folder_projketanci

solverc a t c h t h e s u n

2010WYTYCZNE

dla PROJEKTANTÓWProjektowanie dużych instalacji solarnych

kolektory serii GAK kolektory serii G, GA

1. Wstęp do projektowania dużych instalacji solarnych

1.1. Informacje o dużych systemach solarnych

1.2. Elementy systemu solarnego

1.3. Wizualizacja systemu solarnego

2. Obliczenia projektowe

2.1. Wstępne informacje

2.2. Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

2.3. Określenie powierzchni kolektorów słonecznych

2.4. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym

2.5. Wymiary konstrukcji na dach skośny

2.6. Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim

2.7. Wymiary konstrukcji na dach płaski lub płaską powierzchnie

2.8. Określenie przepływu przez instalację kolektorów słonecznych

2.9. Rodzaje przepływów czynnika obiegowego przez układ solarny

2.10. Określenie średnic rur

2.11. Wymiarowanie naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej

2.12. Opory przepływu w rurociągach

2.13. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda

2.14. Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda

3. Uzysk energetyczny dużej instalacji solarnej – symulacja

4. Wykresy sprawności i mocy dla poszczególnych kolektorów

4.1 Wykresy dla kolektorów G4+

4.2 Wykresy dla kolektorów GA4

4.3 Wykresy dla kolektora GA5

4.4 Wykresy dla kolektor GAK2.0



3

3

3

4

6

6

7

7

11

11

13

16

16

18

19

20

20

20

22

23

25

25

26

27

28

29

30

Spis treści

3

Rys.1 - Schemat dużej instalacji solarnej

1. Wstęp do projektowania dużych instalacji solarnych

1.1 Informacje o dużych systemach solarnych

Instalacje solarne to nie tylko zaopatrywanie domów jednorodzinnych w ciepłą wodę użytkową, to także

instalacje na dziesiątki kolektorów dla szpitali, ośrodków sportowych, hoteli oraz innych obiektów o dużym

zapotrzebowaniu na ciepłą wodę. Instalacje tego typu wymagają znacznych nakładów projektowych, pozwa-

ają jednak na wykorzystanie ciepła z zasobów energii odnawialnej przez co wpływa na ochronę klimatu.

Niezależnie czy projektujemy małą instalacje solarna dla domu jednorodzinnego czy też dużą instalacje

przemysłowych rozmiarów ważne jest aby trzymać się z góry ustalonych wytycznych projektowych. Tylko tak

wykonany projekt gwarantuje duże uzyski energetyczne oraz wysoką sprawność całego systemu solarnego.

1.2 Elementy systemu solarnego

Duże instalacje solarne są zwykle zaopatrzone w zbiorniki buforowe, które akumulują dostarczoną przez

kolektory energię cieplną. Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat typowej instalacji solarnej.

Energia słoneczna, która dociera do kolektorów słonecznych jest w nich zamieniana na energię cieplną,

która następnie zostaje przekazana poprzez wymiennik płytowy do zbiorników buforowych zasilających

układ ciepłej wody użytkowej. Nad pracą całego układu czuwa sterownik solarny, który mierząc zadane

temperatury uruchamia odpowiednie pompy i zawory. Kolektory słoneczne w instalacji c.w.u. działają

zazwyczaj jako podgrzew wstępny. Jeżeli temperatura nie osiągnie odpowiedniej wartości, woda jest

dogrzewa-na w tradycyjnej kotłowni. Czasami temperatura wody w zbiornikach jest wyższa od standardowej

temperatury c.w.u, dlatego warto zastosować termostatyczne zawory mieszające. Dla dużych instalacji

typowym rozwiązaniem jest także cyrkulacja ciepłej wody użytkowej w celu eliminacji używania wystudzonej

w instalacji wody.

1.3 Wizualizacja systemu solarnego

Doskonałym wyrazem troski o środowisko naturalne inwestora może być, umieszczona na jego stronie

internetowej, wizualizacja pracy systemu solarnego.

Serwer wizualizacji w czasie rzeczywistym prezentuje parametry pracy systemu takie jak: temperatury,

ciśnienie, nasłonecznienie, praca pompy, uzysk energetyczny, zużycie wody itp. w formie wykresu lub na

schemacie. Dodatkowo wszystkie dane są archiwizowane, więc możliwy jest ich odczyt na wykresie z do-

wolnego przedziału czasowego.

4

Rys.2 - Wizualizacja systemu solarnego - schemat Rys.3 - Wizualizacja systemu solarnego - wykres

Obliczenia projektowe

2. Obliczenia projektowe

2.1 Wstępne informacje

Ze względu na szerokość geograficzną Polski instalacje solarne w 90% są przeznaczone do podgrzewania

wody użytkowej, dlatego też niniejsze wytyczne projektowe dotyczą właśnie takiego układu. W dalszej części

zostaną przedstawione sposoby obliczania zużycia wody, wymaganej powierzchni kolektorów słonecznych,

przepływu glikolu przez instalację oraz dobór średnicy rur.

