Specializare: Sisteme Avansate în Inginerie Electrică [309984]

Universitatea Oradea

Facultatea de Inginerie Electrică și Tehnologia

Informației

Specializare: Sisteme Avansate în Inginerie Electrică

Forma învățământ:zi

PROIECT DE DISERTATIE

Coordonator științific:

Conf.univ.dr. Soproni Darie

Absolvent: [anonimizat]

2017

Universitatea Oradea

Facultatea de Inginerie Electrică și Tehnologia Informației

Specializare: Sisteme Avansate în Inginerie Electrică

Forma învățământ:zi

AUTOMATIZAREA SISTEMELOR ȘI

INSTALAȚIILOR DE ÎNCĂLZIRE

Coordonator științific:

Conf.univ.dr. Soproni Darie

Absolvent: [anonimizat]

2017

Cuprins

Istoric

Elvetia aniilor 1770 Horace de Saussure a observat,intr-o trasura sau in orice alt loc este mai cald daca razele de soare ce lumineaza acel loc trec prin sticla.Pentru a determina cata caldura se poate acumula cu ajutorul acelei metode Horace a construit o cutie paralelipipedica din lemn de pin cu peretii de 12 mm izolata la interior si acoperita cu sticla.iIn interiorul acelei cutii a pus doua cutii mai mici si a observat ca atunci cand sunt expuse la soare temperatura celor 2 cutii poate ajunge la 109ș.Aceasta cutie denumita “caseta fierbinte ”(hot box) a fost primul model de “panou solar”.

In secolul XIX oamenii foloseaua metode dificile pentru incalzirea apei.[anonimizat].In orasele dezvolatate apa calda menajera se producea cu ajutorul gazelor obtinute prin arderea carbunilor.Aceasta metoda era foarte periculoasa deoarece cineva uita focul aprins exista pericolul ca rezervorul sa explodeze.

In anul 1891 [anonimizat] a patentat o [anonimizat] a colecta si pastra caldura.A numit noul sistem de produce a apei calde “Climax”primul incalzitor de apa solar comercial.

In zilele noastre panourile solare pentru apa calda au ajuns sa fie formate din tuburi cilindrice vidate paralele in psatele carora se alfa reflectoare pentru concentrarea radiatiei solare.Tuburile vidate se compun din doua tuburi de sticla concentrice intre care este vid.[anonimizat].[anonimizat]-se doar in instalatii tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari.[anonimizat].

CAPITOLUL 1

Automatizarea sistemelor si instalațiilor solare de încălzire .

Aspecte generale

Sistemele de încălzire sunt unități termice de producere a căldurii în scopuri tehnologice sau menajere. Rolul acestora se referă la

proiectarea și realizarea de soluții moderne și eficiente pentru:

menținerea în încăperi a [anonimizat], atât în plan orizontal cât și în plan vertical;

[anonimizat] a elementelor de construcție;

menținerea temperaturii suprafețelor elementelor de construcții astfel încât să

se evite fenomenul de radiație rece și fenomenul de condensare a vaporilor de

apă pe suprafața acestor elemente;

încălzirea fără poluarea aerului din încăperi și fără poluarea mediului;

încălzirea fără curenți perturbatori ai aerului din încăperi;

asigurarea de soluții eficiente și economice din punct de vedere al instalațiilor

și al exploatării.

Pentru aprecierea unei instalații de încălzire se definește un set de cerințe,de importanță diferită. Astfel, confortul termic (apreciat prin temperatura interioară a aerului) trebuie îndeplinit cu prioritate, apoi stabilitatea și uniformitatea temperaturii interioare a aerului, temperatura interioară rezultată,ecartul de temperatură pe verticală, indicele global de confort termic, vitezacurenților de aer și umiditatea relativă a aerului.

Adaptarea la utilizarea și economia de energie sunt, de asemenea, exigențe prioritare, pentru care se asigură: stabilitatea hidraulică a rețelei, măsuri pentru reglarea sarcinii termice în funcție de parametri climatici exteriori, aparatură de măsură și control pentru cunoașterea parametrilor instalației de încălzire, condiții speciale pentru extinderi, funcționare parțială, avarii.

De asemenea, au o importanță majoră siguranța în exploatare, siguranța la foc, rezistența și stabilitatea, etanșeitatea, igiena, sănătatea și protecția mediului, confortul acustic, vizual și tactil, economicitatea.

1.1 Clasificarea instalațiilor de încălzire

după modul de amplasare a sursei termice: încălzire centrală, locală, la distanță;

după natura agentului termic: încălzire cu apă caldă, apă fierbinte, abur cu presiune joasă, abur cu presiune medie, aer cald;

după natura energiei utilizate: încălzire electrică, încălzire cu pompe de căldură, încălzire cu energie convențională (combustibili gazoși, lichizi, solizi), încălzire cu energii neconvenționale (solară, geotermală, biomasă,etc.), instalații de recuperare a căldurii reziduale;

după modul în care se face transmisia căldurii: încălzire prin convecție, radiație;

după modul în care se asigură parametri din interiorul încăperilor: încălzire normală, încălzire de gardă.

1.2 Sisteme de încălzire solară

Procesul de captare și conversie a radiației solare în căldură a făcut obiectul unor programe de cercetare desfășurate în diverse țări: SUA, Franța,Germania, etc. În România s-au efectuat cercetări în domeniu la ICPET,ICEMENERG, INCERC București, Facultatea de Instalații a UTCB și s-au concretizat prin obiective concrete precum casa solară de la Neptun, casa solară CS 2 Câmpina, casa solară CS 3 București, etc.

Pe plan mondial, preocupările pentru valorificarea energiei solare sunt reprezentate de obiective ca: instalații pentru prepararea apei calde menajere (ACM), instalații pentru încălzire, instalații pentru desalinizarea apei, instalații de răcire și de uscare, sisteme de apă caldă pentru industrie și agricultură, avioane solare, automobile autonome solare, centrale solare spațiale, etc.

În condițiile în care problematica energetică crește în importanță, iar protecția mediului a devenit o cerință a societății, s-au intensificat și eforturile în direcția dezvoltării tehnologiilor de valorificare a energiilor neconvenționale.

După un declin datorat tehnologiilor greoaie, a costurilor ridicate pentru materiale, exploatare și întreținere, activitatea în domeniul dezvoltării și perfecționării tehnologiilor de captare și valorificare a radiației solare cunoaște un reviriment, datorită avantajelor evidente pe care le oferă:

este o sursă de energie nepoluantă și inepuizabilă;

este o sursă de energie dispersă, ceea ce permite utilizarea, prin conversii în alte forme de energie, direct la locul de consum,eliminându-se transportul la distanță;

energia solară poate fi transformată în alte forme de energie (termică, electrică, mecanică, chimică) cu ajutorul captatoarelor;

captatoarele pot fi executate în variante constructive simple sau mai complexe, forma, tipul și mărimea acestor dispozitive depinzând de energia nou creată.

Din punct de vedere energetic, partea cea mai importantă a energiei solare din afara atmosferei se găsește în intervalul spectral 0,20…3,0 m. În acest interval este emisă aproximativ 97% din energia totală, diferența de 3% fiind emisă în banda de emisie de 10-1…103 m. Radiația solară la suprafața pământului (constanta solară) reprezintă energia termică ce este primită de o suprafață normală (plasată perpendicular pe direcția razelor solare) situată la limita atmosferei terestre .

