Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti Facultatea de Instalaii An Univ.2010-2011

Studiu la Termotehnica AvansataInstalatie de producere ACCM cu panouri solare

1

Cuprins :

Cap.1 Introducere.3 Cap.2 Captarea energiei solare.6 Cap2.1. Sisteme de producere ACCM cu aport de energie solara.7Cap2.2.Colectori solari.....................................................................8 Cap.2.3 Randamentul captatoarelor solare....................................11 Cap2.4. Pozitionarea colectoarelor solare......................................13 Cap.2.4.1 Pozitionarea colectoarelor solare pe terasa.........................................14 Cap.3 Transferul de caldura si stocarea ACCM.................................14

Cap4.Sarcina termic necesar incalzirii apei..............................................17 Cap5.Imbunatatirea performantelor instalatiilor de producere ACCM..18 Cap.6. Bibliografie.........................................................................................20 Anexe : Anexa 1. Certificate SRCC pentru diverse tipuri de colectori solari Anexa 2. Calcul cu TecSol pentru 18mp de colectori de diferite tipuri Anexa 3. Simulare la 18 mp de collector,pentru THERMOMAX Anexa 3. Calcul economic cu CalSol

2

Instalatia solara pentru producerea ACCM

Cap1. Introducere

Utilizarea energiei solare pentru furnizarea apei calde menajere s-a dovedit a fi o soluie perfect viabil. Principiul de funcionare al sistemului de ncalclzire a apei cu energie solar este simplu, iar tehnologia este deja bine cunoscut i fiabil. Energia solar este nepoluant, inepuizabil, ecologic i sigur. Aceasta faciliteaz economisirea resurselor energetice, fr a produce deeuri sau a emite gaze poluante, precum dioxidul de carbon. Mai presus de problemele polurii i de impactul gazelor de ser, furnizarea de ap cald menajer reprezint o parte considerabil a facturii la energie a cldirilor, care poate fi redus prin folosirea energiei solare. Radiatia solara isi are originea in procesul de fuziune nucleara a H in He, cu eliberarea unei mari cantitati de energie radianta(26.7MeV).Radiatia solara globala in straturile superioafe ale atmosferei are constanta solara de 1350w/mp si urmatoarele componente si participatii din totalul radiatiei: - radiaie ultravioleta : 3% cu = 0,28 - 0,38 m - radiaie vizibila: 42% cu = 0,38 - 0,78 m - radiaie infrarosie: 55% cu = 0,78 - 2,50 m Radiaia global pe o suprafata plana la nivelul solului este suma: - Radiaiei directe, care depinde de orientarea suprafetei receptoare - Radiaiei difuze, reflectata de nori,cu o pondere 20%. La nivelul solului radiatia directa si difuza are un maxim de 1000 w/mp pentru regiunea noastra ,in jurul pranzului.

3

Fig.1.Radiatia difuza si radiatia directa pe parcursul unui an

O suprfaa expus primete att radiaii directe si difuze,ct i o parte din radiaiile reflectate de obiectele din apropiere, n special de pmnt, pentru care coeficientul de reflexie este denumit albedo. Din figura de mai sus se observa ca in radiatia solara ,ponderea cea mai mare este detinuta de radiatia infrarosie si ca radiatia difuza,avand o pondere mai mare decat cea directa,este posibil sa obtinem energie si pe timp friguros sau cand cerul nu este perfect senin. Intensitatea radiatiei solare totale si difuze se monitorizeaza cu un aparat numit piranometru.

4

Fig.2. Harta zonala a radiaiei solare pentru Romania

Radiaia solar este influenat de modificarea permanent a unor parametrii,ca: -inaltimea unghiului solar -unghiul de inclinare al axei pamantului -latitudinea geografica a locului

5

Cap2. Captarea energiei solareEnergia solara este captata si convertita in : -energie termica - prin colectori solari denumiti panouri solare ce pot fi: -plate -cu tuburi vidate -cu tuburi termice Fig.3.Pierderi de cldur cauzate de convecie i de radiaie in panourile solare

-energie electrica - cu panouri fotovoltaice (PV) -cu centrale solare cu efect de semineu -cu centrale de concentrare cu turn si oglinda -cu centrale cu captatori parabolici independenti si turn6

-cu centrale cu captatori cilindro-parabolici De fapt,numai radiatia solara electromagnetica(lumina)se transforma in energie termica sau electrica,nu si radiatia termica.