Na wstępie warto zaznaczyć, że instalacje solarną należy projektować tak aby w okresie maksymalnego

nasłonecznienia nie występowało ryzyko nadmiaru wytwarzanego ciepła. Stopień pokrycia solarnego to pro-

centowy udział energii uzyskanej z kolektorów słonecznych w całkowitej energii potrzebnej do podgrzania

wody użytkowej w ciągu roku. Im wyższy jest stopień pokrycia solarnego, tym większa jest oszczędność

energii konwencjonalnej. Wpływa to jednak na występowanie nadwyżek produkcji ciepła w okresach letnich

co powoduje wzrost czasów przestoju kolektorów, zmniejszając ich współczynnik sprawności. Dlatego też

aby uzyskać optymalną wartość uzysku solarnego, sprawność układu oraz stosunek kosztu instalacji do ener-

getycznych korzyści, stopień pokrycia dla dużych instalacji powinien znajdować się w przedziale 30-40%.

SCHEMAT PROJEKTOWANIA INSTALACJI SOLARNEJ OPIERA SIĘ O POWTARZALNE ETAPY:

�Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej - od tego parametru zależy wielkość

projektowanej instalacji.

�Określenie powierzchni kolektorów słonecznych - znając sumaryczną powierzchnię instalacji

solarnej możemy obliczyć ilość potrzebnych kolektorów słonecznych.

�Usytuowanie kolektorów - kolektory słoneczne należy podzielić na możliwie równe baterie,

zwracając uwagę na ich odpowiednie ustawianie i zorientowanie względem stron świata.

�Określenie przepływu przez instalację - przepływ powinien być równy zalecanemu

dla kolektora słonecznego.

�Określenie średnicy rur – dobrana średnica rurociągu musi gwarantować niewystępowanie

prędkości czynnika mniejszej od 0,4 m/s i większej niż 1 m/s.

�Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda.

�Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda.

6

2.2 Określenie zużycia ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

Oszacowanie faktycznego poboru ciepłej wody użytkowej nie jest rzeczą prostą ze względu na zmienne

w czasie zużycie. Dlatego, przed przystąpieniem do prac projektowych należy przez dłuższy okres czasu

odczytać wartości z licznika zamontowanego na rurociągu wody ciepłej dla całego budynku. Jeżeli pomiary

nie są możliwe to należy zużycie c.w.u. założyć, uwzględniając strukturę budynku, na niższym poziomie.

Dla obiektów dla których nie można wyznaczyć żadnych danych ułatwiających oszacowanie zużycia

ciepłej wody, dla celów projektowych przyjmuje się 30 litrów zużycia c.w.u. na osobę na dobę, przy

temperaturze c.w.u równej 50°C.

2.3 Określenie powierzchni kolektorów słonecznych

Tabele numer 1 i 2 przedstawiają dane techniczne kolektorów słonecznych, które firma SOLVER

ma w swojej ofercie:

7

wymiary (dł. x szer. x wys.)

waga

sprawność kolektora

moc kolektora przy G=1000 W/m2

sprawność optyczna

powierzchnia brutto

powierzchnia absorbera

powierzchnia apertury

rodzaj absorbera

temperatura stagnacji

objętość cieczy w kolektorze

maksymalne ciśnienie robocze

zalecany przepływ

grubość szyby solarnej

izolacja

spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)

G4+

2006 x 1006 x 80 mm

38,9 kg

85,7%

wełna mineralna 50 mm

1654 W

0,85

2,03 m2

1,95 m2

1,93 m2

wysokoselektywny

216 st. C

1,41 l

0,6 MPa

2 l/min

Ok. 120 Pa

4 mm

2006 x 1006 x 80 mm

GA4


3,2 mm

Ok. 120 Pa

2 l/min

36,9 kg

85,7%

1654 W

0,85

2,03 m2

1,95 m2

1,93 m2

wysokoselektywny

216 st. C

1,41 l

0,6 MPa

Tab 1 – Dane techniczne kolektorów G4+, GA4 oraz GA5.

2110 x 1210 x 80 mm

wysokoselektywny


46,7 kg

81,6%

1975 W

0,79

2,52 m2

2,42 m2

216 st. C

1,7 l

0,6 MPa

2,5 l/min

Ok. 305 Pa

2,55 m2

4 mm

wymiary (dł. x szer. x wys.)

waga

sprawność kolektora

moc kolektora przy G=1000 W/m2

sprawność optyczna

powierzchnia brutto

powierzchnia absorbera

powierzchnia apertury

rodzaj absorbera

temperatura stagnacji

objętość cieczy w kolektorze

maksymalne ciśnienie robocze

zalecany przepływ

grubość szyby solarnej

izolacja

spadek ciśnienia (dla jednego kolektora i przepływu 100 l/h)

GAK2.0

2008 x 1007 x 80 mm

37,6 kg

81,9%

1596 W

0,82

2,02 m2

1,93 m2

1,93 m2

wysokoselektywny

182,2 st. C

1,41 l

0,6 MPa

1,3 l/min

Ok. 300 Pa

4 mm


GAK2.5

2106 x 1206 x 80 mm

46,1 kg

81,9%

1981 W

0,82

2,54 m2

2,42 m2

2, 42 m2

wysokoselektywny

182,2 st. C

1,7 l

0,6 MPa

1,7 l/min

Ok. 305 Pa

4 mm


GAK3.0

2107 x 1406 x 80 mm

54,8 kg

81,9%

2340 W

0,82

2,96 m2

2,86 m2

2,86 m2

wysokoselektywny

182,2 st. C

2,0 l

0,6 MPa

2 l/min

Ok. 310 Pa

4 mm


Tab 2 – Dane techniczne kolektorów serii GAK.

