Κεφάλαιο 4: ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ. 4.1 Φορτίο παραγωγής ζεστού νερού. 4.2 Φορτίο θέρμανσης χώρων κατοικίας. 4.3 Φορτίο κολυμβητικών δεξαμενών

Transcript

1 Κεφάλαιο 4: ΘΕΡΜΙΚΑ ΦΟΡΤΙΑ 4.1 Φορτίο παραγωγής ζεστού νερού 4.2 Φορτίο θέρμανσης χώρων κατοικίας 4.3 Φορτίο κολυμβητικών δεξαμενών 4.4 Βιομηχανικά ενεργειακά φορτία Αναφορές: 1. J. A. Duffie, W. A. Beckmn, Solr Engineering of Terml Processes, Jon Wiley & Sons, NY, J.R. Howell, R.B. Bnnerot, G.C. Vliet, Solr-Terml Energy, McGrw Hill, Σ. Καπλάνης, Ήπιες Μορφές Ενέργειας ΙΙ - Ηλιακή Μηχανική, Ίων, 2004, ISBN:

2 4.1 Φορτίο παραγωγής ζεστού νερού χρήσης Τα περισσότερα συστήματα ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ) σχεδιάζονται να παρέχουν περίπου L νερό την ημέρα ανά άτομο σε θερμοκρασία 60 ο C. Δυστυχώς η κατανάλωση του ΖΝΧ στη διάρκεια της ημέρας δεν συνδέεται καλά με τη διαθεσιμότητα της ηλιακής ακτινοβολίας. Οι χρονικές στιγμές μεγάλης ζήτησης σε κατοικίες είναι νωρίς το πρωί ή αργά το απόγευμα. Για το λόγο αυτό η αποθήκευση της θερμικής ενέργειας είναι απαραίτητη. Πίνακας: ΖΝΧ στη διάρκεια της ημέρας Ώρα Kg/

3 Το ολικό θερμικό φορτίο ισούται με το φορτίο θέρμανσης του νερού συν τις απώλειες δεξαμενής αποθήκευσης και κυκλώματος: L mc T T UA T T W p d s t st T d : θερμοκρασία ΖΝΧ ή στη δεξαμενή αποθήκευσης (60C για τον ηλιακό θερμοσίφωνα) T s: θερμοκρασία δικτύου ύδρευσης T st : θερμοκρασία δεξαμενής αποθήκευσης, δεξαμενή t T: θερμοκρασία περιβάλλοντος κοντά στη UA : συντελεστής θερμικών απωλειών επί την επιφάνεια δεξαμενής αποθήκευσης m : μαζική παροχή ΖΝΧ (προκύπτει από πίνακες ανάλογα τη περίπτωση, 45 L/άτομο για ηλιακό θερμοσίφωνα Πίνακας: Μέση ημερήσια κατανάλωση νερού ανά άτομο για μερικές εφαρμογές Είδος κτηρίου Σχολεία Νοσοκομεία Ξενοδοχεία Γραφεία Γυμναστήρια Κατανάλωση (L)

4 4.2 Φορτίο θέρμανσης χώρων Ο λεπτομερής σχεδιασμός των θερμικών φορτίων κτηρίων γίνεται με διάφορες μεθόδους και είναι αντικείμενο μαθημάτων όπως Κλιματισμός, Θέρμανση-Ψύξη, κ.τ.λ. Σχήμα 4.1: Θερμικές απώλειες από διάφορα δομικά στοιχεία του κελύφους ενός κτηρίου

5 Παρουσιάζεται εν συντομία η μέθοδος των βαθμοημερών. Η μέθοδος των βαθμοημερών βασίζεται στη βασική αρχή ότι οι θερμικές απώλειες ενός κτιρίου (χώρου) είναι ανάλογες της θερμοκρασιακής διαφοράς ανάμεσα στις θερμοκρασίες του χώρου και του περιβάλλοντος. L : ρυθμός ενέργειας που προστίθεται στο κτήριο. g : ρυθμός ενέργειας που παράγεται εντός του κτηρίου από τους ενοίκους, τον φωτισμό, τις οικιακές συσκευές, την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, κ.τ.λ. Θερμικό ισοζύγιο στο κτήριο: L g UA T T Θερμοκρασία βάσης ή αναφοράς ή ισορροπίας T b είναι η θερμοκρασία κατά την οποία η εντός του κτηρίου παραγόμενη θερμότητα ισούται με τις απώλειες: g g UA T Tb T b T UA

