4.14, ea poate fi utilizată şi pentru cele cu un singur rezervorvor de stocare a acm, (cu sau fără schimbător de căldură între colector şi rezervor). Fracţia solară lunară referitoare la acm şi încălzirea spaţiilor este corelată empiric cu două grupuri adimensionale:

X - pierderile colectorului, LAtt

FFUFX c

arefR

rLR

Y - cîştigul colectorului, L

ANIFFFY c

TnR

rnR

LRUF şi nRF rezultă în urma testării colectorilor, iar raportul Rr FF * n are în mod obişnuit valoarea de 0,95. Valoarea temperaturii medii

Fig.4.14. Schema de principiu a unei instalaţii de încălzire a apei utilizată

în vederea estimării fracţiei solare

ambiante at se obţine din înregistrările meteorologice ale locaţiei pentru luna respectivă. Marimile care apar în expresiile de mai sus sunt definite în tabelul 1. Pentru a determina fracţiunea de energie din necesarul lunar ce poate fi acoperită cu ajutorul energiei solare se calculează valorile X şi Y pentru colectorul şi sarcina termică în cauză: cei doi parametri determină atît fracţia solară f cât şi sarcina termică L a fiecărei luni în parte. Prin corelarea unor simulări numerice Beckman a obţinut expresia polinomială empirică ( 0.10 f )

322 0215,00018,0245,0065,0029,1 YXYXYf Expresia de mai sus este valabilă pentru încălzirea spaţiilor, dacă cele două grupuri adimensionale sunt cuprinse în limitele

0.30 Y 0.180 X

În plus, pentru ca aportul lunar al radiaţiei să depăşească pragul util, iar pierderile termice să se situeze sub limita la care energia absorbită este egală cu energia pierdută de placa absorberului este necesar ca

12XY .

Tabelul 1

În Fig.4.15 este prezentată grafic funcţia f=f(X,Y). Se poate observa că valorile mari ale fracţiei solare se obţin pentru un câştig al colectorului mai mare de Y>0,5 precum şi pentru pierderi ale acestuia cât mai reduse (X<5). Experienţa acumulată în domeniul instalaţiilor solare a impus clasificarea acestora după valoarea fracţiei solare conform Fig. 4.16.

Simbol

UM Definiţia

Ac m2 Aria netă a aperturii colectorilor Fr - Eficienţa schimbătorului de căldură din circuitul colectorului

FR - Randamentul colectorului UL W/ (m2K) Coeficientul global al pierderilor de căldură al coletorului ΔΘ - Numărul total de ore al unei luni

at K Temperatura ambiantă medie lunară L W Necesarul de căldură lunar, încălzire şi acm

TI W/m2 Densitatea medie lunară a radiaţiei incidente pe colector

N - Numărul de zile ale lunii ατ

- Produsul transmitanţă-absorbanţă mediu lunar al colectorului

nτα - Produsul transmitanţă-absorbanţă pentru incidenţă normală tref K Temperatura de referinţă, 373 K

Fig.4.15. Dependenţa fracţiei solare de câştigul colectorului Y, respectiv de pierderile colectorului X

Fig.4.16. Clasificarea fracţiei solare

O altă metodă larg utilizată în proiectarea simplificată a sistemelor de încălzire solară este raportul energie solară-necesarul de căldură, aşa-numita SLR

LIA cc

cladirii al caldura de Necesarulabsorbita solara EnergiaSLR

unde Ac reprezintă aria netă a colectorului , cI este densitatea medie a radiaţiei solare lunare, iar L este necesarul lunar de căldură. Estimarea aportului solar în condiţii specifice unei anumite locaţii Prezentarea unor produse de firmă destinate comercializării este adesea însoţită de performanţe deosebit de atrăgătoare ale acestora. Realitatea poate fi însă destul de diferită. Prezentăm în continuare rezultatele aportului solar Ap sol calculat cu ajutorul metodei f-chart pentru două situaţii destul de deosebite atât din punctul de vedere al pierderilor termice specifice (UA) cât şi al consumului zilnic de acm:

UA=350 W/K şi 300 l/zi UA=100 W/K şi 150 l/zi

În Tabelul 2 mărimile energetice ( I , Inc sp, ACM, şi Ap sol) sunt exprimate în GJ, DD în grade celsius-zile, iar temperatura medie T în ºC. Simularea prezentată în continuare a fost făcută pentru condiţii climatice caracteristice unor zone geografice asemănătoare celor din Transilvania, în speţă pentru oraşul Cluj, caracterizat de 3720 grade-zile de încălzire anuală şi de o temperatură medie anuală de 8,6 ºC, conform datelor prezentate în Tabelul 2.