W danych technicznych kolektora słonecznego rozróżnia się trzy jego powierzchnie: brutto, absorbera

oraz apertury. Powierzchnia brutto to iloczyn zewnętrznych wymiarów kolektora słonecznego. Powierzchnia

absorbera określa wielkość blachy absorbującej, natomiast powierzchnia apertury to wielkość tzw. prze-

szklenia kolektora słonecznego.

Powierzchnia czynna kolektorów powinna w okresie najniższego zapotrzebowania dostarczać energię

na podgrzanie c.w.u. bez występowania nadwyżki solarnej. Dla założonego zużycia wody można wyznaczyć

powierzchnię kolektorów słonecznych z poniższych wzorów i tabel.

Dla obliczeń można przyjąć, że jeden litr wody waży jeden kilogram, zatem ilość energii potrzebnej do

podgrzewu wody z 10°C do 50°C można obliczyć z równania:

Q0- ilość energii potrzebnej do ogrzania wody [kJ]

G- ilość ogrzewanej wody [kg]

cw- ciepło właściwe wody [4,19 kJ/kg*K]

(Tz-Tcwu)- różnica temperatur między wodą zimną a ciepłą [K]

W celu zamiany kJ na kWh należy otrzymaną wartość Q pomnożyć przez współczynnik równy:

1h/3600s, zatem:

Q1- ilość energii potrzebnej do ogrzania wody [kWh]

8

Zużycie wodyPowierzchnia kolektorów

GAK2.0 GAK2.5 GAK3.0

1000 13,69 14,19 14,55

1500 20,54 21,29 21,82

2000 27,39 28,39 29,10

2500 34,23 35,48 36,37

3000 41,08 42,58 43,65

3500 47,92 49,68 50,92

4000 54,77 56,78 58,19

4500 61,62 63,87 65,47

5000 68,46 70,97 72,74

5500 75,31 78,07 80,02

6000 82,16 85,16 87,29

6500 89,00 92,26 94,57

7000 95,85 99,36 101,84

7500 102,70 106,45 109,11

8000 109,54 113,55 116,39

8500 116,39 120,65 123,66

9000 123,24 127,74 130,94

9500 130,08 134,84 138,21

10000 136,93 141,94 145,49

Ilość energii

l kWh

46,56

69,83

93,11

116,39

139,67

162,94

186,22

209,50

232,78

256,06

279,33

302,61

325,89

349,17

372,44

395,72

419,00

442,28

465,56

2m 2m 2m

Poniższa tabela prezentuje ilość energii potrzebnej do ogrzania danej ilości wody od temperatury 10°C

do 50°C, oraz powierzchnie kolektorów GAK2.0, GAK2.5 i GAK3.0 wymaganą do ogrzania zadanej ilości

wody. Dla założenia, że podczas przeciętnego letniego dnia, bez zachmurzenia maksymalna solarna energia 2użyteczna na m powierzchni kolektora na dzień wynosi dla:

2GAK2.0 - ok. 3,40 kWh/m ( dla kolektora serii G4+ energia użyteczna będzie na podobnym poziomie )2GAK2.5 - ok. 3,28 kWh/m (dla kolektora serii GA5 energia użyteczna będzie na podobnym poziomie )2

GAK3.0 - ok. 3,20 kWh/m

Na tym etapie projektu należy założyć odpowiednie pokrycie energetyczne, dla dużych instalacji solarnych

wartość ta oscyluje wokół 40% (patrz rozdział 2.1).

–

Otrzymaną powierzchnie pola kolektorów należy podzielić przez powierzchnię apertury kolektora, która wynosi:

2P dla GAK2.0 (G4+) 1,93 mapertury

2P dla GAK2.5 (GA5) – 2,42 mapertury

2P dla GAK3.0 – 2,86 mapertury

Tab.3 - Energia potrzebna do ogrzania danej ilości wody

9

Ponieważ bardzo ważną sprawą jest odpowiedni podział ilości otrzymanych kolektorów na możliwie

równe pola, należy zatem otrzymaną ilość kolektorów poddać optymalizacji pod kątem dostępnego miejsca

na dachu oraz ograniczeniom wynikającym z maksymalnej ilości połączonych ze sobą kolektorów. Należy

zwrócić uwagę na maksymalną ilość kolektorów w jednej baterii, ze względu na opory oraz przegrzewanie

się kolektorów, tabela 4 przedstawia dopuszczalne ilości w zależności od rodzaju i wielkości kolektora:

Poniższy przykład pokazuje możliwości ustalania podziału kolektorów na pola. Dla obliczonej wymaganej 2powierzchni pola kolektorów równej ok. 60 m , rozpatrując zastosowanie kolektorów GAK2.0, GAK2.5,

GAK3.0 oraz G4+ i GA5 otrzymamy odpowiednio:

Typ kolektoraMaksymalna ilość

kolektorów w jednej baterii

4

4

3

4

3

2

G4+

GA4

GA5

GAK2.0

GAK2.5

GAK3.0

Tab.4 – Maksymalne ilości kolektorów w jednej baterii

2GAK2.0 lub G4+ - powierzchnia apertury: 1,93m22

60m /1,93m =31 zatem można ustalić podział:

30 kolektorów GAK2.0 połączonych w 10 baterii

po 3 kolektorów

32 kolektory GAK2.0 połączonych w 8 baterii

po 4 kolektory

2GAK2.5 lub GA5 – powierzchnia apertury: 2,42m

60m2/2,42m2=25 zatem można ustali podział:


po 3 kolektorów

28 kolektory GAK2.5 połączonych w 7 baterii po

4 kolektory.

