ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ TRNSYS της Συμεώνης Χ. Ανδριοπούλου Επιβλέπων καθηγητής: Τρυπαναγνωστόπουλος Ιωάννης ΠΑΤΡΑ 29

2

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής, Πανεπιστημίου Πατρών, από τον Ιούλιο του 27 έως το Σεπτέμβρη του 29. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Τρυπαναγνωστόπουλο Ιωάννη για την καθοδήγηση και διακριτική επίβλεψη της εργασίας, όπως επίσης, και τον ερευνητή και συνεργάτη Σουλιώτη Μανώλη τόσο για την πρόταση του βασικού αντικειμένου της παρούσης εργασίας όσο και για την καθοδήγηση του, για την πραγματοποίηση αυτής. Τέλος, τα θερμά μου ευχαριστώ στους συνεργάτες συμφοιτητές, Θέμελη Παναγιώτη, Μακρή Θεόδωρο, Γεωργοστάθη Παναγιώτη, Χρυσικόπουλο Αντώνη και Σαρρή Μάρκο και στις αδελφικές μου φίλες Κυριαζή Λαμπρινή, Τραγουλιά Εύη και Διαμαντή Χρυσάνθη, στους οποίους αφιερώνω με όλη μου την ψυχή την εργασία αυτή, αφού αποδείχτηκαν τελικά άξιοι συμπαραστάτες... Σας ευχαριστώ πολύ

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ευχαριστίες...i Περιεχόμενα...iii Abstract......v 1.Εισαγωγή 1.1 Ενεργειακό πρόβλημα και Α.Π.Ε Ιστορική αναδρομή και θερμοσιφωνικά συστήματα στον Ελλαδικό χώρο Θερμοσιφωνικό σύστημα επιπέδου συλλέκτη Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης Δεξαμενή θερμότητας Πειραματική μελέτη της χρησιμοποιηθείσας θερμοσιφωνικής συσκευής επιπέδου συλλέκτη 3.1 Πειραματική συσκεύη και σκοπός του πειράματος Χαρακτηριστικά συσκεύης της χρησιμοποιηθείσας θερμοσιφωνικής συσκευής επιπέδου συλλέκτη Μέθοδοι πειραματικής μελέτης της συσκευής FPTU Πειραματικός Προσδιορισμός της Ημερήσιας Απόδοσης Πειραματικός Προσδιορισμός των Θερμικών Απωλειών Πειραματική διάταξη δοκιμών της θερμοσιφωνικής ηλιακής συσκευής Πειραματικά αποτελέσματα της θερμοσιφωνικής συσκευής επιπέδου συλλέκτη 4.1 Διαγράμματα ημερήσιας λειτουργίας της συσκευής FPTU Μέση ημερήσια απόδοση λειτουργίας και συντελεστής θερμικών απωλειών Προσομοίωση πειραματικών μεθόδων - TRNSYS Βιβλιογραφικές αναφορές TRNSYS- Περιγραφή υπολογιστικού προγράμματος Ανάλυση του συστήματος FPTU και παραμετροποίησή του, μέσω TRNSYS Ταυτοποίηση πειραματικών αποτελεσμάτων με αποτελέσματα προσοσμοίωσης Validation Process 8.1 Διαγράμματα ημερήσιας λειτουργίας...8

5 8.2 Συγκριτικά διαγράμματα μέσης ημερήσιας απόδοσης και συντελεστή νυκτερινώνν θερμικών απωλειών του θερμοσιφωνικού συστήματος Πρόβλεψη της λειτουργίας θερμοσιφωνικού συστήματος μέσω προσομοίωσής του στο TRNSYS Ανάλυση σεναρίων κατανάλωσης ο Σενάριο κατανάλωσης (1ωρο προφιλ) ο Σενάριο κατανάλωσης (4ωρο προφιλ) ο Σενάριο κατανάλωσης (2ωρο προφιλ) Συμπεράσματα επίλογος ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ενεργειακό πρόβλημα και Α.Π.Ε Με την εμφάνιση της ενεργειακής κρίσης, στις αρχές της δεκαετίας του 7, ο σύγχρονος άνθρωπος άρχισε δειλά να συνειδητοποιεί το ενεργειακό πρόβλημα, τη σοβαρότητα του οποίου τη βιώνει σε έντονο βαθμό την τελευταία δεκαετία. Αυτό σχετίζεται με τα ενεργειακά αποθέματα που ολοένα και μειώνονται και με τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας (Energy Information Administration, International Energy Outlook 26, US DOE, June 26). Επιπλέον, η αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου στα κατώτατα στρώματα της ατμόσφαιρας και η συνεχής μόλυνση του περιβάλλοντος από ρύπους όπως είναι το διοξείδιο του άνθρακα και τα οξείδια του αζώτου, έχουν ως αποτέλεσμα την αργή και σταθερή κλιματική αλλαγή. Τη σημερινή εποχή ο ολοένα αυξανόμενος πληθυσμός της γης, συνεπάγεται και αύξηση των ενεργειακών του αναγκών κάτι που έχει ως αποτέλεσμα την εξάρτηση του ανθρώπου από τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, άνθρακας ή φυσικό αέριο). Επομένως, καθίσταται επιτακτική η ανάγκη για στροφή στις φιλικές προς το περιβάλλον, μορφές ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε) είναι μέρος αυτών των μορφών ενέργειας και αποκλείουν την συμπαραγωγή επικίνδυνων (ραδιενεργών ή καρκινογόνων) ουσιών τόσο για τον άνθρωπο όσο και για το περιβάλλον. Οι τεχνολογίες της πυρηνικής ενέργειας όσο και εκείνης της σύντηξης, αν και με μεγάλη συγκέντρωση ισχύος, έχουν αποδειχθεί δυσκόλως εφικτές εξαιτίας των επικίνδυνων ραδιενεργών αποβλήτων και του υπέρογκου κόστους. Προς την κατεύθυνση αντικατάστασης των ορυκτών καυσίμων, τα τελευταία χρόνια κερδίζει αρκετό έδαφος, το υδρογόνο (Η 2 ) το οποίο αποτελεί το καύσιμο του μέλλοντος και κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Η πιο γνωστή εφαρμογή της

7 συγκεκριμένης τεχνολογίας κυψέλες καυσίμων - είναι στα αυτοκίνητα μικρού ή μεγάλου κυβισμού, τα οποία χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως κύριο καύσιμο. Επιπλέον, η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου συνδυάζεται επιτυχώς και με μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (μεγάλης κλίμακας εφαρμογές), όπως επίσης και με μονάδες αποκεντρωμένης ισχύος. Τέλος, αρκετά δημοφιλείς είναι και οι φορητές εφαρμογές (μικρού μεγέθους) όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα, οι φορητοί υπολογιστές, τα μικρά ψυγεία αλλά και μπαταρίες οχημάτων. Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) θεωρούνται αυτές που ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Ο ήλιος, ο άνεμος, το νερό και διάφορες οργανικές ύλες (ξύλο και απορρίμματα οικιακής και γεωργικής προέλευσης) είναι πηγές ενέργειας που η προσφορά τους δεν πρόκειται να εξαντληθεί ποτέ και δεν είναι καθόλου ή είναι ελάχιστα, ρυπογόνες. Στις Α.Π.Ε περιλαμβάνεται η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η βιομάζα, η ενέργεια του νερού και η γεωθερμία. Η ηλιακή ενέργεια είναι μια καθαρή, ήπια, ανεξάντλητη και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία αποτελεί και ένα εγχώριο ενεργειακό πόρο που παρέχει αυτονομία, προβλεψιμότητα και ασφάλεια στην ενεργειακή τροφοδοσία. Η συλλογή, αποθήκευση, μεταφορά και εκμετάλλευσή της, επιτυγχάνεται μέσω τεχνολογιών οι οποίες συνεισφέρουν συνάμα τόσο στον μετριασμό της χρήσης συμβατικών μορφών ενέργειας, όπως τα ορυκτά καύσιμα, όσο και στην προστασία του περιβάλλοντος. Το τελευταίο δεν αποτελεί ζητούμενο που αφήνεται στην διάθεση του καθενός, αλλά επιτακτική ανάγκη, που κατοχυρώνεται και με ειδικά νομοθετήματα. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα, για την παραγωγή ζεστού νερού και για θέρμανση χώρων, πραγματοποιείται μέσω συλλεκτών διαφόρων τύπων και μιας ποικιλίας θερμικών ηλιακών συστημάτων. Αναλυτικότερα, οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (Flat Plate Solar Collectors) αποτελούνται από µία μαύρη απορροφητική επιφάνεια, από το δίκτυο σωληνώσεων, από το διαφανές κάλυμμα και από την θερμομόνωση που τοποθετείται τόσο στο πίσω μέρος όσο και στις πλαινές επιφάνειες της συσκευής. Η λειτουργία του στηρίζεται στη μετάδοση θερμότητας από την απορροφητική πλάκα στους σωλήνες και στη συνέχεια στο χρησιμοποιούμενο υγρό, με αποτέλεσμα την ανύψωση της θερμοκρασίας του. Η συσκευή τοποθετείται σε κατάλληλη θέση ως προς το οριζόντιο επίπεδο και προσανατολίζεται προς το

8 νότο (για το βόρειο ημισφαίριο) ώστε να δέχεται την μέγιστη δυνατή ηλιακή ακτινοβολία κατά την διάρκεια της ημερήσιας κίνησης του ήλιου. Στην μπροστινή επιφάνεια υπάρχει διαφανές κάλυμμα από γυαλί ή πλαστικό τόσο για την προστασία της όλης συσκευής όσο και για την μείωση των απωλειών, λόγω μεταφοράς (Εικ. 1). Οι επίπεδοι συλλέκτες χρησιμοποιούνται συνήθως σε συστοιχίες και το νερό που κυκλοφορεί µε την βοήθεια αντλίας αποθηκεύεται σε ξεχωριστό δοχείο, το οποίο είναι καλά µονωµένο, για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών. Εικ. 1: Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης Άλλη κατηγορία συλλεκτών είναι οι συλλέκτες σωλήνων κενού (Evacuated tube collectors) οι οποίοι αποτελούνται από ένα σύστημα με αρθρωτούς σωλήνες, στο κέντρο των οποίων βρίσκεται απορροφητική επιφάνεια, σε θερμική επαφή με λεπτό μεταλλικό αγωγό (Εικ. 2). Μέσα στους σωλήνες έχει δημιουργηθεί κενό αέρος το οποίο μειώνει σε μεγάλο βαθμό τις θερμικές απώλειες του συλλέκτη. Στους συγκεκριμένους συλλέκτες ο φορέας απαγωγής θερμότητας είναι είτε νερό είτε ρευστό αλλαγής φάσης όπως η αλκοόλη. Στην ίδια κατηγορία εντάσσονται οι συλλέκτες σωλήνων κενού με χρήση ανακλαστήρων για τη συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και οι συλλέκτες κενού διπλών εξωτερικών σωλήνων για καλύτερη θερμική προστασία. Επόμενη κατηγορία ηλιακών συλλεκτών, είναι οι συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες (Concentrating Solar Collectors), οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες, σε σχέση με αυτές που επιτυγχάνονται με τους συνήθεις επίπεδους συλλέκτες. Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες ταξινομούνται ανάλογα με το λόγο συγκέντρωσης της ηλιακής ενέργειας που επιτυγχάνεται, το είδος των ανακλαστήρων που χρησιμοποιούνται και το είδος εστίασης που επιτυγχάνουν (σημειακή ή γραμμική).

9 Εικ. 2: Ηλιακός συλλέκτης σωλήνων κενού, τιθέμενος σε σκεπή Στη χώρα μας αλλά και σε χώρες με ευνοικές συνθήκες, για χρήση ηλιακής ενέργειας, το πιο συνήθες σύστημα θέρμανσης νερού είναι το θερμοσιφωνικό ή πιο απλά, θερμοσίφωνας. Τα βασικά μέρη ενός απλού θερμοσιφωνικού συστήματος είναι οι επίπεδοι συλλέκτες και η δεξαμενή θερμότητας (Εικ. 3). Εικ. 3: Θερμοσιφωνικό σύστημα επιπέδου συλλέκτη Μια πρώτη ταξινόμηση των συστημάτων αυτών είναι στα συστήματα φυσικής και βεβιασμένης κυκλοφορίας του χρησιμοποιούμενου ρευστού (συνήθως νερό). Στα φυσικής κυκλοφορίας θερμοσιφωνικά συστήματα, το νερό της δεξαμενής θερμαίνεται μέσω των ηλιακών συλλεκτών και κυκλοφορεί με φυσικό τρόπο, διαμέσου των σωλήνων του συλλεκτη.τα ηλιακά συστήματα βεβιασμένης κυκλοφορίας αποτελούνται από τους ηλιακούς συλλέκτες, την δεξαμενή ζεστού νερού, τον κυκλοφορητή (αντλία) και το διαφορικό θερμοστάτη. Σε αντίθεση

10 με το απλό θερμοσιφωνικό σύστημα, η λειτουργία των εν λόγω συστημάτων γίνεται με μηχανικά μέσα, δηλαδή τον κυκλοφορητή νερού ο οποίος τίθεται σε λειτουργία ανάλογα με τις «οδηγίες» του διαφορικού θερμοστάτη. Ο διαφορικός θερμοστάτης συγκρίνει τη θερμοκρασία του νερού στους συλλέκτες και στο δοχείο αποθήκευσης και όταν η θερμοκρασία του νερού στους συλλέκτες είναι πιο ψηλή τότε ενεργοποιεί τον κυκλοφορητή. Ο κυκλοφορητής θα σταματήσει να λειτουργεί όταν δεν ισχύουν οι προαναφερόμενες συνθήκες. Τα ηλιακά συστήματα βεβιασμένης κυκλοφορίας τα συναντούμε κυρίως σε εφαρμογές όπου χρειάζονται μεγάλες ποσότητες ζεστού νερού, με πολλούς συλλέκτες. Μια άλλη κατηγορία θερμικών ηλιακών συστήματων, παραγωγής ζεστού νερού, είναι οι συσκευές ολοκληρωμένου συλλέκτη δεξαμενής θερμότητας (ICS Integrated Collector Storage system) τα βασικά στοιχεία των οποίων, είναι ο συλλέκτης και η δεξαμενή θερμότητας μόνο που η καινοτομία της όλης κατασκευής είναι η διπλή λειτουργία του δοχείου αφού στη συγκεκριμένη περίπτωση, το δοχείο αποθήκευσης είναι ταυτόχρονα και συλλέκτης (Εικ. 4). Εικ. 4: Συσκευή ολοκληρωμένου συλλέκτη δεξαμενής θερμότητας Η διπλή λειτουργία της δεξαμενής επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά των συγκεκριμένων συσκευών κατά εκείνες τις περιόδους όπου επικρατεί ανεπαρκής ηλιακή ακτινοβολία (π.χ νύκτα) με αποτέλεσμα τη μη επαρκή διατήρηση της θερμότητας λόγω αυξημένων θερμικών απωλειών. Ο περιορισμός των θερμικών απωλειών των ηλιακών συσκευών ICS αποτελεί ένα από τα βασικότερα ζητήματα έρευνας καθώς εξασφαλίζει τη διατήρηση της θερμότητας κατά τη διάρκεια της νύκτας ή των ημερών με ανεπαρκή ηλιακή ακτινοβολία.