6 Εάν η παραπάνω εξίσωση ισορροπίας λυθεί για τη θερμοκρασία του κτηρίου T και αντικατασταθεί στην αρχική εξίσωση προκύπτει L UA T T b που αντιπροσωπεύει το στιγμιαίο θερμικό φορτίο που πρέπει να μεταφερθεί στο κτήριο ώστε η εσωτερική θερμοκρασία να είναι T. Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση προκύπτει το μηνιαίο θερμικό φορτίο mont L UA T T dt b με το + να σημαίνει ότι μετρώνται μόνο θετικές τιμές της θερμοκρασιακής διαφοράς. L UA DD Εάν το ολοκλήρωμα υπολογίζεται αριθμητικά τότε: όπου DD είναι οι βαθμοημέρες (number of degree-dys), δηλαδή ο αριθμός που δείχνει τη διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας βάσης T b και της μέσης θερμοκρασίας περιβάλλοντος μίας ημέρας T.

7 Παράδειγμα: T 15C, T ο C (65F) DD= ο C-ημέρες b Οι βαθμοημέρες ενός μήνα DD προκύπτουν προσθέτοντας τις διαφορές κάθε ημέρας: m b DD T T mont m Σημείωση: Εάν η ποσότητα UA είναι σε W/C και οι βαθμοημέρες DD σε C-dys θα πρέπει για να προκύψει το θερμικό φορτίο σε Joule η σχέση να πολλαπλασιαστεί με L 24 r / dy 3600 s / r UA W / o C DD o C dy UA DD[Joule] Ως θερμοκρασία βάσης έχει καθιερωθεί η θερμοκρασία Tb ο C (65F) που αντιστοιχεί σε μέση θερμοκρασία δωματίου T 24 ο C.

8 Τονίζεται ότι ο σχεδιασμός των θερμικών φορτίων βασίζεται στη θερμοκρασιακή διαφορά Tb T και όχι στην διαφορά T T,min, όπου T,min είναι η ελάχιστη θερμοκρασία. Σημείωση: Η συγκεκριμένη θερμοκρασία βάσης βασίζεται σε παλαιά δεδομένα και τώρα μπορεί να αναθεωρηθεί προς τα κάτω, αφού τα κτήρια είναι καλύτερα μονωμένα και η εσωτερικά παραγόμενη θερμική ενέργεια μεγαλύτερη. Πίνακας: Βαθμοημέρες ανά μήνα για τη Θες/νίκη και το Σικάγο με Tb ο C Σεπτ. Οκτ. Νοεμ. Δεκ. Ιαν. Φεβ. Μαρ. Απρ. Μάιος Ιουν. Συν. Θες/νίκη Σικάγο Αντίστοιχα δεδομένα είναι διαθέσιμα σε πίνακες για όλες τις πόλεις και ζώνες ηλιακού δυναμικού της Ελλάδας. Εναλλακτικά της χρήσης πινάκων ο υπολογισμός γίνεται ως εξής:

9 Μέσες βαθμοημέρες μήνα: DD o n: αριθμός ημερών μήνα Tb T o n o o m m ln cos /2 mn m: τυπική απόκλιση μηνιαίας μέσης θερμοκρασίας περιβάλλοντος T, T yr : μέσες μηνιαίες και ετήσιες θερμοκρασίες περιβάλλοντος o Επειδή το m δεν υπολογίζεται εύκολα προσεγγίζεται από τη σχέση: T όπου m yr o DDm ntb T yr 12 : όταν η θερμοκρασία ισορροπίας δεν υπερβαίνει κατά 6 βαθμούς τη μέση μηνιαία. i1 T i, 12 T yr 2

10 Για ψυκτικά φορτία εφαρμόζεται η αντίστοιχη επεξεργασία με Tb ο C με τη διαφορά ότι τώρα οι βαθμοημέρες βασίζονται στις ημέρες που T Tb. Σε κτήρια όπου συμβαίνουν μεγάλες και απότομες θερμοκρασιακές διαφορές είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη και η θερμοχωρητικότητά τους: C mcp Ti Γνωρίζοντας τη μηνιαία ζήτηση σε θερμικά φορτία είναι εφικτό να σχεδιαστεί το ηλιακό θερμικό σύστημα. i