Cap2.1. Sisteme de producere ACCM cu aport de energie solaraUn sistem de producere a apei calde menajere folosind energia solar se compune din 5 subsisteme: - Un sub-sistem colector (captatorii solari) - Un sub-sistem de transfer de energie (schimbator de caldura SC) - Un sub-sistem de stocare (rezervor acumulare RA) - Un sub-sistem de energie auxiliar (electric sau cu combustibili fosili) pentru a acoperi necesarul de energie pentru producerea ACCM pe timpul iernii sau in zilele cu o insorire mai redusa - Un sub-sistem de distribuie, totul coordonat de un sistem de control ce cuprinde aparate de masura,control si conducere automata a instalatiei de la un panou central de comanda.

Fig.4. Schema bloc pentru sistemul de producere a ACCM

7

Fig.5. Schema simplificata a unei instalatii solare

Este esenial s se gseasc cel mai bun raport ntre costuri, dimensiunea sistemului i necesarul de caldura n faza de design a proiectului a.i.: -Colectarea i stocarea energiei solare sa fie optim, -Sursele de energie solar i de energie auxiliar sa fie disociate, -Energia solar sa fie folosit cu prioritate, -Sursa de energie auxiliar sa fie folosit complementar, pentru a economisi combustibilul. ca surs de energie

Cap2.2.Colectori solari

A.Colectori plani Un colector plan consta dintr-o folie subtire de absorbtie a radiatiei(polimer stabil termic,aluminiu sau cupru pe care se aplica o vopsea selectiva absorbanta)pe care se gaseste o tubulatura prin care circula fluid,totul intr-o caseta izolata,acoperita cu sticla borosilicata sau policarbonat,pentru a facilita patrunderea radiatiei in incinta si a mari efectul de sera ce apare intre suprafata vitrata si folia absorbanta.Caseta trebuie sa aiba o buna rezistenta

8

mecanica si sa fie bine izolata termic cu vata minerala si spuma poliuretanica pentru a micsora pierderile de caldura prin convectie . Fig.6. Alcatuirea colectorului plan

B.Colectori cu tuburi vidate

Apa este stocat ntr-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal i izolat termic, n care se monteaz tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu perei dubli, din sticl.Intre pereii din sticl ai tuburilor se realizeaz vid (ca n termosuri), pentru a reduce pierderile termice n mediul ambiant. Pereii exteriori ai tuburilor de sticl din interior, sunt acoperiti cu un strat din material absobant, pentru a capta ct mai eficient radiaia solar. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, n funcie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse n partea superioar a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse n partea inferioar a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va nclzi datorit radiaiei solare i prin efect de termosifon, datorit diferenei de densitate, se va ntoarce n rezervor, unde se va ridica n partea superioar a acestuia, acumulndu-se n vederea utilizrii ulterioare.9

Fig.7. Schema de principiu a colectorului cu tuburi vidate

-Avantaje:absorbtia directa a radiatiei,fara SC (pierderi termice mici) -Dezavantaje:-Tub de sticla fragil -Circulatia nu se poate realiza sub presiune -Umplerea lenta a sistemului cu apa -Rezervor de stocare montat deasupra panourilor

C.Colectori cu tuburi termice

n interiorul unui tub de sticl cu perei dubli, ntre care se realizeaz vid pentru diminuarea pierderilor termice n mediul ambiant, se monteaz un tub termic etan, ncrcat cu o substan care vaporizeaz sub aciunea radiaiei solare. Vaporii astfel formai, se ridic n partea superioar a tubului termic, denumit condensator, care se gsete n contact termic cu agentul caloportor din instalaia solar.

10

Fig.8. Schema de principiu a colectorului cu tuburi termice

Acest agent, rcete captul superior al tubului termic i determin astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel nct captul superior al tubului termic, poart denumirea de condensator. Cldura latent de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la nclzirea agentului termic din instalaia solar, care curge prin conducta colectoare, n care se monteaz mai multe tuburi termice.Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izoleaz termic.

