Panouri solare

Capitolul I. Parti scrise

Argumente pentru utilizarea energiei solare

Domeniul cel mai raspandit al utilizarii energiei solare in instalatii il reprezinta cel al producerii de apa calda de consum, deoarece instalatiile de preparat apa calda de consum sunt simple si cu eficienta ridicata, in raport cu alte instalatii similare folosite pentru conversia energiei soalre.

Energia solara reprezinta cea mai impresionanta si sigura sursa de energie. Intr-un interval de 20 de minute, soarele furnizeaza echivalentul consumului energetic anual al omenirii. Pe teritoriul Romaniei, pe o suprafata orizontala de 1m², putem capta anual o cantitate de energie cuprinsa intre 900 si 1450 kWh, dependenta bineinteles si de anotimp. Radiatia medie zilnica poate sa fie de 5 ori mai intensa vara decat iarna. Dar si pe timp de iarna, in decursul unei zile senine, putem capta 4-5 kWh/m²/zi, radiatia solara captata fiind independenta de temperatura mediului ambiant.

Datorita acestor cantitati teoretice mari de energie care sunt inmagazinate de catre radiatia luminoasa si a randamentului de transformare al acestei energii in caldura, instalatiile termice care folosesc energia termica solara sunt deosebit de eficiente avand cateva avantaje care le propun pentru a fi utilizate pentru pentru producerea apei calde:

▪acopera pana la 70% din necesarul dumneavoastra de apa calda;

▪ reduce cu pana la 50% costurile dumneavoastra de incalzire;

▪ beneficiaza de subventii din partea statului;

▪ reprezinta combinatia ideala cu sistemele de incalzire existente;

▪ permite acoperirea unei cote de pana la 100% din necesarul de apa calda cu ajutorul soarelui pe parcursul lunilor de vara;

▪ prin intermediul unor sisteme tehnice inovatoare, permite un montaj facil.

Energia solara are cateva mari avantaje care o prefera surselor conventionale de obtinere a energiei si anume:

▪ Este ecologica. Astfel se reduc emisiile de CO₂ care contribuie la crearea efectului de sera.

▪ Este economica. Functioneaza in baza aceluias raport de pret/calitate ca si o instalatie conventionala de producere a apei calde menajere si incalzire .Sunt generate costuri suplimentare relativ reduse cu montarea simultana a unei instalatii de producere a apei calde.Costul suportat de beneficiarul unui astfel de sistem pentru energie se va diminua cu 70 pana la 100%.

▪ Este durabila. Durata de viata a unui echipament solar este de pana la 30 de ani, gratie utilizarii exclusive a matrialelor rezistente la intemperii.

▪ Este eficienta si autonoma. In mare masura nu este necesara efectuarea de lucrari de intretinere si nu depinde de majorarea pretului energiei obtinute prin surse conventionale.

▪ Instalatiile de producere a apei calde sunt estetice. Designul exterior excelent al captatoarelor solare in combinatie cu postamentul de baza bine studiat al acestora ofera posibilitatea unei instalari tangente pe acoperisuri cu tigla care se armonizeaza din punct de vedere estetic cu orice proiect arhitectural.

Schema si functionarea unei instalatii solare pentru preparat apa calda menajera de consum

Elementele principale ale unei instaltii solare de preparat apa calda sunt, in general, captatoarele solare (CS), schimbatoarele de caldura cu acumulare - boilere (B), schimbatoarele de caldura fara acumulare (SCH), rezervoarele de acumulare (RA) si sursa auxiliara de adaus (SA). De asemenea, in afara captatorului solar, elementul comun tuturor schemelor, cu exceptia celei mai simple variante (varianta sistemului cu termosifon), il constituie instalatia de automatizare, care are rolul de a asigura buna functionare a instalatiilor atat in perioada insorita, cat si in perioada fara soare. Instalatia de automatizare poate fi auxiliara si unui sistem termosifon daca este ceruta prezenta ei de catre complexitatea sistemului, de catre debitele din instalatie si regimul de functionare.