11 4.3 Φορτίο κολυμβητικών δεξαμενών Σε κολυμβητικές δεξαμενές η δεξαμενή και το νερό δρουν σαν ηλιακοί συλλέκτες, το νερό να λειτουργεί σαν μέσο αποθήκευσης και οι απώλειες θερμότητας είναι το αναγκαίο θερμικό φορτίο χρήσης. Σε ανοικτές κολυμβητικές δεξαμενές 90% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται. Η θερμοκρασία του νερού ανάλογα με την τοποθεσία και τις καιρικές συνθήκες (θερμοκρασία, υγρασία, ταχύτητα ανέμου) κυμαίνεται από ο C. Οι θερμικές απώλειες είναι 4 ειδών: o ακτινοβολία προς τον ουρανό o συναγωγή με τον αέρα o εξάτμιση o αγωγή μέσα από τα τοιχώματα και τον πυθμένα της δεξαμενής

12 Από αυτές η πλέον σημαντική είναι η εξάτμιση και οι απώλειες είναι: 1/3 qevp P 35V 43 Tp T p P (kp): πίεση αέρα V (m/s): ταχύτητα ανέμου p: σχετική υγρασία σε θερμοκρασία T p : σχετική υγρασία σε θερμοκρασία T T T Οι απώλειες συναγωγής είναι: q p conv qevp Οι απώλειες ακτινοβολίας είναι: q 4 4 rd Tp Tsky Οι απώλειες αγωγής είναι ασήμαντες p

13 Σχήμα 4.2: Καθαρές θερμικές απώλειες ανά μονάδα επιφάνειας από κολυμβητικές δεξαμενές. Ταχύτητα ανέμου () V=10km/r, (b) V=20km/r. T p =30 ο C (συνεχής γραμμή), T p =25 ο C (διακεκομμένη γραμμή)

14 4.4 Βιομηχανικά ενεργειακά φορτία Οι ανάγκες/απαιτήσεις σε βιομηχανικά ενεργειακά φορτία ποικίλουν. Από μελέτες στις ΗΠΑ έχει προκύψει ότι το κλάσμα απαιτούμενης ενέργειας σε θερμοκρασίες κάτω των 100 ο C είναι της τάξης μόλις του 5%. Εάν όμως προστεθεί το κλάσμα απαιτούμενης ενέργειας για προθέρμανση από τους 16 ο C έως την τελική θερμοκρασία που μπορεί τελικά να είναι μεγαλύτερη των 100C τότε το κλάσμα απαιτούμενης ενέργειας σε θερμοκρασίες κάτω των 100 ο C ανέρχεται στο 30% των συνολικών αναγκών. Σχήμα 4.3: Κλάσμα απαιτούμενης ενέργειας ως προς την θερμοκρασία

15 Στη περίπτωση αυτή η χρήση επίπεδων συλλεκτών για προθέρμανση έχει δυναμική. Σημειώνεται ότι τα βιομηχανικά φορτία ζήτησης σε αντίθεση με αυτά του ΖΝΧ και θέρμανσης χώρων είναι συνήθως μη χρονομεταβαλλόμενα και για το λόγο αυτόν μοντελοποιούνται ευκολότερα. Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος: Οι ανάγκες και η ζήτηση εξαρτώνται από τους καταναλωτές (βιομηχανία: σταθερά φορτία, κατοικίες: χρονομεταβαλλόμενα φορτία). Σημειώνεται ότι τα αναγκαία ηλεκτρικά φορτία για κλιματισμό σε νότιες περιοχές στη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου έχουν περιοδικό χαρακτήρα και ταιριάζουν πολύ καλά με τη διαθεσιμότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Στις περιπτώσεις αυτές ο ηλιακός κλιματισμός ή η παραγωγή ατμού από ηλιακή ενέργεια έχουν ενδιαφέρον και δυναμική εφόσον οι τεχνικές προτάσεις είναι οικονομικά ελκυστικές.

16 Σχήμα 4.4: Μέγιστη ηλεκτρική κατανάλωση ανά εβδομάδα για ένα έτος (αριστερά) και στιγμιαία ηλεκτρική κατανάλωση για μία εβδομάδα (δεξιά) σε πόλη στο νότιο τμήμα των ΗΠΑ