Sisteme termosolare integrate pentru o ferma agricola mica

Bardan Elena VasilicaAn IV , gr.1343Facultatea de Stiinte AplicateUniversitatea Politehnica Bucuresti

Sistemele termo-solare - IntroducereSistemul termo-solar poate juca un rol cheie n reducerea emisiilor de CO2 i mbuntirea calitii vieii. Mai mult de jumtate din energia consumat n Europa este utilizat pentru asigurarea de cldur sau aer rece pentru cldiri i n industrie, n vreme ce azi exist deja o industrie care produce soluii solide pentru cldur i rcire. Instalaiile termo-solare au la baz o tehnologie modern, rentabil, utilizat la scar larg pentru producerea de ap cald i nclzirea spaiilor n numeroase ri.Iat cteva argumente convingtoare pentru utilizarea sistemului termo-solar: Energia solar este inepuizabil i disponibil n toat Europa; Cldura i rcirea sunt produse fr emisii i acolo unde sunt necesare; Colectoarele solare sunt integrate n mod estetic n cldiri; Energia solar creeaz siguran n furnizarea de energie, noi locuri de munc i cretere economic.nclzirea cu combustibili fosili devine din ce n ce mai costisitoare i impune un risc economic pentru ceteni i companii. Msurile de nsprire a standardelor privind izolaia cldirilor i de eficientizare a furnizrii de cldur i aer rece sunt necesare i urgente, dar nu suficiente pentru cererea energetic. Pe termen lung, toat energia necesar pentru nclzirea i rcirea cldirilor v-a putea fi acoperita acoperit din surse regenerabile de energie.

Considerente teoreticeSistemele termosolare active convertesc energia solara in energie termica, o transfera agentului termic care o injecteaza in masa termica a unui rezervor de stocare, de unde o distribuie beneficiarului.

- >rezervorul de acumulare V=110 l- >stlpul de sustinere- >conducta de colectare a apei calde- >conductele de distributie a apei calde- >conducta de alimentare cu apa rece- >supapa de suprapresiune- >robinete- >perna de aer cald ABCD - >V- un vibrator pentru cvasiomogenizarea apei. Fig.1 Schema unui sistem termosolar elementarpentru incalzirea apeiPeretii negri ai rezervorului culeg radiatia solara de pe o suprafata egala cu aria sectiunii principale Sf =Ld=0,38 m2. In fiecare interval e timp energia incidenta pe rezervor este :unde Iv este componenta intensitatii radiatiei solare in plan vertical.

Coeficientul global al pierderilor termice este ; supratemperatura medie maxima se calculeaza cu relatia:

unde At este aria totala, iar ()e este randamentul optic al sistemului.Caldura pierduta in intervalul de timp dt , este:

Randamentul global se defineste cu:

Randamentul mediu global, considernd aria totala de pierderi egala cu aria laterala:Principala aplicatie termosolara este preparearea apei calde menajere, celelalte aplicatii caznice uzuale fiind incalzirea spatiilor de locuit si a piscinelor. Desi diferitele sisteme termosolare difera mult sub aspect constructive , anumite component se regasesc la toate variantele constructive.Tipuri de sistemeSistemele termosolare se impart in sisteme passive si active, cu transfer direct sau indirect de caldura. Sistemele solare passive sunt denumite astfel pentru ca nu necesita pompe de recirculare sau alte mecanisme cu parti in miscare si nu au nevoie de energie electrica pentru a functiona.Instalatii solare passive tipice sunt sistemele cu termosifonare si colectoarele integrale cu stocare.Sistemele solare active folosesc pompe electrice de recircurale si electrovalve pentru a directiona fluxul de agent termic. Acest lucru ofera flexibilitatea sporita fata de sistemele pasive pentru ca rezervorul de apa calda nu trebuie montat deasupra colectorului solar. In plus, acest tip de instalatii sunt proiectate pentru a function ape toata durata anului , fara pericol de inghet.Instalatiile solare cu sau fara scurgere , in circuit inchis sau deschis sunt sisteme activeSistemele termosolare pot fi cu transfer direct sau indirect de caldura, in fuctie de modul in care este incalzita apa menajera direct in colector, la sistemele in circuit deschis sau prin intermediul unui schimbator de caldura , in cazul sistemelor cu circuit inchis. Sistemele solare cu transfer direct de caldura nu sunt indicate in cazul in care apa este de calitate problematica (apa dura sau acida) din cauza pericolui de colmatare sau coroziune a instalatiei.Tipuri constructive de sisteme termosolare pentru incalzirea apei:

1. Sistem termosolar cu convecie natural (termosifon) (aceeai ap este utilizat la colectorii solari i n rezervorul de stocare pentru ap cald). Acest tip nu necesit schimbtor de cldur, pomp sau unitate de control. Sistemele de acest tip sunt utilizate n regiunea mediteranean

2. Sistem cu convectie naturala ( bucla termosifon) Circulatia se realizeaza datorita diferentei de densitate dintre apa calda din colector si apa mai rece din recipientul de acumulare. Pentru estimarea vitezei de circulatie se poate calcula diferenta de presiune, Pflo

``

3. Sistem presurizat cu pomp Acest sistem se folosete n Germania i rile nordice, este controlat de o unitate de control separat i acionat de o pomp. Cldura este transferat prin intermediul unui schimbtor de cldur n partea inferioar a rezervorului de stocare, iar creterea n volum este compensat de un vas de expansiune separat.

