Incalzirea Apei din Piscina cu Ajutorul Colectoarelor Solare

CUPRINS

1. STADIUL ACTUAL AL TIPURILOR DE COLECTOARE SOLARE

1.1. Evoluția panourilor solare în timp

Potențialul masiv al energiei solare este aproape imposibil de captat, tocmai din această cauză energia soarelui a atras interesul oamenilor de știința de-a lungul a câtorva sute de ani. Scopul utilizării energiei solare a fost de a ușura munca oamenilor și de a satisface anumite nevoi. [1]

Încă din antichitate (214-212 Î.H.), Arhimede a incendiat flota romană concentrând razele solare cu ajutorul oglinzilor. Nu se știe dacă este adevărat sau este doar o legendă, dar aceasta ar putea fi prima dată când razele solare au fost folosite în scopul dorit de om. [2]

Conceptul propriu-zis de energie termo-solară a apărut în anul 1767 când omul de știință elvețian Horace de Saussure a inventat primul colector solar, sau “cutia fierbinte”, o cutie simplă de lemn cu interiorul vopsit în negru și acoperită cu sticlă. Cu acest prim panou solar s-a atins temperature de 87ºC. El a repetat experimentul în vârful munților și a obținut aceleași temperaturi. Stratul dublu de sticlă acumulează căldură și în interiorul ei indiferent cât de frig este afară. Pot fi și -40ºC afară și colectorul lucreză la fel de eficient ca vara, doar că ziua mai scurtă face ca numărul de ore de lumină să fie mai redus, implicit de radiație solară să fie mai scăzut.

În 1839 s-a descoperit efectul fotovoltaic. Anul 1839 marchează un an important în istorie, deoarece Edmund Becquerel, un fizician francez de numai 19 ani, a descoperit că se produce o tensiune electrică când un material este expus la lumină. Această mică descoperire formează fundația energiei solare.

În anii 1860 matematicianul francez August Mouquet a propus o idee pentru un motor cu aburi. În următoarele 2 decenii, el și asistentul său, Abel Pifre, au construit primul motor solar, utilizând-ul la o varietate de aplicații. Aceste motoare au devenit predecesorii colectoarelor moderne de tip farfurie.

În 1876 Willoughby Smith a descoperit fotoconductibilitatea seleniului.

În 1876 William Grylls Adams și Richard Evand Day au descoperit că seleniul produce electricitate când este expus la soare. Deși conversia energiei solare în electricitate cu ajutorul celulelor de seleniu a eșuat, ei au demonstrat că un material solid poate converti lumina în electricitate fără căldura sau părți mobile.

În anii 1890 încălzitoarele solare pentru apă erau folosite peste tot, dar de ce au dispărut? Ele asigurau apă caldă gratuită pentru mii de locuințe din Statele Unite. Tot atunci promovarea petrolului și a gazelor naturale foarte ieftine a făcut ca utilizarea energiei solare pentru încălzirea apei să fie uitată pentru mai multe decenii. Dar cum prețurile petrolului și gazelor naturale au început să crescă, oamenii se gândeau la energia solară din nou.

În 1904 Wilhelm Hallwachts a descoperit o combinație de cupru și oxid cupros care este fotosenzitiv.

În 1905 Albert Einstein și-a publicat teza în domeniul efectului fotovoltaic (împreună cu cea a teoriei relativității).

În 1908 William J. Bailley de la compania Carnegie Steel a inventat un colector solar cu bobine de cupru și cutie izolată.

În 1947 casele solare pasive aveau o cerere așa de mare, ca rezultat al insuficienței energiei convenționale de după al doilea război mondial, încât compania Libbey-Owens-Ford Glass a publicat o carte intitulată “Casa ta solară”, care promova 49 dintre cei mai mari arhitecți ai lumii în materie de construcții solare.

În 1954 dr. Dan Trivich, profesor al Universității de Stat Wayne, a făcut primele calcule teoretice legate de eficiența diferitelor materiale cu lungime de bandă diferită bazate pe spectrul de soare.

În 1954 ia naștere tehnologia fotovoltaică în Statele Unite când Daryl Chapin, Calvin Fuller și Gerald Pearson au dezvoltat efectul fotovoltaic cu celule silicon la laboratoarele Bell – prima celulă solară capabilă să convertească suficientă energie de la soare în energie necesară pentru a ajuta la funcționarea unui echipament electric de uz zilnic. Laboratoarele Bell Telephone au produs o celulă solară cu silicon ce avea o eficiență de 4%, ajungând apoi la 11%.

La mijlocul anilor '50 arhitectul Frank Bridgers a proiectat prima clădire comercială de birouri (Bridgers-Paxton) ce folosea sistem solar de încălzire a apei și avea un design pasiv. Acest sistem a fost folosit de nenumărate ori în continuare, dar această clădire apare în Registrul Național de Istorie ca prima clădire de birouri din lume ce folosea apă caldă încălzită solar.

În 1958 satelitul Vanguard I a folosit o mică parte (mai puțin de un watt) de energie produsă de soare pentru a-și utiliza radiourile. Mai târziu, Explorer III, Vanguard II și Sputnik 3 au fost lansate cu sisteme fotovoltaice la bord. În ciuda încercării greoaie de a comercializa celule cu silicon în anii 1950 și ’60, acestea au fost folosite cu succes în spațiu. A devenit sursa de energie acceptată pentru aplicațiile în spațiu fiind utilizată și în prezent. Satelitul Explorer VI, lansat în 7 august 1959 avea panouri fotovoltaice compuse din 9600 de celule (1x2cm fiecare).

În 1963 Japonia a instalat o platformă de 242 W formată din panouri fotovoltaice, acestea fiind cu cea mai mare arie acoperită din acea vreme.

În 1966 NASA a lansat primul observator astronomic, alimentat de PV-uri cu o putere de 1KW, pentru a furniza date în lungimile de undă ultraviolet și raze X filtrate de atmosfera pământului.

Concentratorul solar Odeillo din Franța a fost construit în 1969. Acesta era alcătuit din mai multe oglinzi care focaliza radiația într-un punct care atinge temperaturi de 3000ºC.

Anii 1970 reprezintă poate cel mai important pas făcut în utilizarea energiilor regenerabile. Dr. Elliot Berman, cu ajutorul celor de la Exxon Corporation, a creat o celulă solară ieftină, ce a scăzut prețul de la 100 la 20 de dolari per 1 W produs. Celulele solare au început să lumineze turnurile pentru navigație și farurile pentru multe platforme marine petroliere și gazeifere, trecerile la nivel cu calea ferată, dar și aplicații solare domestice pentru zonele aflate la mare depărtare de rețelele de utilități.

În 1973 Universitatea din Delaware a construit “Solar One”, una dintre primele locuințe independente electric. Sistemul este un hibrid PV-termal. Acoperișul este unul format din panouri fotovoltaice și colectoare plane plate. Căldura de la colectoarele solare este transmisă la boilere și astfel este asigurată încălzirea întregii locuințe.

În 1982 departamentul de energie al Statelor Unite a conceput un proiect de 10 MW ce consta într-un concentrator solar cu turn. Oglinzile constau în membrane heliomate cu reflectoare argintate de polimeri. Acestea focalizează radiația direct în punctul central al turnului.

Producția mondială de electricitate produsă de fotovoltaice depășește 21.3MW în anul 1983.

În 1986 a fost inaugurat cel mai mare parc solar-termic în Kramer Junction, California. Câmpul este format din rânduri de concentratoare de tip jgheab care concentrează energia solară printru-un sistem de conducte. Fluidul încălzit este folosit pentru a produce aburi, care pun în funcțiune o turbină ce produce electricitate.