Luna DD T I TK Inc sp

350/300 Inc sp

100/150 ACM

350/300 ACM

100/150 Fr sol

350/300 Fr sol

100/150 Ap sol

350/300 Ap sol 100/150

ian 660 -3 4,74 0,43 19,96 5,70 1,56 0,78 0,00 0,00 0,00 0,00

feb 596 -3 7,37 0,45 18,02 5,15 1,56 0,78 0,01 0,01 0,19 0,01

Tabelul 2

Pentru calculul parametrilor X şi Y ai colectorilor solari s-au considerat datele caracteristice conform Tabelului 3.

Tabelul 3

UA/Va FR*UL FR'/FR Tref (σα)/(σα)n Δt Ac FR*(σα)n β Φ W/K-l/zi [-] [-] [oC] [-] [sec] m2 [-] [-] [-]

350/300 2,5 0,97 100 0,96 2678400 9 0,6 40 46,8 100/150 4 0,97 100 0,96 2678400 5 0,85 50 46,8

Calculul sarcinii termice de încălzire a spaţiului Ls s-a făcut cu ajutorul numărului de grade-zile corespunzătoare fiecărei luni DD conform relaţiei

DDAULs (9) Pentru calculul sarcinii termice de încălzire a acm s-au considerat diferenţe de temperatură conform Tabelului 4

Tabelul 4 Luna ian feb mar apr mai iun iul aug sep oct noi dec ΔT [K] 40 40 40 37 37 35 35 35 37 37 40 40

Din rezultatele calculelor efectuate se poate remarca faptul că necesarul de căldură în cazul unei clădiri având performanţa termică mai scăzută (UA=350 W/K) implică un consum anual de energie mare (112,5 GJ/an) comparativ cu o clădire cu performanţe mai bune (doar 32 GJ/an pentru UA=100 W/K). La fel stau lucrurile şi în cazul consumului de energie pentru prepararea acm: reducerea cantităţii anuale de apă caldă atrage după sine şi

mar 475 3 12,07 0,5 14,36 4,10 1,56 0,78 0,04 0,07 0,73 0,17

apr 282 9 15,76 0,48 8,53 2,44 1,44 0,72 0,09 0,17 1,02 0,37

mai 148 14 20,16 0,52 4,48 1,28 1,44 0,78 0,21 0,34 1,19 0,76

iun 54 18 22,18 0,53 1,63 0,47 1,36 0,68 0,40 0,58 0,84 1,18

iul 29 20 21,97 0,55 0,88 0,25 1,36 0,78 0,51 0,62 0,58 1,33

aug 41 19 18,95 0,54 1,24 0,35 1,36 0,78 0,40 0,51 0,63 1,09

sept 117 15 14,16 0,52 3,54 1,01 1,44 0,72 0,15 0,24 0,69 0,53

oct 291 9 9,06 0,48 8,80 2,51 1,44 0,72 0,04 0,06 0,42 0,13

noi 429 4 4,69 0,38 12,97 3,71 1,56 0,78 0,00 0,01 0,02 0,01

dec 598 -1 3,22 0,33 18,08 5,17 1,56 0,78 0,01 0,00 0,00 0,01

Σ 112,49 32,14 17,64 9,07 6,32 5,59

reduceri energetice importante (9,1 GJ/an pentru 300 l/zi faţă de 17,6 GJ/an pentru 150 l/zi). În Fig.4.17 au fost reprezentate atât necesarul energetic pentru încălzirea spaţiilor cît şi pentru prepararea acm în cele două cazuri menţionate; totodată au fost trasate şi aporturile solare calculate cu ajutorul fracţiei solare. Se poate observa diferenţa mare dintre necesarul energetic pentru încălzirea spaţiilor şi aportul solar. Chiar şi pentru prepararea acm radiaţia solară poate satisface trebuinţele doar în intervalul mai-septembrie. Astfel, în condiţiile climatice ale locaţiei considerate aportul solar reprezintă doar o fracţiune din necesarul energetic pentru prepararea acm aşa cum rezultă din Fig.4.18.a şi b