GAK3.0 – powierzchnia apertury: 2,42m2

60m2/2,86m2=21 zatem można ustali podział:


po 2 kolektorów.

10

2.4 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu spadzistym

Jeżeli projektowana instalacja ma się znajdować w budynku wyposażonym w dach skośny, należy spraw-

dzić usytuowanie dachu względem stron świata oraz kąt połaci dachowej. Należy także sprawdzi czy dyspo-

nowana powierzchnia dachu jest wystarczająca dla przyjętego podziału pola kolektorów. Jeżeli nie ma

możliwości założone usytuowanie to należy przeprowadzić nowy podział z możliwie równymi poszczegól-

nymi polami.

2.5 Wymiary konstrukcji na dach spadzisty

Na rysunku numer 4 widoczna jest konstrukcja pod kolektory słoneczne na dach skośny wraz z zazna-

czonymi podstawowymi odległościami. Dokładne dane wielkości konstrukcji dla poszczególnych rodzajów

kolektorów słonecznych oraz ich różnej ilości zostały przedstawione w tabeli numer 5.

Rys.4 – Widok konstrukcji pod kolektory słoneczne na dach skośnywraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami

11

Tab.5 – Wymiary podstawowych odległości dla konstrukcji na dach skośny dla poszczególnych kolektorów słonecznych

Tab.6 – Szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów słonecznych

W tabeli 5 zostały zamieszczone szerokości konstrukcji wsporczej (wymiar poprzeczny), jednak nie jest to

wymiar całkowity baterii kolektorów, ponieważ kolektor wystaje nieco poza profil poprzeczny. Szerokość

baterii jest sumą wymiaru poprzecznego kolektorów oraz odległością między kolektorami, w tabeli

numer 6 zostały przedstawione szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów.

A

Profil poprzecznyWymiar

Typ kolektora

Typ kolektora

1 kolektor

2 kolektory

3 kolektory

1 kolektor

2 kolektory

3 kolektory

1 kolektor

2 kolektory

Typ kolektora

B

Między profilamiwzdłużnymi

C

Profil wzdłużny

1000 mm

2000 mm

3000 mm

1200 mm

2400 mm

3600 mm

1400 mm

2800 mm

G4+, GA4, GAK2.0

900 mm

1100 mm

2 x 1100 mm

GA5, GAK2.5

1000 mm

1200 mm

2 x 1200 mm

GAK3.0

1200 mm

1400 mm

2070 mm

2070 mm

2070 mm

2170 mm

2170 mm

2170 mm

2170 mm

2170 mm

Typ kolektora 1 kolektor 2 kolektory 3 kolektory

G4+, GA4, GAK2.0 1007 mm 2094 mm 3181 mm

GA5, GAK2.5

GAK3.0

1206 mm 2492 mm 3778 mm

1406 mm 2892 mm 4378 mm

12

2.6 Wytyczne dotyczące montażu kolektorów na dachu płaskim

Kolektory słoneczne ustawia się z nachyleniem między 30° a 45° do powierzchni na specjalnych konstruk-

cjach. Podczas instalacji kolektorów w rzędach na dachu lub innej płaskiej powierzchni, jeden za drugim,

należy zwrócić uwagę na zachowanie odpowiedniej odległości między nimi. Odpowiednio dobrana odległość

między rzędami eliminuje wzajemne zacienianie się kolektorów, które zmniejszałoby sprawność całego

systemu solarnego.

Do obliczenia odległości między rzędami kolektorów należy wyznaczyć kąt wysokości słońca β,

wyznaczony dla grudnia. Kat tez jest zależny od szerokości geograficznej miejsca montażu instalacji.

Wyznacza się go:

β=90-23,5-szerokość geograficzna

Tab.7 – Wartości kąta β dla miast wojewódzkich

Rys.5 - Padanie promieni słonecznych na rzędy kolektorów

Miasto MiastoSzerokość

geograficznaSzerokość

geograficznaWartośćkąta β

Wartośćkąta β

13

Białystok

Bydgoszcz

Gdańsk

Gorzów Wielkopolski

Katowice

Kielce

Kraków

Lublin

Łódź

53°07' 53°47'

53°07' 50°40’

54°22’ 52°17’

52°44’ 50°02’

50°15’ 53°26’

50°53’ 53°02’

50°03’ 52°13’

51°14’ 51°06’

51°47’ 51°56’

13,38

13,38

12,13

13,77

16,25

15,62

16,45

15,27

14,72

Olsztyn

Opole

Poznań

Rzeszów

Szczecin

Toruń

Warszawa

Wrocław

Zielona Góra

12,72

15,83

14,22

16,47

13,07

13,47

14,28

15,40

14,57

Odstęp L między rzędami kolektorów oblicza się ze wzoru:

Wysokość kolektora h wynosi:

GAK2.0 - usytuowanie pionowe h = 2,06m; poziome h=1,06m

GAK2.5 –usytuowanie pionowe h = 2,11m; poziome h=1,21m

GAK3.0 –usytuowanie pionowe h = 2,11m; poziome h=1,41m

W tabeli numer 8 przedstawiono odległości między rzędami kolektorów GAK2.0 (które są prawdziwe

także dla kolektora G4+, ze względu na takie same wymiary), GAK2.5 (GA5) oraz GAK3.0 dla usytuowania

poziomego i pionowego dla różnych wartości kąta wysokości słońca β oraz kąta nachylenia α.