11 Οι διάφοροι τρόποι βελτίωσης, της θερμικής συμπεριφοράς των συσκευών ICS, περικλείουν επιλεκτική επίστρωση της επιφάνειας του δοχείου, προσθήκη διπλού ή πολλαπλού διαφανούς, μονωτικού καλύμματος, θερμομονωτικό σκέπαστρο, διατήρηση συνθηκών κενού εντός του κουτιού που περιέχει το θερμικό δοχείο κ.τ.λ. Επιπροσθέτως, έχει προταθεί ως εναλλακτική λύση για τη βελτίωση της θερμικής τους συμπεριφοράς, η χρήση επιπλέον κυλινδρικού δοχείου, εντός του υπάρχοντος κυλινδρικού δοχείου. Ένα από τα πλεονέκτηματα των ICS, εκτός της απλότητας τους στην κατασκευή και λειτουργία τους, είναι το χαμηλό τους ύψος, με αποτέλεσμα να εναρμονίζονται εύκολα στις περιπτώσεις εκείνες όπου απαιτείται η αισθητική και λειτουργική εναρμόνισή τους (πχ περιπτώσεις παραδοσιακής αρχιτεκτονικής). Επίσης, στον τομέα των θερμικών ηλιακών συστημάτων παραγωγής ζεστού νερού χρήσης, σημαντική θέση κατέχουν τα κεντρικά ηλιακά συστήματα Τα συγκεκριμένα συστήματα, αποτελούνται από ένα πεδίο ηλιακών συλλεκτών και μια κεντρική δεξαμενή, από την οποία παρέχεται το ζεστό νερό στα σημεία κατανάλωσης μέσω δικτύου αγωγών (Εικ. 5). Εικ.5: Κεντρικό ηλιακό σύστημα Η θερμότητα που έχει προσληφθεί από το σύστημα των ηλιακών συλλεκτών, μεταφέρεται σε ένα δοχείο αποθήκευσης δια μέσου ενός υγρού (συνήθως πρόκειται για αντιψυκτικό υγρό) το

12 οποίο κυκλοφορεί με τη βοήθεια αντλίας στο υδραυλικό κύκλωμα των συλλεκτών. Η μεταφορά της θερμότητας, γίνεται από έναν εναλλάκτη που μπορεί να είναι μια σπείρα εμβαπτισμένη στο αποθηκευτικό δοχείο ή μια εξωτερική πλακοειδής διάταξη. Όταν ο ήλιος δεν επαρκεί για να καλύψει τις ανάγκες σε ζεστό νερό, τίθεται σε λειτουργία η βοηθητική πηγή (συνήθως λέβητας) και θερμαίνει την ποσότητα νερού που απαιτείται στο πάνω μέρος του δοχείου. Την διαδικασία (έναρξη και παύση λειτουργίας αντλιών, λέβητα κλπ) καθορίζει ένα ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Ο τομέας της θέρμανσης χώρων με θερμικά ηλιακά συστήματα, ταξινομείται σε δύο μεγάλες κατηγορίες συστημάτων. στα ενεργητικά και στα παθητικά ηλιακά συστήματα. Το βασικό στοιχείο των ενεργητικών συστημάτων είναι ο συλλέκτης που μπορεί να είναι οποιουδήποτε τύπου και αναλόγως το είδος του κυκλοφορούμενου ρευστού έχουμε τα ενεργητικά συστήματα υγρού (συνήθως διαλύμα νερού με διάφορα αντιψυκτικά) και αέρα. Στο συνολό τους τα ενεργητικά συστήματα αποτελούνται από το συλλέκτη, τη δεξαμενή θερμότητας, αντλίες, βαλβίδες και συστήματα ελέγχου και λοιπά μηχανικά στοιχεία, τα οποία υποβοηθούν στην μεταφορα της αποθηκευμένης θερμότητας στους προς θέρμανση χώρους. Επιπλέον, αν το σύστημα αδυνατεί να καλύψει το θερμικό φορτίο, τότε κρίνεται αναγκαία η παρουσία εφεδρικής δεξαμενής θερμότητας (λέβητας). Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα, τέλος, συνδυάζονται επιτυχώς και με συστήματα θέρμανσης διαφορετικής πηγής ενέργειας, όπως είναι οι γεωθερμικές αντλίες. Τα τελευταία χρόνια, αναπτύσσονται με ταχείς ρυθμούς και τα συνδυασμένα συστήματα ή διεθνώς solar combi sytems. Τα γενικά χαρακτηριστικά αυτών των συστημάτων είναι ίδια με αυτά ενός κοινού κεντρικού ηλιακού συστήματος. Στην συγκεκριμένη διάταξη (Εικ. 6), χρησιμοποιούνται δύο δοχεία αποθήκευσης, αυτό του ζεστού νερού χρήσης είναι εμβαπτισμένο στο μεγαλύτερο δοχείο (στο οποίο κυκλοφορεί το ίδιο υγρό νερό- με αυτό του δικτύου θέρμανσης, δηλ. των καλοριφέρ). Το ποσό της θερμότητας που δεν παρέχεται από το ηλιακό σύστημα πρέπει να προέλθει από ένα εφεδρικό σύστημα, το οποίο είναι συνήθως ένας συμβατικός λέβητας. Επίσης, ένα ηλιακό σύστημα combi είναι δυνατό να συνδυαστεί με fan coils τα οποία απαιτούν χαμηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με τα συμβατικά σώματα θέρμανσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι συνδυασμός ενός συστήματος combi με ένα σύστημα ηλιακού κλιματισμού είναι ιδανικός δεδομένου ότι αίρει το πρόβλημα της περίσσειας ενέργειας κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και συνεπώς μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλα ποσοστά κάλυψης για τις ανάγκες θέρμανσης και ψύξης κατοικιών ή άλλων κτιρίων.

13 Εικ. 6: Σύστημα θέρμανσης χώρων combi Τα παθητικά ηλιακά συστήματα, σε σχέση με τα ενεργητικά είναι απλούστερης φύσεως, αφού η θέρμανση των χώρων επιτυγχάνεται με τρόπο φυσικό, μέσω αγωγής, μεταφοράς και ακτινοβολίας και με ελάχιστη ή καθόλου μηχανική υποβοήθηση. Οι κατηγορίες των παθητικών συστημάτων είναι του άμεσου ηλιακού κέρδους (direct gain), στο οποίο τόσο η συλλογή όσο η αποθήκευση και η μετάδοση της ενέργειας, γίνεται μέσα στο χώρο που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργήσει το σύστημα, του έμμεσου ηλιακού κέρδους (indirect gain), στο οποίο η συλλογή και η αποθήκευση της ακτινοβολίας γίνεται σε ξεχωριστό χώρο και η μετάδοση της ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω θερμικού τοίχου (ο οποίος χωρίζει τον προς θέρμανση χώρο, από τους χώρους συλλογής και αποθήκευσης) και του μεμονωμένου ηλιακού κέρδους (isolated gain ή attached greenhouse), στο οποίο το στοιχείο συλλογής είναι απομακρυσμένο από την αποθήκη της θερμικής ενέργειας και το χώρο που έχει σχεδιαστεί να θερμανθεί από το ηλιακό παθητικό σύστημα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ένας μηχανισμός μετάδοσης θερμότητας μεταξύ του στοιχείου συλλογής, της αποθήκης θερμότητας και του προς θέρμανση χώρου. Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι η μελέτη του θερμοσιφωνικού συστήματος επίπεδου συλλέκτη (F.P.T.U Flat Plate Thermosiphonic Unit) με οριζόντια δεξαμενή αποθήκευσης, προσομοιώνοντάς το, με το ευρέως διαδεδομένο, υπολογιστικό πρόγραμμα, TRNSYS (Transient Energy System Simulation Tool). Η εργασία είναι διαρθρωμένη σε έντεκα κεφάλαια.

14 Το πρώτο εξ αυτών παρουσιάζει το ενεργειακό πρόβλημα, το οποίο τα τελευταία χρόνια εντείνεται, εξαιτίας της ολοένα αυξανόμενης ζήτησης για ενεργεια. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται λεπτομερής περιγραφή της τεχνολογίας και των αρχών λειτουργίας του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη και της δεξαμενης θερμότητας, τα οποία αποτελούν τα βασικά μέρη ενός θερμοσιφωνικού συστήματος επίπεδου συλλέκτη. Στο τρίτο κεφαλαίο, γίνεται λεπτομερής αναφορά των μεθόδων πειραματικής μελέτης της συσκευής FPTU. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά τόσο στον πειραματικό προσδιορισμό της ημερήσιας απόδοσης όσο και στον πειραματικό προσδιορισμό των θερμικών απωλειών κατά τη διάρκεια της νυκτερινής λειτουργίας της συσκευής. Επιπλέον, παρατίθονται τα διαγράμματα ημερήσιας λειτουργίας, με σκοπό τη διαπίστωση κατά πόσο το σύστημα αποκρίνεται άμεσα, σε σχέση με την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του απορροφητή. Στο πέμπτο κεφάλαιο, εισάγεται η έννοια της προσομοίωσης και πως αυτή καταλήγει να αποτέλει σημαντικότατο εργαλείο, μέσω διαφόρων υπολογιστικών προγραμμάτων. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιαζεται το υπολογιστικό εργαλείο της παρούσης εργασίας. το TRNSYS. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το σύστημα που προσομοιώνουμε σε περιβάλλον TRNSYS και παρατίθεται εκτενής ανάλυση των στοιχείων του (types), με τις διαστάσεις τους και το προφίλ κατασκευής τους. Το όγδοο κεφάλαιο, αντιπροσωπεύει το κομμάτι της ταυτοποίησης (validation) των αποτελεσμάτων που παίρνουμε από το TRNSYS με πειραματικα αποτελέσματα, κατά τη διάρκεια ενός πλήρους έτους λειτουργίας του συστήματος. Το ένατο κεφάλαιο περιέχει την προσομοίωση του θερμοσιφωνικού συστήματος επιπέδου συλλέκτη, με βάση τρία διαφορετικά σενάρια κατανάλωσης και τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες θερμικού φορτίου. Στο δέκατο κεφάλαιο περιλαμβάνονται τα αποτέλεσματα του κάθε σεναρίου τα οποία λαμβάνονται σε μηνιαία βάση και παρουσιάζονται σε μια σειρά γραφημάτων και ραβδογραμμάτων.

15 Τέλος, στο ενδέκατο κεφάλαιο περιλαμβάνονται τα γενικά συμπεράσματα και ο επίλογος της εργασίας. 1.2 Ιστορική αναδρομή και θερμοσιφωνικά συστημάτα στον Ελλαδικό χώρο Ιστορικά, η εμφάνιση των πρώτων θερμοσιφωνικών συστημάτων επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, τοποθετείται γύρω στις αρχές του 192 στις πολιτείες της Φλόριντα και της δυτικής Καλιφόρνια. Με την πετρελαϊκή κρίση του 197 εισήχθη στην νομοθεσία πολλών κρατών, συγκεκριμένος νόμος ο οποίος υποχρέωνε τους ιδιοκτήτες καινούργιων κατοικιών να τοποθετήσουν ηλιακά συστήματα θέρμανσης νερού (θερμοσίφωνες), με αποτέλεσμα χώρες, όπως το Ισραήλ, να είναι πρωτοπόρες στους απλούς θερμαντήρες νερού ανά κάτοικο. Τα τεχνολογικά επιτεύγματα που ακολούθησαν κατέδειξαν καινούργιους δρόμους βελτιστοποίησης της απόδοσης των συστημάτων αυτών, με αποτέλεσμα η Κύπρος το Ισραήλ και η πλειοψηφία των κρατών της νοτίου Ευρώπης και της βορείου Αφρικής, να συγκαταλέγονται παγκοσμίως στους πρωτοπόρους εγκατάστασης αυτής της τεχνολογίας και μάλιστα όχι μόνο για οικιακή χρήση. Σε αυτήν την τεχνολογική ανάπτυξη συμμετέχει τα τελευταία χρόνια και η Κίνα, στην όποια η μαζική παραγωγή χαμηλού κόστους, συστημάτων επίπεδων συλλεκτών και συλλεκτών κενού και ο υπερπληθυσμός της, οδήγησε πολλά νοικοκυριά να εντάξουν τα συστήματα αυτά από νωρίς στις κατοικίες τους. Αξίζει πάντως να αναφερθεί ότι από το 2 και μετά εκτός από την Γερμανία, σημαντικές αποφάσεις στη χρήση των εγκαταστάσεων αυτών έχει πάρει η Ισπανία η οποία με νόμο από το 25 υπαγορεύει την εγκατάσταση, σε καινούργια κτήρια (οικιακής, δημόσιας ή βιομηχανικής χρήσης), και ηλιακών συστημάτων θέρμανσης νερού. Πάντως αξίζει να σημειωθεί ότι μέσα στην τελευταία δεκαετία αρχίζει και διαφαίνεται η τάση πραγμάτωσης όλων εκείνων των σχεδιασμών, που βρίσκονταν σε πιλοτικό στάδιο, και που αφορούν την κάλυψη θερμικών φορτίων πολύ μεγάλων θερμοκρασιών στον βιομηχανικό και εμπορικό τομέα. Τα ηλιακά θερμικά συστήματα πρωτοεμφανίστηκαν στον Ελλαδικό χώρο, στα χρόνια που ακολούθησαν της πετρελαϊκή κρίσης, δηλ στις αρχές της δεκαετίας του 7. Στο