În 1992 a fost fabricat primul mare concentrator de tip disc, ce avea o putere de 7.5MW.

În 1996 departamentul de energie al Statelor Unite, împreună cu partenerii industriali, au început operarea la Solar Two. Acesta era un „upgrade” la turnul solar concentrator Solar One. Operațional până în 1999, Solar Two a demonstrat cum energia solară poate fi stocată eficient și economic astfel încât ea poate fi produsă și atunci când soarele nu strălucește.

În 1999 construcția la 4 Times Square, cel mai înalt zgârie-nor construit în anii ’90 în New York, a fost finalizată. Acesta încorpora mai multe tehnici de eficientizare a energiei față de oricare altă clădire comercială. Clădirea are panouri fotovoltaice integrate între etajele 37 și 43 pe partea sudică și pe cea vestică, panouri ce produc o parte din necesarul de energie al clădirii. [3]

1.2. Colectoarele solare în zilele noastre

Combustibilii fosili tot mai puțini îi împing pe oameni tot mai mult spre sistemele de energie regenerabile, fie că sunt ele solare, eoliene sau hidro. Deși prețurile la tehnologiile verzi sunt destul de mari comparativ cu cele provenite din combustibili fosili, tot mai multe companii și utilizatori independenți apelează la aceste tipuri de sisteme de energie.

Colectorul solar este componenta principală a unei instalații termice solare și până în anul 2002 a fost utilizat îndeosebi pentru prepararea de apă caldă, iar recent își găsește aplicare și în furnizarea energiei necesare încălzirii clădirilor. Dacă este asociat cu un rezervor de stocare a energiei, se poate asigura încălzirea clădirii numai cu energie solară.

Vehicularea energiei termice între colectorul solar și locul de utilizare sau depozitare poate avea loc cu sau fără utilizarea unei surse de energie externă. În primul caz avem de-a face cu sisteme ce utilizează pompe acționate electric, sisteme de reglare automată etc. În al doilea caz se utilizează principiul termosifon bazat pe diferența de densitate a agentului termic la diferite temperaturi. Apa caldă se ridică în sus, pe când cea rece coboară. Altfel decât la încălzirea centrală funcționând pe același principiu, în acest caz rezervorul trebuie să se găsească deasupra colectorului solar. Adesea colectorul solar și rezervorul constituie un bloc comun.

Cele mai cunoscute și frecvente utilizări ale colectoarelor solare sunt în prepararea apei calde menajere. La montarea corespunzătoare a colectoarelor și a rezervorului, în Europa Centrală se poate asigura apa caldă menajeră de cca. o jumătate de an (sezonul de vară). Teoretic se poate asigura căldura necesară consumului casnic pe parcursul întregului an, dar în acest caz este nevoie de o suprafață mai mare acoperită cu colectoare, rezultând un exces de apă caldă pe perioada verii. La o astfel de supradimensionare, randamentul investiției semnificativ mai mare va fi redus și nu va fi compensat de economia de combustibili fosili (gaz, păcură, lemn etc.) sau electricitate devenind nerentabil. Colectoarele dimensionate economic, pot înlocui sau completa sursele de energie termică într-un procent suficient de mare contribuția la prepararea apei calde variind între 30% și 100% raportat la un an întreg.

Dacă instalațiile cu colectoare solare se racordează și la instalațiile de încălzire, se poate contribui și la reducerea costului cu încălzirea cu până la câteva zeci de procente. În cazul unei exigențe mai mari la întregul sistem se poate racorda un rezervor de stocare sezonieră a căldurii ceea ce va permite acumularea de suficientă energie calorică pentru a putea complet elimina utilizarea altor combustibili. Un astfel de rezervor de stocare de căldură, în cel mai simplu caz poate fi o cantitate suficientă de apă sau pietriș (cca. 20 t) din mijlocul clădirii sau subsolul acesteia.

Amortizarea unei instalații solare pentru producerea apei calde este posibilă în cca. 8 ani în condițiile unei construcții optime, a unei utilizări raționale și a existenței unui sprijin din partea statului la tendințele actuale de pe piața combustibililor fosili. Producătorii livrează colectoare solare cu o durată de viață previzibilă de cca. 20 ani. Durate de amortizare de peste 16 ani sunt posibile doar dacă instalația a fost necorespunzător proiectată, respectiv utilizată.

Pentru a dispune de apă caldă suficientă și în zilele ploioase colectoarelor solare li se atașează din construcție un rezervor special de apă caldă cu schimbător de căldură care în funcție de numărul de membri de familie poate avea o capacitate de 300-1500L. Pentru clădirile mai mari (blocuri, spitale, hoteluri, etc.), care datorită mărimii au o utilizare aproape continuă, putând avea un termen de amortizare mai redus, se construiesc rezervoare de stocare a căldurii industriale dimensionate corespunzător consumului. În rezervoarele obișnuite, circuitul primar al colectorului încălzește doar jumătatea de jos a acestuia, apa caldă ridicându-se datorită convecției și temperatura ajungând până la valoarea admisă de 95°C .

1.3. Considerente economice

Colectoarele solare transformă energia radiației solare în căldură atunci când aceasta cade pe suprafața de absorbție.

Pentru a obține o temperatură de 40-60°C în rezervor, este necesar ca în colector să se atingă cel puțin 65°C. Dacă colectorul solar este montat în circuit doar pentru a preîncălzi apa din rezervor, randamentul va fi mai mare deoarece nivelele de temperatură pot fi mai mici.

Izolarea termică împiedică schimbul de căldură între două medii.

Scopul și locul instalării sunt importante din punct de vedere al gradului de exploatare, al eficienței în exploatare și ca urmare al economicității instalației.

Cele de mai sus au o greutate considerabilă în analiza economicității utilizării colectoarelor solare unde întrebarea de bază se referă la recuperarea investiției. Tendința este de a utiliza capacitatea colectoarelor la maximum fără perioade de mers în gol.

Pentru prepararea apei calde menajere de exemplu, este nevoie să se cunoască nevoia zilnică de apă caldă. În acest caz este bine ca instalația să se dimensioneze la 70% din necesarul de energie din cauza diferențelor de capacitate în funcție de anotimp. Dacă se dimensionează la o capacitate de 100% din energia necesitată iarna, în vară vom avea un exces de apă caldă care nu se poate utiliza, deci o suprafață de colector neutilizată în care s-a investit. Dacă se dimensionează rezervorul astfel încât să stocheze toată energia calorică produsă, apar pierderile în timp datorită izolației imperfecte a acestuia. Rezultă că atât din punct de vedere economic cât și ecologic, este rațional să se apeleze la un sistem hibrid care combină colectoarele solare cu sisteme clasice de încălzire. [4]

2. CLASIFICAREA PISCINELOR

Piscina este una dintre cele mai cautate modalități de relaxare și destindere în intimitatea din jurul casei. Dacă nu se dispune de o sumă mai mare de bani se poate instala oricând o piscină supraterană, sau de ce nu, una gonflabilă. Cele mai mari piscine sunt cele subterane.

Alegerea unei piscine depinde de bugetul alocat acestei investiții, dar și de timpul pe care suntem dispuși să-l acordăm furnizorului pentru instalare. Există o gamă variată de opțiuni: piscine realitate din beton armat, cu plăci ceramice sau mozaic, cu strucutră metalică, din polipropilenă, din oțel galvanizat, din poliester, plastic special sau rășini poliesterice speciale armate cu fibră de sticlă.

Principalele tipuri de piscine sunt cele de interior și cele de exterior (acoperite sau neacoperite).