Ponieważ kąt padania promieni słonecznych przyjęty do obliczeń (23,5°) jest wartością słuszną dla mie-

siąca grudnia, obliczone odległości między rzędami kolektorów są wartościami gwarantującymi, że przez

cały rok nie wystąpi zacienianie wzajemnie kolektorów. Jednak instalacja solarna w okresie zimowym

zapewnia nieznaczne pokrycie, warto więc przeanalizować, czy przy niewystarczającej ilości miejsca na

dachu nie zmniejszyć rozstawu baterii dla uniknięcia dodatkowych kosztów instalacyjnych dla ich montażu

w innym miejscu.

Dla instalacji, które będą pracowały sezonowo rozstaw baterii kolektorów obliczamy również ze wzoru

2.4, jednak wartość kąta padania promieni słonecznych β obliczamy ze wzoru:

gdzie:

X – najniższy kąt padania promieni słonecznych dla dnia okresu zakładanej pracy układu solarnego.

W tab. 9 znajdują się wartości kąta padania promieni słonecznych β dla równonocy oraz przesilenia letniego:

β = 90 - X - szerokość geograficzna

Tab.9 - Wartości kąta β dla miast wojewódzkich dla 22 VI, 21 III, 23 IX.

Miasto MiastoSzerokość

geograficznaSzerokość

geograficznaWartośćkąta β

Wartośćkąta β

Białystok

Bydgoszcz

Gdańsk

Gorzów Wielkopolski

Katowice

Kielce

Kraków

Lublin

Łódź

53°07' 53°47'

53°07' 50°40’

54°22’ 52°17’

52°44’ 50°02’

50°15’ 53°26’

50°53’ 53°02’

50°03’ 52°13’

51°14’ 51°06’

51°47’ 51°56’

13,38

13,38

12,13

13,77

16,25

15,62

16,45

15,27

14,72

Olsztyn

Opole

Poznań

Rzeszów

Szczecin

Toruń

Warszawa

Wrocław

Zielona Góra

12,72

15,83

14,22

16,47

13,07

13,47

14,28

15,40

14,57

14

35

40

45

50

35

40

45

50

35

40

45

50

35

40

45

50

35

40

45

50

35

40

45

50

6,89

7,21

3,14

3,35

3,55

3,71

6,25

6,68

7,06

7,39

3,58

3,83

4,05

4,24

6,25

6,68

7,06

7,39

4,17

4,46

4,72

4,94

6,1

6,52

6,33

2,8

2,97

3,13

3,26

5,57

5,92

6,22

6,48

3,19

3,39

3,57

3,72

5,57

5,92

6,22

6,48

3,72

3,95

4,16

4,33

5,43

5,78

6,08

4,93

5,22

5,46

5,66

2,54

2,68

2,81

2,91

5,05

5,34

5,59

5,8

2,9

3,06

3,21

3,32

5,05

5,34

5,59

5,8

3,38

3,57

3,74

3,87

4,54

4,77

4,97

5,13

2,34

2,46

2,56

2,64

4,65

4,89

5,09

5,26

2,67

2,8

2,92

3,02

4,65

4,89

5,09

5,26

3,11

3,27

3,4

3,51

3,96

4,12

4,25

4,36

2,04

2,12

2,19

2,24

4,05

4,22

4,36

4,46

2,32

2,42

2,5

2,56

4,05

4,22

4,36

4,46

2,71

2,82

2,91

2,98

2,89

3,02

3,14

3,22

2,48

2,59

2,69

2,77

4,32

4,52

4,69

4,82

2,27

2,36

2,42

4,32

4,52

4,69

4,82

4,42

4,58

4,71

2,17

4,22

Typ kolektora

15 17,5 20 22,5 25 27,5

Odstęp rzędów kolektorów l [ m ]

Kąt wysokościsłońca β

Kąt nachyleniaα

GAK2.0 usytuowanie

pionowe

GAK2.0 usytuowanie

poziome

GAK2.5 usytuowanie

pionowe

GAK2.5 usytuowanie

poziome

GAK3.0 usytuowanie

pionowe

GAK3.0 usytuowanie

poziome

Tab.8 - Odległości między rzędami kolektorów

2.7 Wymiary konstrukcji na dach płaski lub płaską powierzchnie

Na rysunku numer 6 widoczna jest konstrukcja pod kolektory słoneczne na dach płaski lub inną płaską

powierzchnie wraz z zaznaczonymi podstawowymi odległościami. Dokładne dane wielkości konstrukcji dla

poszczególnych rodzajów kolektorów słonecznych oraz ich różnej ilości zostały przedstawione w tabeli nr 10.

W tabeli 10 zostały zamieszczone szerokości konstrukcji wsporczej (wymiar poprzeczny), jednak nie jest to

wymiar całkowity baterii kolektorów, ponieważ kolektor wystaje nieco poza profil poprzeczny. Szerokość

baterii jest sumą wymiaru poprzecznego kolektorów oraz odległością między kolektorami (ok. 80 mm),

w tabeli numer 6 zostały przedstawione szerokości całkowite baterii dla poszczególnych kolektorów.