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Luna

Nec

esar

ul e

nerg

etic

al c

ladi

rii s

i A

port

ul s

olar

, GJ

Inc spACMAport solar

UA=100 W/K şi 150 l/zi, Ac=5 m2

0,002,004,006,008,00

10,0012,0014,0016,0018,0020,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Luna

Nec

esar

ul e

nerg

etic

al c

ladi

rii

si A

port

ul s

olar

, GJ

Inc spACMAport solar

UA=350 W/K şi 300 l/zi, Ac=9 m2

Fig.4.17. Necesarul energetic pentru încălzirea spaţiului, respectiv pentru prepararea acm precum şi aportul solar

desfăşurate pe parcursul unui an calendaristic

In cazul unei case cu pierderi de căldură mici (U=1,5 W/(m2K) şi suprafaţă de 100 m2) şi cu un consum de acm de 150 l/zi o suprafaţă de colectare a energiei solare de 5 m2 va putea asigura circa jumătate din necesarul de căldură pentru prepararea acm (necesarul de energie pentru prepararea acm constituind 22% din consumul total de energie). Spre deosebire de aceasta, la o casă de 150 m2 şi având o izolare termică mai slabă U=2,0 W/(m2K) (UA=300W/K) necesarul energetic pentru un consum de acm de 300 l/zi va reprezenta doar 13,6% din totalul energetic. Aportul solar furnizat de cei 9 m2 de panouri solare (aproape dublu comparativ cu cazul precedent) va reprezenta doar 13,6 % din necesarul de căldură pentru prepararea acm. Fracţia solară anuală, va fi pentru cele două cazuri doar de 13,6 %, respectiv de 4,9 %, încadrându-se în categoria fracţiilor mici. Locaţia geografică joacă un rol hotărâtor asupra fracţiei solare prin numărul corespunzător de grade-zile de încălzire. Aceste valori pot varia în limite foarte largi: spre exemplu, dacă la Braşov valoarea depăşeşte 4000 DD, la Călăraşi ea reprezintă doar trei sferturi din prima, adică circa 3000 DD, iar la Heraklion, Creta, valoare este de cca 1000 DD. La aceasta se adaugă şi nivelul radiaţiei solare care este corespunzător mai ridicat tocmai acolo unde numărul de grade-zile este mai scăzut. În clădirile rezidenţiale moderne izolate conform cu standardele germane din 1995 doar 5...6% din totalul energiei necesare pentru încălzire şi acm poate fi acoperită prin energie solară în condiţiile în care sistemul funcţionează la sarcini specifice de 70 l/zi m2

colector.

În domeniul încălzirii clădirilor şi al preparării acm necesarul de căldură nu este adaptat la fluctuaţiile energiei solare şi de aceea apare necesitatea unui rezervor tampon. Energia solară este disponibilă mai ales vara şi în cantităţi considerabil mai mari, în vreme ce necesarul de căldură se resimte preponderent iarna. Este de dorit ca ponderea energiei solare în căldura necesară pentru consum, aşa-numita fracţie solară, să fie cît mai mare. Însă desincronizarea între cererea şi oferta energiei solare conduce la fracţii solare mai mici pentru încălzire comparativ cu cele pentru acm, ceea ce, evident, reduce şi fracţia solară totală aşa cum se poate vedea şi din Fig.4.19; creşterea consumului specific de căldură conduce la scăderea fracţiei solare, mai ales în cazul încălzirii spaţiilor. În Fig.4.20. este arătată influenţa sarcinii specifice în cazul preparării acm asupra aportului anual raportat la unitatea de suprafaţă a colectorilor solari pentru două situaţii ale nivelului de radiaţie solară. Locaţiile care beneficiază de un nivel al radiaţiei solare mai ridicat vor avea un aport anual mai avanatajos cu 30 până la 50 %, mai ales la sarcini specifice mai mari. Însă trebuie remarcat faptul că aportul anual reprezintă, în special la sarcini specifice inferioare valorii de 100 l/(zi m2), mai puţin de jumătate din radiaţia solară disponibilă.