Valoarea constantei solare (1,355kW/m2) se modifică datorită variației periodice a distanței Pământ – Soare și datorită fenomenelor solare, fiind influențată și de modificarea unghiului de înălțime a soarelui, a înclinării axei pământului și de latitudinea geografică. De exemplu, pentru latitudinea geografică din zona României, radiația globală în condiții normale este de maxim 1000 W/m2, iar media zilelor însorite pe an este de 310. Cu ajutorul captatorilor plani montați la un unghi de 450, poate fi captată până la 75% din radiația solară.

Fluxul de energie radiat de soare care ajunge la suprafața pământului este mai mic decât constanta solară, deoarece, radiația solară care străbate masa atmosferică (peste 8 km) este redusă ca urmare a disipărilor de energie.

Atmosfera modifică intensitatea, distribuția spectrală și spațială a radiației, prin absorbție și difuzie. Radiația globală primită de la soare, de o suprafață orizontală la nivelul solului, pentru o zi senină, se compune din radiația directă (dependentă de orientarea suprafeței receptoare) și radiația difuzată (considerată aceeași,indiferent de orientare). Pentru problemele legate de utilizarea energiei solare sunt necesare două date meteorologice impo importante: intensitatea de radiație și durata de insolație, pe baza cărora se calculează intensitatea radiației solare efective pe diferite suprafețe. Datele centralizate referitoare la durata medie de strălucire a soarelui sunt furnizate de Institutul Național de Meteorologie și Hidrologie.

Analiza oportunității folosirii instalațiilor solare de încălzire se face pe baza unor factori ca: sarcina de încălzire, energia solară disponibilă, costul și durata de recuperare a investițiilor, etc. Aceste sisteme de încălzire pot fi pasive sau active. În prima situație, încălzirea spațiilor se face în mod natural, fără intervenția unui mijloc mecanic care să producă circulația unui agent termic(aer).

Sistemele active presupun existența unor echipamente mecanice care să producă circulația agentului termic (apă sau aer).

1.3 Captorul plan

În prezent, în tehnica instalațiilor solare de încălzire și preparare ACM, se folosește o mare gamă de captatori solari, pentru care producătorii furnizează datele tehnice necesare. Aceștia transformă radiația solară în energie termică, pe care o cedează mediului de transport (agent termic) și trebuie amplasați astfel încât eficiența captării să fie maximă. Fiind elemente exterioare ale instalației, trebuie să îndeplinească și condiții de rezistență, stabilitate și estetică.

Pentru captatorul plan din figura 5.18, pe suprafața absorbantă (ex. Tablă din cupru vopsită în negru) cade radiația solară directă și difuză, care se transformă în căldură, suprafața de absorbție încălzindu-se.

Fig.1.0. Captatorul plan

Instalația de conversie a energiei solare în energie termică are în componență :

captatorul solar;

dispozitive de stocare a căldurii solare;

rețea de conducte pentru transportul și distribuția căldurii solare la consumator;

elemente de automatizare a întregului proces de producere, stocare, transport și distribuție a căldurii solare;

aparatură și dispozitive de siguranță.

Fig.1.1. Schema de principiu a unui sistem de încălzire solar.

Sistemele solare implementate în instalațiile pentru clădiri au performanțe

ridicate, rezultând economii considerabile ale consumurilor de combustibili

2. Razele solare, ca energie termică

Umanitatea a fost mereu preocupată de posibilitatea valorificării energiei soarelui, dar utilizarea concretă a acestei energii a fost împiedecată de latura economică. Creșterea prețului petrolului, și proporțional cu acesta a prețului tuturor surselor convenționale de energie, face ca atenția tuturor să crească din ce în ce mai mult față de valorificarea acestei surse practic inepuizabile de energie.

În plus, utilizarea energiei solare este total ecologică.

Posibilitățile de utilizare a energiei solare sunt destul de largi, dar sunt puternic influențate de poziția geografică, de anotimp și de condițiile meteo. Din acest motiv, energia care poate fi obținută pe 1 m2 variază foarte mult. În România, într-o zi însorită, insolația medie poate ajunge la cca. 1000 W/m2.

2.1. Radiația solară

Soarele emite o cantitate imensă de energie, 407 cvatrilioane (4,07*1026) W, care raportat la suprafața soarelui înseamnă 209,346 GW/m2 energie radiantă emisă. Din aceasta doar o mică parte ajunge pe Pământ.

Radiația solară care ajunge pe Pământ, din punct de vedere energetic, este alcătuită din două componente:

a./ radiație directă

b./ radiație difuză

Valoarea insolației totale este dată de suma celor două componente. Componenta principală, pe care ne putem baza este radiația directă, într-o zi cu cerul senin. Valoarea acesteia poate fi calculată funcție de poziția geometrică a Soarelui. Radiația difuză depinde de condițiile atmosferice, de ex. de umiditatea aerului, de gradul de puritate etc.

În interiorul caselor, valoarea radiației difuze este destul de ridicate, ajungând chiar la

50 %.

Fig. 2.1 Radiații solare în Europa, între 1981-1990 (kWh/m2)

Posibilități de utilizare a energiei solare

– Utilizare termică activă sau pasivă.

– Producere directă sau indirectă de energie electrică.

– Fotosinteză, preparare de biomasă.

În prima grupă intră soluțiile de utilizare a energiei solare la temperaturi sub 100șC. Statistic, 40 % din necesarul energetic în cele mai diverse sectoare de utilizare este alcătuit din sistemele cu temperaturi sub 100șC.

Datorit intensității energetice scăzute, energia solară este predispusă exact pentru aceste aplicații.

Utilizarea funcție de sistemul aplicat:

-Utilizarea activă, sistem în care cu ajutorul unei instalații (de ex. un colector solar plan) se obține energie termică utilă.

-Utilizarea pasivă, când elementele componente ale clădirii (ferestre, pereți, podele, tavane, izolații) sunt astfel alese, proiectate și realizate încât se obține o așa numită casă inteligentă termic, al cărei necesar de energie este mult inferior unei case tradiționale.

Capitolul 2

2.1 Utilizarea activă a energiei solare cu colectoare plane.

Cel mai simplu colector plan este alcătuit dintr-un distribuitor și un colector, legate între ele printr-un grilaj de țevi paralele. Acestea pot fi utilizate doar sezonier, în timpul verii.

Colectorul solar plan este alcătuit dintr-o placă de cupru prinsă într-o ramă, pe care sunt dispuse țevi sau sunt realizate circuite, iar una din suprafețele plăcii este puternic absorbantă.Partea din spate a plăcii este izolată termic, iar partea din față este acoperită cu unul sau două straturi de sticlă (Fig. 3). Aceste colectoare sunt utilizabile de-a lungul întregului an.

Fig 2.1 Colector plan

Cele mai eficiente colectoare sunt cele așa numite cu tuburi vidate, la care conductele absorbante de cupru sunt introduse în tuburi de sticlă vidate. Tuburile de sticlă sunt așezate sub forma unui colector plan (Fig. 5). Colectoarele cu tuburi vidate au cea mai mare eficiență energetică pe parcursul întregului an.

