LITERATURA DO ROZDZIAŁU 4
5.2. WYZNACZANIE OPTYMALNEJ POSTACI ŹRÓDŁA CIEPŁA ZAWIERAJĄCEGO KOLEKTORY SŁONECZNE DLA ZAOPATRZENIA ZAWIERAJĄCEGO KOLEKTORY SŁONECZNE DLA ZAOPATRZENIA
W CIEPŁO BUDYNKU MIESZKALNEGO*
Kolektory słoneczne włączone do źródła ciepła pełnią rolę urządzeń wspomagających pracę innych elementów wytwarzających ciepło. Razem z tymi elementami tworzą źródła biwalentne lub multiwalentne. W źródłach tych jeden z elementów pełni rolę podstawową w wytwarzaniu ciepła, pozostałe uzupełniają jego pracę. Efektywne działanie źródła wieloelementowego wymaga jego właściwego ukształtowania. Oznacza to przyjęcie elementów o odpowiednich wielkościach (mocach) nominalnych i właściwego zorganizowania ich współpracy tak, aby można było zaspokoić pojawiające się w ciągu sezonu grzewczego (roku) potrzeby a koszt całkowity wytwarzania ciepła był odpowiednio niski. Pożądane moce nominalne, rodzaj i sposób połączenia elementów zależą od instalacji zasilanych ze źródła.
Źródło dostarcza ciepło do instalacji c.o., układu przygotowania c.w. i ewentualnie instalacji wentylacyjnej. W praktyce wentylacja budynków mieszkalnych związana jest głównie z wentylacją grawitacyjną lub mechaniczną wywiewną, wobec tego odbiory ciepła ograniczają się do dwóch pierwszych z wymienionych - dostarczanie ciepła do podgrzewania powietrza wentylacyjnego odbywa się poprzez instalację co. Istotnymi cechami instalacji odbiorczych, rzutującymi na postać i efektywność pracy źródła ciepła, są moc nominalna i przebieg czasowy zapotrzebowania ciepła. Na kształtowane źródło ciepła wpływa stan ochrony cieplnej budynku i zastosowanie, szczególnie w budynkach o obniżonym zużyciu ciepła, wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej z odzyskiem ciepła i wstępną obróbką powietrza w przeponowym wymienniku gruntowym.
Układ solarny włączony do źródła ciepła służy jedynie do zmniejszenia zużycia pierwotnych nośników energii i to tym istotniejszego w rozpatrywanym momencie czasowym pracy źródła, im zapotrzebowanie ciepła dla co. jest mniejsze od nominalnego.
Wobec tego wydajność nominalną źródła ciepła z kolektorami słonecznymi określać będą elementy źródła spoza należących do układu solarnego. Jeśli nominalne zapotrzebowanie ciepła budynku nie wyznacza wielkości układu solarnego, to powstaje pytanie: jak określić wielkość tych elementów? Jak wyznaczyć moc nominalną pozostałych składników źródła wieloelementowego? Jaki jest wpływ izolacji cieplnej budynku na wielkości optymalne układu solarnego i postać multiwalentnego źródła ciepła?
Istnieją zasady określania wielkości kolektorów słonecznych i zasobników ciepła (Chochowski A., Czekalski D. 1999, Krause T.1999, Meissner R. 2000, Smolec W. 2000, Wiśniewski G., Gołebiowski S., Gryciuk M.: 2001, Zawadzki M. 2003) dla układów solarnych służących do zasilania w ciepło układu do przygotowania c.w. Należy tu jednak podkreślić, że dobowe zużycie lub tygodniowe cykle zużycia c.w. są wielkością prawie stałą w ciągu roku i zależną wprost od ilości mieszkańców budynku, przez co zapotrzebowanie ciepła dla przygotowania c.w. odznacza się istotną przewidywalnością i niezależnością od cech indywidualnych rozpatrywanego budynku. Inaczej jest w przypadku układu solarnego przeznaczonego do współpracy z instalacją c.o. i c.w. I tutaj istnieją wprawdzie wskaźniki pozwalające wyznaczyć wielkości układu solarnego, maja one jednak charakter ogólny. Określenie układu dla konkretnego budynku wymaga uwzględnienia przynajmniej niektórych indywidualnych cech tego budynku.