Fig.4.19. Influenţa consumului specific de căldură asupra fracţiei solare

Fig.4.20. Influenţa sarcinii specifice asupra aportului anual

Aprecierea efectului pozitiv al unei instalaţii solare destinate să ajute la încălzirea apei calde menajere este necesară în vederea estimării perioadei de amortizare a investiţiei ce trebuie făcută în acest scop (2000...4000 Euro). Reducerea pierderilor anvelopei clădirilor conduce la creşterea ponderii energiei necesare pentru prepararea acm în raport cu totalul energiei necesare. Exemplele tratate în lucrare caracterizate de o fracţie solară mică pun în evidenţă necesitatea unor clădiri cu consum redus de energie: la un consum specific de 150 kWh/(m2an) este greu de implementat un sistem de încălzire solară. Este explicabil dece o serie de ţări au adoptat reglementări de reabilitare termică a clădirilor şi de construire a noilor clădiri cu consum redus de energie (de exemplu EnEv în Germania unde valoarea standard este 90 kWh/(m2an) cu perspective apropiate de reducere la 70 şi chiar 60 kWh/(m2an)). Din aceeaşi perspectivă solară sunt de dorit spaţii rezidenţiale cu suprafeţe moderate (sub 150 m2) care să conducă, în condiţiile unor coeficienţi reduşi U=0,5...1,5 W/(m2K), la valori adecvate ale necesarului de energie. Extinderea suprafeţelor de captare a energiei solare peste anumite valori (în speţă 12 m2) pune probleme deosebite referitor la temperatura de stagnare precum şi la preluarea aportului solar în ritmul consumului de energie mai ales în perioadele de vârf (vara). În acelaşi timp, din exemplele prezentate s-a putut observa că anumite zone geografice oferă un aport solar relativ redus, corespunzător unei fracţii solare mici, având prin urmare o contribuţie modestă chiar şi la necesarul energetic aferent preparării acm. Reducerea consumului de apă la valori apropiate de cele prevăzute de normele europene poate avea un efect pozitiv în condiţiile valorificării energiei solare în acest scop. Dacă energia solară constituie un aport de care beneficem în mod permanent, rezervele de apă ale pământului sunt constante doar în condiţiile unei gospodăriri raţionale. Fracţia solară poate fi corelată cu sarcina specifică aşa cum se poate observa în Fig.4.21.

Fig.4.21. Corelaţia dintre gradul de utilizare, respectiv fracţia solară şi

sarcina specifică

Rezervorul de stocare şi schimbătorul de căldură Consumul apei calde are un caracter intensiv: nevoia de apă caldă este discontinuă şi pe parcursul câtorva minute sunt necesare cantităţi relativ importante de apă şi implicit de energie. În contrast cu consumul de apă caldă radiaţia solară este distribuită cu intensităţi reduse şi diferite de-a lungul zilei. Din acest motiv este utilă stocarea apei calde preparate în perioadele când nu există cerere pentru intervalele mai scurte în care consumul impus este important. Pe de altă parte, în interiorul unui recipient se constată o stratificare naturală a apei calde: în partea superioară temperatura lichidului are valori mai ridicate. Aceste considerente au condus la o serie de variante constructive pentru rezervoarele de stocare a apei calde. În Fig.4.22 este prezentat un rezervor de stocare în care se introduce apa rece de la reţea şi care preia căldura de la serpentina aflată în circuitul

colectorilor solari, sau/si de la cazanul de încălzire(sursa auxiliară de căldură). În acest caz serpentinele de încălzire aparţinând circuitului solar sunt imersate în apa din rezervor asigurând astfel şi separarea lichidelor din cele două bucle distincte. Pe această cale se obţine şi o reducere a pierderilor de căldură de la lichidul din circuitul solar către mediul ambiant, având în vedere că apa din rezervor are întotdeauna o temperatură mai scăzută decât cea din panouri. Reducerea pierderilor de căldură de la rezervor către mediul