Rys. 6 - Widok konstrukcji pod kolektory słoneczne na dach płaski lub inną płaską powierzchnięwraz zaznaczonymi podstawowymi odległościami

2.8 Określenie przepływu przez instalację kolektorów słonecznych

Objętościowy strumień czynnika obiegowego (roztwór glikolu propylenowego) w znacznym stopniu

wpływa na charakterystykę pracy całej instalacji solarnej. Przy stałym nasłonecznieniu większy strumień

czynnika przez instalację kolektorów wpłynie na obniżenie różnicy temperatur zasilania i powrotu, jednak

zwiększy zużycie energii przez pompę zasilającą. Natomiast niższy strumień objętościowy powoduje

zwiększenie różnicy temperatur, przez co wzrasta średnia temperatura kolektora, wynikiem czego jest

odpowiednio niższa sprawność kolektora.

16

Wym

iar

Typ

ko

lekt

ora

Typ

ko

lekt

ora

Typ

ko

lekt

ora

1 k

ole

kto

r

2 k

ole

kto

ry

3 k

ole

kto

ry

1 k

ole

kto

r

2 k

ole

kto

ry

3 k

ole

kto

ry

1 k

ole

kto

r

2 k

ole

kto

ry

A

Mię

dzy

sto

pka

mi

20

00

mm

10

00

mm

90

0 m

m2

07

0 m

m1

33

0 m

m

20

00

mm

20

00

mm

11

00

mm

20

70

mm

13

30

mm

20

00

mm

30

00

mm

2 x

11

00

mm

20

70

mm

13

30

mm

20

00

mm

12

00

mm

10

00

mm

21

70

mm

13

30

mm

20

00

mm

24

00

mm

12

00

mm

21

70

mm

13

30

mm

20

00

mm

36

00

mm

2 x

12

00

mm

21

70

mm

13

30

mm

G4

+, G

A4

, GA

K2

.0

GA

5, G

AK

2.5

GA

K3

.0

20

00

mm

14

00

mm

12

00

mm

21

70

mm

13

30

mm

90

0 m

m

11

00

mm

2 x

11

00

mm

10

00

mm

12

00

mm

2 x

12

00

mm

12

00

mm

2 x

12

00

mm

20

00

mm

28

00

mm

2 x

12

00

mm

21

70

mm

13

30

mm

Mię

dzy

sto

pka

mi

Pro

fil p

op

rzec

zny

Mię

dzy

pro

fila

mi

wzd

łużn

ymi

Pro

fil w

zdłu

żny

Kąt

ow

nik

wsp

orc

zy

B

C

ED

Tab

.10

- W

ymia

ry p

od

staw

ow

ych

od

legł

ośc

i dla

ko

nst

rukc

ji n

a d

ach

pła

ski l

ub

inn

ą p

łask

ą p

ow

ierz

chn

ie d

la p

osz

czeg

óln

ych

ko

lekt

oró

w s

łon

eczn

ych

Zalecany przepływ przez kolektory na metr kwadratowy absorbera wynosi odpowiednio:2

GAK2.0 - 60 l/h*m2

GAK2.5 - 48 l/h*m2GAK3.0 - 40 l/h*m

Wskazane przepływy są orientacyjne, jednak nie powinny zbytnio odbiegać od zalecanych wartości.

Zbytnie obniżenie przepływu może spowodować przejście z przepływu turbulentnego do laminarnego przez

kolektor, co skutkować będzie zmniejszeniem odbioru ciepła. Podwyższenie przepływu wpłynie na zwię-

kszone zużycie energii przez pompę obiegu solarnego.

2.9 Rodzaje przepływów czynnika obiegowego przez układ solarny

Ponieważ zalecane przepływy przez instalację solarną są wartościami orientacyjnymi, można je poddać

pewnej optymalizacji na etapie projektu. Podczas przepływu roztworu glikolu przez instalację solarną

rozróżniamy dwa zakresy prędkości :

• High-Flow – dla małych instalacji (domy jednorodzinne) – zależny od budowy kolektora, waha się od 2

35 do 80 l/h x m powierzchni kolektora.

• Low-Flow – dla dużych instalacji solarnych – dobierany indywidualnie do konkretnej instalacji w 2

zakresie od 25 do 40 l/h x m powierzchni kolektora.

18

Rodzaj przepływu ZastosowaniePrzepływ l/h x m2

duże instalacje

małe instalacje, domki jednorodzinne

HIGH-FLOW

LOW-FLOW

35 – 60

25 -40

Tab. 11 – Rodzaje przepływu czynnika przez instalację solarną

Natężenie przepływu High-Flow sprawdza się już w instalacjach średnich, a w instalacjach dużych

możliwe jest jeszcze dalsze zmniejszenie wskaźnika natężenia przepływu nawet do 15 l/h na każdy metr

kwadratowy powierzchni kolektora. Optymalny dobór natężenia przepływu możliwy jest jedynie z

wykorzystaniem programów komputerowych.

Natężenie przepływu Low-Flow w dużej instalacji zapewnia wysoką efektywność pracy przy

jednoczesnym zmniejszeniu kosztów inwestycji (średnice przewodów, mniejsza pompa obiegowa, ilość

czynnika grzewczego) oraz eksploatacji (mniejsze obciążenie pompy obiegowej).