16 μεσοδιάστημα της δεκαετίας 8 9 κάνουν την εμφάνιση τους οι πρώτες βιοτεχνίες. Όπως αναφέρουν οι Μαρτινόπουλος και Τσιλιγκιρίδης (24) σε αναφορά τους «Η παραγωγικότητα ποικίλει από πολύ μικρή έως και 12 m 2, ανά εργαζόμενο, ετησίως. Το μέγεθος αυτό συνεχώς αυξάνεται καθώς οι μέθοδοι παραγωγής και η υποδομή των κατασκευαστών βιομηχανοποιείται. Σχεδόν όλοι οι μεγάλοι κατασκευαστές ακολουθούν ένα πρότυπο πιστοποίησης ποιότητας σύμφωνα με το ISO 9 για την εξασφάλιση της ποιότητας των συλλεκτών τους καθώς και των ολοκληρωμένων συστημάτων τους. Η επιτυχία των πρωτοπόρων λειτούργησε ως κίνητρο και για άλλους κατασκευαστές με αποτέλεσμα από την δεκαετία του 9 μεγάλο μέρος της εγχώριας παραγωγής των μελών της Ένωσης Βιομηχανιών Ηλιακής Ενέργειας (ΕΒΗΕ) να εξάγεται». Η απελευθέρωση του ελληνικού ενεργειακού συστήματος από τις συμβατικές πηγές ενέργειας γίνεται καθημερινά όλο και πιο αναγκαία, από τη στιγμή που η χώρα μας κατέχει τα πρωτεία, στις (ποσοστιαίες) εισαγωγές ορυκτών καυσίμων, μεταξύ των μελών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Οι Α.Π.Ε και συγκεκριμένα η ηλιακή ενέργεια αποτελούν κάτι περισσότερο από μια εναλλακτική λύση. αποτελούν μονόδρομο στην προσπάθεια ελέγχου του ρυπογόνου και συνάμα πολύ ακριβού τρόπου ζωής. Ένας από τους βασικούς στόχους της Ευρωπαϊκής Ένωσης στον τομέα της ενέργειας είναι η αποδέσμευσή της, από τα υγρά/ορυκτά καύσιμα (κυρίως το πετρέλαιο) κάτι το οποίο κρίνεται εφικτό με την αύξηση του ποσοστού των Α.Π.Ε, στο ενεργειακό ισοζύγιο της κοινότητας. Σύμφωνα με τους στόχους που θεσπίστηκαν το 1997 στην Λευκή Βίβλο, μέχρι το 21 τα κράτη-μέλη θα πρέπει να έχουν φροντίσει ώστε η συμμετοχή των Α.Π.Ε στην ηλεκτροπαραγωγή να αυξηθεί από 14% στο 22% ενώ σε γενικές γραμμές οι διάφορες τεχνολογίες που υποστηρίζονται από Α.Π.Ε να συμμετέχουν στο ενεργειακό ισοζύγιο κάθε χώρας μεταξύ του 6% και του 12%. Το 199, τα εγκατεστημένα ηλιακά συστήματα στη χώρα μας, ανέρχονταν περίπου σε 1,5 εκατομμύρια m 2, κάτι το οποίο αντιστοιχεί στο 5% της συνολικής εγκατεστημένης επιφάνειας συλλεκτών (επιπέδων και κενού) σε ολόκληρη την Ευρώπη (3 εκατομμύρια m 2 ). Σήμερα στην Ελλάδα υπάρχουν εγκατεστημένα περίπου, 3.5 εκ m 2 ηλιακοί συλλέκτες και στην Ευρώπη συνολικά περίπου 2 εκ m 2. Σε γενικές γραμμές πάντως, η ραγδαία εξάπλωση των ενεργειακών τεχνολογιών σε όλη την Ευρώπη και δη των ηλιακών τεχνολογιών, δεν οφείλεται κατά κύριο λόγο στην Ελλάδα αλλά στην Αυστρία, Γερμανία και Ισπανία. Η χώρα μας κατέχει,

17 παγκοσμίως την τρίτη θέση σε εγκατεστημένη θερμική ισχύ ανά κάτοικο (.3 m 2 /κάτοικο) με πρώτη την Κύπρο (.8m 2 /κάτοικο) και δεύτερο το Ισραήλ (.6 m 2 /κάτοικο). Δυστυχώς όμως με μια προσεκτικότερη ματιά, γίνεται κατανοητό, ότι αυτή μας η θέση οφείλεται στο μεγάλο αριθμό εγκαταστάσεων κατά το παρελθόν και δεν φαίνεται να υπάρχει η δυνατότητα να διατηρηθεί, αν συνεχιστεί η υπάρχουσα κατάσταση. Πάντως τα θερμοσιφωνικά συστήματα, είναι ιδιαιτέρως αξιόπιστα και από τη στιγμή που η εμπειρία της ελληνικής βιομηχανίας στο συγκεκριμένο είδος είναι ιδιαιτέρως μακροχρόνη, επιβάλλεται η συνέχεια της παραγωγής και της χρήσης τους.

18 Κεφάλαιο 2 Θερμοσιφωνικό σύστημα επιπέδου ηλιακού συλλέκτη Ως θερμοσιφωνικά συστήματα ορίζουμε τις μικρού μεγέθους μονάδες θερμικών ηλιακών συλλεκτών χωρητικότητας 1 2 L νερού και θερμοκρασιών λειτουργίας 4 8 ο C. Όπως έχει ήδη αναφερθεί αποτελούνται από έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη και ένα δοχείο αποθήκευσης. Χαρακτηριστικό στοιχείο της λειτουργίας των θερμοσιφωνικών συστημάτων είναι η φυσική ροή (ή θερμοσιφωνική) του ρευστού κάτι το οποίο απαιτεί την τοποθέτηση της δεξαμενής υψηλότερα του συλλέκτη και η μέση θερμοκρασία του συλλέκτη να είναι μεγαλύτερη εκείνης του δοχείου. Οι κάθε τύπου ηλιακοί θερμαντήρες ζεστού νερού μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο ποσοστό των αναγκών των νοικοκυριών σε ζεστό νερό χρήσης, μειώνοντας ταυτόχρονα την ανάγκη για χρήση συμβατικών ενεργειακών πηγών (πετρέλαιο, φυσικό αέριο, ηλεκτρισμός). Η ποσότητα του ζεστού νερού που τελικά αποδίδει η ηλιακή ενέργεια εξαρτάται από τον τύπο και το μέγεθος του ηλιακού συστήματος και το κλίμα της περιοχής. Τις πρωινές ώρες η παροχή του υγρού στο δίκτυο σωληνώσεων του συλλέκτη είναι μικρή, κάτι όμως που αλλάζει όταν οι συνθήκες ηλιοφάνειας είναι ικανοποιητικές, αφού μαζί με την παροχή, αυξάνεται σταδιακά και η θερμοκρασία του νερού της δεξαμενής. Η ροή, για κάποιο χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του μεσημεριού, διατηρείται σταθερή και προς το απόγευμα αρχίζει και ελαττώνεται, ενώ η θερμοκρασία του νερού στη δεξαμενή, αποκτά τη μέγιστή της τιμή. Όταν δύσει ο ήλιος, η θερμοκρασία του συλλέκτη πλησιάζει τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και δημιουργείται, έτσι, διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του υγρού του συλλέκτη και του υγρού του δοχείου, αντίθετη όμως απ αυτή που δημιουργείται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Κατά τις απογευματινές ώρες, παρατηρείται στασιμότητα στην θερμοκρασιακή μεταβολή του νερού του δοχείου εξαιτίας των απωλειών της δεξαμενής

19 θερμότητας. Οι απώλειες αυτές μειώνουν τη θερμοκρασία του νερού της δεξαμενής μέχρι το πρωί της επόμενης ημέρας. Η ηλιακή ακτινοβολία τέλος, παρουσιάζει και σε πολλές περιπτώσει διακυμάνσεις όταν ο καιρός είναι νεφελώδης, με αποτέλεσμα η συσκευή να αντιδρά αναλόγως, με μια μικρή όμως χρονική καθυστέρηση, λόγω της θερμοχωρητικότητας της δεξαμενής. Το θερμοσιφωνικό σύστημα μπορεί να είναι είτε κλειστού είτε ανοικτού κυκλώματος (αναλόγως τον τρόπο θέρμανσης του υγρού χρήσης) (Εικ. 7). Στην περίπτωση του ανοικτού κυκλώματος το νερό που κυκλοφορεί στο δίκτυο σωληνώσεων του συλλέκτη, θερμαίνεται και αποθηκεύεται στη δεξαμενή η οποία διαθέτει μια είσοδο νερού (από το δίκτυο ύδρευσης) και μία έξοδο νερού (προς το θερμικό φορτίο). Τα συστήματα αυτά είναι κατάλληλα σε περιοχές με ήπιο κλίμα και όπου το νερό δεν είναι όξινο ή σκληρό. Παρά την απλότητα της όλης κατασκευής, η συγκεκριμένη τύπου θερμοσιφωνική συσκευή παρουσιάζει το βασικό μειονέκτημα καταστροφής του συλλέκτη (ή υπολειτουργίας του) κατά τη διάρκεια πολύ χαμηλών θερμοκρασιών (παγετός). Στην δεύτερη και πιο διαδεδομένη περίπτωση, χρησιμοποιείται ξεχωριστό κλειστό κύκλωμα θερμοσιφωνικής κυκλοφορίας του θερμαινόμενου, από τον συλλέκτη υγρού το οποίο μέσω εναλλάκτη αποδίδει τη θερμότητα του, στο νερό πριν αυτό καταλήξει στο θερμικό φορτίο. Εικ. 7: Θερμοσιφωνικα συστήματα ανοικτού και κλειστού βρόγχου

20 Οι θερμοσιφωνικοί συλλέκτες θέρμανσης νερού, είναι από τις πιο απλές συσκευές εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, εξαιτίας της απουσίας κινητών μερών και πολύπλοκου μηχανολογικού μηχανισμού (Εικ. 8). Τα μοναδικά μειονεκτήματα των συσκευών αυτών είναι η άμεση εξάρτηση της λειτουργίας τους από τις καιρικές και κλιματολογικές συνθήκες της εκάστοτε περιοχής και κυρίως της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Για αυτό το λόγο όταν οι καιρικές συνθήκες λειτουργίας δεν επιτρέπουν την επαρκή θέρμανση του νερού στην επιθυμητή θερμοκρασία, προσφέρεται θερμότητα μέσω ηλεκτρικής αντίστασης ή γενικά εξωτερικής βοηθητικής πηγής θερμότητας, η λειτουργία της οποίας καθορίζεται και ρυθμίζεται από θερμοστάτη. Η μελέτη ενός θερμοσιφωνικού συστήματος επίπεδου συλλέκτη παρατίθεται μέσω της ανάλυσης των δύο βασικότερων στοιχείων του. του επίπεδου συλλέκτη και της δεξαμενής θερμότητας. Εικ. 8: Θερμοσιφωνικό σύστημα επιπέδου συλλέκτη 2.1 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης Ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (Flat Plate Collector) είναι το πιο διαδεδομένο είδος ηλιακού συλλέκτη. Ένας επίπεδος ηλιακός συλλέκτης εκμεταλλεύεται τόσο τη διάχυτη όσο και

21 την άμεση ακτινοβολία και έχει μηχανικά συστήματα που χαρακτηρίζονται πολύ απλά. Τα βασικά του στοιχεία είναι: 1. Η απορροφητική επιφάνεια, η οποία μπορεί να προέρχεται από ειδικά επεξεργασμένο μέταλλο. Η συνηθέστερη επίστρωση των απορροφητικών επιφανειών είναι το μαύρο χρώμα. Συχνά όμως χρησιμοποιούνται και απορροφητικές επιφάνειες επιλεκτικής βαφής τόσο για την προστασία της επιφάνειας όσο και για την μείωση των θερμικών απωλειών. 2. Το κάλυμμα ή καλύμματα, συνήθως από γυαλί ή διαφανές πλαστικό υλικό, τα οποία έχουν την ικανότητα να μειώνουν τις θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς. 3. Το δίκτυο σωληνώσεων που εφάπτεται στην απορροφητική επιφάνεια, μέσα στους οποίους κυκλοφορεί το ρευστό, που απάγει τη θερμική ενέργεια από την απορροφητική πλάκα. 4. Τη θερμομόνωση, στο πίσω μέρος του συλλέκτη και στις πλαϊνές επιφάνειες. 5. Το περίβλημα, που συνήθως είναι από πλαστικό ή μέταλλο, το οποίο προστατεύει την όλη κατασκευή. Η λειτουργία του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη καθορίζεται εξίσου από τις συνθήκες ηλιοφάνειας και θερμοκρασίας και από τις ιδιότητες των υλικών. Τοποθετούνται σε σταθερή θέση και με προσανατολισμό που καθορίζεται από τη γεωγραφική θέση και το σκοπό χρήσης τους. Ο απλούστερος επίπεδος ηλιακός συλλέκτης είναι ο λεγόμενος ακάλυπτος συλλέκτης, αφού αποτελείται μόνο από την απορροφητική επιφάνεια. Ο ακάλυπτος, επίπεδος συλλέκτης βρίσκει εφαρμογές σε περιπτώσεις περιορισμένου θερμικού φορτίου π.χ για την θέρμανση πισινών κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου. Η τοποθέτηση διαφανών, προστατευτικών καλυμμάτων (που όχι μόνο προφυλάσσει τη μαύρη επιφάνεια από τη σκόνη ή τη βροχή αλλά δεν επιτρέπει και την ελεύθερη μεταφορά θερμότητας προς τα έξω) μας δίνει τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες στη βασική τους μορφή. Μέτρο της σωστής λειτουργίας ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη είναι η απόδοσή του. Η μαθηματική εξίσωση προσδιορισμού της στιγμιαίας απόδοσής ενός συλλέκτη είναι: Q u η th = (2.1) AaG T

22 όπου Q u η ισχύς της ωφέλιμης ενέργειας ή απολαβής (W), Α α η επιφάνεια του συλλέκτη (σε m 2 ) και G T η ολική προσπίπτουσα ακτινοβολία ( W/m 2 ). Ο ακριβής προσδιορισμός της απόδοσης ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη απαιτεί ανάλυση και ερμηνεία, των φαινόμενων που λαμβάνουν χώρα και που χαρακτηρίζονται από τα μεγέθη του παραπάνω τύπου. Αναλυτικότερα, ως ισχύς ωφέλιμης ενέργειας θεωρείται η διαφορά μεταξύ της απορροφημένης ισχύος ηλιακής ενέργειας και της θερμότητας λόγω απωλειών δηλ: Q = Q Q ή Qu = Aa [ S U L( Tp, m Ta )] (2.2) συλ. απορ. απωλ. όπου το S αναφέρεται στην ανά μονάδα επιφάνειας του συλλέκτη, απορροφούμενη ενέργεια, η οποία ισούνται με S = (τα) ave G T, όπου (τα) ave είναι η μέση τιμή του γινομένου διαπερατότητας απορροφητικότητας. Το γινόμενο U L (T p,m - T a ) αναφέρεται στις θερμικές απώλειες. Πρέπει να υπογραμμίσουμε ότι ο παραπάνω τύπος ισχύει με την αυτή του μορφή, όταν χρησιμοποιείται η μέση θερμοκρασία του απορροφητή δηλ η Τ p,m. Η χρήση του δεν μπορεί να χαρακτηριστεί εύκολη γιατί είναι δύσκολο να γνωρίζουμε ανά πάσα χρονική στιγμή την T p.m εξαιτίας της εξάρτησης της από την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και το ρευστό που χρησιμοποιείται. Γι αυτό το λόγο είναι πιο βολικό να χρησιμοποιήσουμε αντί της T p,m, τη θερμοκρασία εισόδου του νερού δηλ την T f, i μέσω της εξίσωσης: Qu Tp, m = Ti + (1 FR ) (2.3) A U F a L R Με την μετατροπή αυτή ο τύπος της ενέργειας απολαβής γίνεται Q = A F [ S U ( T T )] ή u a R L f, i a Q = A F [ G ( τα ) U ( T T )] (2.4) u a R T ave L f, i a Στην περίπτωση που η S μετριέται σε μονάδες W/m 2 και ο συντελεστής U L σε W/m 2 K, η ενέργεια απολαβής θα εκφράζεται σε W ή J/s.