Fig.4.22. Schema unei instalaţii solare de peparare a apei calde de consum. Circulaţia lichidului din bucla colectorilor se face fără pompă (prin termosifon)

ambiant este esenţială datorită caracterului lor permanent. Transferul de căldură de la lichidul caracteristic colectorilor solari către rezervor se poate face şi printr-un schimbător exteriror acestuia, aşa cum se arată în Fig.4.23. Apa astfel încălzită serveşte atât pentru consum, acc, cât şi pentru incălzirea spaţiilor. În funcţie de temperaturile din interiorul rezervorului căldura furnizată de colectori poate fi transferată în partea inferioară, sau în cea superioară a acestuia. În mod similar, apa caldă pentru circuitul de încălzire a spaţiilor poate fi preluată din diverse puncte ale rezervorului, funcţie de temperaturile existente în interiorul acestuia. Selecţia punctelor de preluare se face prin intermediul unor senzori de temperatură precum şi a unor vane comandate. Preluarea apei calde de consum se face doar din punctul superior al rezervorului. Prin separarea circuitului de apă de cel pentru încălzirea spaţiilor se asigură condiţiile de igienă caracteristice apei calde menajere, acm. În acest caz apa din rezervor scaldă serpentina de acm prin intermediul unui dispozitiv care amplifică efectul de stratificare. În funcţie de stratificarea apei din rezervor (deci de temperaturile existente în interiorul său) preluarea către circuitul colectorilor solari se poate face de la două nivele diferite. Spre deosebire de cazul anterior circuitul de încălzire este conectat la rezervor doar în două puncte, fixe; conducta de tur a cazanului (sursa auxiliară de căldură) este racordată la rezervor prin intermediul conductei de retur a circuitului de încălzire. Cea de-a treia variantă (Fig.4.24) utilizează un schimbător de căldură extern pentru acm (pentru separarea circuitului de acm de cel din rezervorul de stocare) precum şi o serpentină imersată în rezervorul de stocare pentru

Fig.4.23.Transferul de căldură de la circuitul colectorilor solari către rezervorul de stocare prin intermediul unui schimbător de căldură extern

preluarea căldurii din circuitul colectorilor solari. Apa caldă din rezervor este utilizată, ca şi în cazul anterior, doar pentru circuitul de încălzire a spaţiului. Stratificarea apei din rezervor este valorificată în mod separat, atât pentru acm, cât şi pentru încălzirea spaţiilor. Pentru amplificarea stratificării este utilizat un dispozitiv specific la preluarea căldurii de la colectori. Acest sistem poate funcţiona pe principiul termosifonului adică fără pompă de circulaţie în circuitul colectorilor solari, însă utilizează asemenea pompe de circulaţie atât în circuitul de încălzire a spaţiilor cât şi în cel al transferului termic pentru acm, date fiind căderile de presiune relativ importante.

Într-o altă variantă circuitul colectorilor este separat atât de cel al preparării acm cât şi de cel al circuitului de încălzire al spaţiului (Fig.4.25.)

Fig.4.25.Schema unei instalaţii solare destinată doar preparării acm

Fig.4.24. Circulaţia lichidului între colectori şi rezervorul de stocare se face prin termisifon (fără pompă), iar separarea de circuitul de acm se face cu

ajutorul unui schimbător de căldură extern.