Cap2.3. Randamentul captatoarelor solareRandamentul captatoarelor solare reprezinta eficienta de transformare a radiatiei solare in caldura. =qu/Ig=q0/Ig-qp/Ig=0 - qp/Ig cu o variatie liniara,unde qu=densitatea termic din colectori fluxului de caldura utila acumulata in agentul

Iq=densitatea fluxului radiatiei globale

11

0=randament optic= qp=densitatea fluxului ternic pierdut in mediu (k*T)

= factor de transmisie al sticlei = factor de absorbtie al materialului absorbant de acoperire k=coeficient global de transfer termic intre colector si mediu (2-4 w/mpxK)T=temperatura medie intre colector-temperatura mediu ambient Fig.9. Variatia liniara a randamentului colectorilor solari

Conform prevederilor EN 12975 1-2,se foloseste varianta modificata a randamentului colectorilor solari,cu o variatie parabolica(de gr.II) n = n0 U1 x (Tmf Te) / G* - U2 x (Tmf Te)2 / G* unde: n0 randamentul optic(eficacitatea)al captatorului,situat intre 0,8260,837 Tmf temperatura medie a fluidului caloportor,aprox.60C

12

Te temperatura exterioara in proximitatea colectorului U1,U2 coeficienti de pierderi termice prin conductie si convectie ale captatoarelor,furnizati de producator G* - radiatia globala(directa+difuza) Tabel1.Valori ale coeficientilor de pierderi termice in captatoare Captator Plan Cu tuburi vidate U1 3.7 1.8 U2 0.011 0.008

Fig.10.Variatiile randamentului pentru diferite captatoare,functie de temperatura(variatie parabolica)

tipuri

de

Cap2.4. Pozitionarea colectoarelor solare In functie de tipul colectoarelor, suprafata disponibila pentru pozitionare,suma pe care vrem sa o investim pentru producerea ACCM s.a.,colectoarele se pot pozitiona astfel:

13

-pe terasa -pe acoperis aplicate sau ingropate -pe peretii fatadelor etc

Cap2.4.1.Pozitionarea colectoarelor solare pe terasaIn cazul pozitionarii colectoarelor pe terasa,trebuie sa se tina cont de urmatorii factori: -unghiul de inclinare al captatorilor fata de orizontala locului -unghiul azimutal (orientarea fata de directia Sud) -evitarea fenomenului de umbrire reciproca,precum si a umbririlor provocate de diverse obstacole(cladiri vecine,vegetatie etc) Legarea panourilor se va face serie sau paralel,functie de necesitati,de prescriptiile tehnice ale producatorilor si de indicatiile proiectantului instalatiei de producere ACCM. -legare serie - se mareste temperatura apei calde produse -legare paralel - se mareste debitul de apa calda obtinut

Cap3. Transferul de caldura si stocarea ACCMCirculatia agentului caloportor din colectoare nspre rezervorul de stocare are loc n dou moduri diferite: A. Prin circulaia forat, utiliznd o pomp acionat de un sistem automat de comand B. Prin circulaia natural,datorita efectului de termosifon(cu rezervorul de acumulare asezat obligatoriu deasupra panourilor) Toate colectoarele trebuie s aib caracteristici fizice similare,mai ales n ceea ce privete pierderile de presiune de circulaie. Acesta este un factor important deoarece reprezint cauza problemelor de echilibru hidraulic din seria de colectoare solare.

14

Ca regul general, circuitul Tickelman pentru echilibrarea pierderilor pe tur si retur poate fi folosit pentru legturile dintre colectoare i conductele principale de legtur ale circuitului solar si se pozitioneaza pe conducta de intrare in panouri,pentru a se micsora pierderile de caldura prin transfer termic la mediul inconjurator. Tot la panouri,se calculeaza un reglaj fix de echilibrare,realizat cu diafragme. Transferul de caldura are loc in schimbatoare de caldura(SC). Randamentul unui schimbtor de cldur nu depinde de temperatura fluidelor,ci de geometria schimbtorului i de debitul de cldur transportat de agentul termic. n practic,randamentul schimbtoarelor de cldur se situeaz ntre 0,6-0,8