Dacă piscinele de interior sunt în cea mai mare parte subterane, cele de exterior pot fi de mai multe tipuri:

Piscine subterane

Piscine supraterane

Piscine acoperite

Piscine gonflabile

Piscine de diferite forme

3. MODALITĂȚI DE ÎNCĂLZIRE A APEI DIN PISCINĂ

3.1. Descrierea rolului și funcționării sistemelor de încălzire a piscinelor

În epoca modernă, piscina a devenit un echipament indispensabil atât pentru colectivitățile mari (ștranduri), cât și pentru utilități private, hoteluri, campinguri, sport de performanță, turism verde, etc.

În fond, atracțiile piscinei nu sunt limitate astăzi numai la practica sportivă, piscina fiind un loc de activitate, de destindere, demenținere a formei fizice și de conviețuire. Ea devine indispensabilă pentru creșterea calității vieții oamenilor și pentru creșterea gradului de frecventare a hotelurilor și campingurilor. Pentru o familie, piscina poate crea atmosfera de "vacanță de familie" pe tot parcursul anului.

Pentru asigurarea calității acestui mediu și pentru îmbunătățirea condițiilor de desfășurare a activităților recreative ale utilizatorilor, apa din piscine se încălzește.

Un sistem complet de încălzire a apei din piscină are o serie de funcții:

– menține apa din bazin la o temperatură confortabilă corpului uman (24º-29ºC);

– recirculă întregul volum de apă într-un interval de timp bine determinat în funcție de condițiile de exploatare a piscinei;

– filtrează și igienizează apa.

Acest sistem are următoarele componente:

o instalație de încălzire care produce cantitatea de căldură necesară încălzirii apei;

un schimbător de căldură în care se realizează transferul de căldură de la agentul termic al instalației de încălzire către apa din bazin;

o instalație de recirculare a apei formată din: pompe de recirculare, sisteme de țevi, duze de aspirație și de introducere a apei în bazin;

un sistem de filtrare și ingienizare a apei;

un sistem de automatizae care are rolul de a regla și de a menține în limitele prestabilite funcționarea întregului sistem.

Încălzirea apei din bazin se produce în urma schimbului de căldură de la o sursă caldă 9un agent termic) spre o sursă rece (apa din bazin). Sistemul funcționează astfel:

apa din bazin este recirulată, trecând prin schimbătorul de căldură și prin aparatele de filtrare;

în agentul de încălzire agentul termic preia căldură de la sursa de căldură, fiind apoi circulat prin schimbătorul de căldură;

în schimbătorul de căldură agentul termic cedează căldură apie din bazin, iar în urma acestui proces, apa se încălzește. [12]

Principiul de funcționare al sistemului de îcălzire a apei din piscină este prezentat în figura următoare.

3.2. Instalația de încălzire

Instalația de încălzire a piscinei poate avea ca surse de energie resursele neregenerabile sau sursele regenerabile de energie.

Încălzirea apei din piscină cu instalație cu surse neregenerabile de energie are la bază combustibilii fosili. Instalația este o centrală pentru prepararea apei calde (sau a apei și de căldură) care funcționează pe bază de gaz metan, păcură sau lemne. principiul de funcționare este același, prezentat în figura 3.1, indiferent de surse de energie folosită.

Încălzirea apei din piscină cu instalație cu surse regenerabile de energie are la bază instalații de încălzire ce au ca sursă de energie:

pompe de căldură;

colectoare solare;

3.2.1. Instalații de încălzire utilizând pompele de căldură

Pompele de căldură sunt instalații de încălzire care au ca sursă de căldură ecologică – energia solară acumulată în sol, apă freatică sau în aerul atmosferic. Căldura ecologică se gasește în cantități nelimitate, iar pompa de căldură oferă posibilitatea de încălzire economică și ecologică, utilizând această formă de energie.

Pompele de căldură moderne oferă posibilități tehnice efective pentru economisirea de energie și reduerea emisiilor de CO2. Pompa de căldură oferă premisele tehnice necesare pentru a folosi eficient energia solară sub forma de căldură ecologică pentru încălzire și prepararea apă caldă menajeră.

Acest tip de instalație obține arpoximativ trei sferturi din energia necesară pentru încălzire din mediul înconjurător, iar pentru restul, utilizează ca energie de acționare curentul electric. [12]

Pompele de căldură utilizate la încălzirea apei din piscină sunt:

Pompa de căldură sol-apă (fig. 3.3);

Pompa de căldură apă-apă (fig. 3.4);

Pompa de căldură aer-apă (fig 3.5).

3.2.2. Instalații de încălzire utilizând colectoare solare

Cea mai bună metodă de încălzire pasivă a piscinei este cea prin colectoare solare. La piscinele exterioare este recomandat ca vara energia produsă de panourile solare sfie folosită și pentru obținerea apei calde menajere, iar în perioada rece când piscina exterioară nu mai este folosită, energia panourilor poate fi folosită ca și aport la încălzirea casei. Pentru a putea recupera cât mai rapid investițiile în sistemul de încălzire, este indicat să folosim sistemul la randamentul maxim, și să folosim toată energia produsă de colectoarele solare [13].

Încălzirea apei din piscinele descoperite ridică cele mai mici probleme tehnice deoarece sunt folosite doar în sezonul de vară, iar temperatura apei din piscină poate fi ușor adusă și menținută la temperatura de 24-29ºC. Dacă scade radiația solară (nor, ploaie), va scădea și temperatura apei din piscină, dar și gradul de folosire al acesteia. Ridicarea temperaturii apei din piscină cu 5-10ºC se poate realiza cu captatori solari simpli orientați spre sud. Aceștia sunt prevăzuți cu serpentine realizate din furtun negru sau membrane din mase plastice sau cauciuc prevăzute cu canale pentru apă. Acumulatorul este, în aceastsituație piscina. Volumul mare de acumulare are dpret rezultat scăderea mică temperaturii apei pe perioada de noapte sau în zilele neînsorite. prin acoperirea piscinei pe timp de noapte se pot reduce semnificativ pierderile de căldură ale apei din piscină. Datorită folosirii sistemului de încălzire doar în lunile de vara, nu există pericol de îngheț, deci nu necesită introducerea antigelului în circuitul captatorului solar.

Debitul de apprin captatorul solar trebuie să fie constant și relativ mare, circulația acestuia fiind asigurată de o pompă de circulație, astfel încât sse obțină o creștere de temperatură de maxim 8ºC în captatorul solar. În aceste condiții, captatorii solari pot capta anual 250-300KWh/m² adică pot folosi 25-30% din radiația solară medie anuală considerată de 1000KWh/m².

În prezent, în tehnica instalațiilor solare de încălzire a clădirilor și prepararea apei calde menajere, se folosesc o mare diversitate de captatori solari, producătorii oferind datele tehnice ale acestora. Funcționarea captatorului solar poate fi simplu explicată considerând un captator plan, unde:

pe o suprafață vopsită în negru (suprafața absorbantă) cade radiația solară directă și difuză. Radiația solară este transformată în căldură și suprafața de absorbție se încălzește;

pentru a putea transfera căldura obținută către consumatorul de căldură, este folosit un agent termic (apă, aer) care în contact cu suprafața absorbantă, preia căldura și o transportă spre consumatori. De regulă, în sau pe suprafața de absorbție sunt fixate conducte sau sunt realizate canale prin care circulă agentul termic;

pentru a reduce pierderile de căldură înspre mediul ambiant suprafața absorbantă este amplasată de regulă, într-o carcasă bine izolată din punct de vedere termic, fiind prevăzută doar pe partea frontală cu o suprafață tranparentă care să permită trecerea radiației solare (un geam). [12]

4. CLASIFICAREA COLECTOARELOR SOLARE

Conform STAS 12903-90, colectoarele solare plane se clasifică după următoarele criterii:

natura agentului termic (tabelul 4.1), modul de asigurare a absorbției energiei solare (tabelul 4.2),

forma constructivă a ansamblului absorbant (tabelul 4.3), forma constructivă a canalului prin care circulă agentul termic (registrul de țevi) (tabelul 4.4).