* autor: Henryk Foit
Politechnika Śląska, Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania redakcja: Cezary Kolasa
Ogólna postać indywidualnego źródła ciepła z kolektorami słonecznymi
Źródło to, w postaci uogólnionej - rys. 5.11, zawiera w sobie: kocioł grzewczy (KG), sprężarkową pompę ciepła (ESPC), kolektory słoneczne (KS) oraz wodne bufory i zasobniki ciepła (ZWC, ZSC), przy czym bufor ZSC występuje w układzie tylko łącznie z KS.
.
ZTR1 PO2 Instalacja
co.
ZSC
PO7
STCZ STCH
ZTR8
DZC PO5
ZTR5 ZTR7
PO6 ZTR2
PO1 KS
PO4 Gel ZWC
PO3
WZ ZTR6
WC ESPC Instalacja
cwu.
ZTR4
ZTR9
ZTR10
KG ZTR11
ZTR3
PO9
Rys. 5.11.
Schemat przykładowego multiwalentnego źródła ciepła.
Legenda:
co.- instalacja centralnego ogrzewania, cw.- instalacja ciepłej wody użytkowej, KS- kolektory słoneczne, ZTR – zawory trójdrogowe, DZC dolne źródło ciepła, STCH, STCZ studnie: chłonna i zasilająca, ESPC
-sprężarkowa pompa ciepła, ZWC- zasobnik cw., Gel – grzałka elektryczna, KG- kocioł grzewczy, PO- pompa cyrkulacyjna, PWZ- woda zimna, WC- wymiennik ciepła.
Poszczególne elementy wybierane są z następujących:
• kotły grzewcze zwykłe gazowe (KGG), olejowe (KGO) kondensacyjne (KGGk),
• pompy ciepła sprężarkowe elektryczne z dowolnym dolnym źródłem ciepła,
• kolektory słoneczne zwykłe lub próżniowe: ciepło pozyskiwane w kolektorach słonecznych gromadzone jest w wodnych buforach ciepła.
Eliminacja któregoś z elementów podstawowych (KG, ESPC, KS) powoduje przekształcenie układu źródłowego do biwalentnego natomiast obecność jednego elementu (KG, ESPC) prowadzi do źródła monowalentnego.
Elementy źródła ciepła w postaci kotła grzewczego (KG) i pompy ciepła (ESPC) występujące w źródle biwalentnym mogą współpracować z sobą w sposób równoległy lub alternatywny. Podobnie jest dla układu KGG i KGGk, zastępującego w układzie ESPC.
W dalszej kolejności przedstawione zostaną główne założenia dotyczące organizacji pracy multiwalentnego źródłą ciepłą (rys. 5.11).
Ogólnie przyjmuje się, że ciepło pozyskiwane w kolektorach słonecznych gromadzone jest w 3-strefowych wodnych buforach ciepła, a czynnik opuszczający kolektory przekazuje niesione przez siebie ciepło do strefy wysoko - lub średniotemperaturowej, zależnie od temperatury jaką posiada. Temperatura strefy wysokotemperaturowej jest wyższa od temperatury wymaganej przez instalację c.o., temperatura strefy średniotemperaturowej jest równa aktualnej temperaturze zasilania dla instalacji c.o., zaś temperatura strefy niskotemperaturowej nie jest wyższa od aktualnej temperatury czynnika powracającego z instalacji c.o. Maksymalna temperatura w zasobniku nie może przekroczyć 95 ºC a minimalna być niższa od 5 ºC. W pierwszej kolejności ciepło z KS przekazywane jest do strefy średniotemperaturowej, jeśli ten obszar bufora nie jest w pełni załadowany, a temperatura strefy pierwszej jest co najmniej równa wymaganej temperaturze strefy średniotemperaturowej, po jej zapełnieniu następuje właściwe zasilanie strefy wysokotemperaturowej.