4. Sistem cu circulatie fortata si bucla deschisa

Lichidul este pompat prin colector, iar rezervorul este aerisit astfel incat presiunea este mentinuta la valoarea celei atmosferice.

5. Sistem cu circulatie fortata si bucla inchisa cu scurgere

6. Sistem termosolar cu scurgere n acest sistem pompa foreaz agentul termic prin colectorul solar. Cnd unitatea de control oprete pompa, agentul termic este colectat ntr-un vas de scurgere. Avantajul acestui tip de sistem const n utilizarea apei proaspete ca agent termic. Vasul de scurgere trebuie amplasat departe de nghe.

Tipuri de sisteme termosolare de incalzire pentru locuinten cazul noilor cldiri sau la schimbarea sistemului de nclzire, sistemul termosolar de nclzire poate fi introdus printr-o adaptare relativ simpl fr costuri adiionale. Este avantajos att din punct de vedere termic ct i financiar s se plece de la rezervorul de stocare i s se conecteze o surs opional de energie n combinaie cu sistemul termosolar. Sistemul termosolar poate fi utilizat numai pentru obinerea apei calde menajere. Aceast soluie este utilizat n casele cu calorifer electric.n cazul caselor unifamiliare, sistemul termosolar poate fi utilizat pentru nclzirea unei piscine exterioareCererea de apa calda a unei cladiri:

Unde:Cpw = caldura specifica a apei, 4.18kJ/kgKqhw = energia necesara pentru incalzirea apeiQ = debitul volumetric al apeiTd = temperatura la care se livreaza apaTs = temperatura apei reciw = densitatea apei, 997 kg/m3Cererea de caldura a unei cladiri: Fiind dat coeficientul de pierderi al cladirii, UA (W/oC), metoda gradelor zilnice poate fi folosita pentru a estima cererea de caldura, Qn, pentru ziua n:

, unde :Unde Ti este temperatura interioara, qi generarea de caldura interioara, iar Ta (temperatura media zilnica) poate fi estimata din temperaturile maxime si minime specifice locatiei cladirii.

1. Sistem combinat de incalzire a spatiului si a apei menajereInstalaia termosolar este conectat la un sistem combinat n care energia solar este utilizat att pentru nclzirea spaiului ct i a apei calde menajere. nclzirea auxiliar opional poate fi conectat la rezervorul de stocare. Sistemul termosolar este combinat cu alte surse de energie n cadrul rezervorului de stocare.

2.Sistem termosolar pentru incalzirea unei piscine exterioareO piscina exterioara este incalzita de un sistem termosolar ce dispune de de colectori solari ieftini (fara geamuri). Agentul termic trece direct prin colectorii solari

3.Sistem termosolar de incalzire a apei utilizat in locuintele cu incalzire electricaSistemul termosolar poate fi utilizat numai pentru obinerea apei calde menajere. Aceast soluie este utilizat n casele cu calorifer electric. Un sistem uzual de nclzire a apei cu o instalaie termosolar de 4 - 6 m2 este conectat la un rezervor de stocare de ap cald de 250-300l. nclzirea solar acoper minimum 50% din cererea anual.

Sisteme termosolare combinate1. Sistem combinat de incalzire solara si incalzirea pardoselii. Incalzirea solara poate fi utilizata o perioada mai mare a anului decat in cazul unui sistem conventional

2. Sistem termosolar de incalzire combinat cu un sistem de ardere a gazului metan

3. Sistem termosolar combinat cu un arzator de peleti.Energia solara si biomasa sub forma de peleti reprezinta principalele surse termice dar se foloseste un incalzitor electric ca sursa auxiliara. Sistemul de stocare se bazeaza pe stocarea traditionala cu spirale integrate pentru incalzirea solara si incalzirea apei. Arzatorul de peleti este montat in partea superioara a rezervorului de stocare si acorda prioritate incalzirii solare. Sistemul de incalzire cu arzator de peleti conectat la boiler este similar cu alt sistem bazat pe petrol utilizat drept combustibil.