Fig. 2.2 Colector cu tub vidat

Orientarea colectorului plan este corespunzătoare, dacă razele solare incidente cad cât mai aproape de perpendiculara la suprafața colectorului. Dispunerea colectorului plan se face funcție de poziția geografică a locului montajului. În România, însorirea optimă se obține la o înclinare a colectorului de 42° față de verticală, respectiv la o deplasare de la direcția Est cu 13° spre Vest (Fig. 6). Bineînțeles, dacă nu se poate obține această poziție, se va lua în calcul o pierdere de 5-10 % față de cazul ideal.

Fig.2.3 Orientarea colectorului plan

Însorirea rămâne încă de 95%, dacă înclinarea colectorului este între 52÷46°, respectiv 38÷21°, și dacă orientarea colectorului este de ± 21° față de ideal.

Însorirea este încă de 90%, dacă înclinarea colectorului este între 59÷52°, respectiv 21÷11° și orientarea colectorului este de ± 42° față de ideal .

2.2 Randamentul colectoarelor plane.

Randamentul colectoarelor plane este determinat de trei factori de pierdere bine determinați.

Fig. 2.4 Randamentul colectoarelor plane

a./ Pierderea optică a sticlei colectorului, care are caracter de constantă și nu depinde de temperatura colectorului și a mediului înconjurător.

b./ Pierderea de căldură prin convecție a colectorului încălzit de la razele solare absorbite pe suprafața absorberului, valoarea acesteia fiind puternic influențată de diferența de temperatură dintre colector și mediul ambiant. Aceasta este o pierdere de căldură liniară.

c./ Suprafața colectorului, precum și întreaga structură constructivă a acestuia este întotdeauna mai caldă decât mediul ambiant, fapt pentru care apare la colector o pierdere de căldură prin radiație, valoarea ei fiind de asemenea funcție de diferența de temperatură dintre colector și mediu. Aceasta este o pierdere de căldură de gradul II.

Randamentul colectorului este dat de raportul dintre cantitatea de căldură utilă obținută cu ajutorul colectorului și insolația totală a colectorului.Randamentul colectoarelor poate fi determinat dupa cum urmeaza:

η = ηo – α1 * dT/Ig – α2 * dT2/

ηo : randamentul optic al sticlei

α1: coeficientul pierderilor de căldură de gradul I

α2: coeficientul pierderilor de căldură de gradul II

dT: diferența de temperatură (tkk-tlev)

tmc: temperatura medie a colectorului

taer: temperatura aerului

Randamentul unui colector plan în funcție de diferite insolații globale poate fi observat în figura de mai jos.

Fig. 2.5 Randamentul colectoarelor plane

Randamentul diferitelor tipuri de colectoare se poate vedea în figura următoare.

Fig. 2.6 Randament

2.3 PROBLEMELE CURENTE ALE INSTALAȚIILOR SOLARE SUB 70°C

Mare parte a necesarului energetic al clădirilor poate fi asigurat cu instalații cu apă caldă sub 70°C.

Prin utilizarea sistemelor de încălzire de joasă temperatură (în pardoseală sau în perete), energia obținută prin sistemele solare este mai mare decât necesarul pentru prepararea de apă caldă menajeră, astfel încât poate să ajute și sistemul de încălzire.

Necesarul energetic pentru încălzirea unei case poate fi redus prin utilizarea noilor tehnologii și materiale de izolare.

2.4. Probleme speciale legate de utilizarea energiei solare.

Utilizarea energiei solare, pe timpul verii, pentru încălzirea piscinei sau pentru prepararea apei calde menajere nu necesită aparatură tehnică deosebită. Instalația solară trebuie construită în așa fel, încât să poată fi golită de apă pe timpul iernii.

Dacă se dorește utilizarea energiei solare tot timpul anului, din cauza pericolului de îngheț, respectiv datorită utilizării lichidului special antigel, sunt necesare aplicarea unor soluții tehnice deosebite.

2.5. Elementele componente ale instalației solare

2.5.1. Montarea colectoarelor plane

Colectoarele plane pot fi montate pe acoperișuri, pe tavane și pe construcții realizate în acest scop (de ex. umbrare, acoperișuri la parcări etc.). Pentru montarea colectoarelor este necesar un cadru corespunzător locului unde se dorește montarea.

Fig.2. 7 Fig.2.8

Cadru de montaj pentru clădiri cu acoperișul în pantă

Cadru de montaj pentru clădiri cu acoperișul plat sau pentru montare pe suprafețe plane

CAPITOLUL 3

3.1 Conectarea colectoarelor plane

Raportat condițiilor din România, chiar și cea mai simplă utilizare necesită montarea a

cel puțin 2 colectori (4m2). Unul din punctele sensibile ale sistemului este dezaerarea.

Colectoarele GAUZER cuplate pereche pot fi dezaerate destul de ușor.

Fig.3.1.Colector

Fig.3.2.Colector

În cazul sistemelor realizate din mai multe colectoare plane, dacă este necesară conectarea a mai mult de 2 perechi (4 buc. colectoare solare), realizarea legăturilor conductelor colectoare și distributoare trebuie făcută conform conexiunii tip Tichelman (Fig.3.1 și 3.2)

3.2 Boilerul sistemelor solare

Înmagazinarea energiei obținute de colectoarele solare plane este o problemă destul de

importantă.Colectorul solar și boilerul de acumulare pentru apă caldă sunt

astfel conectate, încât pentru utilizarea energiei solare nu trebuie introdusă în circuit o pompă

de circulație și nu este necesară automatizare. Boilerele cu dublă manta sunt realizate în două

versiuni, de 120 și 160 litri. În circuitul exterior (dintre cele două mantale) circulă lichidul

solar încălzit în colectoare . Acest mod de stocare este utilizabil în primul rând

la sistemele de preparare a apei calde menajere, dar poate fi conectat și la un boiler tradițional

electric sau pe gaz. Prin utilizarea boilerului tradițional crește și volumul de apă caldă stocat.

Fig.3.3 Boilerul de acumulare pentru apă caldă.

Fig.3.4 Colector solar

Fig.3.5 Boiler papa calda cu incalzire prin manta

Fig.3.6.Boiler pe gaz sau electric

Pentru o utilizare mai eficientă a energiei solare, la boilerul de 120 litri se pot lega două perechi de colectoare (8 m2) (Fig. 17), iar la boilerul de 160 litri se pot lega 3 perechi de colectoare solare, cu suprafața totală de 12 m2 (Fig. 18)

Sistemele realizate cu colectoare solare tip DP-SP trebuie prevăzute cu boilere de stocare cu unul sau două schimbătoare de căldură (serpentine), care să lucreze la o presiune de cel puțin 6 bar (Fig. 19)

Fig. 3.7 Boilere de stocare

La nevoie, boilerele de stocare pot să fie echipate și cu una sau două rezistențe electrice suplimentare de 2 kW.