2.10 Określenie średnic rur

Kolejnym etapem jest określenie średnic rur podłączeń pola kolektorów. Średnica rurociągu jest wartością

wynikową przepływu objętościowego, prędkości oraz gęstości czynnika obiegowego. Prędkość przepływają-

cego czynnika nie powinna być większa niż 1m/s, jednocześnie nie mniejsza niż 0,4m/s. Średnicę rurociągu

oblicza się ze wzoru:

gdzie:

d – obliczana średnica rurociągu [m]

Q – Przepływ przez projektowany rurociąg [kg/s]

w – prędkość czynnika [m/s]

ρ – gęstość przepływającego czynnika [kg/m3]

Ponieważ przepływ zazwyczaj podany jest w l/s należy tą wartość przeliczyć na kg/s, korzystając ze wzoru:

gdzie:

Q – Przepływ przez projektowany rurociąg [kg/s]

QL – Przepływ przez projektowany rurociąg [l/s]

ρL – gęstość przepływającego czynnika [kg/l]

Tabela numer 12 prezentuje gęstości roztworu glikolu o różnym stężeniu.

30% 1012

40% 1016 1,020

50% 1020 1,025

60% 1024 1,030

70% 1028 1,035

1,015

Stężenie glikoluGęstość roztworu

3kg/m

Gęstość roztworukg/l

Tab.12 – Gęstości roztworów glikolu

19

2.11 Wymiarowanie naczynia wzbiorczego dla instalacji solarnej

Ze względu na zmienną temperaturę pracy instalacji solarnej w systemie występują wahania ciśnienia.

Aby przyrosty te nie wpływały negatywnie na prace układu niezbędne jest zastosowanie naczynia wzbior-

czego. Aby dobrać odpowiednią objętość naczynia przeponowego można posłużyć się wzorem:

gdzie:

Vnw – obliczeniowa pojemność naczynia wzbiorczego

V – pojemność wodna całej instalacji

k – ilość kolektorów słonecznych

g – pojemność wodna kolektora

P- ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa

H – wysokość statyczna instalacji

Dla otrzymanej wartości należy dobrać naczynie wzbiorcze większe, najbliższe w typoszeregu danego

producenta. Jeżeli nie istnieje naczynie o wymaganej objętości, należy zaprojektować układ z odpowiednią

ilością naczyń mniejszych, tak aby ich suma objętości była większa od obliczeniowej.

2.12 Opory przepływu w rurociągach

Dobierając pompę do instalacji solarnej należy także zwrócić uwagę na straty ciśnienia wywołane prze-

pływem przez rurociągi zasilające i powrotne. Opory te są zależne od długości instalacji, występowania strat

miejscowych (kolanek, trójników), przepływu oraz chropowatości rurociągu.

2.13 Wymiarowanie wymiennika w obwodzie glikol – woda

Ponieważ na etapie wymiarowania wymiennika glikol – woda strumień czynnika przepływającego przez

układ solarny jest już znany, możliwe zatem jest oszacowanie strumienia wody przepływającego przez wy-

miennik. Energia dostarczana do wymiennika z układu solarnego powinna być taka sama jak energia odbie-

rana przez układ wodny. Przy założeniu zatem, że wymiennik ma sprawność równą 100%, różnica tempe-

ratur na wlocie i wylocie z wymiennika dla obu obiegów jest taka sama, a więc różnica przepływów będzie

wynikała tylko z różnicy ciepła właściwego wody oraz roztworu glikolu.

20

-15°C 4,00

-20 C° 3,97

-25 C° 3,94

-30 C° 3,91

-35 C° 3,89

Roztwór glikoluCiepło właściwe

cw [kJ/kgK]

Glikol propylenowy – 3,6 kJ/kgK

Woda – 4,19 kJ/kgK

zatem:

Strumień glikolu w instalacji jest 1,16 razy większy niż strumień wody przepływającej przez wymiennik.

Dla roztworu glikolu i wody w obiegu solarnym ciepło właściwe mieszaniny będzie nieco inne. W tabeli

zostały przedstawione wartości ciepła właściwego w zależności od temperatury zamarzania roztworu:

21

Aby uzyskać odpowiedni stopień niezamarzania glikolu propylenowego należy go rozmieszać w odpowie-

dnich proporcjach, co prezentuje tabela numer 14:

Masa koncentratu Objętość koncentratu Objętość wody

- 35 °C 5,3 kg 5,1 l 4,9 l

- 30 °C 4,9 kg 4,7 l 5,3 l

- 25 °C 4,4 kg 4,2 l 5,8 l

- 20 °C 3,9 kg 3,7 l 6,3 l

- 15 °C 3,4 kg 3,3 l 6,7 l

Temperaturazamarzania

Tab. 14 – Proporcje mieszania glikolu dla uzyskania odpowiedniej temperatury zamarzania.

Tab.13 – Ciepło właściwe roztworu glikolu

Moc wymiennika należy obliczyć według powierzchni kolektorów, przyjmując 570 W/m2 (nie jest to

maksymalna moc kolektorów wg EN 12 975). Temperaturę czynnika solarnego na wylocie z wymiennika

należy przyjąć około 20°C. Temperatura wody dopływającej do wymiennika powinna wynosić około:

10°C – jeżeli zasilany jest zbiornik z c.w.u.

15°C – jeżeli zasilany jest zbiornik buforowy

Logarytmiczna różnica temperatur między wodą zasilającą wymiennik a roztworem glikolu

wypływającego z wymiennika powinna wynosić 5-6 K.