Czynnik powracający z instalacji wprowadzany jest do najniższej strefy ZSC. Jeśli jednak jego temperatura jest równa co najmniej temperaturze strefy średniotemperaturowej, czynnik kierowany jest do tej strefy. W przypadku podgrzewania c.w. czynnik grzewczy pobierany jest z zasobnika ze strefy górnej, w innej sytuacji ze strefy środkowej. Jeśli temperatura czynnika pobieranego z ZSC jest niewystarczająca (lecz wyższa od temperatury wody powracającej z instalacji), do pracy włącza się w pierwszej kolejności ESPC a następnie, gdy zachodzi taka potrzeba, ewentualnie KG.
Przepływ podgrzewanego czynnika odbywa się szeregowo z ZSC do ESPC. Pompa ciepła i kocioł grzewczy mogą współpracować z sobą w sposób jednoczesny lub alternatywny, zależnie od dolnego źródła ciepła ESPC i rodzaju KG. Przekazywanie ciepła przy jednoczesnej pracy ESPC i KG może odbywać się przy szeregowym połączeniu tych urządzeń.
W celu uzyskania odpowiedniego rozwarstwienia temperaturowego oraz zwiększonego stopnia wykorzystania energii promieniowania słonecznego i korzystniejszych wartości współczynników wydajności cieplnej ESPC, zasobnik ciepłej wody ZWC powinien współpracować z zewnętrznymi wymiennikami ciepła.
Dezynfekcja termiczna układu cw. przeprowadzana będzie w oparciu o ciepło dostarczane z KG lub, jeśli brak go w źródle, przez grzałkę elektryczną Gel.
Zawory trójdrogowe ZTR to głównie zawory przełączające. W określonych rozwiązaniach źródła obecność niektórych zaworów ZTR jest zbędna np. w przypadku, gdy KG jest kotłem niskotemperaturowym, bez ograniczenia temperatury zasilania, niepotrzebny staje się zawór ZTR1. Jeśli przygotowanie cw. odbywa się z pełnym pierwszeństwem- zbyteczny może być ZTR4. W przypadku braku KG w układzie nie wystąpi ZTR2 i ZTR6 itp.
Wyznaczanie źródła ciepła z kolektorami słonecznymi
Przyjęto, że wyznaczenie wielkości elementów źródła ciepła z kolektorami słonecznymi przeprowadzone będzie poprzez jednokryterialną optymalizację z wskaźnikiem w postaci kosztów całkowitych. Możliwe to jest przy użyciu programu komputerowego ,Multiwal’ (Foit H. 1999).
Program ten ogólnie służy do jednoczesnego określenia źródła ciepła i najkorzystniejszej ochrony cieplnej budynku. Podstawowym kryterium wyróżnienia
rozwiązania optymalnego są koszty całkowite dotyczące wszystkich nakładów na uzyskanie wewnątrz ogrzewanych (i wentylowanych) pomieszczeń wymaganych temperatur powietrza i wytworzenie odpowiedniej ilości cw dla rozważanego budynku.
Racjonalne zapotrzebowanie ciepła budynku kształtują:
• rodzaj przegród budowlanych, z uwzględnieniem rodzaju zewnętrznej ich warstwy oraz rodzaju i grubości izolacji cieplnej,
• rodzaj i powierzchnia okien wyposażonych w żaluzje zewnętrzne,
• rodzaj instalacji co.
• rodzaj instalacji wentylacyjnej
Wyznaczenie źródła ciepła oznacza wskazanie rodzaju źródła z podaniem składu i mocy (wielkości) nominalnych elementów składowych w przypadku układów wieloźródłowych. Rodzaj instalacji c.o. określają typ stosowanych grzejników oraz temperatury nominalne wody grzewczej. Jako wentylację można zadać: naturalną, mechaniczną wywiewną oraz mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła poprzez rekuperator i ewentualnie dodatkowo przez pompę ciepła.
W przypadku rozważania źródła multiwalentnego użytkowanie ciepła pozyskanego z KS może się odbywać bezpośrednio lub przez pompę ciepła i wyłącznie bezpośrednio.