În cazul în care energia solară este utilizată și ca aport la încălzire, rezervoarele de stocare sunt cilindrice, fără schimbător de căldură interior, cu volum mai mare decât boilerele pentru apă caldă menajeră (cca. 1000-3000 litri), numite rezervoare puffer pentru încălzire. Acestea lucrează la 3 bar, la temperatura maximă de lucru de 95șC și cu izolație exterioară tare cu grosimea de 5-7 cm.

3.2.1 Rezistența la presiune a sistemelor solare. Ventile de siguranță

Sistemele solare care sunt utilizate de-a lungul întregului an trebuie umplute totdeauna cu lichid antigel. Acest lichid solar antigel trebuie să lucreze între limite destul de largi de temperatură, iarna și la -20șC iar vara se poate încălzi la 100-110șC. Sistemul solar umplut cu lichid antigel trebuie să facă față și variațiilor de volum datorate acestor diferențe mari de temperatură. Bineînțeles, baza de pornire este temperatura din momentul în care se face umplerea instalației. Lichidul antigel recomandat este propilenglicol 40% diluat cu apă, care este lichid până la -25 șC, dar și la temperaturi mai scăzute nu îngheață total.

Importante sunt modificările caracteristicilor fizice ale soluției, care trebuie luate în considerare la calculul schimbului de căldură și la alegerea pompelor. Asemănător, trebuie ținut cont de modificarea volumului relativ ocupat funcție de temperatură (Fig. 20).

3.2 Boilerul sistemelor solare

Înmagazinarea energiei obținute de colectoarele solare plane este o problemă destul de

importantă.

Colectorul solar și boilerul de acumulare pentru apă caldă sunt astfel conectate,

încât pentru utilizarea energiei solare nu trebuie introdusă în circuit o pompă

de circulație și nu este necesară automatizare. Boilerele cu dublă manta sunt realizate în două

versiuni, de 120 și 160 litri. În circuitul exterior (dintre cele două mantale) circulă lichidul

solar încălzit în colectoare (Fig. 15 și 16). Acest mod de stocare este utilizabil în primul rând

la sistemele de preparare a apei calde menajere, dar poate fi conectat și la un boiler tradițional

electric sau pe gaz. Prin utilizarea boilerului tradițional crește și volumul de apă caldă stocat.

Fig 3.8 Modificarea relativa a volumului

În cazul colectoarelor solare DP-SP, dacă boilerul cu dublă manta este instalat în aer liber, vasul de expansiune din sistem, respectiv ventilul de siguranță la supraîncălzire (Fig. 15) elimină creșterea presiunii datorate dilatării lichidului antiger.

Dacă boilerul de stocare de apă caldă este instalat în podul casei, elementele de siguranță ale sistemului trebuie realizate conform celor prezentate . (Dimensiunea rezervorului de preaplin este corespunzător pentru sisteme cu un volum de lichid de 45 litri, la care pot fi legate 3 perechi de colectoare cu o suprafață totală de 12 m2.)

Fig 3.9 Boiler cu incalzire prin manta

În cazul colectoarelor solare tip DT-ST, unitatea de menținere a presiunii trebuie realizată cu grijă. Din unitatea de menținere a presiunii fac parte vasul de expansiune închis, ventilul de siguranță, manometru (0-6 bar), robinetul de umplere-golire și un rezervor de preaplin atmosferic. Temperatura de lucru a sistemelor solare fiind de multe ori aproape de 100șC, elementele de siguranță trebuie alese conform acestei valori. Conducta de legare a unității de menținere a presiunii trebuie să fie de cel puțin 1 m. Vasul de expansiune va fi racorat doar superior , în ramura rece a sistemului. Membrana vasului de expansiune trebuie să fie inert față de lichidul antigel. În cazul sistemelor solare mici, volumul vasului de expansiune este de regulă egal cu volumul total al sistemului.

Fig 3.10 Rezervor de umplere

Dimensionarea vasului de expansiune necesar colectoarelor tip DT-ST:

Ve = (padm +1)*(0,1*Vcond+sch+Vcol / (padm – pe)

unde:

Ve = volumul vasului de expansiune padm = presiune maximă admisă în sistem pe = presiunea inițială a sistemului

Vcond+sch = volumul țevilor și a schimbătorului de căldură

Vcol = volum colector solar

pe1*h+1

h = înălțimea coloanei de lichid deasupra vasului de expansiune

De exemplu, dacă:

h = 6 m, atunci pe = 0,1*6 + 1,5 = 2,1 bar

În cazul colectoarelor DT-ST, dimensionarea vasului de expansiune se simplifică conform celor ce urmează:

padm = 4,5 bar – 0,5 bar = 4 bar

Ve = 5*(0, 1*Vcond+sch +Vcol / (4 – pe)

Presiunea de acționare a ventilului de siguranță este de 4 bar. Dimensiunea lui depinde de volumul sistemului. Este recomandat ca lichidul antigel evacuat prin ventilul de siguranță să fie colectat într-un vas deschis de 8-10 litri. În acest fel, lichidul antigel poate fi reintrodus în sistem cu ajutorul unei pompe manuale și nu se pierd.

3.2.2 Pompele sistemelor solare

În sistemele solare de producere a apei calde menajere sau de sprijin a sistemului de încălzire se utilizează pompele de circulație utilizate în rețelele termice (Producători Wilo, Grundfos etc.).

Tipul exact trebuie ales în funcție de parametri și traseul conductelor sistemului.

La colectoarele tip DP-SP se pot utiliza pompele de circulație.

De exemplu, la sistemele mai mici se pot utiliza pompe Wilo-Star-Z, respectiv la sistemele mai mari Wiilo-TOP-Z. Ambele tipuri pot fi completate cu releu de timp pentru pornire automată.

În cazul colectoarelor DT-ST se recomandă utilizarea pompelor cu ax înecat Wilo, care sunt prevăzute cu comutator pentru alegerea uneia din cele trei turații la care poate funcționa.

3.2.3 Schimbătoarele de căldură ale sistemului solar

Se pot utiliza schimbătoarele de căldură de tipul și forma celor cunoscute în tehnica încălzirii, dar recomandăm utilizarea celor cu volum mic de lichid.

La sistemele solare se pot utiliza schimbătoare de căldură exterioare, respectiv schimbătoare de căldură spirale introdus în boilerele de stocare ale apei calde (Fig. 24). Dintre schimbătoarele de căldură exterioare, cel mai indicat este schimbătorul în plăci (de ex. APV, SWEP, Alfa-Laval), alegerea acestora fiind determinată de parametri termotehnici și de condițiile existente la fața locului.

Fig. 3.11 Colectoare

Dacă sistemul solar este destinat încălzirii piscinei sau ca aport la sistemul tradițional de încălzire, este necesară utilizarea unui schimbător de căldură exterior.

Sistemele solare destinate preparării de apă caldă menajeră pot fi echipate cu boilere cu schimbătoare spirale interioare. La alte utilizări se recomandă schimbătoarele exterioare. La alegerea schimbătoarelor de căldură trebuie să se țină cont de faptul că în cazul utilizării lichidului antigel, parametri schimbului de căldură sunt inferiori decât în cazul apei.

3.2.4 Aparatura de comandă a sistemelor solare

În sistemele solare trebuie montate: un manometru cu domeniu de măsurare 0-6 bar la vasul de expansiune, respectiv câte un termometru cu scala 0-120°C pe conducta de tur și de retur a colectoarelor.