Categorii de schimbtoare de cldur: - Schimbtoarele de cldur exterioare rezervorului de stocare,schimbatoare de caldura in contracurent numite si schimbatoare de caldura in placi. Acestea au o mai mare pierdere de caldura decat cele integrate in RA,dar au pierderi locale de sarcina mai mici. - Schimbtoarele de cldur integrate n rezervorul de stocare si care sunt asa numitele schimbatoare de caldura cu serpentina imersata in rezervorul de stocare. De obicei se foloseste un schimbator integrat bivalent cu doua serpentine,una inferior pozitionata in RA(treimea inferioara a RA) pentru circuitul solar si cealalta superior pozitionata(treimea superioara a RA) pentru circuitul clasic de producere ACCM ,care foloseste combustibili fosili pentru producerea energiei termice necesare. Stocarea ACCM are loc in RA de diverse tipuri si capacitati,dar foarte bine izolate termic cu un strat de min. 5 cm grosime de izolator termic pentru minimizarea pierderilor de caldura ale energiei termice stocate si pentru mentinerea ACCM din RA la o valoare cat mai apropiata de cea calculata si necesara introducerii in sistemul de distributie.

15

Fig.11. Tipuri de schimbatoare de caldura folosite

SC extern tip lamelar sau in placi

SC integrat in RA

Variaiile de dimensiuni ale rezervorului de stocare influeneaz n mic msur un volum de peste 2.000 litri. Totui, dac volumul de stocare este prea mic, productivitatea scade: - VSC=2000 l permite o productivitate de aproximativ 500 kWh/an - VSC=1000 l permite o productivitate de aproximativ 475 kWh/an(-5%) - VSC= 500 l permite o productivitate de aproximativ 400 kWh/an(-25%)

Fig.12. Stratificarea apei dupa temperatura in RA

rece jos,cald sus

16

Apa calda urca in partea superioara a RA datorita densitatii ei mai mici in raport cu apa rece,prin efect de termosifon. Din aceasta cauza,circuitul in bucla inchisa al captatorului solar va fi legat la RA in treimea sa inferioara,iar RA e bine sa fie vertical,cu o inaltime suficienta pentru a permite o stratificare mai buna. La instalatiile existente,care aveau un RA, RA solar se leaga in serie cu cel clasic,marindu-se astfel inaltimea RA echivalent.

Cap4.Sarcina termic necesar incalzirii apei

Sarcina termic necesar pentru nclzirea apei calde menajere Q, se poate calcula cu relaia: Q=n*m*c(tb-tr)/T*3600 unde :

- n este numrul de persoane ce folosesc ACCM din locuinta - m [kg] este cantitatea de ap cald menajer considerat ca i consum zilnic(50l/pers) - c [kJ/kgK] este cldura specific a apei, mrime care variaz cu temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea c = 4,186kJ/kgK; - tb [C] este temperatura apei din boiler (intre 45-60C) - tr [C] este temperatura apei reci, la intrarea n boiler(8-12C) - T[h] este durata perioadei de nclzire a apei calde considerate(in jur de 8h) Aceasta sarcina termica maxima va fi furnizata de captatorii solari (maxim 95-98% din necesar)in luna iulie,atunci cand ziua este mai lunga si radiatia luminosa mai intensa,pentru restul anului,aceasta sarcina va scadea la un minim de 15-20% in ianuarie,obtinand o medie anuala de 45-65%,considerata foarte buna.

17

Cap5.Imbunatatirea performantelor instalatiilor de producere ACCM cu captatori solariDupa cum se observa din fig.3,pierderile de caldura cele mai insemnate au loc in captatorii solari. Vom cauta sa minimizam aceste pierderi,astfel: 1.Folosirea unor captatoare solare perfectionate,de preferinta cu tuburi termice,care datorita fenomenelor de vaporizare/condensare pot ceda mai multa caldura apei din tuburi(aici intervine caldura latenta de condensare cedata AR,similar cu fenomenul de condensatie de la centralele termice in condensatie) si care asigura: - independenta fata de pozitia de montaj(orizontal sau vertical) - fiecare tub colector din panou poate fi rotit axial,pentru o orientare optima spre razele solare,datorita unei articulatii ce permite rotirea si orientarea tubului dupa soare,la schimbarea anotimpului - o circulatie directa a AR in jurul condensatorului - suprafata absorbanta cu pelicula de Sol-Titan,ce absoarbe pana la 90% din radiatia incidenta,transformand-o in caldura dupa legea lui Planck - tuburile pot fi inlocuite individual,in caz de necesitate - fabricate din materiale de calitate superioara,rezistente la socuri si la coroziune(sticla tip borosilicat,Cu si otel Inox) ce dau siguranta in exploatare si care prelungesc durata de exploatare a instalatiei - vidul din tuburi asigura o termoizolare eficienta,evitandu-se pierderile prin convectie dintre tuburile de sticla si captator,ceea ce duce la posibilitatea utilizarii unei radiatii difuze reduse,mai ales in timpul iernii - suprafetele de captare,integrate in tuburile vidate,sunt insensibile la murdarie,ceea ce duce la cresterea eficienteilor(randamentului)

