Wspomaganie zasilania instalacji c.w.u. i niskotemperaturowych systemów grzewczych (3). Ukryta wydajność

W cyklu artykułów zostanie przedstawiony bardzo tani, ukryty kolektor  słoneczny (UKS), który może zostać wykorzystany do wspomagania zasilania  systemów ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz niskotemperaturowych  systemów ogrzewania.

Analiza wydajności ukrytego kolektora słonecznego została przeprowadzona w oparciu o wyniki symulacji numerycznych. Opracowano model numeryczny kolektora, zabudowanego w części konstrukcji dachu stromego, o powierzchni 7,2 m2 i kącie nachylenia 45° (rys.). Założono, że warstwa wykończeniowa pokrycia wykonana jest z blachy stalowej, nieprofilowanej.

Model

Model powietrza w pustce powietrznej i wody w rurkach UKS opracowano w oparciu o Obliczeniową Dynamikę Płynów. Równania transportu dla układu fizycznego, złożonego z wielu domen, rozwiązano za pomocą pakietu oprogramowania ANSYS CFX [4].

Symulacje numeryczne przeprowadzono dla warunków klimatycznych występujących w Elblągu, w dniu 3 lipca o godz. 11:00 (według typowego roku meteorologicznego [5]) i są one bliskie średnim wartościom występującym w lipcu. Natężenie promieniowania słonecznego, padającego na powierzchnię dachu nachylonego pod kątem 45° i zwróconego na południe, wynosi 739,9 W/m2, co odpowiada temperaturze słonecznej powietrza Tsol = 785°C (dla założonych warunków klimatu).

Współczynnik absorbcji pokrycia dachowego przyjęto 0,75, co odpowiada malowaniu w ciemnym kolorze (np. brązowy). W praktycznych realizacjach, dzięki odpowiedniej fakturze i kolorowi, można osiągnąć wartość współczynnika absorbcji zbliżoną do 0,9, co znacznie zwiększy wydajność kolektora.

Modelowanie

Wykonano serię symulacji numerycznych dla różnych wartości prędkości wody v (m/s) w rurce kolektora. Badano wydajność kolektora dla zakresu prędkości przepływu od 0,001 do 0,15 m/s. Wyniki symulacji numerycznych pozwoliły określić nie tylko wydajność UKS, ale również poznać wpływ przebiegu procesu wymiany ciepła na intensywność przejmowania energii do płynu operacyjnego w rurce kolektora oraz określić optymalną prędkość przepływu płynu.

Jednymi z głównych wielkości charakteryzujących kolektor słoneczny są ilość energii przejmowanej w jednostce czasu Q (J/s) przez wodę w rurce kolektora oraz temperatura wody w wylocie z rurki. Wyniki symulacji potwierdziły przewidywaną zależność (wykres 1) tych wielkości od prędkości przepływu.

Zwiększenie prędkości przepływu wody z 0,001 do 0,15 m/s powoduje znaczny wzrost ilości przejmowanej energii. Mniej oczywistym wynikiem jest tylko nieznaczny spadek temperatury wody w wylocie o około 1°C, przy bardzo znacznym wzroście ilości przejętej energii w jednostce czasu o około 79%. Skutkiem tego jest znaczny wzrost wydajności kolektora (wykres 2) o około 80% wraz ze wzrostem prędkości przepływu wody w rurce. Maksymalną wydajność kolektora uzyskano przy maksymalnej analizowanej prędkości 0,15 m/s i wyniosła ona 0,232.

Wydajność

Jednak można zauważyć, że powyżej prędkości 0,1 m/s następuje już tylko nieznaczny wzrost wydajności UKS. W związku z powyższym można przyjąć, że granicą efektywności technicznej i ekonomicznej jest prędkość przepływu wody wynosząca około 0,11 m/s.

Przedstawiona charakterystyka pracy UKS różni się od charakterystyki pracy tradycyjnych płytowych kolektorów słonecznych nie tylko wartością wydajności. Prędkość przepływu wody w rurkach kolektora  wpływa bardzo mocno na wydajność kolektora (ilość przejmowanej energii), a w bardzo niewielkim stopniu na temperaturę wody w wylocie z rurki. Ma to bardzo duże znaczenie dla możliwych, praktycznych zastosowań UKS.

Zaobserwowana specyfika działania UKS wynika z odmiennego przebiegu procesu wymiany ciepła w kolektorze. Średnie wartości temperatury i prędkości powietrza wylotowego z pustki powietrznej kolektora potwierdzają duży wpływ konwekcyjnej wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią stalowego pokrycia a powierzchnią rurek, przez które przepływa woda, na wydajność kolektora (wykres 3).