Reglarea și comanda sistemului solar este realizată de regulatoarele GAUZER special concepute în acest scop, de tip DTC 100/2 sau DTC 100/4 TD (Fig. 25).

Fig 3.12 Gauzer

3.2.5. Dezaerarea sistemelor solare

Dezaerarea sistemelor solare ridică niște probleme constructive deosebite. Nu este recomandabilă montarea unui aerisitor automat la partea superioară a colectorului, deoarece în cazul supraîncălzirii va evacua aburul care poate să se formeze. La partea superioară a colectorului se recomandă montarea unui vas de dezaerare, conducta de evacuare a vasului trebuind condusă în incinta de unde se face și umplerea.

La sistemele solare se recomandă instalarea pe conducta tur a pompei a unui dezaerator automat de calitate (de ex. Spirotop) sau a unui dezaerator prin absorbție.

3.2.6. Montarea sistemelor solare

Țevile de legătură ale sistemelor solare sunt realizate de regulă din cupru, asamblate prin lipire moale (cositorire), iar pentru reducerea pierderilor este necesară izolarea acestora. Bridele din material plastic utilizate de regulă la asamblarea țevilor de cupru nu pot fi utilizate datorită condițiilor nefavorabile (temperaturi înalte, radiații UV), în locul lor putându-se folosi bride metalice. La realizarea circuitelor se va avea în vedere dilatarea termică, conductele lungi fiind prevăzute cu compensatori de dilatare.

În cazul sistemelor cu număr mare de colectori (de ex. mai multe rânduri paralele de colectoare solare) se recomandă legarea colectoarelor după schema Tichelmann. (Fig. 13)

Țevile sistemelor solare trebuie întotdeauna izolate termic, cu un material termoizolant rezistent la cel puțin 150șC, pentru a preveni mersul “în gol” al colectoarelor la temperaturi ridicate și reducerea pierderilor .Izolațiile termice externe trebuie protejate contra radiațiilor UV și a acțiunii factorilor de mediu prin învelire cu materiale

3.2.7 Lichidul de transfer termic al sistemelor solare

Colectoarele solare care se doresc a fi folosite tot timpul anului trebuie umplute cu o soluție antigel rezistentă la cel puțin -25șC, neotrăvitoare, de regulă o soluție de 40% propilenglicol diluat cu apă.

Este important de știut că lichidele antigel pe bază de etilenglicol sunt otrăvitoare, fapt pentru care utilizarea lor la sistemele solare este interzisă.La alegerea antigelului se vor avea în vedere următoarele modificări ale parametrilor:

– Rezistente sau prin vopsire

– Crește vâscozitatea soluției.

– Scade coeficientul de conductivitate termică al soluției.

– Crește coeficientul cubic de dilatație termică.

Ca urmare a acestora, la aceeași temperatură ca a apei curate, în cazul antigelului se va avea în vedere că:

– Crește rezistența conductelor.

– Scade înălțimea de pompare a pompei.

– Crește dimensiunea necesară a vasului de expansiune.

În cazul amestecului nostru antigel cu proporțiile 40% – 60%, rezistența conductelor crește cu 20%, înălțimea de pompare scade cu 10%. Modificarea volumului relativ se observă..

Concentrația soluției antigel se va verifica anual.

3. 3 PROPUNERI DE REALIZARE A SISTEMELOR SOLARE

În cele ce urmează am dori să vă prezentăm câteva modalități de utilizare a energiei solare. Bineînțeles, aceste sisteme pot fi dezvoltate și completate cu elemente suplimentare.

Dacă dorim utilizarea energiei solare ca aport și sprijin la sistemul de încălzire, cazanul tradițional poate fi pe gaz, pe combustibil lichid sau pe lemn. Vă vom prezenta în principal versiuni cu cazane pe combustibil gaz de tip B și C. În cazul aparatelor consumatoare de gaz de tip B, recomandăm modificarea sistemului după posibilități. În cazul în care se realizează un sistem nou, recomandăm utilizarea aparatelor consumatoare de gaz de tip C.

La aceste sisteme vă prezentăm posibilitățile de automatizare cu regulatoarele Gauzer tip DTC 100/4. Nu vom face referire la posibilitățile de reglare ale sistemului de încălzire. Unificarea regulatoarelor, includerea în sistem cade în sarcina proiectantului de specialitate în automatizări.

În sistemele prezentate au fost incluse minimum de elemente și componente necesare funcționării. Am dori să prezentăm câteva puncte de vedere legate de posibilitățile de completare ulterioară a sistemelor.

a./ Energia solară poate fi utilizată în mod optim dacă timpul dintre captarea energiei razelor solare și utilizarea efectivă a energiei astfel obținute este minim. Din acest motiv, energia solară se pretează la prepararea apei calde menajere pe timpul verii, respectiv la încălzirea apei din piscine.

b./ Mediul de transfer încălzit cu energie solară va fi utilizat în mod optim dacă temperatura mediului este cât mai apropiată de temperatura de utilizare. Din acest motiv, se pretează sistemelor solare variantele de încălzire la temperatură redusă, adică cele prin pardoseală sau în perete.

În continuare, pentru un randament cât mai bun al utilizării energiei solare, putem să adoptăm varianta vehiculării lichidului antigel încălzit în panourile solare prin rețeaua de încălzire prin pardoseală

3.3.1. Sistemele recomandate cu panouri solare tip DP-SP

3.3.1.1. Prepararea apei calde menajere, sisteme cu consum redus

Prepararea apei calde menajere într-o casă familială se realizează cu un boiler electric sau pe gaz. Funcție de numărul de persoane, boilerul este de 120-200 litri. La acest sistem se adaptează cel mai bine o suprafață de colectoare de 4-6 m2 și cu un boiler solar de 120 l.

Sistemul de producere apă caldă menajeră, cu funcționare de-a lungul întregului an, se poate realiza conform fig. 26.

Apa încălzită cu ajutorul panourilor solare intră în boilerul electric sau pe gaz, unde va fi eventual încălzită suplimentar la temperatura dorită. Sistemul nu necesită pompă de circulație sau automatizare.

Fig 3.13 Boiler cu incalzire prin manta

În cazul utilizării tot anul, se recomandă instalarea în boilerul solar a unei rezistențe electrice suplimentare, pentru a evita pericolul de îngheț.

În cazul utilizării sezoniere recomandăm realizarea sistemului conform , unde unitatea solară poate fi izolată de sistemul tradițional de apă caldă și poate fi golită. În acest caz se recomandă ca fiecare boiler să fie prevăzut cu ventil de sens.

Fig 3.14 Prepararea apei calde menajere, sisteme cu consum mare

Fig 3.15 Boiler solar cu incalzire prin manta

Din punct de vedere al conexiunilor, se consideră o rețea mare de apă caldă acel sistem care are inclus și pompă de circulație cu automatizare.

Utilizarea pompei de circulație asigură transportul comandat și continuu al apei calde din boilerul solar (încălzite cu ajutorul colectoarelor solare) spre boilerul electric sau pe gaz tradițional. Un asemenea sistem este prezentat în fig. 28.

În sistem este necesar un ventil cu 2 căi cu servomotor, regulatorul tip DTC 100/2 și doi senzori de temperatură.

În momentul în care sonda de temperatură montată pe ramura caldă a boilerului solar măsoară o temperatură cu 1-2 °C mai mare decât cea din ramura rece a rețelei de ACM, regulatorul va deschide vana cu 2 căi spre boilerul solar și pompa de circulație transportă apa caldă din boilerul solar în boilerul tradițional. Dacă nu se atinge diferența de temperatură reglată, regulatorul DTC 100/2 comandă vana cu 2 căi în poziția în care apa rece să intre în boilerul tradițional.

3.3.1.2 Sistem pentru prepararea ACM și încălzirea apei din piscină

Sistemul solar utilizabil pentru încălzirea apei din piscină și preparare de ACM este prezentat. Regulatorul tip DTC 100/4 asigură automatizarea ambelor utilizări.

Regulatorul asigură reglajul funcție de două diferențiale de temperatură independente una de cealaltă.

Fig.3.16 Sistem solar pentru incalzirea apei din piscina

3.3.1.3 Preparare ACM și aport la încălzire

La hotelurile și pensiunile cu ocupare mare pe perioada verii se recomandă utilizareacolectoarelor solare cu utilizare tot anul, cu sprijinul încălzirii pe perioada iernii. Energia solară este cu adevărat eficientă în sistemele de încălzire dacă acestea sunt la temperatură redusă, prin pardoseală sau prin perete. Agentul termic din returul sistemului de încălzire la temperatură redusă poate fi preîncălzit eficient cu energie solară prin intermediul unui schimbător de căldură în plăci, înainte de intrarea în cazanul de termoficare. Vana cu două căi montată pe returul rețelei de încălzire la temperatură redusă este comandată de regulatorul DTC 100/4 în funcție de diferența dintre temperatura pe returul încălzirii și cea din boilerul solar.

Fig 3.17 Regulator DTC

3.3.1.4 Preparare de apă caldă menajeră la pensiuni și hoteluri

În cazul pensiunilor mai mari, volumul necesar pentru boilerul de stocare, precum și suprafața colectoarelor este determinată cu ajutorul diagramei. De exemplu, la o pensiune cu 12 persoane, la un consum de 40 l/zi/persoană, volumul necesar al boilerului de stocare este de 450 litri. La un interval de utilizare aprilie-septembrie, suprafața necesară a colectoarelor solare este de 18 m2, care se recomandă să se obțină cu 5 perechi (10 buc.) de colectoare. Se recomandă utilizarea colectoarelor tip DP-SP împărțite în două grupuri: un boiler de 120 l conectat la colectoare în suprafață de 8 m2 și un boiler de 160 l cu colectoare de 12 m2 . Volumul de stocare pe partea solară este de 280 l, la care se recomandă conectarea unui boiler tradițional electric sau pe gaz de 200 l, astfel fiind asigurat volumul total necesar.

Fig 3.18 Volum necesar boiler

Fig 3.19 Boilere

3.3.2. Sisteme recomandate cu colectoare tip DT-ST

3.3.2.1. Preparare de apă caldă menajeră, respectiv preîncălzire

Pentru necesarul la o casă familială, cu utilizarea colectoarelor solare tip DT-ST, este nevoie de o suprafață de 4-6 m2. Prepararea apei calde menajere sau preîncălzirea ei se poate realizaîntr-un boiler prevăzut cu un schimbător de căldură spiral la interior, legat înainte de boilerul tradițional electric sau pe gaz (Fig. 33). Acest sistem este utilizabil tot timpul anului.

Apa rece intră prima oară în boilerul cu serpentina încălzită solar, se încălzește și de aici trece în boilerul tradițional. Sistemul are nevoie de un regulator DTC100/2, care pornește pompa sistemului solar dacă temperatura mediului în punctul superior al colectorului este cu 5-7 șC mai mare decât temperatura din boilerul de ACM. La clădirile noi este suficient și un singur boiler echipat cu serpentină și cu rezistență electrică suplimentară.

Fig 3.20 Boiler cu serpentina

Pentru clădirile mai mari, pentru prepararea ACM sau preîncălzirea apei, vă prezentăm în fig. 34 o altă soluție, în care apa caldă menajeră este obținută într-un boiler cu dublă serpentină.

La această variantă, este luată în considerare și cea de-a doua funcție diferențială de tempera- tură a regulatorului DTC100/4-TD. Dacă colectoarele solare nu pot să încălzească întregul volum de apă din boiler, serpentina superioară încălzită de cazanul pe gaz continuă încălzirea apei din boiler până la valoarea dorită.

Fig. 3.21 Incalzire cu radiatoare

3.3.2.2. Preparare de apă caldă menajeră și încălzire piscină

Cu sistemul prezentat în fig. 35, pe lângă preparare de ACM se poate realiza și încălzirea apei din piscină, cu ajutorul unui sistem existent cu cazan pe gaz. Pentru automatizarea sistemului sunt necesare 2 buc. regulatoare DTC100/4. Unul dintre ele va comanda prepararea de ACM de către colectoarele solare și cazanul pe gaz.

Cel de-al doilea regulator supraveghează temperatura apei care trece prin schimbătorul de căldură aferent piscinei. În cazul în care aceasta este cu 3-4 °C mai mică decât temperatura mediului din colectorul solar, regulatorul comandă vana motorizată din circuitul solar astfel încât lichidul antigel care vine de la colectoare să încălzească schimbătorul de căldură pentru piscină. Când temperatura apei din piscină a atins valoarea dorită, vana revine pe poziția inițială, de încălzire a boilerului de apă caldă menajeră. Dintre cele două regulatoare care funcționează în paralel, prioritate are cel pentru încălzirea piscinei, deoarece este de așteptat ca diferența dintre temperatura efectivă a apei din piscină și cea dorită să fie mai mică, respectiv temperatura dorită pentru apa din piscină să fie mai mică decât temperatura dorită pentru apa caldă menajeră.

Fig 3.22 Incalzire prin pardoasea

3.3.2.3. Preparare de apă caldă menajeră și aport la încălzire

Sistemul prezentat poate fi utilizat la sisteme noi sau deja existente de încălzire la temperatură redusă, în perete sau prin pardoseală. Temperatura pe returul sistemului la temperatură redusă este de 34-38°C, dar poate să scadă și sub.

În exemplul arătat sunt incluse 2 buc. regulatoare DTC100/4. În cazul unei diferențe de 3-5°C între colector și boilerul de apă caldă regulatorul comandă încălzirea boilerului de stocare. Încălzirea apei va dura atâta timp până ce se atinge temperatura dorită în boiler. După aceasta, regulatorul poate comuta pe sprijinul încălzirii, dacă temperatura agentului termic din returul sistemului de încălzire este cu 6-8°C mai mică decât temperatura antigelului din colectorul solar. În aceste momente, regulatorul comută vana motorizată montată în circuitul solar astfel ca antigelul dinspre colectorul solar să încălzească schimbătorul de căldură

departea de încălzire. Dintre cele două regulatoare care lucrează în paralel, prioritate are cel care comandă schimbătorul de căldură al boilerului de apă caldă.

