Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

Facultatea de Instalaţii

An Univ.2010-2011

Studiu la Termotehnica Avansata

Instalatie de producere ACCM cu panouri solare

Coordonator studiu : Student :

Dr.Ing.Florin Baltaretu Dulhaz Ionel Dorin

An I Master Gr 1

1

Cuprins :

Cap.1 Introducere……………………………………………………………………………………….3

Cap.2 Captarea energiei solare…………………………………………………………………….6

Cap2.1. Sisteme de producere ACCM cu aport de energie solara………………….7

Cap2.2.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 termică necesară 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 soluţie perfect viabilă. Principiul de funcţionare al sistemului de încalcălzire a apei cu energie solară este simplu, iar tehnologia este deja bine cunoscută şi fiabilă. Energia solară este nepoluantă, inepuizabilă, ecologică şi sigură. Aceasta facilitează economisirea resurselor energetice, fără a produce deşeuri sau a emite gaze poluante, precum dioxidul de carbon.

Mai presus de problemele poluării şi de impactul gazelor de seră, furnizarea de apă caldă menajeră reprezintă o parte considerabilă a facturii la energie a clădirilor, care poate fi redusă 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:

- radiaţie ultravioleta : 3% cu λ= 0,28 - 0,38 μm

- radiaţie vizibila: 42% cu λ= 0,38 - 0,78 μm

- radiaţie infrarosie: 55% cu λ= 0,78 - 2,50 μm

Radiaţia globală pe o suprafata plana la nivelul solului este suma:

- Radiaţiei directe, care depinde de orientarea suprafetei receptoare

- Radiaţiei 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 suprfaţa expusă primeşte atât radiaţii directe si difuze,cât şi o parte din radiaţiile reflectate de obiectele din apropiere, în special de pământ, 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 radiaţiei solare pentru Romania

Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a unor parametrii,ca:

-inaltimea unghiului solar

-unghiul de inclinare al axei pamantului

-latitudinea geografica a locului

5

Cap2. Captarea energiei solare

Energia 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 căldură cauzate de convecţie şi de radiaţie 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 turn

6

-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 solara

Un sistem de producere a apei calde menajere folosind energia solară se compune din 5 sub-sisteme:

- 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 auxiliară (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 distribuţie,

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 esenţial să se găsească cel mai bun raport între costuri, dimensiunea sistemului şi necesarul de caldura în faza de design a proiectului a.i.:

-Colectarea şi stocarea energiei solare sa fie optimă,

-Sursele de energie solară şi de energie auxiliară sa fie disociate,

-Energia solară sa fie folosită cu prioritate,

-Sursa de energie auxiliară sa fie folosită ca sursă de energie complementară, pentru a economisi combustibilul.

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

8

Fig.6. Alcatuirea colectorului plan

B.Colectori cu tuburi vidate

Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal şi izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereţi dubli, din sticlă.Intre pereţii din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereţii exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperiti cu un strat din material absobant, pentru a capta cât mai eficient radiaţia solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcţie de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiaţiei solare şi prin efect de termosifon, datorită diferenţei de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

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

9

-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

În interiorul unui tub de sticlă cu pereţi dubli, între care se realizează vid pentru diminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanş, încărcat cu o substanţă care vaporizează sub acţiunea radiaţiei solare. Vaporii astfel formaţi, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găseşte în contact termic cu agentul caloportor din instalaţia solară.

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

10

Acest agent, răceşte capătul superior al tubului termic şi determină astfel condensarea vaporilor din tubul termic, astfel încăt capătul superior al tubului termic, poartă denumirea de condensator. Căldura latentă de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalaţia solară, care curge prin conducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice.Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.

Cap2.3. Randamentul captatoarelor solare

Randamentul captatoarelor solare reprezinta eficienta de transformare a radiatiei solare in caldura.