Przyjęto krótkoterminową akumulację części pozyskanego ciepła w wodnych zasobnikach ciepła (ZCS).
Program może ustalić wprost stan najkorzystniejszy takich czynników ochrony cieplnej jak: grubości izolacji cieplnej wszystkich zewnętrznych przegród otaczających ogrzewane pomieszczenia budynku (w tym indywidualnie poszczególnych przegród pionowych wyróżnionych co do ich orientacji względem stron świata), pola powierzchni okien w przegrodach pionowych (przyrosty pól powierzchni ponad wartość minimalną).
W stosunku do źródeł biwalentnych i multiwalentnego określa moce (wielkości) nominalne elementów składowych.
Optymalne wielkości dotyczące źródła ciepła i instalacji c.o.
Założono, że źródło ciepła zasila w ciepło instalację c.o. i układ do przygotowania c.w. w wielorodzinnym budynku mieszkalnym, cechującym się przeciętną gęstością zamieszkania i stopniem przeszklenia przegród zewnętrznych. Ponadto przyjęto:
• intensywność wentylacji dla budynków jako jedną wymianę powietrza zewnętrznego w ciągu godziny,
• jednostkową ilość cw. równą 0,060 m3/d/osobę,
• instalację co. jako wodną, wykonaną z miedzi i wyposażoną w grzejniki konwekcyjne (płytowe), temperatury nominalne: t1N/ t2N= 55/45 ºC,
Przedstawiane wyniki odnoszą się do przeciętnych żywotności branych pod uwagę elementów i cen paliw, energii elektrycznej oraz materiałów budowlanych z drugiej połowy 2003 roku. Przyjęto znaczną dotację do kosztów inwestycyjnych KS i ZSC, zależną od rodzaju podstawowych elementów źródła.
Analizowano dwa typy źródła ciepła:
kocioł grzewczy olejowy (KGO), elektryczna sprężarkowa pompa ciepła z dolnym źródłem w postaci wody gruntowej (ESPCw) i układ solarny,
kocioł grzewczy olejowy (KGO) i układ solarny.
W układzie solarnym zastosowano kolektory płaskie z warstwą selektywną (KS).
Na rysunkach 5.12 do 5.15 podano przykładowe wyniki obliczeń wielkości optymalnych dotyczących źródeł ciepła w funkcji stanu ochrony cieplnej budynku, wyrażanego przez średnią wartość współczynnika U przegród zewnętrznych (bez uwzględniania okien) z istniejących kolejno regulacji prawnych. Wartość U=0,22 W/m2K
odpowiada umownie optymalnej ochronie cieplnej, zależnej od stosowanego źródła ciepła.
Wartości dotyczące KS i ZSC podano odpowiednio w m2 pola powierzchni KS w odniesieniu do 1000m3 kubatury ogrzewanej budynku oraz dm3 objętości ZSC przypadających na 1m2 pola powierzchni KS. Pozostałe wielkości wyrażano w wartościach względnych.
10 20 30 40 50 60 70 80 90
1.11 0.71 0.5 0.35 0.22
Wopt
Udział mocy nominalnej ESPC w nominalnej mocy źródła, %
Udział mocy nominalnej KGO w nominalnej mocy źródła, %
Powierzchnia KS płaskich w odniesieniu do 1000 m3 kubatury budynku, m2/1000m3
Objętość ZSC w odniesieniu do
powierzchni KS, dm3/m2
Stopień zaspokojenia rocznych potrzeb cieplnych co. i cwu. bezpośrednio z KS,
% Rys. 5.12.
Wielkości dotyczące optymalnego (Wopt) multiwalentnego źródła ciepła z ESPCw, KGO i KS dla budynku wielorodzinnego w zależności od jego izolacji cieplnej
charakteryzowanej przez średnie U przegród zewnętrznych.
W celu wyznaczenia optymalnej temperatury nominalnej czynnika grzewczego w instalacji c.o., jako jednej z podstawowych cech instalacji, określono przeciętne roczne koszty całkowite pełnej odnowy cieplnej rozważanego budynku obejmującej: źródło ciepła, instalację c.o. i izolację cieplną zewnętrznej powłoki budynku w zależności od parametrów nominalnych instalacji c.o. dla kilku źródeł ciepła – wyniki zawiera rys. 5.14.