23 Παρατηρούμε ότι η αλλαγή σε T f, i εισήγαγε έναν καινούριο όρο, τον F R. Ο παράγοντας αυτός είναι ισοδύναμος με τον λόγο της ωφέλιμης ισχύος του συλλέκτη για συγκεκριμένη τιμη της θερμοκρασίας του ρευστού προς την ωφέλιμη ισχύ του ιδίου αν αυτός βρισκόταν στη θερμοκρασία εισόδου του ρευστού, δηλ την T,. Και αυτό γιατί η μέγιστη απόδοση ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη επιτυγχάνεται όταν ο συλλέκτης φτάσει σε θερμοκρασία ίση με τη θερμοκρασία εισόδου του ρευστού. Η διεθνής ονομασία του παράγοντα αυτού είναι Heat Removal Factor και ισούται με: f i F R = i mc ( T T ) p f, o f, i A [ S U ( T T )] a L f, i a (2.5) Η εξίσωση (2.4) εκτός από εύχρηστη είναι και θεμελιώδης, γιατί διέπει τη θεωρεία όλων των συλλεκτών, επιπέδων και μη. Με την χρήση της συγκεκριμένης εξίσωσης, η εξίσωση της ωφέλιμης ισχύος του συλλέκτη γίνεται: i Q = mc ( T T ) u p f, o f, i (2.6) Μελέτες έχουν δείξει ότι καθώς αυξάνεται η ροή μάζας του ρευστού ( m i ), αυξάνεται με τη σειρά της (μέσω της μεταβολής του F R ) και η ωφέλιμη ενέργεια με αποτέλεσμα η θερμοκρασία εξόδου του νερού να εξισώνεται με την T f, i. Δηλαδή παρατηρείται μεγιστοποίηση της Q u και μάλιστα χωρίς να έχει αυξηθεί σημαντικά η θερμοκρασία του νερού του απορροφητή, όπως επίσης και χωρίς να έχουμε σημαντικές θερμικές απώλειες. Αντιθέτως, όταν η παροχή του ρευστού παίρνει χαμηλές τιμές, μέσω της ελάττωσης του παράγοντα F R, ελαχιστοποιείται η ενέργεια απολαβής με αποτέλεσμα να έχουμε άνοδο της T f, o και αρκετές θερμικές απώλειες. Η κατάσταση αυτή καλείται κατάσταση στασιμότητας (στην οριακή περίπτωση που δεν έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας του ρευστού). Η βασική μέθοδος προσδιορισμού της απόδοσης ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη, είναι να εκθέσουμε το σύστημα του συλλέκτη στην ηλιακή ακτινοβολία και σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης (steady state) και να μετρήσουμε τη θερμοκρασία εισόδου του ρευστού T f, i, την θερμοκρασία που παίρνουμε στην έξοδο f, o μέτρηση των GT και T α και χρησιμοποιώντας την σχέση: T και την παροχή του (m i ). Έπειτα με

24 Q FRU L ( Tf. i T ) u α ηd = = FR ( τα ) (2.7) A G G a T T υπολογίζεται η απόδοση του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη, η οποία γραφικά αναπαρίσταται ως προς το πηλίκο T f. i T G T α 2 ( m C / W ) (Εικ. 9) Σε γενικές γραμμές όσο μικραίνει η διαφορά μεταξύ θερμοκρασίας εισόδου ρευστού και ατμοσφαιρικού αέρα, τόσο μεγαλώνει η απόδοση του. Αν θεωρήσουμε ότι για κάποιον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, οι απώλειές του παραμένουν σταθερές, δηλ U L σταθερό, τότε η Tf. i Tα γραφική απεικόνιση της απόδοσης του, ως συνάρτηση του πηλίκου, θα μας δώσει G ευθεία και φθίνουσα γραμμή, με σημεία τομής στον άξονα της απόδοσης το [, F R (τα)] (ή Tf. i Tα Intercept efficiency) και στον άξονα του πηλίκου, το σημείο [F R (τα)/u L, ]. Η κλίση της G ευθείας είναι η FRU L (Efficiency slope) ενώ η τιμή n= F R (τα) αποτελεί τη μέγιστη θεωρητική απόδοση του επιπέδου ηλιακού συλλέκτη. T T Εικ. 9: Στιγμιαία απόδοση συλλέκτη

25 Στην πραγματικότητα όμως κάτι τέτοιο είναι αδύνατο, δηλ. να έχουμε σταθερές απώλειες και αυτό γιατί ο συντελεστής U L εξαρτάται και από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και από την ταχύτητα του ανέμου. Επομένως είναι λογικό η γραφική απεικόνιση της απόδοσης του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη να μην είναι ακριβώς ευθεία γραμμή αλλά καμπύλη και συγκεκριμένα παραβολή με τα κοίλα στραμμένα προς τα κάτω. κάτι που αποδεικνύει την πιθανή εξάρτηση της απόδοσης από τη δεύτερη δύναμη του όρου T f, i G T T a ή της θερμοκρασίας εισαγωγής του ρευστού. Αυτό επίσης, εξηγείται και από την εκθετική αύξηση των θερμικών απωλειών του ηλιακού συλλέκτη με την ακτινοβολία. Αξίζει να αναφερθεί ότι το μοντέλο του επίπεδου συλλέκτη από τους Cooper και Dunkle (1981) αποδεικνύει την εξάρτηση της απόδοσης, από το γνωστό πηλίκο, σύμφωνα με την παρακάτω σχέση: η th T T T T f. i α f, i α = FR ( τα ) α b GT GT 2 (2.8) Στο μοντέλο αυτό ο συντελεστής απωλειών θερμότητας εξαρτάται από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και οι σταθερές α και b από την ταχύτητα του ανέμου. Ο τρόπος αυτός γραφικού υπολογισμού και παρουσίασης της ενεργειακής απόδοσης ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη (μέσω F R (τα) και F R U L ), έστω και με διασπορά είναι και ο πιο απλός αλλά και συνάμα αρκετά πρακτικός. 2.2 Δεξαμενή θερμότητας Το δεύτερο σημαντικότερο στοιχείο των θερμοσιφωνικών συστημάτων είναι η δεξαμενή θερμότητας. Η σωστή μελέτη και διαστασιολόγηση της δεξαμενής θερμότητας, θα βοηθούσε σίγουρα στην βελτίωση της απόδοσης μικρών και μεγάλων θερμικών ηλιακών συστημάτων, μειώνοντας τις ενεργειακές ανάγκες, επιτυγχάνοντας παράλληλα και προσεκτικότερη χρήση των ενεργειακών πηγών. Το σίγουρο είναι ότι το δοχείο αυτό,

26 απαιτείται να είναι θερμικά μονωμένο έτσι ώστε να διατηρείται η αποθηκευμένη θερμότητα και κατά τη διάρκεια της νύχτας. Η λειτουργικότητα της θερμικής αυτής αποθήκης καθορίζεται από: 1. το μέσο αποθήκευσης, 2. την χωρητικότητα και το ύψος της (δομικά χαρακτηριστικά), 3. τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η εισαγωγή και η απομάστευση της θερμότητας, 4. τη διάρκεια αποθήκευσης της αποθηκευμένης ενέργειας, το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας της (καθορίζεται από το χρησιμοποιούμενο ρευστό), 5. την χρονική εξάρτηση της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας, 6. τη θερμοκρασιακή διαστρωμάτωση, 7. τη διαθέσιμη βοηθητική ενεργειακή πηγή και, 8. το λειτουργικό της κόστος, που θα καθορίσει τη βιωσιμότητα της. Όσον αφορά το μέσο αποθήκευσης, το νερό συγκεντρώνει όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά που το κάνουν ιδανικό μέσο και μάλιστα σε χαμηλές θερμοκρασίες όπως είναι η μεγάλη θερμοχωρητικότητα του, η ταυτόχρονη χρήση του ως μέσο μεταφοράς και αποθήκευσης (θερμότητας), το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας του και το ιδιαίτερο χαμηλό του κόστος. Η δεξαμενή θερμότητας, συνηθίζεται να τοποθετείται λίγο ψηλότερα από τον συλλέκτη αν και υπάρχουν εφαρμογές στις οποίες αυτή τοποθετείται χαμηλότερα του συλλέκτη. Για να βρεθεί η εξίσωση που χρειάζεται έτσι ώστε να περιγράφεται ικανοποιητικά η θερμοκρασιακή διαφορά των στρωμάτων κάτι που θα βοηθήσει στον έλεγχο της θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης, χρησιμοποιείται η αρχή διατήρηση της ενέργειας, ξεχωριστά για κάθε επίπεδο ομοιόμορφης θερμοκρασίας. Ο ακριβής προσδιορισμός της εξίσωσης όμως είναι αρκετά πολύπλοκος και χρονοβόρος και απαιτεί πληροφορίες για το πώς διανέμεται κατά μήκος της δεξαμενής η εισερχόμενη θερμική ενέργεια και τις ενεργειακές ανάγκες που είναι σχεδιασμένη να καλύψει.

27

28 Κεφάλαιο 3 ο Πειραματική μελέτη της χρησιμοποιηθείσας θερμοσιφωνικής συσκευής επίπεδου συλλέκτη 3.1 Πειραματική συσκευή και σκοπός πειράματος Για την διεξαγωγή των απαραίτητων πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε το διαθέσιμο θερμοσιφωνικό σύστημα επίπεδου συλλέκτη (συσκευή FPTU). Η συσκευή είναι τοποθετημένη στην οροφή του κτιρίου Φυσικής και είναι στραμμένη προς το νότο. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκαν πειραματικές διατάξεις, με σκοπό την τροφοδοσία των συσκευών με νερό από το δίκτυο ύδρευσης, τη σύνδεση αισθητήρων θερμοκρασίας, ταχύτητας πνέοντος ανέμου και προσπίπτουσας ακτινοβολίας με τα όργανα μέτρησης και καταγραφής των πειραματικών δεδομένων. Κύριος στόχος της πειραματικής διαδικασίας είναι η μελέτη όλων των παραμέτρων που απαιτούνται για τη λειτουργία του συστήματος. 3.2 Χαρακτηριστικά της χρησιμοποιηθείσας θερμοσιφωνικής συσκευής επίπεδου συλλέκτη Το θερμικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στα πλαίσια αυτής της εργασίας είναι θερμοσιφωνικού τύπου της εταιρίας ECONOMY με την εμπορική ονομασία ECO 12 (Εικ 1). Το θερμοσιφωνικό σύστημα έχει διαστάσεις έχει ύψος 2.1m, πλάτος 1m και μήκος 1.82m ενώ

29 ζυγίζει 112 kg. O συλλέκτης έχει κλίση 44 σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο και με νότιο προσανατολισμό. Εικ. 1: Η πειραματική συσκεύη - θερμοσιφωνικό σύστημα Το δοχείο αποθήκευσης νερού είναι τοποθετημένο σε οριζόντια θέση και αποτελείται από δύο ομόκεντρους κυλίνδρους κατασκευασμένους από ανοξείδωτο ατσάλι. Μεταξύ των κυλίνδρων υπάρχει ο θερμικός εναλλάκτης και ένα στρώμα μόνωσης από πολυουρεθάνη πάχους 8 mm και πυκνότητας Kg/m 3. Στο εσωτερικό έχει τοποθετηθεί ηλεκτρική αντίσταση 3 kw από ανοξείδωτο ατσάλι ενώ στο πάνω μέρος του δοχείου υπάρχουν δύο βαλβίδες εξαέρωσης για λόγους ασφαλείας. Ο ηλιακός συλλέκτης αποτελείται από σωλήνες χαλκού σε παράλληλη διάταξη πάνω στους οποίους υπάρχει επιλεκτική επιφάνεια χαλκού με συντελεστή απορρόφησης α =.9 και συντελεστή εκπομπής ε =.11. Στο κάτω μέρος υπάρχει μόνωση από πετροβάμβακα πάχους 4 mm ενώ το κάλυμμα στο πάνω μέρος του συλλέκτη είναι κατασκευασμένο από σιλικόνη. Τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν τον συγκεκριμένο θερμοσιφωνικό σύστημα είναι: Όγκος νερού που περιέχεται στο δοχείο: 9 L Όγκος υγρού εναλλάκτη: 12 L

30 Άνοιγμα συσκευής: μήκος = 1.93 m, πλάτος =.925 m Επιφάνεια ανοίγματος: Α c =1.785 m 2 Περιεχόμενο νερό/συλλεκτική επιφάνεια: 5.42 lt m Μέθοδοι πειραματικής μελέτης των θερμοσιφωνικών ηλιακών συσκευών Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται οι μέθοδοι πειραματικής μελέτης συσκευών FPTU με στόχο τον προσδιορισμό της απόδοσης ημερήσιας λειτουργίας και τον υπολογισμό των νυκτερινών θερμικών απωλειών τους Πειραματικός Προσδιορισμός της Ημερήσιας Απόδοσης Ο πιο συνηθισμένος τρόπος σύγκρισης διαφόρων τύπων ηλιακών θερμοσιφωνικών συσκευών είναι ο προσδιορισμός της απόδοσης ημερήσιας λειτουργίας τους. Με το τρόπο αυτό γίνεται εξακρίβωση της λειτουργίας τους σε εξωτερικές συνθήκες και εκτιμάται η επιτυχία της σχεδίασής τους. Για το προσδιορισμό της απόδοσης εφαρμόζεται μια πειραματική μέθοδος κατά την οποία η ημερήσια απόδοση προσεγγίζεται ικανοποιητικά, υπολογίζοντας τη θερμότητα που προσέλαβε το νερό, από τις τιμές της μέσης αρχικής και μέσης τελικής θερμοκρασίας του, κατά τη διάρκεια 12ωρης πειραματικής λειτουργίας της συσκευής. Στην πειραματική αυτή μέθοδο προσδιορίζεται η μέση ημερήσια απόδοση της συσκευής, που συντομογραφικά θα αναφέρεται και ως MDE (Mean Daily Efficiency). Το χρονικό διάστημα των 12 ωρών καθορίζεται από τις 6:3 π.μ έως και τις 18:3 μ.μ ηλιακή ώρα, δηλαδή 6 ώρες πριν το μεσημέρι και 6 ώρες μετά το μεσημέρι τού τόπου που πραγματοποιείται η πειραματική διαδικασία (για την Πάτρα το ηλιακό μεσημέρι καθορίζεται περίπου στις 12:3 μ.μ). Συγκεκριμένα, το πρωί της ημέρας ενός πειράματος, η συσκευή περιέχει νερό μέσης