η=qu/Ig=q0/Ig-qp/Ig=η0 - qp/Ig cu o variatie liniara,unde

qu=densitatea fluxului de caldura utila acumulata in agentul termic din colectori

Iq=densitatea fluxului radiatiei globale

η0=randament optic= τ α

qp=densitatea fluxului ternic pierdut in mediu (k*ΔT)

11

τ = factor de transmisie al sticlei

α = factor de absorbtie al materialului absorbant de acoperire

k=coeficient global de transfer termic intre colector si mediu (2-4 w/mpxºK)

ΔT=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 0,826- 0,837

Tmf – temperatura medie a fluidului caloportor,aprox.60ºC

Te – temperatura exterioara in proximitatea colectorului

U1,U2 – coeficienti de pierderi termice prin conductie si convectie ale captatoarelor,furnizati de producator

12

G* - radiatia globala(directa+difuza)

Tabel1.Valori ale coeficientilor de pierderi termice in captatoare

Captator U1 U2

Plan 3.7 0.011

Cu tuburi vidate 1.8 0.008

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

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:

-pe terasa

-pe acoperis –aplicate sau ingropate

-pe peretii fatadelor etc

13

Cap2.4.1.Pozitionarea colectoarelor solare pe terasa

In 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 ACCM

Circulatia agentului caloportor din colectoare înspre rezervorul de stocare are loc în două moduri diferite:

A. Prin circulaţia forţată, utilizând o pompă acţionată de un sistem automat de comandă

B. Prin circulaţia naturală,datorita efectului de termosifon(cu rezervorul de acumulare asezat obligatoriu deasupra panourilor)

Toate colectoarele trebuie să aibă caracteristici fizice similare,mai ales în ceea ce priveşte pierderile de presiune de circulaţie. Acesta este un factor important deoarece reprezintă cauza problemelor de echilibru hidraulic din seria de colectoare solare.

Ca regulă generală, circuitul Tickelman pentru echilibrarea pierderilor pe tur si retur poate fi folosit pentru legăturile dintre colectoare şi conductele principale de legătură 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.

14

Transferul de caldura are loc in schimbatoare de caldura(SC).

Randamentul unui schimbător de căldură nu depinde de temperatura fluidelor,ci de geometria schimbătorului şi de debitul de căldură transportat de agentul termic.

În practică,randamentul schimbătoarelor de căldură se situează între 0,6-0,8

Categorii de schimbătoare de căldură:

- Schimbătoarele de căldură 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.

- Schimbătoarele de căldură integrate în 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.

Fig.11. Tipuri de schimbatoare de caldura folosite

15

SC extern tip lamelar SC integrat in RA

sau in placi

Variaţiile de dimensiuni ale rezervorului de stocare influenţează în mică măsură un volum de peste 2.000 litri.

Totuşi, dacă 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

Apa calda urca in partea superioara a RA datorita densitatii ei mai mici in raport cu apa rece,prin efect de termosifon.

16

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 termică necesară incalzirii apei

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Q, se poate calcula cu relaţia:

Q=n*m*c(tb-tr)/T*3600 unde :

- n este numărul de persoane ce folosesc ACCM din locuinta

- m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca şi consum zilnic(50l/pers)

- c [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea c = 4,186kJ/kgK;

- tb [°C] este temperatura apei din boiler (intre 45-60⁰C)

- tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler(8-12⁰C)

- T[h] este durata perioadei de încălzire 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.

Cap5.Imbunatatirea performantelor instalatiilor de producere ACCM

cu captatori solari

17

Dupa 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)

2.Pierderile termice prin conductie de la partea inferioara a carcasei panourilor se diminueaza prin izolarea acestora cu spuma poliuretanica.

18

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 130ºC inchide circuitul solar si dirijaza apa spre un SC cu aripioare siun ventilator ce poate introduce aer cald intr-o zona agreata.Pierderea interna de presiune=21 mbar=0.21mCA.

19

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 6-8ºC,controlerul porneste pompa solara si o opreste atunci cand se masoara o diferenta de temperatura de1-2ºC.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