Sisteme termosolare pentru o ferma agricolaIntr-o ferma agricola pot fi incorporate diferite tipuri de sisteme termosolare in functie de tipul fermei si zona climatica.Pentru ferme cu profil zootehnic pot fi incororate sisteme termosolare de incalzire combinat cu un sistem de ardere a gazului metan sau sisteme termosolare combinat cu un arzator de peleti.Sisteme termosolare de incalzire combinat cu un sistem de ardere a gazului metan poate fi modificat astfel incat gazul metan folosit sa aiba ca si provenienta gazul metan rezultat in urma fecalelor animalice (biogaz). Acesta poate fi folosit pentru incalzirea fermei , pentru asigurarea unui climat optim pentru animale , de asemenea pentru incalzirea locuintei cat si incalzirea apei menajere.Pentru asigurarea aportului de energie si caldura se poate folosi in parale si un sistem termosolar combinat cu un arzator de peleti , alimentarea facandu-se cu resturi agricole cum ar fi : paie , tulpini de porumb , ciocalai de porumb , presturi provenite de la hrana animalelor.Pentru ferme care se ocupa cu cultivarea plantelor medicinale , legumelor si fructelor in sere, se poate folosi un sistem combinat de incalzire a spatiului si a apei menajere cu panouri solare pentru a asigura un climat in sere astfel incat sa permita cresterea si dezvoltarea plantelor pentru o eficinta ridicata a productiei.Pentru ferme cu specific piscicol un sistem termosolar ca cel pentru o piscina exterioara, adaptat pentru un iaz, acesta avand rolul de a regla temperature(incalzi/racii) apei astfel incat sa se asigure un climat optim de crestere si dezvoltare atat pe timpul verii cat si al iernii.

Fezabilitatea implementarilor sistemelor termosolare intr-o ferma agricola.Studiu de caz.Radiatia solara la nivelul solului in Romania este cuprinsa intre 1150 kw/m2/an si 1450 kw/m2/an , iarna scazind la jumatate sau chiar mai putin comparativ cu perioada de vara.Panourile solare au un randament foarte bun vara si scazut iarna.Panourile solare sunt rentabile numai in cazul cind sunt utilizate toata perioada anului in anumite configuratii Aceste configuratii sunt urmatoarele : Productie numai apa calda menajera Incalzire apa din piscina vara + aport incalzire iarna+ productie ACMDaca sistemul este dimensionat strict pentru aport la incalzire investitia este nefezabila deoarece nu produce energie in perioada propice (vara) .Sistemul nu se amortizeaza in perioada lui de viata (cca 20 ani).

!!!Studiul este pentru o casa familiara de 4 persoaneDate de intrare :

LunaEnergie solara captataNecesar energie ACMAcoperire necesar energie ACM

(KWh/luna)(KWh/luna)(KWh/luna)

Ianuarie11531436%

Februarie17731456%

Martie24331456%

Aprilie29531494%

Mai319314102%

Iunie326314104%

Iulie336314107%

August327314104%

Septembrie29331493%

Octombrie23531475%

Noiembrie14831447%

Decembrie72.931423%

TOTAL(KWh/an)28873768

TOTAL(m3gaz/an)268350.4476.70%

TOTAL(m3gaz/an)268 m3

Valoare gaz Lei268*1.286=345Lei

Valoare gaz 345/4.35=79

1=4.35Lei

Acest calcul estimeaza cu acuratete buna randamentul unei instalatii solare cu 24 tuburi vidate care produce 200 litri ACM/zi. Calculul este valabil indiferent de suprafata casei , deoarece demonstreaza cit produce o asemenea instalatie. Familie formata din 4 persoane , necesar A.C.M. ( apa calda menajera 200 litri / zi) Temperatura de intrare apa rece : in=10 C Temperatura de iesire apa calda : out=55 C Necesarul zilnic de energie pentru incalzirea apei : Q=10,46 KWh/zi Instalatia solara este formata din 2 panouri cu 12 tuburi 58*1800 , total 120 tuburi Pretul mediu al unei instalatii din simulare este 2150 cu Tva. Subventie CASA VERDE 1380 Cost final instalatie 2150-1380=770 Suprafata captatoarelor solare este 3.96 m2 Perioada de incalzire 1 Octombrie 30 Aprilie 1m3gaz = 10,752 KWh Pretul pentru 1m3gaz = 1.286 Ron Pretul pentru 1KWh energie alectrica=0,43 Lei

Concluzie Din calcule rezulta o perioada de amortizare a investitiei de 25 ani. Daca pe perioada verii energia produsa ar fi fost folosita pentru incalzirea unei piscine perioada de amortizare ar fi fost de 14 ani. In ipoteza am considerat ca pretul gazului ramine constant , si am mai considerat ca nu am costuri cu intretinerea instalatiei. Daca imobilul este incalzit electric sau cu GPL investitia se amortizeaza mai repede .

Concluzie finala : in momentul actual incalzirea spatiilor cu ajutorul energiei solare nu este fezabila iar implementarea in ferme agricole inca nu prezinta randament datorita costurilor achizitionarii unui astfel de sistem .