Fig 3.23 Sistem de incalzire

Sistemul solar exemplificat se recomandă a fi realizat în cazul în care este necesar un boiler de stocare cu un volum puffer mai mare (3-5 m3). Prin utilizarea volumelor puffer se asigură o funcționare liniștită și posibilități de reglaj fără salturi.

Și în acest caz sunt necesare două regulatoare DTC100/4. Unul dintre ele reglează prepararea de apă caldă menajeră, iar celălalt comandă sprijinul încălzirii la temperatură redusă funcție de temperatura apei în rezervorul puffer.

Fig 3.24 Regulator Dtc

3.3.2.4. Sistemul solar cu mai multe funcții

Sistemul este prezentat fără modalitățile de reglaj.Sistemul de încălzire este divizat în două părți de schimbătorul de căldură bidirecțional. În partea stângă a schimbătorului de căldură este sistemul solar, respectiv aparțin acestei părți elementele încălzirii la temperatură redusă, ca de ex. încălzirea piscinei, încălzirea la perete sau prin pardoseală, precum și partea de temperatură redusă a preparării de ACM.În partea dreaptă a schimbătorului de căldură sunt elementele de producere a temperaturii ridicate, consumatorii de temperatură ridicată, respectiv boilerul de stocare, care poate fi încălzit chiar și de un cazan pe lemne cu gazeificare.În principiu, sistemul funcționează astfel: dacă Soarele arde cu putere, și dacă nu este preluată întreaga cantitate de căldură de către elementele din partea stângă, schimbătorul de căldură încălzește apa circulată în partea dreaptă și umple boilerul de stocare puffer. În acest caz, pompa de circulație montată pe conducta inferioară din partea dreaptă a schimbătorului de căldură funcționează, iar ventilul din circuitul de ocolire al acestei pompe este închis.Pe timp noros, când în partea stângă a schimbătorului de căldură nu este destulă energie termică, circulația în partea dreaptă a schimbătorului de căldură este preluată de pompa de pe ramura superioară, astfel încât încălzirea la temperatură redusă se face prin schimbătorul de căldură. În acest caz, ventilul de pe ramura superioară a schimbătorului de căldură este închis, pompa de pe ramura inferioară se oprește și deschide ventilul circuitului de ocolire.Cazanul pe gaz cu cameră etanșă utilizat este alimentat pe retur din boilerul de stocare puffer cu apă preîncălzită prin bypasul hidraulic. Când cazanul pe gaz nu funcționează, apa din boilerul de stocare puffer poate fi încălzită cu cazanul cu gazeificare pe lemn.

Fig 3.25 Sistem solar

Capitolul 4

4.1 CALCULUL SARCINII TERMICE A CAPTATORILOR SOLARI

4.1.1. Caracterul variabil al radiației solare

Intensitatea radiației solare prezintă un caracter foarte variabil, atât în timpul anului, cât și zilnic, astfel încât este evident că și sarcina termică realizată de colectorii solari va fi la fel de variabilă.

Fig. 4.1. Curbă tipică de variație a intensității radiației solare

În figura este prezentată o variație tipică a intensităț ii radiației solare, într-o zi foarte călduroasă de vară, în condiții de cer perfect senin, manifestată pe o suprafață unitară, plană și orizontală. Se observă că la ora 12, când intensitatea radiației solare este maximă, valoarea acesteia depășește 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarte ridicată, chiar și față de media din timpul verii, în timp ce pe durata nopții, valoarea intensității radiaț iei solare este evident nulă. Dimineața și după-masa, intensitatea radiației solare, variază rapid între 0 și valoarea maximă, respectiv între valoarea maximă și 0. Pentru curba de variație a intensității radiației solare reprezentate în figura 1, valoarea medie a intensității radiaț iei solare, pe durata zilei, este ușor superioară valorii de 500W/m2. În zilele anului, caracterizate prin radiație solară mai puț in intensă decât cea prezentată în figura 2.25, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime și medii ale intensității radiației solare, chiar și în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot să scadă mult sub valorile prezentate anterior.

Ca și radiația solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă un caracter variabil, astfel încât se poate vorbi despre valoarea maximă și medie a acestei mărimi. Pentru calcule termice de dimensionare, prezintă importanță cunoașterea valorii medii a sarcinii termice a colectorilor solari.

Cu cât randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atât fiecare suprafață unitară de colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată de valoarea medie a intensității radiației solare.

4.1.2. Calculul sarcinii termice a captatorilor solari

Având în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorile sarcinilor termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este interesant de realizat o evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura sarcina termică necesară diverselor aplicații.

În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fi determinată utilizând informatiile privind selecția acestor echipamente, furnizate de diverși producători.

Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea apei calde menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicaț ii pentru panourile solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, în primul rând pentru că în perioadele reci ale anului, când necesarul de sarcină termică pentru încălzire este important, intensitatea radiației solare prezintă valori foarte reduse și este dificil de captat și de utilizat în aceste condiții. Chiar dacă există și numeroase realizări interesante în care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorul energiei solare, aceste aplicații nu vor fi abordate în continuare, deoarece reprezintă situații speciale.

Încălzirea apei calde menajere

unde:

n este numărul de persoane;

m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca și consum zilnic;

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

tb [°C] este temperatura apei din boiler;

tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler;

τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere necesare unei persoane, m=50kg – valoare medie recomandată de literatura de specialitate, tb=45°C – valoare recomandată pentru temperatura apei calde din boiler; tr=10°C – valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarna ceva mai rece și τ=8h – valoare care coincide aproximativ și cu durata medie în care se manifestă radiația solară, deci cu durata medie în care poate fi captată aceasta.

Înlocuind valorile numerice considerate, se obține pentru sarcina termică necesară în vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:

Q& acm = 1 50 4,186 (45 − 10) = 0,254 kW ≈ 0,25 kW = 250 W 8

3600

Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizarea unor

suprafețe diferite ale colectori solari în funcție de tipul colectorilor și de procentul din necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca în tabelul 1.

Tabelul 1. Suprafața necesară de colectori solari, pentru prepararea a.c.m. [m2/pers.]

Se observă că suprafețele de colectori solari, recomandate ca necesare, sunt aceleași în cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă performanțele colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decât cele ale colectorilor solari cu tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferenț ele de performanță sunt totuși reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, față de cei cu tuburi vidate nu se va concretiza printr-o suprafață mai redusă de colectori solari, ci printr-un procent ceva mai ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, decât în cazul colectorilor cu tuburi vidate.

Având în vedere că suprafețele de colectori solari, recomandate în tabelul 1, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari

Q& acm1 , în regim de preparare a apei calde menajere, este:

unde:

– S1 reprezintă suprafața colectorilor solari recomandată în tabelul 1. Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2. Sarcina termică unitară a colectorilor solari, pentru prepararea a.c.m. [W/m2]

Analizând valorile din tabelul 2, se constată că sarcina termică unitară a colectorilor solari este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal, deoarece acești colectori sunt prevăzuți să funcționeze mai ales în perioada de vară, când intensitatea radiației solare este mai mare.

În tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai ușor de utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale suprațelor de colectori solari, destinați preparării apei calde menajere.

Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari

60%

Procent de asigurare a.c.m. cu energie solară

Procent de asigurare a.c.m. cu energie solară

40…50%

Este evident că dacă panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termică unitară medie a acestora poate fi considerată mai mare decât dacă sunt utilizate din primăvară pân ă în toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redusă, pentru că și valoarea medie a intensității radiației solare este mai redusă. Din acest motiv și suprafaț a necesară a colectorilor solari care sunt utilizați doar vara, este mai redusă decât cea necesară pentru o utilizare din primăvară pân ă în toamnă, dar și procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dacă aceste panouri sunt dimensionate pentru a funcționa doar pe durata sezonului cald.

Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Q& acm1 , prezentate în tabelul 3, se

pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizați pentru prepararea apei calde menajere.

Cu ajutorul acestei relații pot fi calculate suprafețele necesare de colectori solari, pentru orice tip de aplicație în care este necesară prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei solare. Exemple de asemenea situații pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri, vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.:

Suprafețele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 1.

Încălzirea apei din piscine

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex, care să țină seama de temperatura apei din piscină și de o serie de pierderi de căldură, între care o importanță deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei, transferul termic prin convecție de la suprafața apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.,.

Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar de încălzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerând doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiții reale în piscine, duc la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.

În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de colectori solari.

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Q& p , se poate calcula cu relația:

unde:

m [kg] este cantitatea de apă din piscină;

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

∆t [°C] este variația temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de căldură;

τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanță deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

Observație: Producătorii de panouri solare recomandă valori diferite pentru suprafețele colectorilor solari, destinați încălzirii apei din piscine, pentru diferite condiții de exploatare a piscinelor, indicând aceste suprafețe, dar nu precizează adâncimea considerată a apei din piscine. Lipsa acestui element în tabelele de alegere a colectorilor solari, reprezintă o deficiență importantă a sistemului de dimensionare propus de producători, care a fost eliminată în continuare, prin considerarea unei valori medii a adâncimii apei din piscine, de 1,3m.

În urma finalizării calculelor efectuate cu ajutorul algoritmului prezentat în continuare și în urma comparării valorilor sarcinilor termice unitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectori solari, cu valorile sarcinilor termice unitare ale acelorași colectori, utilizați la prepararea apei calde menajere, s-a dovedit că această ipoteză este corectă și că probabil aceeași valoare medie a adâncimii apei din piscine a fost considerată și de producătorii panourilor solare, la întocmirea Cantitatea de apă din piscine se determină cu relația:

m = Sp H ρ [kg]

unde:

Sp [m2] este suprafața piscinei;

H [m] este adâncimea medie a apei din piscină;

ρ [kg/m3] este densitatea apei, mărime care depinde de temperatură, dar pentru care se poate considera valoarea ρ=1000kg/m3.

În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafața unitară a piscinei, deci se va considera Sp=1m2.

m = 1 1,3 1000 = 1300 kg tabelelor de selecție a colectorilor.

Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeței unitare a piscinei, considerând că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C și că durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:

În cazul în care variația temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de 0,5°C, situație posibilă în cazul piscinelor realizate în spații închise, sarcina termică unitară pentru încălzirea apei, s-ar reduce și aceasta la jumătate.

Acoperirea suprafei apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atât în cazul celor închise cât și în cazul celor aflate în aer liber, pe lângă faptul că previne producerea accidentelor, permite și reducerea substanțială a pierderilor de căldură prin convecție și prin evaporarea apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei. Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera că acoperirea suprafeței apei, în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei.

În tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafață a piscinei, pentru diferite condiții de lucru, considerând adâncimea medie a apei, de 1,3m.

Tabelul 4. Valori orientative ale sarcinilor termice pentru încălzirea apei din piscine, considerând adâncimea medie a apei de 1,3m [W/m2 piscină]

Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare recomandă utilizarea unor suprafețe diferite de colectori solari, în funcție de tipul piscinelor, de tipul colectorilor și de perioada prevăzută pentru funcționarea sistemului de încălzire cu energie solară, așa cum se observă în tabelul 5.

Tabelul 5. Suprafața necesară de colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [m2/m2 piscină]

În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul piscinelor în aer liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C și gradul de răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 1°C/24h.Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeași suprafață de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece în condițiile în care intensitatea radiației solare este mare, performanțele tuturor tipurilor de colectori sunt relativ apropiate.Având în vedere că suprafețele de colectori solari recomandate în tabelul 5, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari:

Q& p1 , în regim de încălzire a apei din piscine, este:

Q& p1  Q& p

S1

unde:

W 2 m

-S1 reprezintă suprafața colectorilor solari recomandată în tabelul 5.Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 6, considerându-se pentru sarcinile termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 4. Faptul că valorile obț inute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleași condiții de lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt sunt corecte și în nici un caz nu introduc erori semnificative.

Tabelul 6. Sarcinile termice unitare ale colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [W/m2 colector]

Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Q& p1 , prezentate în tabelul 6, se

pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizați pentru prepararea apei calde menajere.

Suprafețele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această manieră trebuie să verifice și valorile recomandate în tabelul 5.

2.4.3. Concluzii

În tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obținute pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerând funcționarea acestora în regim de preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din piscine situate în aer liber fără acoperire, ca și valorile medii obținute pentru sarcina termică unitară a colectorilor solari utilizați pentru încălzirea piscinelor.

Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizați în diferite regimuri de lucru [W/m2 colector]

Valorile obținute pentru sarcina termică unitară a colectorilor plani, utilizați la încălzirea piscinelor în aer liber f ără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizarea numai în lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decât în cazul preparării apei calde menajere. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu s-a considerat o perioadă atât de scurtă de funcționare, ci una care să asigure totuși acoperirea a 40…50% din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceea ce reprezintă mult mai mult decât doar două luni de funcționare. În cele două luni, intensitatea radiației solare este maximă și atunci se pot atinge valori mai ridicate pentru sarcina termică unitară a colectorilor.

În afara acestei situaț ii, se observă că așa cum era normal, indiferent de tipul aplicației, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip de colector solar asigură aproximativ aceleași valori ale sarcinilor termice unitare medii pe care le realizează.

În consecin ță pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare ale colectorilor solari, indiferent de tipul de aplicație, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 8.

Tabelul 8. Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, în funcție de perioada de exploatare [W/m2 colector]

Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu ușurință în calcule orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectori solari, fiind cu atât mai utile cu cât, de regulă, asemenea valori nu sunt

indicate de firmele producătoare.

Considerând pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vârf pentru cele mai calde zile ale anului și nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puțin raportat la condițiile climatice din România, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectori solari:

η=60% pentru colectori plani;

η=76% pentru colectori cu tuburi vidate și pentru colectori cu tuburi termice.

Considerând tot pentru perioada iunie – iulie, o valoare medie zilnică a intensității radiației solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condițiile medii din Romania, se obțin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de colectori solari:

η=67% pentru colectori plani;

η=84% pentru colectori cu tuburi vidate și pentru colectori cu tuburi termice.

Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată în plus, că ipotezele considerate în calculele prezentate, ca și valorile obținute pentru sarcinile termice unitare medii ale diverselor tipuri de colectori solari sunt corecte.