În Fig.4.26 schimbătorul de căldură este exterior rezervorului de stocare iar sistemul de încălzire convenţională permite livrarea căldurii fie către acesta fie direct către schimbător. Se poate remarca şi introducerea unui rezervor tampon între schimbător şi punctul de furnizare a acm. De regulă, pierderile specifice stocării sunt de ordinul a 5%, dar măsurătorile efectuate asupra pierderilor ce caracterizează circulaţia dau uneori rezultate surprinzătoare. În clădirile noi, beneficiind de o bună izolare termică conform noilor standarde caracterizate de o izolare atentă a conductelor de apă, pierderile specifice circulaţiei acm reprezintă circa 30% din consumul total de energie (adică 900 kWh/apartament*an). În alte clădiri pierderile de circulaţie măsurate au fost de cca 60% din consumul total de energie. Bucla de recirculaţie se utilizează cu succes Fig.4.27.

Fig.4.27. Reducerea pierderilor aferente acm prin introducerea unei bucle de recirculaţie

Fig.4.26. Schimbătorul de căldură amplasat în exteriorul rezervorului de

stocare permite adoptarea unor soluţii necondiţionate de spaţiu

Aceste valori sunt de obicei caracteristice marilor reţele de conducte precum celor din căminele studenţeşti, caselor de cazare pentru tineri, spitalelor şi căminelor pentru bătrâni. Experienţa practică în domeniul instalţiilor solare de preparare a acm a condus la unele recomandări empirice:

Suprafaţa colectorilor 1,0...1,5 m2col/persoană,

respectiv 1,4...2,4 m2/kWh la instalaţiile de încălzire Capacitatea rezervorului de stocare

80...100 l/persoană 1,5...2,0 ori necesarul zilnic de

consum 60...80 (100) l/m2

col la f=5...25% 120...150 l/m2

col la f=50%

Volumul de stocare Cu cît este mai mare capacitatea calorică a rezervorului cu atît scade amplitudinea oscilaţiilor de temperatură şi implicit pericolul fierberii, aşa cum reiese din Fig.4.28. Volumul rezervorului de stocare va depinde atît de suprafaţa colectorilor cît şi de numărul zilelor însorite din timpul iernii, precum şi de necesarul de caldura al incintei, respectiv de numărul de grade-zile ale zonei geografice în discuţie. Pentru zonele geografice nordice cu puţin soare în intervalul

60

70

80

90

100

110

120

130

0 5 10 15 20Ora

Tem

pera

tura

de

stoc

are,

grd

C 1000 kJ/K2500 kJ/K10000 kJ/K

Fig.4.28. Variaţiile de temperatură din rezervorul de stocare a căldurii sunt cu

atît mai mici cu cît capacitatea sa calorică este mai mare

noiembrie-februarie sunt necesare rezervoare de stocare de mari dimensiuni pentru atingerea unor fracţii solare ridicate apropiate de 100%. Izolaţia termică a acestor rezervoare poate depăşi grosimea de 1 m. Asemenea rezervoare de mari dimensiuni nu sunt convenabile pentru case individuale, ci ele se pretează pentru sisteme de încălzire centralizate destinate clădirilor grupate şi la care instalaţia de stocare şi cîmpul de colectori sunt plasate central. Bibliografie Boian, I. 2003. Transfer de căldură şi masă. Editura Universităţii Transilvania, Braşov ISBN 973-635-145-9 Duffie, A., J., Beckman, A., W. 1980 Solar Engineering of Thermal Processes. John Whiley & Sons, New York, Jagemar, L., Energy Efficient HVAC Systems in Office Buildings. Caddet Series No.15. Centre for Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies. Caddet Analysis Support Unit. Lunde, J., P., 1980. Solar Thermal Engineering. Space Heating and Hot Water Systems.Hartford Connecticut. John Wiley and Sons. Inc, New York Chichester, Brisbane, Toronto,. Patraulea, R., Boian I. 2002. Proiectarea instalaţiilor de preparare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare la începutul mileniului III .Conferinţa Construcţii şi instalaţii Braşov. Peuser, F.,A., Remmers, K., Schnauss, M. 2002 Solar Thermal Systems. Succesfull Planning and Construction. Solarpraxis. Berlin. Viessmann *** 1995. Mini-Review of Active (Solar) Energy. IEA/OECD Caddet Renewable Energy Technologies *** 1998. Oppertunities for large-scale Purchase of Active Solar Systems IEA/OECD Caddet Renewable Energy Technologies programme. Task 24: Solar Procurement


Recommended