In principal sunt folosite doua tipuri de instalatii care se clasifica dupa tipul circulatiei agentilor termici, si anume:

cu circulatie simpla (termosifon) - caz in care circulatia agentului termic prin instalatia captatorului se realizeaza natural, avand la baza diferenta de densitate dintre apa rece si cea calda. Acest tip este folosit pentru debite mici de apa calda;

cu circulatie fortata - caz in care circuitul este prevazut cu un sau mai multe pompe. Acest tip este folosit atunci cand debitele de apa calda sunt insemnate si nu se poate realiza o circulatie naturala.

Schema cea mai simpla se compune din suprafata de captare (CS) si un boiler (B). Odata cu cresterea capacitatii statiei, instalatiile sunt mai complexe, aparand in circuitul captator - consumator pe langa schimbatoarele de caldura cu acumulare (B) sau fara acumulare (SCH), o sursa de adaos (SA), montata fie in serie fie in paralel, precum si rezervoarele de acumulare a apei calde (AC).

Figura 1. Exemple de scheme de instalatii solare

Primul caz este cel mai simplu exemplu de instalatie compusa dintr-un panou solar, un boiler si un consumator. Urmatoarelor doua scheme le sunt adaugate o sursa de adaos si automatizari pe partea boilerului si a sursei de adaos. In ultimul tip de instalatie boilerul este inlocuit de un schimbator de caldura fara acumulare dar din cauza acestei inlocuiri apare un rezervor de acumulare a apei calde.

In figura de mai jos este reprezentata o statie solara simpla, care cuprinde captatoarele solare plane 1, un boiler vertical 2, conductele circuitului primar 3,4, conductele circuitului secundar 5,6, un vas de expansiune 7 cu o supapa de siguranta si aerisire 8 si o supapa de sens 9.

Figura 2. Instalatie de preparat apa calda menajera cu ajutorul panourilor solare

Instalatia functioneaza astfel: energia solara este transmisa apei din captator care pe masura ce se incalzeste este dirijata spre serpentina din boiler, unde cedeaza caldura, se raceste, dupa care se intoarce la captator pentru reincalzire si reluarea circuitului. Circulatia apei intre captator si schimbatoare este asigurata de presiunea termica , unde ρ_r si ρ_c sunt densitatile apei reci si calde, iar h distanta pe verticala intre captator si serpentina din boiler. Admisia apei reci in boiler, precum si dirijarea apei calde la consumator este asigurata de presiunea existenta in reteaua de apa rece.

Intr-un ciclu de 24 de ore instalatia poate astfel:

In prima jumatate a zilei, apa din circuitul primar se incalzeste si este acumulata in schimbatorul de caldura, iar distributia apei calde din circuitul secundar la consumator se face prin introducerea de apa rece pe la partea inferioara a serpentinei si iesirea de apa calda pe la partea superioara.

In a doua jumatate a zilei, apa din circuitul primar continua acelasi traseu (captatoare-schimbator si retur), iar distributia apei calde la consumator se face prin introducerea de apa rece pe la partea inferioara a serpentinei si eisirea apei calde la partea mediana a serpentinei. Apa din jumatatea superioara a schimbatorului ramane calda si se mentine astfel stratificata pana a doua zi.

In primele ore ale diminetii (pana la intrarea in regim normal de lucru a instalatiei), se poate consuma apa calda acumulata din zona superioara, prin racordarea serpentinei schimbatorului la cele doua capete extreme (partea inferioara si superioara)

Capitolul II. Calculul, dimensionarea si alegerea echipamentelor

Calculul necesarului de apa calda menajera

Datele necesare care se presupun cunoscute si care vor fi necesare calculelor se vor introduce in momentul in care vor fi necesare (ex. numarul de persoane din apartament, bateriile alimentate cu apa calda etc.).

Am considerat ca de la instalatia solara de incalzire a apei se vor alimenta 4 consumatori:

o chiuveta

un dus flexibil

un lavoar

un spalator circular

Metoda 1 de calcul (ARTECNO - Instalatii sanitare) cu ajutorul debitelor specifice

Debitele de apa consumate la diferite armaturi montate la obiectele sanitare din cladiri, au un caracter aleator. Aceasta se datoreaza frecventelor de utilizare, simultaneitatilor in functionare si duratelor de utilizare, diferite de la o armatura la alta.

Debitul de calcul q_c care mai este folosit si pentru dimensionarea conductelor de distributie a apei reci si calde pentru consum menajer, se determina cu relatia:

(1)

in care:

q_mz este debitul mediu zilnic de apa [l/s]

y - cuantila distributiei de repartitie normala.

Cuantila distributiei de repartitie normala este in functie de gradul de asigurare a necesarului de apa. Astfel, pentru cladiri prevazute cu instalatii interioare de alimentare cu apa rece si cu apa calda, perparata centralizat sau cu incalzitoare instantanee cu gaz sau electrice, se aplica un grad de asigurare de 99%, caruia ii corespunde y=2.326.

Debitul mediu zilnic care mai este folosit si pentru dimensionarea conductelor exterioare de distributie a apei reci si calde din ansamblurile de cladiri de locuit, se stabileste cu relatia:

[l/s] (2)

in care:

n este numarul armaturilor de acelasi fel, care asigura alimentarea cu apa;

q_s - debitul specific al unei armaturi [l/s]

q_sp - debitul specific pentru 1 persoana [l/s*pers]

q_sa - debitul specific pentru 1 apartament [l/s*ap]

N_a - numarul mediu de persoane la 1 apartament;

n_oz - numarul mediu de ore pe zi de utilizare a apei care, pentru cladirile de locuit, este de 19 h/zi;

q_sz - necesarul specific de apa pe zi [l/zi*pers]; in tabelul 1 sunt prezentate necesarurile specifice de apa rece si de apa calda in functie de destinatia cladirilor.

iar

[l/s*ap] (3)

Am presupus ca sistemul instalatiei solare pentru preparat apa calda de consum va alimenta patru baterii, una in bucatarie iar celelalte trei in baie.

Apa calda va alimenta urmatoarele tipuri de baterii, pentru care se iau din tabelul 2 debitele specifice si echivalentii de debit corespunzatori fiecarui tip de consumator:

o chiuveta DN15 q_s1=0.20 [l/s] e₁=1

un dus flexibil DN15 q_s2=0.10 [l/s] e₂=0.5

un lavoar DN15 q_s3=0.07 [l/s] e₃=0.35

un spalator circular DN15 q_s4=0.10 [l/s] e₄=0.5

Vom considera ca un apartament are un numar mediu de persoane de 3, astfel vom considera in calcule N_a=3.

Pentru elementele de circuit alese, se calculeaza debitul specific pentru 1 apartament [l/s*ap] (q_sa) folosind relatia (3).

[l/s*ap] (3)

Pentru a calcula debitul mediu zilnic (q_mz) cu ajutorul formulei (2) se cunosc :

n_oz =19;

valoarea q_sz este aleasa din tabelul 1, pentru cladiri de locuit (pentru 1 persoana pe zi) si apartament cu closet, lavoare, cada de dus si spalator si este egal cu 80 [l/z*pers].

[l/s] (4)

Debitul de calcul q_c se va afla din formula (1) si va fi egal cu:

[l/s] = 900 [l/h] (5)

Metoda 2 de calcul (ARTECNO - Instalatii sanitare) cu ajutorul echivalentilor de debit

Pentru aflarea debitului de calcul de mai poate aplica urmatoarea formula valabila pentru cladirile de locuit si caminele de nefamilisti:

[l/s] (6)

in care:

E - suma echivalentilor punctelor de consum care se calculeaza cu formulele din tabelul 3;

a - coeficient determinat in functie de regimul de furnizare a apei in reteaua de distributie ale carui valori sunt date in tabelul 4;

b - coeficient determinat in functie de felul apei (rece sau calda) ale carui valori sunt date in tabelul 5;

c - coeficient determinat in functie de destinatia cladirii, ale carui valori sunt date in tabelul 6;

Din tabelul 3 se alege formula pentru E. In acest caz, pentru temperatura apei calde de 45 C, E va fi egal cu E₁, unde E₁ este suma echivalentilor bateriilor amestecatoare de apa rece cu apa calda alimentate de conducta respectiva, stabilite cu formula:

(7)

unde:

e_bj este echivalentul de debit pentru o baterii de tip j;

n_bj este numarul bateriilor de acelasi tip j.

Apa calda va alimenta urmatoarele tipuri de baterii, pentru care se iau din tabelul 2 debitele specifice si echivalentii de debit corespunzatori fiecarui tip de consumator:

o chiuveta DN15 e₁=1

un dus flexibil DN15 e₂=0.5

un lavoar DN15 e₃=0.35

un spalator circular DN15 e₄=0.5

Astfel, E₁ va fi egal cu:

(8)

Din tabelul 4 se alege valoarea lui a=0.17 pentru 17 h/zi de furnizare a apei calde, din tabelul 5 se alege valoarea lui b=1 pentru temperatura de 45 C iar din tabelul 6 se alege valoarea lui c=1 pentru cladiri de locuit. Astfel, se calculeaza valoarea debitului de calcul folosind formula (6):

[l/s]=972 [l/s] (9)

Metoda 3 de calcul

Am presupus ca avem de alimentat urmatorii consumatori:

o chiuveta baie

un dus flexibil

un lavoar bucatarie

o masina de spalat

Pentru fiecare din acesti consumatori am ales un timp zilnic de functionare.

Astfel, am considerat ca dusul va fi folosit de o persoana timp de 12 minute pe zi, chiveta timp de 30 de minute pe zi, lavoarul timp de 12 minute pe zi iar masina de spalat o data la 2 zile.

Pentru fiecare baterie am ales un consum mediu de apa calda. Astfel, am considerat ca dusul va consuma 8 litri pe minut, chiuveta 5 litri pe minut, lavoarul 4 litri pe minut iar masina de spalat va consuma la o spalare 40 litri de apa calda (ceea ce inseamna ca va consuma 20 litri pe zi).

Am mai considerat ca in apartament locuiesc 3 persoane.

Aceste date au fost trecute in tabelul 7. Deoarece consumul de apa nu este continuu, iar timpii in care se consuma apa calda (pe durata unei intregi zile) insumeaza aproximativ o ora s-a aproximat consumul total in litri pe ora egal cu consumul total in litri pe zi.

Consumul zilnic al unei persoane se calculeaza inmultind consumul unei persoane [l/min] cu timpul de folosire pentru o persoana [min/zi] iar consumul zilnic a trei persoane (consum total) [l/zi] se obtine inmultind consumul zilnic al unei persoane [l/zi] cu numarul membrilor familiei (in acest caz 3).

Timpul total in care vor funtiona toate bateriile va fi egal aproximativ egal cu o ora (12+30+12 minute/zi) sau 3600 secunde. Astfel, debitul de calcul q_c va fi elgal cu:

[l/s] (10)

Calculul necesarului de caldura

Pentru a putea dimensiona instalatia si a putea alege panourile solare va trebui sa cunoastem cantitatea de caldura pe care apa va trebui sa o absoarba pentru a se incalzi. Pentru aceasta consideram temperatura apei reci de tr=15 C. Apa calda menajera pe care dorim sa o obtinem va avea temperatura t_c=45 C.

Panoul solar va trebui sa ridice temperatura apei cu t=45-15=30 C. Pentru aceasta va fi nevoie de o cantitate de caldura egala cu:

(11)

unde:

- debitul masic de apa rece ce trebuie incalzita in timpul unei zile;

c_p - caldura specifica a apei la o temperatura medie C care este .

Debitul masic de apa se calculeaza cu formula (12), unde densitatea apei este pentru apa la o temperatura medie de 30 C. Debitul volumic a fost calculat mai sus si este 0.25 l/s. Transformandu-l in m³/s vom obtine debitul volumic ca fiind egal cu 0.00025 m³/s.

[kg/s] (12)

Inlocuind in relatia (11) vom obtine necesarul termic:

[kW] (13)

Aceasta caldura este caldura necesara pentru a incalzi toata apa care va fi consumata intr-o zi (q_c calculat in paragraful precedent). Deoarece consumul de apa calda nu este continuu se poate aprecia Q ca fiind masurat in kW/h.

Dimensionarea si alegerea panourilor solare

Se presupune ca un panou solar de 1 m² produce un flux de caldura de 2kW/zi. Astfel, pentru necesarul termic de 30 kW vom avea nevoie de o suprafata a panourilor de 30/2=15 m².

Alegand tipul de panou solar Vitosol 100 s2.5 de la firma Viessmann (oferta de panouri solare pe www.viessmann.co.uk) care are dimensiunile de 1138x2385x102, o suprafata bruta de 2.71 m² si o suprafata neta de 2.5 m² va rezulta un numar de 15/2.5=6 panouri pentru aceasta instalatie.

Dimensionarea si alegerea boilerului

Pentru alegerea boilerului se va tine seama de necesarul termic si de puterea serpentinei iar volumul acestuia se va determina cu formula:

(14)

unde:

P_s - puterea serpentinei in functie de care se alege boilerul din oferta de echipamente disponibile pe piata - din caracteristicile producatorilor.

V - volumul boilerului.

Se alege modelul Eldom 120ES (www.meridianbt.ro) cu un volum de 120 litri si pentru care puterea serpentinei este de 20 kW. Se efectueaza calculul:

[kW] (15)

Aceasta valoare calculata trebuie sa fie mai mare decat necesarul termic calculat cu relatia (11). Aceasta conditie nu este indeplinita (29<30), deci se va relua calculul, alegand un alt model de boiler. Pentru cel de-al doilea ales (modelul Eldom 150ES) cu un volum de 150 litri si cu puterea serpentinei de 20kW se efectueaza iar calculul:

kW (16)

De data aceasta valoarea calculata este mai mare decat necesarul termic, deci boilerul ales este bun.

Dimensionarea si alegerea vasului de expansiune

Pentru alegerea vasului de expansiune se considera ca acesta trebuie sa aiba un litru pentru fiecare kW de putere din circuitul termic. Astfel, pentru un necesar de caldura de 30 kW se va alege un vas de expansiune de 30 litri. De asemenea, pentru panoul solar ales (de la firma Viessmann) acestia recomanda pentru 6 panouri solare Vitosol 300 legate in serie sa se folosesca un vas de expansiune de 25 de litri iar pentru 8 panouri un vas de expansiune de aproximativ 30 de litri. Astfel, valoarea aleasa pentru numarul de litri/kW este verificat.

Un alt mod de calcul pentru dimensionarea vasului de expansiune are la baza urmatoarea formula:

[l] (17)

unde:

e - coeficient de dilatare (e este aproximativ 0.035);

C - capacitatea de apa a sistemului (intre 10 si 20 lt. pentru fiecare kw putere) in acest caz el fiind egal cu 10*30=300;

Pi - presiunea de incarcare initiala (aproximativ 1.5 bar);

Pf - presiunea maxima de functionare (aproximativ 4 bar).

[l] (18)

In acest caz, cand volumul calculat pentru vasul de expansiune este de 25.2 litri se va alege un vas de expansiune de 30 litri.

Capitolul III. Descrierea si motivarea alegerii echipamentelor

Panourile solare

Unul din avantjele unuei instalatii solare pentru prepararea apei calde menajere il reprezinta gama larga de echipamente de unde se pot alege echipamentele necesare instalatiei personalizate.

Din oferta captatoarelor solare disponibile pe piata momentan am ales firma Viessmann, recunoscuta pentru calitatea produselor sale. Astfel, panoul solar ales este modelul Vitosol s25 deoarece ofera cel mai atractiv rapot calitate:cost si are urmatoarele caracteristici, sumarizate in tabelul:

Unul din motivul alegerii acestui tip de panou solar este eficienta optica ridicata a acestuia fata de alte modele din gama sa. Motivatia acestei alegeri o constinuie necesitatea unui randament ridicat in transformarea radiatiei solare in caldura. Aceasta eficienta optica ridicata este necesara mai ales in zonele cu o atmosfera murdara, incarcata de praf deoarece este demonstrat ca in aceste zone eficienta unui captator solar scade cu pana la 40% in prima ora de functionare datorita depunerilor de praf pe suprafata captatorului. Acest inconvenient ar putea fi remediat prin tratarea suprafetei exterioare a panoului cu o solutie antistatica pentru a preveni depunerea prafului.

Lichidul de lucru in serpentina schimbatorului este apa. Din acest motiv panoul nu poate fi folosit si iarna, in aceasta perioada el va trebui golit de apa, printr-un robinet aflat in partea de jos a panoului, pentru a preveni inghetul apei si spargerea conductelor. Varianta alternativa ar fi fost utilizarea unui captator solar cu agent primar etil-glicol care ar fi inlaturat acest neajuns si ar fi putut fi folosit si in perioade in care temperatura ar fi fost mai scazuta. Glicolul este preferat apei deoarece acesta are temperatura de inghet mai scazuta decat a apei iar din acest motiv poate fi utilizat si la temperaturi mai scazute (in perioadele de iarna).

Panoul ales este facut din otel inoxidabil, aluminiu, cupru si dintr-o sticla solara speciala. Nivelurile mari de eficienta pe care aceste panouri le realizeaza se datoareaza folosirii pentru instalatia de absorbtie a radiatiei luminoase a unui invelis Sol-titaniu, tevi integrate si o izolatie termica foarte eficienta.

In imaginea de mai jos sunt reprezentate principalele modalitati de fixare a acestor tipuri de panouri pe acoperisuri. Se observa ca panoul ales Vitosol 100, tipul s se fixeaza direct pe acoperis. De asemenea, mai poate fi montat si in pozitia sugerata la punctul E. De asemenea, este de preferat ca aceste panorui sa fie integrate direct in acoperis.

Boilerul

Boilerul ales are capacitatea de 150 de litri si este produs de firma Eldom, modelul 150ES. Acesta are rezervorul de apa portelanat sau din otel inoxidabil (la cererea clientului) si are in dotare protectie anodica ce confera rezistenta la coroziune si depuneri. Montajul se face numai vertical.

Modelul ales ofera avantajul de a economisi energie electrica pe perioada iernii. Acest lucru este posibil datorita constructiei speciale, care ofera doua alternative in alegerea sursei de caldura: cu ajutorul rezistentelor electrice cu puterea de 1.5-3 kW sau folosind agentul primar de la instalatia de incalzire locala (centrala) sau instalatie cu panouri solare.

In rezervorul de apa al boilerului este instalata o serpentina ca schimbator de caldura. Cand boilerul este conectat la sistemul de incalzire local, serpentina ajuta suplimentar  la obtinerea de apa calda menajera la  parametrii setati.   

Serpentina are astfel dimensionata suprafata incat la o temperatura de 85C a agentului termic primar, puterea consumata pentru incalzirea apei la diferite temperaturi este urmatoarea:

-pentru incalzirea apei de la 10 la 45C - 20 kW

-pentru incalzirea apei de la 10 la 85C - 30 kW

In partea de jos a boilerului se gasesc doua elemente colorate sugestiv ce se vor racorda la instalatie. Cele doua piese de racordare ce se gasesc pe capacul superior al boileruliui se folosesc pentru legarea boilerului la sistemul local de incalzire. Piesele de racord sunt colorate sugestiv pentru a lega corect boilerul la sistemul de incalzire, respectiv rosu pentru agentul cald (intrare ag. termic si iesire acm) si albastru pentru agentul rece (iesire ag.termic si intrare apa rece). Se recomanda montarea unui robinet de trecere, pe conducta de agent primar de la instalatia de incalzire. Cand este in functiune rezistenta electrica a boilerului si nu se doreste a se folosi agentul primar de la instalatia de incalzire, cu ajutorul robinetului puteti stopa alimentarea boilerului.

Caracteristici tehnice