2.14 Wymiarowanie wymiennika w obwodzie woda – woda

Jeżeli w systemie występuje zbiornik buforowy to często między tym zbiornikiem a zbiornikiem ciepłej

wody użytkowej jest zainstalowany wymiennik. Moc tego wymiennika powinna być dobrana tak, aby

możliwe było pokrycie połowy szczytowego godzinnego zapotrzebowania na c.w.u. Temperatura dopływa-

jącej wody po stronie c.w.u. wynosi 10°C, natomiast temperatura na wylocie z wymiennika po stronie wody

grzewczej powinna wynosić ok 15°C. Logarytmiczna różnica temperatur między wodą zimną zasilającą

wymiennik a wodą wypływającą z wymiennika powinna wynosić 5-6 K.

22

3 Uzysk energetyczny dużej instalacji solarnej - symulacja

Na rynku istnieją profesjonalne programy do symulowania pracy instalacji solarnych. Wpisując miejsce,

rodzaj instalacji, kąt ustawiania, usytuowanie wzg. stron świata oraz ilość kolektorów, a także pojemność

zbiorników, otrzymujemy symulację sprawności i uzysku energetycznego układu solarnego. Możliwe jest

także oszacowanie ograniczenia emisji szkodliwych substancji do otoczenia.

Poniżej znajduje się symulacja pracy instalacji solarnej:

Projekt:Solar zwyczajny

Lokalizacja: Warszawa, szer. geograficzna: 52,2°

Kolektor: 135,10 m2 - G4+

Charakterystyka: c0 = 0,857, c1 = 3,894 W/(m2K), c2 = 0,0012 W/(m2K˛)

Pochyłość: 45,0°, Azymut: 0,0°

Typ instalacji: Kaskada

Zasobnik 1: 2000 litr, Temp. min. 54°C (Boiler)

Zasobnik 2: 2000 litr, Temp. max. 75°C (Zasobnik solarny)

Zapotrzebowanie ciepła: 366,35 kWh/dzień = 7000 Litrów/dzień z 10°C na 55°C

23

2Przeciętny roczny zysk kolektora 447 kWh/m

Styczeń 933 3031 10545 8 31

Luty 2131 5662 8635 20 38

Marzec 4541 10677 7043 40 43

Kwiecień 6808 15253 4487 61 45

Maj 9111 20908 2708 79 44

Czerwiec 8639 18803 2750 78 46

Lipiec 8580 18050 3145 75 48

Sierpień 7776 15662 3922 68 50

Wrzesień 6490 13288 4793 59 49

Październik 3180 6518 8349 28 49

Listopad 1290 3245 9822 12 40

Grudzień

Suma

873 2575 10231 8 34

Zysk solarny Miesiąc Napromieniow.Energia

konwencjonalnaStopieńpokrycia

Sprawność

60353 133672 76431 45 45

Rys.7 – Symulacja stopnia pokrycia instalacji solarnej

Rys.8 – Symulacja napromieniowania, mocy systemu oraz temperatury.

24

Napromieniowanie na kolektor

Rysunek 7 prezentuje wykresy sprawności systemu solarnego oraz stopień pokrycia. Jak widać stopień

pokrycia instalacji oscyluje wokół 45%. Średnioroczna sprawność systemu jest na podobnym poziomie.

Na rysunku numer 8 widoczne są zmiany temperatury, mocy systemu oraz nasłonecznienia w okresie

jednego roku. Dla każdego miesiąca można odczytać statystyczny poziom promieniowania słonecznego

na kolektor, odpowiadająca temu moc systemu solarnego oraz temperatury zasobnika.

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

700

600

500

400

300

200

100

000

2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 2 – Zależność mocy kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika

i temperatury zewnętrznej oraz nasłonecznienia

2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 1 – Zależność sprawności kolektora słonecznego G4+ do stosunku różnicy temperatury czynnika


0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%

4 Wykresy sprawności i mocy dla poszczególnych kolektorów

Wykresy 1-12 przedstawiają zależności sprawności oraz mocy kolektorów słonecznych w funkcji ilorazu

różnicy temperatur, czynnika i zewnętrznej, do nasłonecznienia.

4.1 Wykresy dla kolektora G4+

spra

wn

ość

mo

c

25

spra

wn

ość

mo

c


26

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

700

600

500

400

300

200

100

000

2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 4 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA4 do stosunku różnicy temperatury czynnika


0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%

Wykres 3 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA4do stosunku różnicy temperatury czynnika


2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]


spra

wn

ość

mo

c

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

900

800

700

600

500

400

300

200

100

000


Wykres 5 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GA5 do stosunku różnicy temperatury czynnika


Wykres 6 – Zależność mocy kolektora słonecznego GA5do stosunku różnicy temperatury czynnika


0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%


27

4.4 Wykresy dla kolektora GAK2.0

spra

wn

ość

mo

c

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%

900

800

700

600

500

400

300

200

100

000

2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W] Wykres 8 – Zależność mocy kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika


Wykres 7 – Zależność sprawności kolektora słonecznego GAK2.0 do stosunku różnicy temperatury czynnika


2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]2(Ti-Ta)/G [°C∙m /W]

28

spra

wn

ość

mo

c


0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%

900

800

700

600

500

400

300

200

100

000






29


spra

wn

ość

mo

c

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

0,00 0,010,020,03 0,040,05 0,060,07 0,080,09 0,10

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

00%

900

800

700

600

500

400

300

200

100

000






30

www.solver.katowice.pl

solverc a t c h t h e s u n

ul. Zagórska 167, 42-600 Tarnowskie Góry

tel. 0048 32 768 31 56, fax: 0048 32 768 31 38

[email protected], www.solver.katowice.pl

folder_projketanci

Documents