18

2.Pierderile termice prin conductie de la partea inferioara a carcasei panourilor se diminueaza prin izolarea acestora cu spuma poliuretanica. Pierderile optice se micsoreaza prin adaugarea unui strat suplimentar de sticla la partea superioara a panourilor ,strat ce va produce un efect de sera radiatiei incidente,micsorand si pierderile prin convectie de la suprafata de separare 3.La partea de SC integrat in RA,se va asigura izolarea termica a RA si a racordurilor cu un strat de 5-10cm grosime din spuma poliuretanica.Am facut o simulare cu TecSol pentru a vedea care izolatie este mai eficienta si am ajuns la concluzia ca spuma poliuretanica este mai eficienta decat vata minerala cu5%,la aceeasi grosime de material. Tot in SC se monteaza un anod de magneziu pentru a preveni coroziunea prematura a acestuia. Scara potentialelor electrolitice: MEDIU CORODAT(ANODIC) Magneziu Zinc,Otel galvanizat Aluminiu Otel moale,Fonta Plumb, Cositor *Alama, Cupru,Bronz *Nickel-Argint,aliaje Cupru-Nickel *Monel Otel Inox MEDIU PROTEJAT(CATODIC)materialele * sunt considerate inerte

Pe partea de conducte se va avea in vedere izolarea lor cu tuburi ArmaFlex sau Tubolit.Coturile si vanele se vor izola cu cochilii bazaltice tip RockWool. 4.Pe panouri se poate monta o unitate anti-stagnare ASE 100 ce previne stagnarea apei fierbinti in colectoare si oboseala fizica a materialului din care sunt ele confectionate..Unitatea e formata din SC cu aripioare,ventilator,termometru si o V3C care la 130C inchide circuitul solar si dirijaza apa spre un SC cu aripioare si19

un ventilator ce poate introduce aer cald intr-o zona agreata.Pierderea interna de presiune=21 mbar=0.21mCA. 5.Pe circuitul in bucla inchisa al instalatiei solare se vor monta un filtru Y si un dedurizator pentru a preveni depunerea de saruri in interiorul conductelor de Cu in scopul de a impiedica micsorarea coeficientului de transfer termic in SC si implicit micsorarea randamentului acestuia. 6.Panou automatizare care coordoneaza functionarea instalatiei solare in functie de presetarile facute,dupa ce primeste informatii de la senzori. Controlerul solar diferential lucreaza in regim de urmarire(marimea de intrare nu este constanta in timp) cu 2 senzori de temperatura,unul la baza rezervorului de acumulare(temperatura cea mai rece din sistem),iar celalalt in vecinatatea celui mai fierbinte punct al instalatiei,pe tubulatura colectaore de dupa panouri. Cand diferenta de temperatura dintre cei 2 senzori atinge 6-8C,controlerul porneste pompa solara si o opreste atunci cand se masoara o diferenta de temperatura de1-2C.In functie de caracteristicile sistemului,setarile temperaturii diferentiale se pot selecta din panoul de automatizare.

Cap.6 Bibliografie :-Chase Powers(1999).Heating handbook-Ed McGraw-Hill -Felix Peuser(2004).Installations solaires thermiques-Ed.Solarpraxis -Ilina, Vintila si colectiv(2002)Manualul de instalatii.Instalatii de incalzire-Ed.Artecno -Ken Olson(2001)Solar hot water for cold climate-Ed.Home Power -Solar Rating and Certification Corporation(SRCC-USA) -www.tecsol.fr -www.simsol.fr -www.calsol.fr -Zekai Sen(2008)Solar energy fundamentals and modeling techniques-Ed.Springer

20