Tabelul 4.1 Clasificare după natura agentului termic

Tabelul 4.2 Clasificare după modul de asigurare al absorbției

Tabelul 4.3 Clasificare după forma constructiva ansamblului absorbant

Tabelul 4.4 Clasificare după canalul prin care circulă agentul termic

[14]

O caracterizare generală a colectoarelor solare se face asfel:

Colectoare plane-plate

Colectore cu tuburi vidate

Colectoare cu concentratori

4.1. Colectoare solare plane-plate

Colectoarele solare plane se clasifică după urmatoarele criterii: natura agentului termic, modul de asigurare a absorbției energiei solare , forma constructivă a ansamblului absorbant , forma constructivă a canalului prin care circulă agentul termic.

Sunt cele mai utilizate colectoare din lume pentru încalzirea apei, folosită la uzul intern, dar și la diverse aplicatii ce necesită apă caldă (piscine, sisteme de încalzire etc.). Aceste colectoroare au o gamă de utilizare de la  sub -20 ºC la aproximativ 85ºC, ce este exact în gama de operare necesare pentru aceste aplicații. Ele sunt durabile și eficiente. Colectoarele plate au un avantaj major față de alte tipuri ce nu sunt la fel de rezistente în zonele în care ninge destul de mult. Acestea sunt un standard la care toate celelalte tipuri de colectoare sunt raportate.

4.1.1. Componentele colectoarelor solare plane – soluții constructive

Colectoarele solare plane reprezintă partea cea mai importantă a sistemelor proiectate să opereze în intervale joase de temperatură sau in intervale medii de temperatură.

Într-un colector plan intervin urmatoarele componente principale:

plăcile transparente (1): se referă la unul sau mai multe rânduri de placi de sticlă cu grosimea de 3-4mm; majoritatea colectoarelor plane sunt executate din două rânduri de plăci, din care cea montată la exterior este din sticlă, iar cea din interior este o folie din material plastic;

circuitul fluidului purtător de căldură (registru țevi) (2): conduce sau direcționează agentul termic de la intrare la ieșire; el se află plasat între două plăci, și curge printr-un registru de conducte prinse pe placa absorbantă;

placa absorbantă (3): este în general executată dintr-o placă metalică sau din alt material, acoperită cu un strat negru, în vederea creșterii gradului de absorbție a radiației solare și a scăderii gradului de emisivitate;

izolatia termică (4): reduce pierderile de caldură din părțile inferioare și laterale ale colectorului;

carcasa (5): conține toate componentele colectorului și le protejează de praf, umezeală, șocuri mecanice etc.

În continuare sunt analizate în detaliu aspecte constructive, funcționale și parametrii caracteristici pentru toate componentele anterior prezentate.

Colectoarele plane sunt impartite în două categorii în funcție de scopul utilizării lor, cele destinate încălzirii apei și cele destinate încălzirii aerului.

Condițiile în care diferite tipuri de colectoare plane sunt utilizate pentru încălzirea apei sunt:

cu circuit, cu o suprafata mică străbătută de apă și cu o capacitate de apă redusă, se utilizează materiale cu o bună conductivitate, ca și cuprul sau aluminiul; se utilizează la temperaturi înalte;

tipul sandwich, în care atat suprafata udată cat și capacitatea de apă sunt ridicate; se pot utiliza materiale cu o conductivitate redusă, ca plasticul sau oțelul; se utilizează la încalzirea piscinelor;

tipul semi-sandwich, în care se utilizează materiale cu conductivitate medie ca și oțelul sau aluminiul.

În cazul colectoarelor cu agent termic aer, clasificarea este realizată din punct de vedere al plăcii absorbante:

nervurată, putand prezenta diverse profile;

ondulată avand acoperiri selective;

plană, metalică.

4.1.2. Principiul de funcționare

Un sistem este format din 2 părți: panou solar (colector) și rezervor (boiler).

Panoul este partea cea mai importantă deoarece radiația solară este captată de suprafața absorbantă a acestuia formată dintr-o tabelă de cupru tratată cu un strat selectiv din titan, iar sub aceasta sunt sudate tevile de cupru prin care circula agentul termic. Acest lichid, în momentul când se încalzește urcă în partea de sus a colectorului după care ajunge în boiler. Aici el transferă căldura catre apa menajeră care circulă liber în rezervor, apoi când se racește, coboară din nou în colector pentru a-și relua ciclul. Agentul termic poate ajunge la 120°C, astfel că temperatura apei din rezervor poate atinge 75-90°C pe timp de vară și 30-45°C pe timp de iarnă. În rezervor apa se menține tot timpul caldă datorită faptului că este izolat cu un strat de poliuretan. Pentru sezonul rece rezervorul poate să-și folosească și siguranța de 4 KW cu termostat, care este privită ca un ajutor. Un lucru foarte important de știut este că temperatura exterioară nu afectează funcționarea instalației solare. În perioada de iarnă radiația solară este mai mică, deoarece și ziua dureaza mai puțin, însă pentru a avea randament maxim pentru cele 3 luni de iarnă, există posibilitatea de mărire a capacității suprafetei de absorbție, prin adăugarea unui simplu colector.

În general, colectoarele plane sunt formate dintr-o rețea de țevi din material termoconductor (cupru, în general) cu aripioare din tablă pentru creșterea suprafeței de captare. Tot acest ansamblu este așezat într-o cutie bine izolată termic.

Aceasta cutie are peretele dinspre soare transparent (din sticla cu transparență ridicată), iar suprafața țevii și a aripioarelor metalice este acoperită cu un strat selectiv care facilitează absorbția radiațiilor solare și limitează în același timp reflexia acestora. Eficiența acestui tip de colectoare este mai redusă decât a colectoarelor cu tuburi vidate – la suprafețe de captare similare – dar prețul de cost este și el mai scăzut.

Există, deasemenea, colectoare plane-plate în multiple variante constructive, iar recent eficiența lor a fost îmbunătățită simțitor.

Figura 4.3 Strat selectiv (acoperire selectivă) [15]

Toate corpurile emit radiație termică. Suprafața ideală a unui colector solar absoarbe maximum de radiație solară și emite foarte puțină din aceasta. Stratul de la suprafața colectoarelor are rolul de a crește în mod selectiv absorția radiațiilor solare și de a reduce la minim emisivitatea termală. Această acoperire selectivă crește foarte mult eficiența colectoarelor solare. Există diverse tehnologii pentru crearea acestui strat selectiv al colectorului prin care circulă agentul termic: vopsire cu materiale speciale, tratamente termochimice, tratamente electro-chimice, etc.

Colectorul plat este o tehnologie mai veche decât colectoarele cu tuburile vidate. Sub unui sau mai multor straturi de sticlă transparentă se află stratul cu substantă absorbantă. Sub acest strat este pompat agentul termic printr-un sistem de capilare unde preia caldura captată de stratul absorbant.

Avantaje :

eficiență în prepararea apei calde menajere, încalzirea spațiului locativ;

preț relativ scăzut;

ușor de instalat, se poate și încadra în acoperiș.

Dezavantaje:

pierdere relativ mare de căldură în condiții de temperaturi joase;

nu are expunere optimă/perpendiculară permanentă;

poate fi afectat de vânt;

necesită spatiu mai mare pentru performanțe comparabile cu colectoare cu tuburi vidate;

randament redus în condiții nefavorabile sau temperaturi joase;

performante mai reduse decât colectorul cu tuburi vidate;

Principiul de încălzire

Heat pipe / Circulația Agent Termic Direct

Așa numita heat pipe sau tubul termic este o tijă din cupru purificat fără inserții de oxigen evacuată în interior, asemenea tubului vidat care funcționează pe principiul vaporizare-condensare. În interiorul tubului termic se află o cantitate mică de apă purificată împreună cu câtevă aditive speciale. La nivelul mării apa fierbe la 100°C, la altitudini mari datorită presiunii atmosferice reduse la temperaturi mai joase. Bazat pe acest principiu că apa fierbe la temperaturi mai joase în condiții de presiuni atmosferice mai mici prin evacuarea tubului termic se ajunge la rezultatul dorit. Apa in interiorul tubului termic folosit în colectoarele Apricus fierbe deja la 30°C. Dacă tubul termic e încalzit peste acest nivel apa se gazifică, vaporii urcă la schimbătorul de caldură în vârf unde predau căldura. Caldura este transferată, gazul se lichefiază, ajunge din nou la baza tubului termic și tot procedeul reîncepe.

În sistemele cu circulația agentului termic direct acesta este pompat printr-o țeavă în formă de U prin tubul colector. Este încălzit direct agentul termic fără intermediul heat pipe/tubului termic. [15]

4.2. Colectoarele solare cu tuburi vidate

Colectoarele cu tuburi vidate reprezintă cea mai avansată tehnologie în domeniu.

Tubul vidat este compus din două tuburi coaxiale între care se creeaza vid. Primul tub din sticlă extrem de rezistent, rezistă la grindina de până la 25 mm, permite razelor solare să pătrundă, fără a le reflecta. Tubul interior sau tubul colector este acoperit cu substanța absorbantă (AL-N/AL).

Vidul dintre tuburi este susținut pe o durată îndelungată de un strat subțire de barium în interiorul tubului. Stratul de barium absoarbe activ orice moleculă de gaz CO, CO2, N2, O2, H2O, H2 pentru că avantajul vidului (izolația termică față de temperatura mediului) să fie menținut. Dacă vidul este compromis, stratul de barium semnalează acest fapt prin schimbarea de culoare de la argintiu la alb, iar tubul respectiv trebuie schimbat. Această procedură este simplă, poate fi executată de orice persoană cu abilități tehnice minime.

Colectoarele cu tuburi vidate au performanțe bune chiar și pe timp nefavorabil, noros sau ploios. În acest caz este posibil ca sistemul de rezervă să intervină și să ridice nivelul temperaturii la cea dorită dar în orice caz nu atat cât era nevoie fără colector solar.

Tuburile vidate constituie elementul cheie al captarii energiei solare. La origine un proiect dezvoltat de Universitatea din Sydney, Australia, acest sistem de tuburi este actualmente larg utilizat în Germania, Canada, Marea Britanie și China datorită performanțelor lor tehnice și a prețului scazut.

Fiecare tub este format din două tuburi concentrice din sticlă borosilicat (foarte rezistentă și cu un grad de transparență ridicat), sudate între ele. Spațiul dintre cele două tuburi se videaza iar suprafața interioară a tubului interior se acoperă cu un strat selectiv cu excelente proprietăți de absorbție a radiației solare (>92%) și cu o reflexivitate foarte redusă (<8%).

4.2.1. Principiul de funcționare

Caldura este transferată agentului termic sau în mod direct cu ajutorul unui tub termic. Vacuum-ul dintre cele două tuburi formeaza un fel de "termos" astfel încât – desi temperatura în interior ajunge la 150°C – la exterior tubul este rece.

Aceastproprietate face instalația utilizabilă și în climate foarte reci, colectoarele cu tuburi fiind mai eficiente decât colectoarele solare clasice, plane.

Există și alte tipuri de colectoare cu tuburi vidate, iar dintre acestea amintim colectoarele cu tuburi vidate simple, cu placuța de absorție. Tuburile de acest tip au în interior o țeavă din cupru cu aripioare, care măresc suprafața de absorție a ansamblului. Elementul de absorție este acoperit cu un strat selectiv, iar țeava din cupru este de fapt un tub termic care transferă caldura absorbită la capatul superior, unde este preluată de agentul termic sau de apa de încălzit. Acest tip de tuburi au inerție termică mai redusă și randament mai bun. Cu toate acestea, costul lor ridicat a limitat uzul colectoarelor cu astfel de tuburi pe scară largă.

Toate corpurile emit radiație termică. Suprafața ideală a unui colector solar absoarbe maximum de radiație solară și emite foarte puțină din aceasta. Stratul de la suprafata colectoarelor are rolul de a crește în mod selectiv absorția radiatiilor solare și de a reduce la minim emisivitatea termală. Această acoperire selectivă crește foarte mult eficiența colectoarelor solare. Există diverse tehnologii pentru crearea acestui strat selectiv al colectorului prin care circula agentul termic: vopsire cu materiale speciale, tratamente termochimice, tratamente electro-chimice, etc. 

4.2.2. Tubul termic

Tuburile termice se folosesc pentru a transfera caldura de la un corp cald la un corp rece. Tubul termic este o țeavă din cupru sau alt metal termoconductor, închisă la ambele capete, care conține un agent cu schimbare de fază.

Acest agent cu schimbare de faza este de fapt un fluid care în anumite condiții de presiune fierbe la o temperatura joasa (25…30°C), trecând din faza lichidă în faza gazoasă.
Pentru a trece în faza gazoasă, fluidul absoarbe o anumită cantitate de căldură numită caldură latentă de vaporizare. Această cantitate de căldură va fi cedată la trecerea inversa din faza gazoasă în faza lichidă. La tubul termic schimbarea inversă de fază are loc la un capat al sau numit condensator. Aici agentul cu schimbare de fază se condensează și cedează căldură absorbită la evaporare.

În timpul funcționării tubului termic acest ciclu are loc continuu, căldură fiind transferată de la corpul cald la corpul rece.

La colectoarele solare cu tuburi vidate condensatorul este introdus într-o teacă din corpul colectroului imersată în agent termic sau apă de încălzit.
Agentul termic sau apa de încalzit reprezintă corpul rece, iar partea tubului vidat cu depunere selectiva care se încalzește de la soare este corpul cald.

Avantaje:

eficiența mare în prepararea apei calde menajere, încălzirea spatiului locativ;

termoizolare eficientă;

datorită faptului că este rotund are expunere optimă/perpendiculară înspre soare permanent;

performanțe mari pe timp nefavorabil sau temperaturi joase;

nu este afectat de vânt;

ușor de instalat și conectat cu instalația existentă;

performanțe mari pe spațiu redus.

Dezavantaje :

durata medie de funcționare relativ redusă, se garantează uzual 15 ani;

garanție limitată cu toate precauțiile de la proiectare, uzual nu se acordă garanție pentru spargerea tuburilor cauzate de grindină sau de smulgerea de către vânt;

sensibilitate la înzăpezire, înzăpezirea este frecventă, și este mai persistentă decât la varianta plană, curațarea este mult mai greoaie și poate să atragă spargerea tuburilor. [15]

4.3. Colectoare solare cu concentratoare

Colectoarele solare cu concentratoare sunt de 3 feluri, dar cu același principiu de funcționare:

Colectoare de tip jgheab (parabolici);

Colectoare cu receptor central;

Colectoare de tip disc.