Zwiększanie prędkości wody w rurce kolektora powoduje spadek średniej temperatury powietrza w pustce z 64,9°C aż do 53,1°C. Jednocześnie maleje prędkość przepływu powietrza z 0,345 do 0,209 m/s. Świadczy to tym, że poruszające się powietrze w pustce powietrznej przekazuje energię do rurek nie tylko na drodze ciepła, ale również przekazuje znaczną część energii kinetycznej, co powoduje zmniejszenie jego prędkości przepływu.

Prowadzi to do wniosku, że rurki powinny być tak ulokowane w pustce powietrzne, aby ograniczyć turbulencje i zapewnić stosunkowo swobodny przepływ powietrza wzdłuż górnej i dolnej części powierzchni rurki.

Przeprowadzone symulacje numeryczne nie objęły swoim zakresem analizy wpływu długości rurki kolektora na ilość przejmowanej energii. Jednak analizując wyniki wykonanych symulacji oraz mechanizm wymiany ciepła w pustce powietrznej, można oczekiwać, że zwiększanie długości rurek (powierzchni kolektora w połaci dachowej) będzie powodowało zwiększenie ilości pozyskiwanej energii, niewielki wzrost temperatury wylotu wody oraz nieznaczne zmiany wydajności kolektora.

Wnioski

Ukryty kolektor słoneczny jest interesującą alternatywą w stosunku do rozwiązań tradycyjnych. Pomimo znacznie mniejszej wydajności (około 0,23) od kolektorów tradycyjnych, ilość pozyskiwanej energii można prosto zwiększać poprzez zwiększenie powierzchni instalacji. Granicą jest jedynie pole powierzchni połaci dachowej. Ponieważ koszt 1 m2 kolektora nie przekracza 55,00 PLN, UKS może być instalowany na całej powierzchni dachu pochylonej w kierunku zbliżonym do południowego.

Bardzo dużą zaletą ukrytego kolektora słonecznego jest brak negatywnego wpływu na estetykę budynku. Eliminuje to znaczącą barierę architektoniczną zastosowania kolektorów słonecznych.

Wadą UKS jest stosunkowo niska temperatura wody w wylocie z kolektora. Dla przyjętych w symulacjach warunków klimatycznych (temperatura słoneczna około 78°C), maksymalna temperatura wody w wylocie z kolektora wyniosła 41,03°C i zmieniała się bardzo nieznacznie (około 1°C) wraz ze zmianą prędkości przepływu wody w rurce kolektora.

Ogranicza to w pewnym stopniu zakres zastosowań UKS do systemów zasilania niskotemperaturowych magazynów energii, wstępnego podgrzewu ciepłej wody użytkowej oraz wspomagania systemów ogrzewania. UKS może być wykorzystywany przez istniejące systemy ogrzewania i c.w.u. w ten sam sposób jak tradycyjne kolektory słoneczne działające w układzie pętli zamkniętej.

W związku z charakterem przebiegu procesu wymiany ciepła w UKS możliwe jest poprawienie jego parametrów użytkowych. Dotyczy to przede wszystkim temperatury wody w wylocie z kolektora oraz wydłużenia efektywnego czasu pracy. Można to osiągnąć poprzez ograniczenie przepływu powietrza pomiędzy pustkami powietrza (zamkniętymi łatami z podcięciem) oraz zastosowanie materiałów o dużej akumulacyjności cieplnej, np. zastąpienie drewnianej konstrukcji krokwiowej prefabrykowanymi elementami żelbetowymi.

dr hab. inż. Marek Krzaczek

Rys. Geometria modelu ukrytego kolektora słonecznego.

Wykres 1. Zależność ilości przejmowanej energii przez wodę (w jednostce czasu) Q i temperatury wylotu wody Tw od prędkości przepływu wody v w rurce kolektora.

Wykres 2. Zależność wydajności η od prędkości przepływu wody v w rurce kolektora.

Wykres 3. Parametry przepływu powietrza w pustce: a) średnia temperatura powietrza Ta, b) prędkość powietrza wylotowego z pustki vout.

Literatura

[1] Chan, Saffa B., Riffat, Jie Zhu, “Review of passive solar heating and cooling technologies”, “Renewable and Sustainable Energy Reviews” 14 (2010) 781-789.

[2] Materiały firmy Isomax Polska.

[3] Krzaczek M., Kowalczuk Z., “Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings”, “Energy and Buildings”, 43, 823-837, 2011.

[4] ANSYS CFD Program Documentation v.14.5, ANSYS Inc., 2012.

[5] Ministerstwo Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej, „Baza klimatyczna Typowego Roku Meteorologicznego”, Warszawa, 2009.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij