Θερμοδυναμικά ηλιακά συστήματα σχεδιασμός και προσδιορισμός απόδοσης

Transcript

1 Θερμοδυναμικά ηλιακά συστήματα σχεδιασμός και προσδιορισμός απόδοσης Δρ Αικατερίνη Μπαξεβάνου Μηχ/γος Μηχ/κος, MSc, PhD Επιστημονική Συνεργάτης ΚΕΤΕΑΘ Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 1

2 Δομή παρουσίασης Φυσικό πρόβλημα Αρχή λειτουργίας των θερμοδυναμικών ηλιακών συστημάτων σύγκριση με τους κοινούς ηλιακούς θερμοσίφωνες Εφαρμογές Πρότυπα προσδιορισμού απόδοσης των θερμικών ηλιακών συστημάτων Μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού της απόδοσης των θερμικών ηλιακών συστημάτων Παραμετρική μελέτη Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 2

3 Φυσικό πρόβλημα Παραγωγή ζεστού νερού για χρήση ή θέρμανση εκμεταλλευόμενοι τη διάχυτη ακτινοβολία και τη θερμότητα που υπάρχει στην ατμόσφαιρα Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 3

4 Τι είναι ένα θερμοδυναμικό ηλιακό σύστημα (ΘΔΗΣ) Ένα θερμοδυναμικό ηλιακό σύστημα (ΘΔΗΣ) είναι ένας συνδυασμός ηλιακού συλλέκτη με αντλία θερμότητας Ο ηλιακός συλλέκτης (εξατμιστής) τοποθετημένος έξω, εξασφαλίζει την σύλληψη ηλιακής ενέργειας καθώς και τη θερμότητα από τα άλλα στοιχεία της φύσης: την άμεση και τη διάχυτη ηλιακή ενέργεια τη θερμότητα του εξωτερικού αέρα μέσω φυσικής συναγωγής την επίδραση του ανέμου το νερό της βροχής Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 4

5 Σε τι διαφέρει από τα κοινά ηλιακά συστήματα και τις αντλίες θερμότητας Σύγκριση με συμβατικά ηλιακά συστήματα Το εργαζόμενο μέσο είναι ψυκτικό ρευστό και όχι νερό Η θερμότητα αποθηκεύεται όχι με αύξηση της θερμοκρασίας αλλά με αλλαγή φάσης Απαιτείται πολύ μικρότερο εμβαδό επιφάνειας συλλογής, το βάρος τους είναι σημαντικά χαμηλότερο, απορροφούν θερμότητα και από τις δύο επιφάνειες του συλλέκτη Συνεχίζουνναλειτουργούνακόμακαιότανδενυπάρχειάμεσηηλιακήακτινοβολία (το βράδυ) Έχουν πολύ μικρότερες ανάγκες συντήρησης, δεν υπάρχει φόβος να παγώσουν και να σπάσουν ή να υπερθερμανθούν, ούτε και να φράξουν από άλατα αφού μέσα στο σύστημα δε κυκλοφορεί νερό. Ο χρόνος απόσβεσης κυμαίνεται από 3 έως 5 έτη ενώ οι αντίστοιχοι χρόνοι απόσβεσης των συμβατικών ηλιακών συστημάτων φθάνουν και τα 8 έτη Σύγκριση με αντλία θερμότητας Σε σύγκριση με μια απλή αντλία θερμότητας χρειάζονται πολύ μικρότερο συμπιεστή (το 10% της ισχύος) για αντίστοιχη εφαρμογή και καταναλώνουν ακόμα λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια. Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 5

6 Εφαρμογές ΘΔΗΣ Τα θερμοδυναμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε οποιαδήποτε εφαρμογή χρειαζόμαστε παραγωγή ζεστού νερού χαμηλής θερμοκρασίας (50 60 o C). Έτσι μπορούμε να διακρίνουμε τρεις βασικές εφαρμογές: α) Παραγωγή ζεστού νερού χρήσης για κατανάλωση σε κτίρια β) θέρμανση κτιρίων εφόσον ως σύστημα θέρμανσης χρησιμοποιείται τεχνολογία χαμηλής θερμοκρασίας (fan-coils, ενδοδαπέδια, ενδοτοίχια κλπ) γ) θέρμανση πισίνας ανοιχτού ή κλειστού χώρου. Γενικά όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο τόσο αυξάνεται ο εποχιακός βαθμός απόδοσης. Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 6

7 Συνιστώσες ΘΔΗΣ Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 7

8 Αρχή λειτουργίας ΘΔΗΣ Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 8

9 Πρότυπα υπολογισμού βαθμού απόδοσης ΘΔΗΣ Προσδιορισμός της θερμικής απόδοσης θερμικών ηλιακών συστημάτων Δείκτης: κλάσμα των αναγκών που καλύπτεται από την ανανεώσιμη πηγή solar fraction: f Διαθέσιμα διεθνή πρότυπα: EN , ENV Προσδιορισμόςθερμικήςαπόδοσηςαντλίαςθερμότητας Δείκτης: ετήσιος συντελεστής απόδοσης Seasonal Performance Factor: SPF Διαθέσιμα διεθνή πρότυπα: EN , VDI ΠροσδιορισμόςθερμικήςαπόδοσηςΘΔΗΣ Δεν υπάρχει κοινά αποδεκτός δείκτης Δεν υπάρχουν διαθέσιμα πρότυπα Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 9

10 Διαφορές COP SCOP - SPF COP : ονομαστικός βαθμός επίδοσης ή συμπεριφοράς (Coefficient of Performance) Σύμφωνα με το EN 14511:2007 υπολογίζεται για θερμοκρασία εξωτερικού αέρα 7 o C και θερμοκρασία μέσου 45 ο C SCOP : Μέσος εποχικός βαθμός επίδοσης. Σύμφωνα με το EN 14511:2007 κάθε αντλία θερμότητας πρέπει να συνοδεύεται από την έκδοση πιστοποιητικού απόδοσης λειτουργίαςσεδιάφορεςσυνθήκεςεξωτερικού περιβάλλοντος και θερμικού μέσου, όπως καθορίζονται από τα πρότυπα ΟΚΕΝΑΚδίνειπίνακα(4.5) για τον προσδιορισμό του SCOP. Όμως προσωρινά προτείνει τη χρήση του ονομαστικού COP για τις αντλίες θερμότητας για ενεργειακές μελέτες και ενεργειακές επιθεωρήσεις SPF : Εποχικός βαθμός απόδοσης (Seasonal Performance Factor) Σύμφωνα με τον ΚΕΝΑΚ για αντλίες θερμότητας που σχετίζονται με εκμετάλλευση ήπιων μορφών ενέργειας θα πρέπει να είναι >3.3 Στην ενεργειακή επιθεώρηση συστημάτων κλιματισμού ζητούνται οι συνθήκες λειτουργίας για τον προσδιορισμό του COP καθώς και η τιμή του SPF καιοισυνθήκες λειτουργίας του. Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 10

11 Προσδιορισμός απόδοσης ΘΔΗΣ?? Δείκτης Με την ισχύουσα νομοθεσία (ΚΕΝΑΚ) ο μόνος δείκτης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι ο SPF Θα υπολογιστούν όμως και οι SCOP καθώς και f sol Πρότυπα Ελλείψει προτύπου θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μίξη της μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται για τις αντλίες θερμότητας με τη μεθοδολογία που χρησιμοποιείται για τα θερμικά ηλιακά συστήματα Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 11

12 Από τι εξαρτάται ο SPF Από γεωμετρικά και οπτικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη Από τη θέση και την κλίση του συλλέκτη Από το μέγεθος του δοχείου αποθήκευσης Από τον εναλλάκτη του δοχείου αποθήκευσης Από την περιοχή στην οποία εγκαθίσταται το σύστημα (γεωγραφικό μήκος και πλάτος, μέση ετήσια θερμοκρασία κλπ) Από την εφαρμογή που καλείται να υπηρετήσει Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 12

13 Πως προσδιορίζονται οι δείκτες απόδοσης COP SPF f sol QL Q Q Q Q Q Q L d L par par sa Q L : Το θερμικό φορτίο που παραδίδεται στο χρήστη Q sa :Η θερμική απώλεια αποθήκευσης Q par :Η παρασιτική ενέργεια που καταναλώνεται στο συμπιεστή καταναλωθέν έργο = ηλεκτρική ενέργεια Q d : Ηθερμικήζήτηση Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 13

14 Αρχές σχεδιασμού ΘΔΗΣ Οι εταιρίες παρέχουν ΘΔΗΣ ολοκληρωμένα, συνεπώς ο μελετητής θα πρέπει να είναι σε θέση να εκτιμήσει το εμβαδό των ηλιακών συλλεκτών και το μέγεθος του δοχείου αποθήκευσης Δίνονται γραφήματα για την εκτίμηση των μεγεθών αυτών ανάλογα με τη χρήση, θεωρώντας ότι ο κάθε ηλιακός συλλέκτης έχει εμβαδό 1.6 m 2 Θα πρέπει επίσης να γίνει επιλογή της θέσης των ηλιακών συλλεκτών αλλά και το δοχείου αποθήκευσης, το οποίο συνοδεύεται από το θερμοδυναμικό μπλοκ Ηλιακοί συλλέκτες: Ιδανική θέση είναι σε μη σκιαζόμενο χώρο με νότιο προσανατολισμό και κλίση ίση με το γεωγραφικό πλάτος. Μπορούν όμως να τοποθετηθούν και κάθετα ή σε οποιαδήποτε άλλη θέση εξασφαλίζει την επαφή τους με το εξωτερικό περιβάλλον Δοχείο αποθήκευσης: Συνήθως υπάρχει περιορισμός στο μήκος σωληνώσεων του ψυκτικού ρευστού και έτσι δε μπορεί να τοποθετηθεί πολύ μακριά από τους συλλέκτες. Καλό είναι πάντως να τοποθετείται σε εσωτερικούς χώρους ώστε να μειώνονται οι απώλειες αποθήκευσης Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 14

15 Επιλογές τοποθέτησης ηλιακών συλλεκτών ΘΔΗΣ Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 15

16 Προσδιορισμός αριθμού συλλεκτών και μεγέθους δοχείου αποθήκευσης για παραγωγή ΖΝΧ Αριθμός Ηλιακών Συλλεκτών Μέγεθος δοχείου αποθήκευσης νερού [lt] Θερμικό φορτίο ΖΝΧ [W] Θερμικό φορτίο ΖΝΧ [W] Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 16

17 Προσδιορισμός αριθμού συλλεκτών για θέρμανση Αριθμός ηλιακών συλλεκτών Θερμικό φορτίο για θέρμανση [W] Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 17

18 Μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού απόδοσης Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 18

19 Λογισμικό υπολογισμού απόδοσης Η παραγωγή του λογισμικού προσδιορισμού της απόδοσης έγινε σε δύο φάσεις Λογισμικό με χρήση του ακαδημαϊκού προγράμματος Engineering Equation Solver (EES) για τις ανάγκες Κουπονιού καινοτομίας για τον υπολογισμό της ημερήσιας λειτουργίας Πηγαίος κώδικας σε FORTRAN για τον υπολογισμό της ετήσιας λειτουργίας Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 19

20 Παραμετρική μελέτη Η απόδοση ενός ΘΔΗΣ εξαρτάται από πολλούς παράγοντες μεταξύ των οποίων Εμβαδό διατιθέμενων ηλιακών συλλεκτών Κλίση συλλεκτών Μέγεθος του δοχείου αποθήκευσης Μέγεθος και χρονικό προφίλ της κατανάλωσης Αποδοτικότητα εναλλάκτη/ συμπυκνωτή Προγραμματισμός λειτουργίας Θερμικές απώλειες συστήματος αποθήκευσης Θέση εγκατάστασης της μονάδας Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 20

21 Υπολογισμός f sol για διαφορετικά προφίλ κατανάλωσης και πόλεις Μεταβολή f_sol για σύστημα ΖΝΧ Μεταβολή f_sol για παραγωγή ΖΝΧ f_sol- Στοκχόλμη f_sol-νταβός f_sol- Αθήνα f_sol- Στοκχόλμη f_sol-νταβός f_sol- Αθήνα Ημερήσια κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Ημερήσια κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Όλη η κατανάλωση ΖΝΧ μετά τις 19:00 7:00->40% - 12:00->20% - 19:00-> 40% Σύστημα ΖΝΧ, μέγεθος δοχείου αποθήκευσης 300 lt, εμβαδό συλλεκτών 3.2 m 2 Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 21

22 Υπολογισμός COP για διαφορετικά προφίλ κατανάλωσης και πόλεις Μεταβολή COP για ΖΝΧ COP-Στοκχόλμη COP-Νταβός COP-Αθήνα Ημερήσια Κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Μεταβολή COP για ΖΝΧ COP-Στοκχόλμη COP-Νταβός COP-Αθήνα Ημερήσια Κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Όλη η κατανάλωση ΖΝΧ μετά τις 19:00 7:00->40% - 12:00->20% - 19:00-> 40% Σύστημα ΖΝΧ, μέγεθος δοχείου αποθήκευσης 300 lt, εμβαδό συλλεκτών 3.2 m 2 Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 22

23 Υπολογισμός SPF για διαφορετικά προφίλ κατανάλωσης και πόλεις Μεταβολή SPF για ΖΝΧ Μεταβολή SPF για ΖΝΧ SPF- Στοκχόλμη SPF-Νταβός SPF-Αθήνα SPF- Στοκχόλμη SPF-Νταβός SPF-Αθήνα Ημερήσια Κατανάλωση ΖΝΧ Ημερήσια Κατανάλωση ΖΝΧ [lt] Όλη η κατανάλωση ΖΝΧ μετά τις 19:00 7:00->40% - 12:00->20% - 19:00-> 40% Σύστημα ΖΝΧ, μέγεθος δοχείου αποθήκευσης 300 lt, εμβαδό συλλεκτών 3.2 m 2 Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 23

24 Υπολογισμός SPF για διαφορετικά συστήματα με θερμοκρασιακό έλεγχο λειτουργίας SPF για control έναρξης - παύσης στους 60 C p+180lt+90deg 1p+180lt+30deg 1p+300lt+30deg 2p+500lt+30deg 4p+1000lt+30deg Month Η κατανάλωση είναι 200 lt/day σύμφωνα με το σενάριο Νο3 του EN Ο συμπιεστής σταματά και επαναρχίζει τη λειτουργία του στους 60 o C Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 24

25 Υπολογισμός SPF για διαφορετικά συστήματα με θερμοκρασιακό έλεγχο λειτουργίας 4 SPF για control έναρξης στους 60 C και παύσης στους p-180lt-30deg 1p-300lt-30deg 2p-500lt-30deg Month Η κατανάλωση είναι 200 lt/day σύμφωνα με το σενάριο Νο3 του EN Ο συμπιεστής σταματά και επαναρχίζει τη λειτουργία του στους 60 o C Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 25

26 Υπολογισμός SPF για διαφορετικά συστήματα με θερμοκρασιακό έλεγχο λειτουργίας SPF για control θερμοκρασίας στους 65 C p-180lt-30deg 1p-300lt-30deg 2p-500lt-30deg Month Η κατανάλωση είναι 200 lt/day σύμφωνα με το σενάριο Νο3 του EN Ο συμπιεστής σταματά και επαναρχίζει τη λειτουργία του στους 65 o C Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 26

27 Συμπεράσματα Τα ΘΔΗΣ μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και αποδίδουν ακόμα και σε κλιματικές συνθήκες στις οποίες τα συμβατικά ηλιακά συστήματα αδυνατούν Θα πρέπει να συνοδεύονται από τον υπολογισμό του SPF σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας βάσει των προτύπων Ο προσδιορισμός της πραγματικής τους απόδοσής τους εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και πρέπει να γίνεται κατά περίπτωση Ο σχεδιασμός τους επίσης πρέπει να γίνεται κατά περίπτωση εφόσον η απόδοσή τους δεν εξαρτάται μόνο από τα χαρακτηριστικά του συστήματος, αλλά και από τα χαρακτηριστικά του φορτίου καθώς και τη θέση εγκατάστασης Ο έλεγχος της λειτουργίας των συστημάτων βάσει της θερμοκρασίας του ΖΝΧ μπορεί να τροποποιήσει εντελώς τη συνολική ετήσια απόδοση των συστημάτων Σημαντικός παράγοντας είναι ο χώρος τοποθέτησης του δοχείου αποθήκευσης και η μόνωση αυτού Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 27

28 Ευχαριστώ για την προσοχή σας Λάρισα Οκτωβρίου 2011 TEE Κεντρικής & Δυτικής Θεσσαλίας 28