Jako uzupełnienie tych wyników na rysunku 5.15 przedstawiono względne nakłady energii chemicznej paliwa w zależności od temperatury nominalnej instalacji co. dla różnych indywidualnych źródeł ciepła Podane na wykresach temperatury t1N= 70, 55, 45, 35 ˚C oznaczają następujące układy temperatury nominalnej instalacji co.: 70/55, 55/45, 45/35, 35/28 ˚C.
W przypadku multiwalentnego źródła ciepła z ESPC obliczenia dla temperatury nominalnej t1N=70 ˚C wykonano po przeprowadzeniu ekstrapolacji charakterystyk katalogowych pomp ciepła do temperatury czynnika wypływającego ze skraplacza równej 70˚C.
Średnia wartość U, W/(m2 K)
Rys. 5.13.
Wielkości dotyczące optymalnego (Wopt) multiwalentnego źródła ciepła z KGO i KS dla budynku wielorodzinnego w zależności od stanu jego izolacji cieplnej
charakteryzowanej przez średnie U
Rys.5.14.
Względne przeciętne roczne koszty całkowite (kc/kcKGO) odnowy cieplnej budynku wielorodzinnego (stan końcowy ochrony cieplnej tożsamy z optymalną izolacją cieplną) w funkcji temperatury nominalnej instalacji co. z grzejnikami konwekcyjnymi dla różnych źródeł ciepła (KGO- kocioł grzewczy olejowy, KGGk- kocioł grzewczy gazowy kondensacyjny, KGG- kocioł grzewczy gazowy, ESPCg- elektryczna pompa ciepła z wymiennikiem gruntowym, KS- kolektory słoneczne).
0.8 0.9 1 1.1
1 2 3 4
kc/kcKGO
KGO KGGk ESPCg KGGk+KGG KGO+ESPCg ESPCg+KGO+KS 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
1,11 0,71 0,5 0,35
Wopt
Udział mocy nominalnej KGO w nominalnej mocy źródła, %
Powierzchnia KS płaskich w odniesieniu do 1000 m3 kubatury budynku, m2/1000m3
Objętość ZSC w odniesieniu do powierzchni KS, dm3/m2
Stopień zaspokojenia rocznych potrzeb cieplnych co. i cwu. bezpośrednio z KS, % Średnia wartość U, W/(m2 K)
Rys. 5.15.
Względny (w stosunku do rozwiązania z KGO) wymagany nakład energii chemicznej paliwa źródeł zaopatrujących w ciepło w budynek wielorodzinnego z optymalną izolacją cieplną z instalacją co. w funkcji. t1N
Podsumowanie
Włączenie kolektorów słonecznych (KS) do źródła zaopatrującego w ciepło instalację co. i cw. wymaga odpowiedniego ukształtowania układu solarnego. Zastosowanie układu solarnego w źródle ciepła z elektryczną sprężarkową pompą ciepła jest mniej opłacalne w porównaniu do źródeł zawierających wyłącznie kotły grzewcze.
Zmiana zapotrzebowania ciepła wywołana zmianą stanu ochrony cieplnej pociąga za sobą znacznie słabszą zmianę wielkości układu solarnego włączonego do źródła ciepła pracującego na potrzeby co. i układu przygotowania cw. W przypadku źródeł ciepła wykorzystujących pompy ciepła najkorzystniejsze, ze względu na koszty całkowite, temperatury nominalne czynnika grzewczego (w instalacji co. wyposażonej w grzejniki konwekcyjne) zbliżone są do 50/40 - 45/35 ºC.
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
70 55 45 35
Temperatura nominalna t1N,oC
%
KGG
KGO
KGGk
ESPC
KGGk+KGG
KGO+ESPC
ESPC+KGO+KS (dla temperatury nominalnej 70 C tylko KGO+KS)
5.3. SAMOWYSTARCZALNY ENERGETYCZNIE PARK WODNY