Centralele solare cu jgheaburi parabolice colectează energia cu oglinzi distribuite pe suprafețe mari ce concentrează radiația pe suprafețe absorbante situate în centrul focal al fiecărei oglinzi, pe când cele cu turn, toate oglinzile au acelasi punct focal situat în turn. În diverse studii realizate spre exemplu la Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) și Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) se previzionează un potențial însemnat în aceste modalități de obținere economică a energiei în zonele deșertice din Africa de Nord și Orientul Mijlociu precum și în transportul cu pierderi reduse (HVDC) spre Europa. Sistemele de generare de abur se pot compatibiliza cu cele solare pentru compensare reciprocă și economisirea în acest mod a combustibililor convenționali din termocentrale. În centrale solare independente, oscilațiile datorate condițiilor atmosferice pot fi compensate cu ajutorul unor rezervoare de înmagazinare a căldurii, sau utilizand purtatori de energie alternativă.

Colectoarele cu jgheaburi parabolice sunt constituite din oglinzi lungi curbate transversal pe un profil de parabolă concentrand fluxul radiației solare pe un tub absorbant situat în linia focală. Lungimea acestui tip de colector este cuprinsă în functie de tip între 20 și 150 m. Tubul absorbant este constituit dintr-o țeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant și prin care curge agentul termic și care este în interiorul unui alt tub, de asta data de sticla de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convencție. Energia radiației solare este transformată în energie calorică și cedată agentului termic. Oglinzile parabolice sunt așezate de regulă în rânduri una dupa alta pe directia N-S , având un singur grad de libertate, rotația în jurul axei focale.

Deja în anul 1912 s-au utilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de către firma "Shumann und Boys" pentru generarea de aburi necesari acționării unei pompe de 45kW în Meadi(Egipt). Colectoarele aveau o lungime de 62 m și acopereau o suprafață de 1200 m².

Între 1977 și 1982 au fost puse în funcțiune în SUA instalații pilot utilizând colectoare cu jgheaburi parabolice.

În 1981 a fost pusă în funcțiune o instalație pilot de producere a energiei electrice de 500kW la European Test Centre for Solar Energy Applications din Platforma Solar de Almería situat la marginea deșertului Tabernas.

Exploatarea comercială a acestui tip de centrale a început în anul 1984 în SUA în deșertul Mojave din California. Cele 9 centrale SEGS' = Solar Electricity Generation System au o putere instalată totală de 354 MW. În colectoarele cu jgheaburi parabolice cu o latime de 6 m și o lungime de până la 180m se poate atinge o temperatură de 400°C. Randamentul centralei este de 14% și asigură energia necesară pentru cca 200000 locuințe. În luna iunie 2007 s-a dat în funcțiune centrala Nevada Solar One de lângă Boulder City/Nevada cu o putere instalată de 64MW cu posibilitatea de extensie până la 200MW. Energia temică este produsă de 19.300 oglinzi de 4 m lungime înzestrate cu conducte absorbante (PTR70 Receiver) livrate de către firma SCHOTT AG. Se prevede construirea de centrale similare în Maroc, Algeria, Mexic si Egipt.

Din anul 2006 se află în stadiu de construcție centrala Andasol 1 de 50MW, în prezent cea mai mare din Europa, proiectată de firma Solar Millennium.

Părți componente :

reflectorul (oglinda cu coeficient de reflexie ridicat 95%);

receptorul format din tub vidat de sticlă în interiorul caruia se află o conductă de cupru cu acoperire selectivă;

sistem de orientare după o singură direcție (axa de rotatie N-S);

Fluidul utilizat este format din ulei și apă.

Temperatura de funcționare este cuprinsă între 200-400ºC și sunt utilizate pentru producerea de electricitate. [15]

În afară de aceste binecunoscute mari 3 tipuri de colectoare solare mai există 2 variante mai ieftine, folosite mai ales pentru încălzirea apei utilizare în curțiile caselor (piscine, dușuri, irigații, etc). Dintre acestea se pot enumera captatoare solare flexibile și absorbere fără izolație și fără acoperire.

Tipuri de montare a colectoarelor solare:

Pe acoperișul clădirilor [20];

Pe fațada clădirilor [19];

Pe sol [21];

Pe cămp sub formă de platforme solare [22].

5. DIMENSIONAREA PISCINEI ȘI A SISTEMULUI DE ÎNCĂLZIRE A APEI

5.1. Alegerea zonei

Piscina pentru care trebuie dimensionat sistemul de încălzire este situată în curtea unei case aflată în București.

București este capitala României și, în același timp, cel mai populat oraș, centru industrial și comercial al țării. Populația de 1.944.367 de locuitori (est. 1 ian 2009) face ca Bucureștiul să fie al zecelea oraș ca populație din Uniunea Europeană. În realitate Bucurețtiul adună zilnic peste trei milioane de oameni, iar specialiștii prognozează că, în următorii cinci ani, totalul va depăsi patru milioane. La acesta se adaugă faptul că localitățle din preajma orașului, care vor face parte din viitoarea Zonă Metropolitană, însumează o populație de aproximativ 430.000 de locuitori.

Prima mențiune a localității apare în 1459. În 1862 devine capitala României. De atunci suferă schimbări continue, fiind centrul scenei artistice, culturale și mass-media. Între cele două războaie mondiale, arhitectura elegantă și elita bucureșteană i-au adus porecla "Micul Paris". În prezent, capitala are același nivel administrativ ca și un județ și este împarțită în șase sectoare.

5.1.1. Așezare geografică și relieful

Bucureștiul se află în sud-estul României, între Ploiești la nord și Giurgiu la sud. Orașul se află în Câmpia Vlăsiei, care face parte din Câmpia Română. La est se află Bărăganul, în partea de vest Câmpia Găvanu Burdea, iar la sud este delimitat de Cămpia Burnazului.

Câmpia Bucureștiului are altitudini cuprinse între 100-115m, în partea nord-vestică, și 50-60m, în cea sud-estică, în lunca Dâmboviței. Oraăul propriu-zis se desfășoară între 58-90m altitudine. Peste 50% din suprafața sa se încadrează în intervalul hipsometric 80-100m, iar pantele nu depășesc valoarea de 20m. Fragmentarea este mai accentuată în jumătatea estică, unde se ajumge la 1-1.5km/km².

Orașul este așezat la 44º24'49" latitudine nordică și 26º05'48" longitudine estică.

5.1.2. Clima

Clima în capitală este specifică României, respectiv temperat-continentală. Sunt specifice patru anotimpuri, iarnă, primăvară, vară și toamnă. Iernile în București sunt destul de blânde cu puține zăpezi și temperaturi relativ ridicate, în timp ce în ultimi ani verile sunt foarte calde, chiar caniculare (cu temperaturi de până la 40 grade Celsius) și cu puține precipitații. Aceasta face ca diferențele de temperatură iarnă-vară să fie de până la 50 de grade. [23]

Media anuala temperaturii în București este în jur de 10-11ºC.

Cea mai înaltă temperatură medie anuală s-a înregistrat în anul 1963, de 13,1ºC și cea mai mică, în anul 1875, de 8.3ºC.

Cea mai înaltă temperatură, de 41,1ºC a fost înregistrată în data de 20 august 1945 și cea mai joasă -30ºC, în ianuarie 1888. [25]

5.1.3. Precipitațiile

Deși în timpul verii media precipitațiilor și a umidității este scăzută, pot apărea, în mod sporadic, furtuni puternice, adesea violente. În timpul primăverii și toamnei, temepraturile variază între 18-22ºC, iar precipitațiile în această perioadă tind să fie mai riricate decât în timpul verii, cu ploi mai frecvente, dar și mult mai blânde.

Precipitațiile medii anuale în București sunt în jurul valori de 50mm.[26]

5.1.4. Radiația solară în zona București

România se alfă în zona B de însorire, ceea ce oferă locuitorilor avantaje reale pentru a economisi energie termică, respectiv bani, dacutilizează energia solară. Nivelul de insolație este foarte bun, comparativ cu a altor țări cu climat temperat, iar diferențele, funcție de zona geografică, sunt foarte mici. România este împărțită în trei zone principale de însorire:

zona roșie (>1650 kWh/m²/an) coincide cu zona de sud: Oltenia, muntenia, Dobrogea și sudul Moldovei;

zona galbenă (1300-1450kWh/m²/an) include regiunile carpatice și subcarpatice ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc și nord a Moldovei și tot Banatul;

zona albastră (1150-1300kWh/m²/an) include, în principal, regiunile de munte. [27]

Așadar, orașul București se află în zona roșie de radiație, zona cu cea mai mare radiație solară din România.

5.2 Dimensionarea sistemului de încălzire a apei din piscină

În general, sistemele solar-termice se dovedesc foarte utile pentru încălzirea piscinelor deoarece momentul de utilizare maximă a piscinelor descoperite este perioada în care energia primită pe suprafața terestră este mai mare. În plus, aceasta diminuează pierderile și crește absorbția de căldură.

În vederea dimensionării sistemului de încălzire a apei din piscină, se alege o piscină cu dimensiunile (Lxlxh) de 7x2x2m ce este utilizată în perioada 15 iunie – 15 septembrie a anului. Piscina este exterioară și nu este acoperită. Acesta este folosită de 7 persoane.

Dimensionarea se face comparativ cu softurile TSol și Polysun.

5.2.1 Dimensionarea sistemului utilizând softul T*Sol

Dimensionarea sistemului de încălzire a apei din piscină s-a realizat utilizând softul T*Sol Expert. Acesta a fost conceput pentru a asigura suportul necesar activităților de cercetare și dezvoltare din domeniul sistemelor solar-termice. Programul oferă atât posibilitatea studiului detaliat al tuturor componentelor implicate în construcția unei instalații solare, cât și a întregii aplicații. Cu ajutorul T*Sol Expert se poate calcula modificările fizice care apar în funcționarea sistemului solar având posibilitatea preluării în timp real a datelor în vederea prelucrării [28].

Sistemul ales este pentru încălzirea piscinei fără sursă de încălzire auxiliară (B6.1 din TSol)

Dimensionarea piscinei de formă dreptunghiulară:

Lungime: 7m

Lățime: 2m

Adâncime: 2m

Temperatura dorită: 24ºC

Temperatura maximă: 28ºC

Fără acoperire

Numărul de persoane: 7

Necesarul zilnic de apă

proaspătă: 27.22L (calc TSol)

S-au ales 3 colectoare plan-plate Viessman Vitosol 300-F, fiecare având suprafața de 2.506m², iar suprafața activă fiind 2.32m².

Colectoarele plan-plate se instalează pe acoperișul casei din apropierea piscinei. Acestea au orientare sud la un unghi de 45º.

În urma datelor alese sau introduse a rezultat un raport generat de softul T*Sol.

Date generale și componentele sistemului

Procentul consumului de energie solară

Temperatura zilnică maximă a colectorului

Schema energetică

unde: 1. Suprafața de captare a colectorului – 10,835kWh

1.1 Pierderile optice ale colectorului – 2,248kWh

1.2 Pierderile termice ale colectorului – 4,091kWh

2. Energie primită de la colector – 3,707kWh

2.4 Energie solară către piscină – 3,068kWh

2.5 Pierderi externe prin instalație – 574kWh

2.6 Pierderi interne prin instalație – 65kWh

11. Iradierea piscinei – 8,026kWh

11.2 Pierderile piscinei – 11,222kWh

Rezultatele simulării anuale

În urma dimensionării a rezultat că pentru încălzirea apei dintr-o piscină de 14m² utilizată de 7 persoane, în medie, avem nevoie de 3 colectoare plan-plate Vitosol 300-F ce au o suprafață activă totală de 6.96m² și o putere instalată de 5.27kW. În aceste condiții temperatura apei din piscină are o temperatură medie de 24.83ºC. Temperatura apei este mai mare de 24ºC în 66,5% din timpul de utilizare. Deoarece piscina este utilizată doar pe perioada caldă a anului, agentul de încălzire este apa, nefiind necesar un agent rezistent la îngheț. Sistemul are o eficiență de 30.6%.

Utilizând aceste colectoare solare pentru încălzire apei se salvează 377.5m³ de gaze naturale, iar emisile de CO2 sunt reduse cu 798.36kg.

Pentru recircularea apei din piscină către colectoare și în intregul circuit se folosește o pompă de recirculare cu filtru.

Costul și amortizarea investiției

Prețul anual al gazului natural economisit de sistemul instalat este de 113.25euro (377.5m³*0.3euro/m³). Astfel amortizarea întregului sistem se face în 4141/113.25=36.56luni, adică 3 ani și o lună. Acestea în condițiile în care sistemul ar fi folosit tot anul, dar cum este folosit în perioada 15iunie-15septembrie, adică 3luni pe an, amortizarea investiției făcută strict la lunile de utilizare este de 12 ani și 4 luni.

5.2.2 Dimensionarea sistemului utilizând softul Polysun

Datorită modalității ușoare de utilizare, atât din punct de vedere al alegerii componentelor, cât și economic, softul Polysun Solar Termal oferă utilizatorilor o bună flexibilitate în designul celor mai de top sisteme solar-termice.

Polysun oferă ajutor în planificare, design și definirea sistemul dorit la cele mai înalte standarde. Programul da posibilitatea alegerii randamentelor și salvare de energie și oferă o analiză de cost adecvată în câteva minute. Toate rezultatele sunt concentrate în rapoarte PDF clare și detaliate [30].

Sistemul ales este următorul:

Polysun oferă posibilitatea alegerii unor template-uri cu sisteme gata construite sau se poate construi unul de la zero. Astfel, în primul rând se alege zona și ce fel de sistem se dorește a fi simulat.

Dimensionare piscinei:

Lungime: 7m

Lățime: 2m

Adâncime medie: 2m

Temperatura dorită: 24ºC

Fără acoperire

Programul recomandă utilizarea a 5 colectoare solare plan-plate, orientate la 45º sud, cu o suprafață totală de 6,4m².

În urma introducerii tuturor datelor se genereaza rapoarte pentru toate datele ce trebuiesc cunoscute. Se pot selecta ca rapoartele sfie salvate ca PDF, sau se poat vizualiza direct în Polysun.

Date generale și componentele sistemului

Energia solară primită de sistem – se observă că energia primită pe an de sistem este de 3024kWh.

Temperatura medie a apei din piscină

Temperatura apei din piscină în perioada utilizării este în jurul a 24ºC. Aceasta variază funcție de zi-noapte, zile însorite sau zile înnorate.

Pierderile de căldură – prin evaporare și convecție

Diagrama fluxului de energie al întregului sistem

Grafice cu temperaturile aerului, colectorului și a apei din piscină pe lunile analizate

Se observă că temperatura apei din piscină se păstrează aproximativ constantă pe toată durata de utilizare. Dacă în lunile iunie și iulie temperatura apei se menține sub temperatura aerului, în lunile august și septembrie aceasta este în cea mai mare parte peste temperatura aerului.

În urma raportului generat a rezultat ranadamentul sistemului de 28.94%. Acesta este rezultatul raportului dintre totalul energiei consumate (Quse) pe consumul de combustibil sau electric al sistemului (Etot). Este prezentat în raport în felul următor:

Costul și amortizarea sistemului – costul este generat de programul Polysun conform prețurilor pe care le are la componentele din baza de date.

Prețul total al sistemului este de 4863 euro. Acesta include toate componentele sistemului plus pompa de recirculare a apei din piscină.

Colectoarele alese sunt Colectoare plan-plate SPF, sunt în număr de 5, iar suprafața activă totală este de 6.4m². Acestea sunt instalate pe acoperișul unei case la un unghi de 45º. Eficiența colectoarelor este de 42.8%.

Pompa de recirculare este ECO cu un debit de 256l/h. Aceasta are un consum de 11.1kWh.

Pentru a afla durata de amortizare a investiției trebuie considerata energia provenită din surse neregenerabile de energie. Deoarece cel mai simplu de încălzit apa din piscină este cu ajutorul unei centrale pe gaz metan, se consideră ca cei 380 m² salvați de sistem sunt gaz metan.

Prețul de cost al gazului natural salvat într-un an de către sistem este de 114euro (380m³*0.3euro/m³). Astfel amortizarea întregului sistem se face în 4863/114=42.65luni, adică 3 ani și 7 luni. Acestea în condițiile în care sistemul ar fi folosit tot anul, dar cum este folosit în perioada iunie-septembrie, adică 3.5 luni pe an total, amortizarea investiției făcută strict la lunile de utilizare este de 12 ani și 10 luni.

5.3 Alegerea softului potrivit pentru configurația aleasă

În urma rapoartelor reieșite din analizele făcute cu softurile T*Sol și Polysun se alege varianta rezultată de T*Sol ca fiind cea mai potrivită pentru sistemul de încălzire a apei din piscină deoarece randamentul sistemului este mai mare, iar costul sistemului este mai mic și perioada de amortizare a investiției este mai mică.

6. CONCLUZII FINALE ȘI RECOMANDĂRI

Piscina este una dintre cele mai cautate modalități de relaxare și destindere în intimitatea din jurul casei. Dacă nu se dispune de o sumă mai mare de bani se poate instala oricând o piscină supraterană, sau de ce nu, una gonflabilă. Cele mai mari piscine sunt cele subterane. Alegerea unei piscine depinde de bugetul alocat acestei investiții, dar și de timpul pe care suntem dispuși să-l acordăm furnizorului pentru instalare.

Odată aleasă piscina, urmează sistemul de încălzire al apei din aceasta. Există 2 modaliăți principale de încălzire a apei: cu sisteme ce funcționează pe combustibili fosili sau din surse regenerabile de energie. Sistemul ales este din surse regenerabile de energie, și anume un sistem format din colectoare solare plan-plate.

Există mai multe softuri care simulează desing și instalare de sisteme de energii regenerabile, dar în vederea realizării sistemul s-au ales softurile T*Sol și Polysun.

Simulările s-au realizat pe o piscină cu dimensiunile de 7x2m cu o adâncime de 2m utilizată de 7 persoane. Piscina este exterioară și se află în curtea unei case din zona București. T*Sol a sugerat folosirea a 3 colectoare solare cu suprafața activă totală de 6.96m², în timp ce Polysun recomandă 5 colectoare mai mici, cu suprafața activaă totală de 6.4m².

Costurile sistemelor diferă, dar nu foarte mult. Cel recomandat de T*Sol costă 4141euro, în timp ce cel recomandat de Polysun costă 4863euro. Perioadele de amortizare sunt relativ asemănătoare, sistemul cu 3 colectoare se amortizează în 12 ani și 4 luni, iar cel cu 5 colectoare în 12 ani și 10luni. Perioadele de amortizare sunt asa de mari datorită faptului că s-a calculat doar pe perioada de utilizare a piscinei, și anume perioada iunie-septembrie a anului.

Cel mai important criteriu de alegere de sistemului și a softului o reprezintă randamentul întregului sistem, și nume: T*SOL a rezultat un randament de 30.6%, iar Polysun 28.94%.

În urma acestor rezultate si rapoartelor generate de softurile alese pentru comparație s-a ales sistemul simulat de softul T*Sol Expert.

BIBLIOGRAFIE

[1], [2] http://energyinformative.org/the-history-of-solar-energy-timeline/

[3] http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf

[4] http://ro.wikipedia.org/wiki/Colector_solar

[5]http://decorationchannel.com/home-entertainment/a-lot-of-advantage-of-indoor-swimming-pool-design/ accesat la 4.06.2013 ora 20:10

[6], [7] http://mchristophercustompools.com/gallery accesat la 4.06.2013 la 20:13

[8] http://www.giftsforkidsonline.co.uk/15ft-natural-look-large-outdoor-swimming-pool-p-122.html accesat la 4.06.2013 ora 20:23

[9] http://www.piscineingropate.ro/Idealcover-Clasic–cID109.html accesat la 4.06.2013 ora 20:25

[10]http://www.emaramures.ro/content/imagini-anunturi/60c40fa6-f3dc-41c8-97e5-8137cc04ea5e/big_38838.jpg accesat la 4.06.2013 ora 20:29

[11] http://www.aqua-piscine.ro/modele-piscine.php accesat la 04.06.2013 ora 20:34

[12] Vereș Ioan, Instalația pentru încălzirea unei piscine, folosind surse regenerabile de energie, Univ Tehnică din Cluj-Napoca, 2005

[13]http://www.profi-solar.ro/ro~14~incalzirea-piscinei-cu-panouri-solare.html

accesat la 11.06.2013 ora 12:44

[14]Optimizarea construcției colectoarelor solare pentru implementarea în mediul construit din România, Raluca Lateș, Brasov, 2010.

[15]Colectoarele solare folosite pentru incalzirea apei calde www.regieLive.ro accesat în 16.04.2013 la ora 22:24

[16] http://www.twoinstal.ro/ro/prod/vitosol-300-t-colector-solar-din-tuburi-vidate-cu-functionare-pe-principiul-tubului-termic-heatpipe/panouri-solare/panouri-solare-viessmann-25/

accesat în 22.04.2013 la ora 23:14

[17] http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/how-solar-energy-works.html accesat în 22.04.2013 la ora 23:29

[18] http://homebuilding.thefuntimesguide.com/2008/01/solar_pool_heater.php accesat în 14.05.2013 ora 19.36

[19] D. Ciobanu, curs SST

[20] http://solarenergylive.com/solar_collector.php accesat în 14.05.2013 la 19:48

[21] http://www.offtheurbangrid.com/alternative-energy/gas-vs-water-solar-heaters

accesat în 14.05.2013 la 19:52

[22] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gemasolar.jpg accesat în 14.05.2013 la 19:47

[23] http://ro.wikipedia.org/wiki/Bucure%C8%99ti

[24]http://www.dcnews.ro/2011/04/temperatura-medie-din-romania-creste-cu-1-grad-potrivit-scenariilor-climatice-ale-anm/ accesat la 19.06.2013 ora 22:09

[25] http://www.isic-romania.ro/isic-explorer-bucuresti

[26] http://www.miculparis.ro/orasul/vremea-si-clima-bucuresti.html

[27] http://www.ecosolaris.ro/harta-solara-a-romaniei

[28] http://www.valentin.de/ro/distribution-partner/tsol

[29] http://www.solardesign.co.uk/tsol-expert.php

[30] http://www.velasolaris.com/vs2/index.php?article_id=8…3

[31] http://www.solartubs.com/Solar-Heating-Software.html

[32] http://letsthinkgreenthoughts.wordpress.com/2011/06/08/4-times-square/

[33] http://oscareducation.blogspot.ro/2013/03/renewable-and-non-renewable-resources.html

[34] http://www.aqua-piscine.ro/modele-piscine.php

[35] http://www.solarpanelsplus.com/residential/solar-pool-heating/

[36]http://zeospot.com/california-wine-country-weekend-retreat-remodel-designed-by-collaboration-between-schneider-design-associates-and-jean-larrette-interior-design/the-remodel-house-swimming-pool-architecture-design/