31 αρχικής θερμοκρασίας T i,m και ξεκινά η καταγραφή των μετρήσεων της θερμοκρασίας του νερού T w εντός του δοχείου, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T α καθώς και της ηλιακής ακτινοβολίας G που προσπίπτει στην επιφάνεια ανοίγματος της συσκευής. Κατά τη διάρκεια του πειράματος η συσκευή λειτουργεί χωρίς απομάστευση του νερού ή άλλη παρέμβαση και η καταγραφή των τιμών των μεγεθών διαρκεί μέχρι την ολοκλήρωσή του. Η πειραματική αυτή λειτουργία επαναλαμβάνεται πολλές ημέρες και κάθε φορά η θερμοκρασία εκκίνησης είναι διαφορετική ώστε να περιλαμβάνεται ένα όσο το δυνατό μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιείται με λειτουργία της συσκευής για τρεις έως τέσσερις συνεχόμενες ημέρες χωρίς απομάστευση του νερού αποθήκευσης ώστε η θερμοκρασία εκκίνησης για κάθε ημερήσια λειτουργία να είναι διαφορετική και αυξανόμενη μέχρι την τέταρτη ημέρα λειτουργίας, όπου πλέον η συσκευή φτάνει σε θερμοκρασιακό κόρο, 2 ώρες περίπου μετά το ηλιακό μεσημέρι και ανάλογα με τη θερμική αδράνειά της. Η πειραματική αυτή διαδικασία επαναλαμβάνεται με σκοπό τη συλλογή αρκετών πειραματικών στοιχείων για τον προσδιορισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης και τη γραφική απεικόνισή της, συναρτήσει της ποσότητας T G m m = [( T + T ) / 2 T ] / G (3.1) i,m f,m a,m m Τα μετρούμενα μεγέθη που απαιτούνται για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης, η d, είναι η μέση θερμοκρασία του νερού T i,m τη χρονική στιγμή της έναρξης του πειράματος t i (6:3), η μέση θερμοκρασία του νερού T f,m τη χρονική στιγμή τέλους της ημερήσιας λειτουργίας της συσκευής t f (18:3), καθώς και η θερμοκρασία περιβάλλοντος T α και η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας G καθ όλη τη διάρκεια του 12ωρου πειράματος (προκειμένου να υπολογιστούν οι αντίστοιχες χρονικές μέσες τιμές T α,m και G m). Η συνεχής καταγραφή της θερμοκρασίας του νερού T w, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T α και της ηλιακής ακτινοβολίας G κατά τη διάρκεια όλου του πειράματος, μας δίνει τη δυνατότητα να παρακολουθούμε την απόκριση της συσκευής στις μεταβολές των εξωτερικών συνθηκών και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη λειτουργία της. Σημαντική επίδραση στη διακύμανση των πειραματικών μετρήσεων της συσκευής, έχει ο άνεμος καθώς και το ποσοστό νέφωσης. Για

32 μεγάλες τιμές της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου ( vw > 5 ms -1 ), οι θερμικές απώλειες αυξάνουν, ενώ το υψηλό ποσοστό νέφωσης μειώνει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Μέσω των παραπάνω υπολογίζεται η θερμότητα Q w (Joule) του νερoύ μάζας M w (kg) και ειδικής θερμότητας C p,w (Jkg -1 K -1 ) στο χρονικό διάστημα t= t f ti = 12h= 43,2sec καθώς και η θερμότητα Q T που περιέχεται στη μάζα του δοχείου αποθήκευσης του νερού M T (kg) και ειδικής θερμότητας C p,t (Jkg -1 K -1 ) για το ίδιο χρονικό διάστημα, σύμφωνα με τις παρακάτω εξισώσεις: Q w = M C ( T Ti,m ) (3.2) w p,w f,m Q T = M C ( T Ti,m ) (3.3) T p,t f,m Για τον υπολογισμό της ποσότητας Q T θεωρούμε ότι στη διάρκεια όλου του 12ώρου, η μέση θερμοκρασία του νερού στη δεξαμένη ταυτίζεται με τη θερμοκρασία του νερού στο μέσον του δοχείου αποθήκευσης. Η μάζα του δοχείου αποθήκευσης της συσκευής είναι MT = 4.6 kg και ο όγκος του νερού είναι V = 1L. Θεωρώντας C, = 54 Jkg -1 K -1 και C, = 4,182 Jkg -1 K -1, τελικά T p T προκύπτει M = M C, + M C, = 42, 684 JK -1. Η μέση ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας C T p T W p w G m, στο ίδιο χρονικό διάστημα t υπολογίζεται από την ολοκλήρωσή της στο χρονικό διάστημα Δt διαιρώντας τη προς αυτό. Δηλαδή: p w t f [ G( t) dt] t i Gm = t f ti (3.4) Η συνολική προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια Q R στην επιφάνεια ανοίγματος της συσκευής, στο ίδιο χρονικό διάστημα Δt, προσδιορίζεται από την ολοκλήρωση της μετρούμενης έντασης G (t):

33 QR t f = Aα G( t)d t = Aα Gm t (3.5) t i Η μέση ημερήσια απόδοση η d του συστήματος για τη θέρμανση του νερού που περιέχεται στη δεξαμενή θερμότητας σύμφωνα με τον ορισμό, υπολογίζεται από την σχέση: ηd Q M C M C T T w+ Q ( w p,w+ T p,t ) ( f,m T i,m ) = = (3.6) QR Gm Aα t Κάθε πειραματική τιμή της μέσης ημερησίας απόδοσης η d της συσκευής καθορίζεται από τις μέσες τιμές της θερμοκρασίας του νερού τις χρονικές στιγμές t i και t f και τη μέση τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας G m κατά τη διάρκεια της 12ωρης ημερήσιας λειτουργίας της συσκευής. Ορίζεται έτσι ένα πειραματικό ζεύγος τιμών η d και Tm / G m όπου το η d καθορίζεται από την σχέση (3.6) ενώ η παράμετρος Tm / G m (W -1 m²κ) από τη σχέση (3.1). Η μέση ημερήσια απόδοση η d μπορεί να ληφθεί σε συνάρτηση του T m,d / Gm με γραμμική προσέγγιση από τη σχέση: η d = A+ B ( T / G ) (3.7) m m O συντελεστής A εκφράζει τη μέγιστη μέση ημερήσια απόδοση της συσκευής όταν η μέση θερμοκρασία του νερού στο 12ωρο, ( T w, m), είναι ίση προς τη μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος για το ίδιο χρονικό διάστημα. Στην περίπτωση αυτή ισχύει: T = T = ( T + T ) / 2 T / G = (3.8) w, m α, m i, m f, m m m Η μέγιστη μέση ημερήσια απόδοση στην περίπτωση αυτή εκφράζεται μέσω του συντελεστή A, και διαιρεμένη με την μέση τιμή μιας παραμέτρου K (θ ), όπου K ( θ ) = 3 cos θ (1 + sin θ ), εξαρτώμενης της γωνίας πρόσπτωσης στη διάρκεια της 12ωρης ημερήσιας λειτουργίας, έχουμε την οπτική απόδοση η o της συσκευής. Ο συντελεστής

34 B(WK -1 m -2 ) εκφράζει τις θερμικές απώλειες της συσκευής ανά επιφάνεια ανοίγματος ( A a) κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της και αντιστοιχεί σε μια - κατά προσέγγιση τιμή του στο θερμοκρασιακό εύρος των δοκιμών. Μια πιο ακριβής προσέγγιση της μέσης ημερήσιας απόδοσης η d σε συνάρτηση με την ποσότητα T m,d / Gm, μπορεί να επιτευχθεί με το πολυώνυμο δευτέρου βαθμού: 2 η d = A+ B ( T / G ) + C ( T / G ) (3.9) m m m m Ο συντελεστής A εκφράζει και πάλι τη μέγιστη απόδοση της συσκευής, ο συντελεστής B δίνει μια προσεγγιστική τιμή για το μέσο συντελεστή θερμικών απωλειών ανά επιφάνεια ανοίγματος της συσκευής ( A a) ενώ ο συντελεστής C εκφράζει τη μεταβολή του συντελεστή αυτού. Χαρακτηριστικά, σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας της συσκευής η κλίση της καμπύλης μέσης ημερήσιας απόδοσης αυξάνει. Η διαφοροποίηση αυτή οφείλεται στο ότι ο παράγοντας της θερμικής ακτινοβολίας είναι ανάλογος της 4ης δύναμης της μέσης θερμοκρασίας του νερού της δεξαμένης θερμότητας δοχείου της συσκευής με αποτέλεσμα να παρατηρείται εντονότερη εξάρτηση των θερμικών απωλειών μέσω του συγκεκριμένου τρόπου μετάδοσης της θερμότητας όταν η απορροφητική επιφάνεια βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία. Με τη χρήση είτε της γραμμικής προσέγγισης (3.7) είτε της δευτεροβάθμιας προσέγγισης (3.9), η καμπύλη που προκύπτει είναι μια καμπύλη χαρακτηριστική για τη συσκευή. Τα δύο ακραία σημεία, Tm / G m= W -1 m²k και η d =, χαρακτηρίζουν την σχεδίαση της συσκευής (αντιστοιχία με την οπτική απόδοση, ηoκαι τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας της συσκευής) ενώ η κλίση της καμπύλης (συντελεστές B και C) καθορίζουν την θερμική της συμπεριφορά (είδος και πάχος θερμικής μόνωσης, διαφανές κάλυμμα κ.α) Πειραματικός Προσδιορισμός των Θερμικών Απωλειών Στις θερμοσιφωνικές συσκευές, έχει ιδιαίτερη σημασία η διατήρηση της θερμοκρασίας του νερού στη δεξαμενή θερμότητας τόσο κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας τους,

35 όσο και κατά τη διάρκεια της νύκτας. Αυτός εξάλλου είναι ένας βασικός παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη κατά τη σχεδίαση και κατασκευή του δοχείου (αρχές σχεδίασης, χρήση κατάλληλων υλικών κατασκευής, κ.α.). Οι θερμικές απώλειες της συσκευής εξαρτώνται από τη χρονική διάρκεια λειτουργίας της και δεν είναι ίδιες όταν πρόκειται για ημερήσια ή νυκτερινή λειτουργία. Στις δύο αυτές χρονικές περιόδους η συσκευή είναι εκτεθειμένη σε διαφορετικό περιβάλλον με αποτέλεσμα να παρουσιάζει διαφορετική θερμική συμπεριφορά. Στην προηγούμενη παράγραφο παρουσιάστηκε ο πειραματικός προσδιορισμός των ημερήσιων θερμικών απωλειών της συσκευής μέσω των συντελεστών B και C των σχέσεων γραμμικής ή πολυωνυμικής προσέγγισης της μέσης ημερήσιας απόδοσης η d. Μια αντίστοιχη πειραματική μέθοδος προτείνεται από τον Faiman μέσω της γραμμικής προσέγγισης της μέγιστης ημερήσιας απόδοσης σε σχέση με την ποσότητα Tm = Tmax,w Ta, m ( T max, w) (όπου Tmax,wείναι η μέση μέγιστη θερμοκρασία του νερού και a, m T η μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος). Κατά τη διάρκεια της νύκτας, λόγω απουσίας ηλιακής ακτινοβολίας η συσκευή είναι εκτεθειμένη άμεσα σε ένα περιβάλλον με χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι θερμικές απώλειες να είναι υψηλότερες και να διαφοροποιείται η θερμική συμπεριφορά της συσκευής. Το νερό της συσκευής θερμαίνεται σε θερμοκρασία η οποία κυμαίνεται μεταξύ 4 C και 8 C και εν συνεχεία η συσκευή αφήνεται να λειτουργήσει από το απόγευμα (18:3) μέχρι το πρωί (6:3) της επόμενης ημέρας χωρίς απομάστευση του νερού, ανταλλάσσοντας ενέργεια με το περιβάλλον. Οι δύο αυτές χρονικές στιγμές t i και t f βρίσκονται σε συμφωνία, αντίστοιχα με τις χρονικές στιγμές που λαμβάνονται υπόψη κατά τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης των συσκευών και συγκεκριμένα η χρονική στιγμή t i (18:3) αντιστοιχεί με τη χρονική στιγμή τέλους της ημερήσιας λειτουργίας και η χρονική στιγμή t f (6:3) με την αρχή της επόμενης ημερήσιας λειτουργίας. Η πειραματική διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές ημέρες και κάθε φορά με διαφορετική μέση θερμοκρασία εκκίνησης ( T i,m ) του περιεχομένου νερού του δοχείου της συσκευής. Η πειραματική διαδικασία προσδιορισμού των νυκτερινών θερμικών απωλειών συνδέεται άμεσα με αυτή που παρουσιάστηκε κατά τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια του τετραημέρου για τον υπολογισμό της μέσης ημερήσιας απόδοσης της συσκευής, υπολογίζεται

36 και ο μέσος συντελεστής νυκτερινών θερμικών απωλειών για το ίδιο χρονικό διάστημα. Αν θεωρήσουμε T i,m την μέση αρχική θερμοκρασία του νερού την χρονική στιγμή t i (απόγευμα 18:3), T f, m την μέση τελική θερμοκρασία του νερού την χρονική στιγμή t f (6:3 πρωινή της επόμενης ημέρας) και T α,m τη μέση θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια του 12ωρου πειράματος, τότε ο συντελεστής νυκτερινών θερμικών απωλειών U s (WΚ -1 ) προσδιορίζεται με βάση την ακόλουθη σχέση: M wc p,w+ MT C p,t Ti,m Tα,m U s = ln (3.1) t T f,m Tα,m όπου M w είναι η μάζα του νερού στο δοχείο, Δt το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί κατά τη διάρκεια του πειράματος ( t= t f ti = 43,2 sec) και C p,w η ειδική θερμότητα του νερού. Για τον υπολογισμό του μέσου συντελεστή νυκτερινών θερμικών απωλειών της συσκευής λαμβάνεται υπόψη, επιπρόσθετως, η μάζα M T του δοχείου αποθήκευσης καθώς και η ειδική θερμότητα C p,t. Από τη σχέση (3.1) προκύπτει ότι η τιμή του συντελεστή των θερμικών απωλειών U s δεν είναι σταθερή, αλλά αυξάνει λογαριθμικά με το λόγο της διαφοράς της τοπικής μέσης θερμοκρασίας T i,m εκκίνησης του νερού τη χρονική στιγμή t i (18:3) μείον τη μέση τιμή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T α,m κατά τη διάρκεια του 12ωρου πειράματος προς τη διαφορά της τοπικής μέσης τελικής θερμοκρασίας T f,m του νερού τη χρονική στιγμή t f (6:3) μείον τη μέση τιμή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος T α,m κατά τη διάρκεια του ίδιου χρονικού διαστήματος. Κατά τον υπολογισμό του συντελεστή των νυκτερινών θερμικών απωλειών της συσκευής θεωρείται ότι η μέση θερμοκρασία του δοχείου αποθήκευσης ταυτίζεται με τη θερμοκρασία του νερού στο μέσον του δοχείου, (όπως θεωρήθηκε και στην περίπτωση του πειραματικού προσδιορισμού της μέσης ημερήσιας απόδοσης). Τα ζεύγη τιμών ( U s, Ti,m T α,m) κατά τη διάρκεια της πολυήμερης πειραματικής διαδικασίας αποτελούν τα πειραματικά δεδομένα υπολογισμού των νυκτερινών θερμικών απωλειών της συσκευής. Στην πράξη, το U s μεταβάλλεται βραδύτατα συναρτήσει του

37 Ti,m T α,m και συνηθίζεται να προσεγγίζουμε τη μεταβολή αυτή με μια εμπειρική γραμμική σχέση: Us = A+ B ( Ti,m Tα,m ) (3.11) Στη σχέση αυτή ο συντελεστής A εκφράζει τις θερμικές απώλειες της συσκευής όταν η θερμοκρασία του νερού ισούται με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και ο συντελεστής B εκφράζει το ρυθμό μεταβολής των νυκτερινών θερμικών απωλειών συναρτήσει της διαφοράς T m,n = T i,m T α,m. Η γραφική παράσταση της μεταβολής του U s συναρτήσει της διαφοράς θερμοκρασίας T m, N μας δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης των νυκτερινών θερμικών απωλειών. 3.4 Πειραματική διάταξη δοκιμών της θερμοσιφωνικής ηλιακής συσκευής Το ηλιακό σύστημα θέρμανσης νερού που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα αποτελείται από έναν επίπεδο ηλιακό θερμοσιφωνικό συλλέκτη και ένα δοχείο αποθήκευσης τού προς νερού χρήση. Όπως φαίνεται από την εικόνα που ακολουθεί (Εικ. 11) η είσοδος του δοχείου αποθήκευσης συνδέθηκε με το δίκτυο ύδρευσης ενώ παράλληλα προσαρμόστηκε κατάλληλη στρόφιγγα με σκοπό την απομάστευση του νερού. Παράλληλα, στο εσωτερικό κύκλωμα του μανδύα του συλλέκτη, τοποθετήθηκε μίγμα αποσταγμένου νερού με αντιψυκτικό με σκοπό την προστασία του από τις χαμηλές θερμοκρασίες.

38 Εικ. 11: Πειραματική διάταξη της θερμοσιφωνικής ηλιακής συσκευής Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο αποθήκευσης τοποθετήθηκαν θερμοζεύγη σε τρεις διαφορετικές θέσεις. Επίσης, δύο θερμοζεύγη τοποθετήθηκαν εντός των σωλήνων στην είσοδο και έξοδο του συλλέκτη με σκοπό την μέτρηση των θερμοκρασιών του νερού-αντιψυκτικού που ήταν απαραίτητες για την μελέτη του συστήματος. Όλα τα θερμοζεύγη συνδέθηκαν με αυτόματο καταγραφικό τύπου CR1X για τη συνεχή καταγραφή των τιμών όλο το 24ωρο. Τέλος, τοποθετήθηκε εντός της δεξαμενής θερμότητας, ηλεκτρική αντίσταση ισχύος 3 kw με σκοπό την θέρμανση νερού σε περίπτωση που απαιτηθεί. Για την πραγματοποίηση των πειραματικών διαδικασιών χρησιμοποιήθηκαν διάφορα ηλεκτρονικά και μηχανικά στοιχεία. Για την μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκε πυρανόμετρο της εταιρίας Kipp & Zonen με την κωδική ονομασία CM 3, ενώ για την μέτρηση της ταχύτητας του πνέοντος ανέμου χρησιμοποιήθηκαν δύο ανεμόμετρα τύπου κυπέλλου της εταιρίας North Wales με την κωδική ονομασία A1R. Επιπροσθέτως, για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιήθηκαν θερμοζεύγη κράματος χαλκού-κονσταντάνης (Cu CuNi) τα οποία συνδέθηκαν με το σύστημα καταγραφής. Για την καταγραφή και αποθήκευση των μετρήσεων των διαφόρων παραμέτρων χρησιμοποιήθηκε ένα αυτόματο

39 καταγραφικό (data logger) της εταιρίας Campbell Scientific Instrument με την εμπορική ονομασία CR1X. Ο CR1X μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να μετρά τόσο μετεωρολογικές παραμέτρους όσο ηλεκτρονικές παραμέτρους με περίοδο από δέκατα του δευτερολέπτου έως μέχρι πολλές ώρες. Παράλληλα ο data logger έχει την δυνατότητα να πραγματοποιεί μέσω ενσωματωμένων συναρτήσεων στατιστική ανάλυση των μετρούμενων μεγεθών όπως μέσες τιμές κάποιας χρονικής περιόδου, μέσες ωριαίες τιμές, τυπικές αποκλίσεις κ.α. Στον CR 1X υπάρχει η δυνατότητα να συνδεθούν διάφορες κάρτες επέκτασης εισόδων. Μία από αυτές είναι η μονάδα πολυπλεξίας (Multiplexer) που δίνει την δυνατότητα λήψης περισσότερων αναλογικών ( ή διαφορικών) μετρήσεων από τον περιορισμένο αριθμό του CR 1X. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε είναι το AM416 της εταιρίας Campbell Scientific.

40 Κεφάλαιο 4 ο Πειραματικά αποτελέσματα της θερμοσιφωνικής συσκευής επιπέδου συλλέκτη Το παρών κεφάλαιο αναφέρεται στα πειραματικά αποτελέσματα της μελέτης του χρησιμοποιηθέντως θερμοσιφωνικού συστήματος. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν από τον Σεπτέμβρη του 27 ως τον Οκτώβρη του 28. Έγινε επιλογή εκείνων των πειραμάτων που δεν είχαμε σφάλματα είτε λόγω προβλημάτων στη διαδικασία μέτρησης και καταγραφής είτε λόγω άσχημων καιρικών συνθηκών. Επεξεργαστήκαμε τα πειραματικά δεδομένα τα οποία αφού καταγράφτηκαν από το DATA LOGGER αποθηκεύθηκαν στο υπολογιστή. 4.1 Διαγράμματα ημερήσιας λειτουργίας της συσκευής FPTU Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 13-14/9/27 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-1: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1

41 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 14-15/9/27 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-2: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm-2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /8/ :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 Σχήμα 4-3: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής

42 Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /9/ Temperature ( C ) G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-4: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής Τα διαγράμματα που προηγήθηκαν (Σχ. 4-1 έως 4-4), είναι αντιπροσωπευτικά του Σεπτεμβρίου. Παρατηρούμε ότι καθόλη τη διάρκεια του τετραημέρου η θερμοκρασία περιβάλλοντος και η ταχύτητα του ανέμου δεν μεταβάλλονται σημαντικά κάτι που ερμηνεύει και την ομαλή διακύμανση της θερμοκρασίας του νερού της δεξαμενής, μέσα στο τετραήμερο. Τα διαγράμματα που ακολουθούν (Σχ. 4-5 έως 4-7) είναι αντιπροσωπευτικά του Οκτωβρίου, και αφορούν το τριήμερο 2 με 5/1/27. Αξιοσημείωτο είναι ότι έχει προηγηθεί απομάστευση του νερού από τη δεξαμενή θερμότητας με αποτέλεσμα να έχουμε χαμηλότερη θερμοκρασία εκκίνησης (σχεδόν 5 o C).

43 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 2-3/1/27 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-5: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /1/ :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-6: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1

44 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /1/ :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-7: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 Το νερό φτάνει στη μέγιστη του τιμή, στο τέλος της πρώτης ημέρας, εμφανίζοντας τη γνωστή χρονική υστέρηση, αφού η ακτινοβολία και η μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας του δοχείου αποθήκευσης δεν επιτυγχάνονται ταυτόχρονα λόγω της θερμικής αδράνειας του συστήματος και της μίξης στο εσωτερικό της δεξαμενής. Το νερό εξέρχεται σε μεγαλύτερη θερμοκρασία εκείνης της εκκίνησης και διατηρεί αυτή την τιμή κατά το τέλος της τρίτης ημέρας. Η ομαλή αυτή διακύμανση της θερμοκρασίας του νερού, σχετίζεται άμεσα με την ακτινοβολία, η οποία κατά τη διάρκεια των τριών ημερών είναι παρόμοια (μέγιστη τιμή σχεδόν 11 W/m 2 ). Το διάγραμμα που ακολουθεί (Σχ. 4-8), αφορά την 21 η Νοέμβρη, ημέρα που εμφανίζει πολύ καλές τιμές έντασης της ακτινοβολίας και ομαλή διακύμανση των θερμοκρασιών του δοχείου αποθήκευσης.

45 Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 21-22/11/ G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-8: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής Τα διαγράμματα που αντιπροσωπεύουν τον Ιανουάριο 8 (Σχ. 4-9 έως 4-1), είναι ενδεικτικά της χαμηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντος, κάτι που έχει άμεση επίπτωση στη θερμική απόκριση της δεξαμενής θερμότητας, γι αυτό και άλλωστε η αύξηση της θερμοκρασίας του περιεχόμενου νερού της είναι μικρή. (Στα συγκεκριμένα διαγράμματα, όπως επίσης και μέχρι το διάγραμμμα 13, δεν εμφανίζεται η θερμοκρασία του νερού στην είσοδο του συλλέκτη, εξαιτίας προβληματικής λειτουργίας του αντίστοιχου θερμοζεύγους, όπως επίσης και η «κορυφή» που εμφανίζεται στην θερμοκρασία εξόδου του συλλέκτη, πιθανόν να οφείλεται σε στιγμιαία δυσλειτουργία του αντίστοιχου θερμοζεύγους)

46 Temperature ( C ) Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 2-21/1/ G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-9: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής Temperature ( C ) Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw 21-22/1/ G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-1: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής

47 Όσον αφορά το διήμερο του Φεβρουαρίου 8 που ακολουθεί (Σχ έως 4-12), έχει προηγηθεί απομάστευση νερού. Παρατηρούμε ότι η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος με τη χαμηλή ταχύτητα του πνέοντος ανέμου δεν επηρεάζει την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού, γι αυτό και άλλωστε ενώ η θερμοκρασία εκκίνησης είναι στους 5 ο C, αυτή αυξάνεται μέχρι τους 7 ο C και μέχρι τους 85 ο C κατά τη δεύτερη ημέρα, ενώ το διάγραμμα που ακολουθεί (Σχ. 4-13), αντιπροσωπεύει μια ημέρα του Μαρτίου 8, κατά τη διάρκεια της οποίας η ακτινοβολία εμφανίζει κάποια ασυνέχεια προς τις απογευματινές ώρες. Αυτό έχει αντίκτυπο στη χρονική στιγμή κατά την οποία μεγιστοποιείται η θερμοκρασία του νερού στο δοχείο (πολύ νωρίς το απόγευμα). Temperature ( C ) Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /2/ :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-11: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm-2 ) - Vw ( ms-1 ) x 1-1

48 Temperature ( C ) TANK Mean Ta G Vw /2/ Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-12: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 )x 1-1 Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up Temperature ( C ) TANK Mean Ta G Vw 3-4/3/ G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-13: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής

49 Τα επόμενα διαγράμματα (Σχ έως 4-15), αφορούν δύο ημέρες του Αυγούστου, μήνας ο οποίος είναι ενδεικτικός των πολύ καλών συνθηκών ηλιοφάνειας και των υψηλών θερμοκρασιών περιβάλλοντος. Στο πρώτο διάγραμμα είναι εμφανής η απομάστευση που έχει προηγηθεί κάτι που έχει και αντίκτυπο στη μεγάλη άνοδο της θερμοκρασίας του νερού της δεξαμενής σε συνδυασμό με τις πολύ καλές καιρικές συνθήκες. Στο δεύτερο διάγραμμα, εξαιτίας της αρκετά υψηλής τιμής της θερμοκρασίας εκίννησης του νερού της δεξαμενής, έχουμε γρήγορη μεγιστοποίηση της θερμοκρασίας του, νωρίς το μεσημέρι και πολύ μικρές απώλειες κατα τη διάρκεια της νύχτας, ενδεικτικό της σχετικά σταθερής θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /8/ Temperature ( C ) G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-14: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής

50 Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up Temperature ( C ) TANK Mean Ta G Vw /8/ G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-15: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής Τέλος, τα διαγράμματα που ακολουθούν (Σχ έως 4-17) αντιπροσωπεύουν ένα διήμερο του Σεπτεμβρίου, στο οποίο έχει προηγηθεί απομάστευση, γι αυτό και άλλωστε έχουμε απότομη αύξηση της θερμοκρασίας του νερού στο δοχείο, κατα τη διάρκεια της πρώτης ημέρας. Οι αρκετά υψήλες τιμές της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, κατα τη διάρκεια του διημέρου, απαντούν στο γεγονός των μικρών θερμικών απωλειών κατα τη διάρκεια της νύκτας.

51 Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up TANK Mean Ta G Vw /9/ Temperature ( C ) G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x 1-1 6:3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-16: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής Tc,in Tc,out TANK Low TANK Middle TANK Up 1 9 TANK Mean Ta G Vw 6-7/9/ Temperature ( C ) G ( Wm -2 ) - Vw ( ms -1 ) x :3 9:3 12:3 15:3 18:3 21:3 :3 3:3 6:3 Time ( Hours ) Σχήμα 4-17: Διάγραμμα μεταβολής των θερμοκρασιών, της έντασης της ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημερήσιας λειτουργίας της θερμοσιφωνικής συσκευής

52 4.2 Μέση ημερήσια απόδοση λειτουργίας και συντελεστής θερμικών απωλειών Στην παράγραφο αυτή παρατίθονται τα διαγράμματα της μέσης ημερήσιας απόδοσης συναρτήσει του πηλίκου ΔT m / G m (Σχ. 4-18) και του συντελετή νυκτερινών θερμικών απωλειών συναρτήσει της διαφοράς T i,m T a,m (Σχ. 4-19). Στα διαγράμματα έχει γίνει γραμμική προσέγγιση. 1. Μέση ηµερήσια απόδοση y = x R 2 = ηd T m /G m ( o C m 2 / W) Σχήμα 4-18: Μέση ημερήσια απόδοση της θερμοσιφωνικής συσκευής

53 Συντελεστής θερµικών απωλειών y = -.21x R 2 =.234 Us ( W / o C) T i,m - T a,m ( o C) Σχήμα 4-19: Μεταβολή του συντελεστή θερμικών απωλείων, σε συνάρτηση με τη διαφορά Ti,m Ta,m

54 Κεφάλαιο 5 ο Προσομοίωση πειραματικών μεθόδων TRNSYS Βιβλιογραφικές αναφορές Η ικανοποιητική ενεργειακή απόκριση και βιωσιμότητα των ηλιακών συστημάτων απαιτεί τόσο την προσεκτική διαστασιολόγηση των τμημάτων που τα αποτελούν όσο και ειδική πρόνοια που αφορά το κόστος της όλης κατασκευής και την μετέπειτα οικονομική της απόσβεση. Επιπλέον, δεν αρκεί απλώς η γνώση του θερμικού φορτίου αλλά και της αλληλεπίδρασής του με το ίδιο το σύστημα και με τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες, έτσι ώστε να προσδιορίζεται η απαιτούμενη ωφέλιμη ενέργεια και η θερμοκρασία εξόδου του νερού που πρόκειται να καταναλωθεί. Π.χ η επεξεργασία ενός συστήματος που θα λειτουργήσει υπό συνθήκες ψύχους είναι πολύ διαφορετικές, της επεξεργασίας ενός συστήματος που θα δουλέψει υπό ηπιότερες κλιματολογικές συνθήκες. Η ανάλυση της λειτουργίας των ηλιακών συστημάτων έχει απασχολήσει εκτεταμένως τις τελευταίες δεκαετίες φυσικούς, μηχανικούς και ερευνητές, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά, δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη βιβλιογραφική βάση δεδομένων. Τα τελευταία όμως 3 χρόνια, η έννοια της προσομοίωσης εισήχθει και σε τομείς, που ειδικεύονται στις γνωστές συμβατικές πειραματικές διαδικασίες του «σχεδιάσω και μετέπειτα μοντελοποιώ ένα σύστημα, του επιτρέπω να λειτουργήσει υπό κατάλληλες συνθήκες και λαμβάνω ανά τακτά χρονικά διαστήματα συγκεκριμένες μετρήσεις». Αν δεχτούμε την αναπαράσταση μιας διεργασίας με τη βοήθεια ενός μοντέλου, η προσομοίωση είναι ταχύτερη, με λιγότερους κινδύνους πιθανών λειτουργικών προβλημάτων και περισσότερο οικονομική από την πραγματική διεργασία. Διαχωρίζεται στην προσομοίωση συνεχών διεργασιών ή continuous process simulation και στην προσομοίωση διακριτών γεγονότων ή discrete event simulation.

55 Το εργαλείο της παρούσης διπλωματικής εργασίας, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι το TRNSYS. Το συγκεκριμένο υπολογιστικό πρόγραμμα ανήκει στην οικογένεια των προγραμμάτων προσομοίωσης, που με την πάροδο του χρόνου και την πρόοδο της τεχνολογίας αναπτύσσονται, εξελίσσονται και διορθώνονται συνεχώς. Τα πιο γνωστά προγράμματα είναι το Solar Advisor Model, το SolTRACE, το DView, όπως επίσης και τα γνωστά μας F Chart, EnergyPlus και VisualDOE. Το TRNYS (και συγκεκριμένα η τελευταία του έκδοση) έχει αποδειχθεί από τα πιο αξιόπιστα εργαλεία προσομοίωσης συστημάτων στα οποία λαμβάνουν χώρα ενεργειακές διαδικασίες, ανεξαρτήτου είδους πηγής ενέργειας και εφαρμογών. Μέχρι σήμερα έχουν μελετήθει με το TRNSYS αρκέτα συστήματα ηλιακής θέρμανσης νερού χρήσης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρονται σε διάφορες εργασίες και δημοσιεύσεις που έχουν γίνει για θερμοσιφωνικά συστήματα επίπεδου συλλέκτη και για μεθόδους ελέγχου της συμπεριφοράς αυτών των συστημάτων σε διάφορες συνθήκες Μέσω του TRNSYS επιδιώκεται ο ακριβής έλεγχος των διαστάσεων, διαφόρων τμημάτων θερμικών και ηλιακών συστημάτων. Π.χ Οι Maneewan et. al (25) με τη βοήθεια του TRNSYS ερευνούν τη θερμική απόκριση ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη ο οποίος έχει τοποθετηθεί σε στέγη με κύριο σκοπό τη θέρμανση μιας σοφίτας. Οι Shariah και Shalabi (1997), προσομοιώνουν και μελετούν την απόκριση ενός οικιακού θερμαντή νερού στις διάφορες αλλαγές των μηχανικών του παραμέτρων, επιδιώκοντας με αυτόν τον τρόπο τη σωστότερη διαστασιολόγηση και σχεδιασμό του συστήματος για την περιοχή της Ιορδανίας, τη στιγμή που οι Klein et al (1979) παρουσιάζουν μια γενικευμένη (για την εποχή τους) σχεδιαστική μέθοδο που περιλαμβάνει συλλέκτες, δεξαμενές αποθήκευσης και δίκτυο μεταφοράς της αποθηκευμένης ενέργειας. Οι Budihardjo και Morrison (29) εκμεταλλεύονται τη χρηστότητα του TRNSYS στην διευκόλυνση που παρέχει για τη προσομοίωση της λειτουργίας θερμοσιφωνικού συστήματος με συλλέκτη κενού. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης και σε σύγκριση με τον επίπεδο ηλιακό συλλέκτη καταδεικνύει ελαφρώς χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση αλλά μεγαλύτερη ανθεκτικότητα, βιωσιμότητα και ανεξαρτησία από την αυστηρή διαστασιολόγηση της θερμικής δεξαμενής. Οι Bony και Citherlet (27) περιγράφουν το σχεδιασμό και την ανάλυση ενός μοντέλου θερμικής δεξαμενής σε περιβάλλον TRNSYS

56 χρησιμοποιώντας υλικά αλλαγής φάσεων (PCM), με κύριο σκοπό την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απωλειών. Αξίζει να αναφερθεί ότι η λειτουργικότητα του TRNSYS καταδεικνύεται στις δυνατότητες του να αναλύει διαδικασίες, οι οποίες για λόγους απλοποίησης του μοντέλου, δεν λαμβάνονται σοβαρά υπόψη, όπως είναι π.χ η ένταση του φαινομένου της θερμικής διαστρωμάτωσης στο εσωτερικό του δοχείου αποθήκευσης. Στην λογική αυτή βασίζεται και η έρευνα των Kleinbach et al (1993) οι οποίοι σε περιβάλλον TRNSYS μοντελοποιούν τη διαδικασία επίτευξης θερμικής διαστρωμάτωσης στο εσωτερικό θερμικών δεξαμενών οι οποίες τίθονται σε θερμοσιφωνικά συστήματα. Επιπροσθέτως, οι Shariah και Ecevit (1995) ελέγχουν την λειτουργία και απόδοση ενός θερμοσιφωνικού συστήματος θέρμανσης νερού, αλλάζοντας κάθε φορά τα προφίλ θερμικού φορτίου, αποδεικνύοντας την εξάρτηση της ετήσιας απόδοσής του και της ηλιακής ακτινοβολίας, από το θερμικό φορτίο, ενώ οι Carrillo και Lopez (22) παρουσιάζουν και ελέγχουν προσομοιώνοντάς το, ένα θερμοσιφωνικό σύστημα με δεξαμενή οριζόντιας διευθέτησης τύπου μανδύα. Οι Shariah et al (1997) προσομοιώνουν μεγάλης κλίμακας θερμοσιφωνικό σύστημα είκοσι συλλεκτών, για παροχή νερού πολύ υψηλής θερμοκρασίας ενώ οι Fraisse et. al (29) εξετάζουν και αναλύουν διάφορες προτάσεις βελτιστοποίησης μέσω προσομοίωση τους, η οποία καταδεικνύει ότι η επιλογή μεγάλης επιφάνειας συλλέκτη υπερτερεί σε απόδοση και ελαχιστοποιεί τις θερμικές απώλειες έναντι της επιλογής θερμικής δεξαμενής μεγάλου όγκου. Οι Rojas et. al (28) αξιολογούν τη θερμική απόδοση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, που προσομοιώνονται στο TRNSYS με βάση τόσο τα κριτήρια που έχουν θεσπιστεί από το EN όσο και με εκείνα του ASHRAE 93, τη στιγμή που οι Morisson και Tran (1984) προσομοιώνουν ένα θερμοσιφωνικό σύστημα για παροχή ζεστού νερού αποδεικνύοντας τη λειτουργικότητά και την καλή του ενεργητική απόδοση. Οι Hatwaambo et. al (29) μελετούν την αποτελεσματικότητα διαφόρων συλλεκτών οι οποίοι έχουν τοποθετηθεί σε χαμηλά γεωμετρικά πλάτη προσομοιώνοντάς τους σε περιβάλλον Meteonorm και TRNSYS. Αποδεικνύουν ότι είναι αρκετά αποδοτικοί από την στιγμή που στα πλάτη αυτά η άμεση ηλιακή ακτινοβολία, κατά τη χειμερινή περίοδο, υπερτερεί της θερινής. Οι Berdal et al (27) στα πλαίσια του προγράμματος GEOSOL ερευνούν τις δυνατότητες συγκερασμού γεωθερμικών αντλιών θερμότητας με επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, με κύριο σκοπό τη θέρμανση νερού για οικιακή κατανάλωση. Το TRNSYS, τους παρέχει τη δυνατότητα

57 εκτεταμένης ανάλυσης όχι μόνο σε ότι αφορά την ενεργειακή απόκριση του όλου σχεδίου αλλά και την οικονομική του βιωσιμότητα, προτείνοντας και διάφορες εναλλακτικές συνδεσμολογίες. Στην παρακάτω ενότητα παρατίθενται κάποιες εργασίες, οι οποίες κάνουν χρήση του TRNSYS για την προσομοίωση διαφόρων συστημάτων μέσω των οποίων προκύπτουν διάφορα συμπεράσματα τα οποία ταυτοποιούνται με πειραματικά αποτελέσματα. Οι συγκεκριμένες εργασίες μπορούν να θεωρηθούν ιδιαίτερα αντιπροσωπευτικές για τον σκοπό και το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. I. Effect of thermal conductivity of absorber plate on the performance of a solar water heater [A.M. Shariah, A. Rousan, Kh.K. Rousan, A.A. Ahmad, - Applied Thermal Engineering 19 (1999) ] Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (k) στο ποσοστό της ηλιακής κάλυψης του θερμικού φορτίου (solar fraction) και στους χαρακτηριστικούς συντελεστές ενός συλλέκτη (fin efficiency factor ή F, collector efficiency factor ή F και heat removal factor ή F R ). Το σύστημα που προσομοιώνεται αποτελείται από επίπεδο ηλιακό συλλέκτη και κατακόρυφη δεξαμενή θερμότητας, με την απαιτούμενη εξωτερική πηγή θερμότητας να τοποθετείται στο εσωτερικό αυτής. Η επιρροή του θερμικού συντελεστή στους χαρακτηριστικούς συντελεστές του συλλέκτη είναι αρκετά έντονη μόνο για μια περιοχή τιμών μεταξύ 1 και 1W/m o C, τη στιγμή που περαιτέρω αύξηση του θερμικού συντελεστή (έως k=2w/m ο C), δίνει μέση αύξηση και στους τρεις συντελεστές περίπου 6%. Συγκεκριμένα, η χρήση για την απορροφητική επιφάνεια, αλουμίνιου έναντι άλλου μετάλλου, αυξάνει τους συντελεστές από 12% έως 19%, ενώ η αντικατάσταση του αλουμινίου από χαλκό καλυτερεύει τις τιμές μόνο κατά ένα ποσοστό 3%. Η επίδραση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας στο ποσοστό της ηλιακής κάλυψης του φορτίου, εμφανίζει την ίδια συμπεριφορά, για μια πιο στενή όμως περιοχή τιμών. Από 1 5W/m ο C, παρατηρείται έντονη αύξηση του solar fraction, ενώ για μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, η αύξηση είναι ανεπαίσθητη. Συγκεκριμένα για την επιλογή του αλουμινίου έναντι άλλου μετάλλου, το solar fraction καλυτερεύει μόνο από 4%

58 έως 7%, ενώ για υλικά με βάση το χαλκό, το ποσοστό ηλιακής ακτινοβολίας αυξάνεται μόνο κατά 1%. Η επιλογή, όμως, της κατάλληλης απορροφητικής επιφάνειας δεν καθορίζει μόνο το solar fraction και τους τρεις προαναφερθέντες συντελεστές. Επεκτείνεται πολύ πιο πέρα και σε συντελεστές που σχετίζονται με το κόστος λειτουργίας και συντήρησης, την απόκριση του συστήματος σε ακραίες καιρικές συνθήκες κ.τ.λ II. Modeling of a thermosyphon solar water heating system and simple model validation. [Soteris Kalogirou, Christos Papamarcou, Renewable Energy 21 (2) ] Η συγκεκριμένη εργασία με τη βοήθεια του TRNSYS προσομοιώνει ένα θερμοσιφωνικό σύστημα, που αποτελείται από δύο επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες και μία οριζόντια θερμική δεξαμενή, χωρητικότητας 15L, για την περιοχή της Λευκωσίας. Η αξιοπιστία της προσομοίωσης μελετάται μέσω διασταύρωσης των αποτελεσμάτων που προκύπτουν με πειραματικά αποτελέσματα. Το βασικό κριτήριο ταυτοποίησης των αποτελεσμάτων (κάτι που εμπεριέχει και την εγκυρότητα χρήσης του TRNSYS ως πρόγραμμα προσομοίωσης) είναι το κατά πόσο η αύξηση της θερμοκρασίας του νερού στη δεξαμενή (από προσομοίωση) προσεγγίζει την πειραματική και αυτό γιατί η συγκεκριμένη παράμετρος σχετίζεται είτε άμεσα είτε έμμεσα με πολλές παραμέτρους της διαδικασίας λειτουργίας (θερμοκρασία εισόδου και εξόδου του νερού, ταχύτητα του ανέμου κ.τ.λ.). Από τη στιγμή που στο προσομοιωμένο σύστημα, το φαινόμενο της θερμικής διαστρωμάτωσης λήφθηκε υπόψη με την επιλογή του κατάλληλου στοιχείου (type) της θερμικής δεξαμενής, στο πραγματικό πείραμα για να επιτύχουμε ικανοποιητικά επίπεδα θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης χρησιμοποιήθηκε ως αρχική θερμοκρασία εισόδου του νερού η μέση τιμή των θερμοκρασιών του ανώτερου και κατώτερου στρώματος κατά την έναρξη του πειράματος και ως τελική θερμοκρασία ομοίως η μέση τιμή του ανώτερου και κατώτερου στρώματος κατά το πέρας του πειράματος. Η απόκριση του προσομοιωμένου συστήματος είναι προβλέψιμη δηλ ποσοστό ηλιακής κάλυψης θερμικού φορτίου κοντά στο 8% (αρκετά ικανοποιητικό για την περιοχή της

59 Λευκωσίας), με μέγιστη ωφέλιμη ενέργεια τον μήνα Ιούλιο (απόδοση κοντά στο 5%) χωρίς καθόλου συνεισφορά επιπρόσθετης ενέργειας. Το πραγματικό πείραμα διενεργηθεί κατά την περίοδο του Δεκεμβρίου 98 έως τον Μάρτιο 99 για συνολικά 25 ημέρες. Η σύγκριση της αύξησης της θερμοκρασίας που επιτυγχάνει το προσομοιωμένο και το πραγματικό σύστημα κατέδειξε ότι το σύστημα προσομοίωσης αυξάνει τη θερμοκρασία του νερού κατά ένα ποσοστό 4,68% επιπλέον του πειραματικού συστήματος, με τελικό ποσοστό κάλυψης του φορτίου περίπου στο 8%. Η μικρή αυτή διαφορά στα τελικά αποτελέσματα, δείχνει ότι το TRNSYS μπορεί να χαρακτηριστεί αρκετά αξιόπιστο και μάλιστα σε τέτοιο σημείο που να μας δίνει τη δυνατότητα πρόβλεψης για τις τιμές διαφόρων παραμέτρων, οι οποίες πιθανόν να οδηγούν το πραγματικό πείραμα σε μη αποδεκτά αποτελέσματα. III. Optimizing the tilt angle of solar collectors [Shariah Adnan, Al-Akhras M-Ali, Al-Omari I. A., Renewable Energy 26 (22) ] Ο προσανατολισμός της επιφάνειας ενός συλλέκτη είναι από τους πιο σημαντικούς παράγοντες της εύρυθμης λειτουργίας του και καθορίζεται από την αζιμούθιο γωνία και από την κλίση της επιφάνειας του συλλέκτη. Τα βασικά κριτήρια για τον υπολογισμό της καταλληλότερης γωνίας κλίσης, είναι η τιμή εκείνη για την οποία μεγιστοποιείται το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει και τελικά εκμεταλλεύεται ο συλλέκτης (solar fraction) και η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Το σύστημα προσομοίωσης αποτελείται από έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, επιφάνειας που κυμαίνεται από 2m² έως 5m², από μία δεξαμενή κατακόρυφης διευθέτησης και μία βαλβίδα ελέγχου ροής. Εσωτερικά στην δεξαμενή θερμότητας έχει τοποθετηθεί μία βοηθητική πηγή θερμότητας (auxiliary heating element) και ένας θερμοστάτης. O λόγος της χωρητικότητας της δεξαμενής προς την επιφάνεια του συλλέκτη παραμένει σταθερός στα 5L/m². Το θερμοσιφωνικό σύστημα προσομοιώνεται για 2 περιοχές της Ιορδανίας, του Αμμάν και της Άκαμπα.

60 Αποδεικνύεται ότι για το Αμμάν το ποσοστό ηλιακής κάλυψης του φορτίου προσεγγίζει το 87% για τον μήνα Ιούλιο για επιφάνειες 4m² και 5m² και για κλίση φ + ( ο 1 ο ) ενώ οι μικρότερες επιφάνειες συλλέκτη δίνουν solar fraction 7% και για κλίση φ - 3 ο (όπου φ το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής). Για την περιοχή της Άκαμπα ομοίως η μέγιστη μέγιστη ηλιακή κάλυψη του φορτίου είναι για τις μεγαλύτερες επιφάνειες,επιτυγχάνοντας μέγιστη ηλιακή κάλυψη φορτίου κοντά στο 96% και για γωνία κλίσης φ + ( 2 ο ). Όσον αφορά τη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (solar irradiance), για το Αμμάν η μέγιστη τιμή της επιτυγχάνεται για γωνίες φ 8 ο και για την Άκαμπα για γωνίες φ 5 ο (και πάλι για τον μήνα Ιούλιο). Το γεγονός των διαφορετικών αποτελεσμάτων στις επιθυμητές γωνίες κλίσης, για τα δύο διαφορετικά μεγέθη (solar fraction και solar irradiance), μπορεί να αποδοθεί στο γεγονός ότι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας διαφοροποιείται αρκετά από μήνα σε μήνα. Με δεδομένο μάλιστα ότι η πλεονάζουσα ενέργεια δεν έχει καμία χρηστότητα, δεν υπάρχει λόγος να τοποθετούμε τον συλλέκτη σε πολύ μικρές γωνίες κλίσης γιατί αυτές θα μας δίνουν το καλοκαίρι μέγιστη τιμή ωφέλιμης ενέργειας και το χειμώνα ελάχιστη έως μηδαμινή. Επομένως, η πιο αποτελεσματική κλίση ενός συλλέκτη, στο νότιο ημισφαίριο και για επιφάνεια 2m 2, είναι η φ + 5 ο η οποία βελτιώνει τη λειτουργία του συστήματος το χειμώνα, ενώ ταυτόχρονα θα διατηρεί την λειτουργία του, σε ικανοποιητικά επίπεδα το καλοκαίρι. Για μεγαλύτερες των 2m 2 επιφάνειες, προτείνονται γωνίες κλίσης φ + 1 ο, οι οποίες θα μειώσουν την ωφέλιμη ενέργεια το καλοκαίρι, διατηρώντας παράλληλα την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος κατά τη διάρκεια της χειμερινής περιόδου. IV. Parabolic trough collectors for industrial process heat in Cyprus [Soteris A. Kalogirou, Parabolic trough collectors for industrial process heat in Cyprus, Solar Energy 27 (22) ] Η παροχή ζεστού νερού άνω των 85 C που προορίζεται για βιομηχανική χρήση, απαιτεί συστήματα μεγάλης επιφάνειας ηλιακών συλλεκτών κάτι το οποίο μεταφράζεται σε πολύ υψηλό κόστος αγοράς και συντήρησης. Στην εργασία αυτή, μελετάται η δυνατότητα χρήσης

61 κοίλων παραβολικών συλλεκτών για αυτό το φάσμα θερμοκρασιών και με τη βοήθεια του TRNSYS ελέγχεται τόσο η θερμική τους απόκριση όσο και η οικονομική βιωσιμότητά τους. Το σύστημα που τελικά προσομοιώνεται, αποτελείται από παραβολικούς κοίλους συλλέκτες συνολικής επιφάνειας 3m 2 και θερμική δεξαμενή χωρητικότητας 25m 3. Το θερμικό φορτίο που το σύστημα έχει σκοπό να καλύψει, είναι νερό στους 85 C, με παροχή 2kg/hr, για 5 ημέρες. Αποδεικνύεται ότι το προσομοιωμένο σύστημα είναι ικανό να καλύψει, σε ετήσια βάση τουλάχιστον, το 5% του προσδόκιμου θερμικού φορτίου. Ενδεικτικά, η ωφέλιμη ενέργεια που παρέχεται ετησίως, προσεγγίζει τα 896GJ, με μέγιστη τιμή τον μήνα Ιούλιο που φτάνει τα 137.5GJ. Τα οικονομικά κέρδη που επιφέρει η χρήση του συγκεκριμένου συστήματος μεταφράζεται σε 62 κυπριακές λίρες ενώ το περιβαλλοντικό όφελος ισοδυναμεί με την αποφυγή διαφυγής στην ατμόσφαιρα 28 ton CO 2. Επίσης, με τη βοήθεια του TRNSYS μελετήθηκε και η πιθανότητα αλλαγής διαφόρων χαρακτηριστικών ή παραμέτρων του συστήματος, όπως είναι ο άξονας προσανατολισμού και κίνησης του παραβολικού κάτοπτρου για τον οποίο αποδείχθηκε ότι ο άξονας Ε-W είναι πιο αποδοτικός του άξονα N-S. V. Performance of solar systems employing collectors with colored absorbers [Kalogirou S., Tripanagnostopoulos Y., Souliotis M., Energy and Buildings 37 (25) ] Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες έχουν στην πλειοψηφία τους απορροφητική επιφάνεια μαύρου χρώματος, με αποτέλεσμα να απορροφούν ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Όμως όταν η χρήση τους προορίζεται και για εφαρμογές όπου δεν επιζητείται μόνο η θερμική κάλυψη, αλλά και το βέλτιστο αισθητικό αποτέλεσμα τότε η μαύρη επιφάνεια δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ικανοποιητική. Η προσπάθεια χρήσης απορροφητικών επιφανειών διαφορετικών χρωμάτων του μαύρου απαιτεί ανάλυση και επεξεργασία της θερμικής τους απόκρισης, αφού αυτή διαφέρει εκείνης των μαύρων απορροφητών.

62 Μέσω του TRNSYS προσομοιώθηκαν τρία διαφορετικά συστήματα (σύστημα θέρμανσης νερού για συγκρότημα διαμερισμάτων οικιακής ή επιχειρηματικής χρήσης, σύστημα θέρμανσης νερού για μονοκατοικία και σύστημα θέρμανσης νερού βιομηχανικής εκμετάλλευσης) χρησιμοποιώντας τα μετεωρολογικά δεδομένα για τις περιοχές των Αθηνών, της Λευκωσίας και του Μάντισον. Η συμπεριφορά των «έγχρωμων» απορροφητών με δείκτη απορροφητικότητας α=,85 και δείκτη εκπομπής ε=,1 προσδιορίστηκε σε σχέση με την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Με χαμηλότερη απορροφητικότητα έναντι των μαύρων απορροφητών, για τους οποίους λήφθηκε α=,95, οι έγχρωμοι απορροφητές εμφανίζουν χαμηλότερη θερμική απόδοση που πολλές φορές φτάνει το 18% (όσον αφορά την ωφέλιμη ενέργεια). Πιο συγκεκριμένα, υπολογίστηκε πως υπάρχει μείωση κατά 1% για το πρώτο σύστημα, 13% - 18% για το δεύτερο σύστημα και 9% για το τρίτο σύστημα. Παρ όλα αυτά, τα προαναφερθέντα είδη απορροφητών αποδεικνύεται ότι είναι ικανά να καλύψουν πλήρως τις ανάγκες για παροχή ζεστού νερού καθ όλη τη διάρκεια του έτους με αιχμή τον μήνα Αύγουστο, για τον οποίο η επιπρόσθετη βοηθητική ενέργεια είναι μηδενική. Επιπροσθέτως, αποδεικνύεται ότι η υστέρηση στην ενεργειακή απόδοση οφείλεται μεν σε μεγάλο ποσοστό στο χαμηλό συντελεστή απορροφητικότητας, από την άλλη όμως η διαφορά αυτή μπορεί να εξομαλυνθεί τόσο με την αύξηση του πάχους της απορροφητικής επιφάνειας όσο και με την επιλογή του καταλληλότερου χρώματος. Προτείνεται μάλιστα για συντελεστή απορροφητικότητας (α=,85), η εφαρμογή μεγαλύτερης ανηγμένης επιφάνειας του συλλέκτη κατά 2% περίπου. VI. Simulation studies of the position of the auxiliary heater in thermosyphon solar waterheating system. [Michaelides I. M, Simulation studies of the position of the auxiliary heater in thermosyphon solar water heating systems, Renewable Energy 1 (1997) 35-42] Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας, είναι η μελέτη του ρόλου της βοηθητικής πηγής θερμότητας (auxiliary heater) στη λειτουργία ενός απλού θερμοσιφωνικού συστήματος. Βασικό

63 κριτήριο, είναι το ποσοστό του ηλιακού φάσματος που εκμεταλλεύεται ο συλλέκτης (solar fraction) και η απόδοση του συστήματος για την περιοχή της Λευκωσίας. Το σύστημα προσομοίωσης αποτελείται από μία παράλληλη συνδεσμολογία 2 επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, μια δεξαμενή θερμότητας και μία βοηθητική πηγή θερμότητας. Μελετάται η τοποθέτηση της βοηθητικής πηγής θερμότητας εντός της δεξαμενής (στην βάση ή την κορυφή της) και εκτός αυτής. Και στις 3 περιπτώσεις η θέση εισόδου του νερού στη δεξαμενή παραμένει σταθερή. Παρατηρείται ότι η τοποθέτηση της πηγής θερμότητας εκτός της δεξαμενής έχει ως αποτέλεσμα τόσο τη μεγαλύτερη απόδοση όσο και το μεγαλύτερο ποσοστό ηλιακής κάλυψης του θερμικού φορτίου (ακόμη και για τους χειμερινούς μήνες). Σε ετήσια βάση, μάλιστα, η «εκτός» τοποθέτηση δίνει solar fraction 86% και η «εντός» μεταξύ 59% και 77%, με μεγάλες όμως, θερμικές απώλειες. Η τοποθέτηση της βοηθητικής θερμικής πηγής, εντός της δεξαμενής και η εναλλαγή του ύψους τοποθέτησης της, καταδεικνύει ότι όσο περισσότερο προσεγγίζουμε την πάνω επιφάνεια της δεξαμενής, τόσο περισσότερο αυξάνεται και το ποσοστό εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας και η απόδοση του συστήματος (85% και 74%, αντιστοίχως). Η τοποθέτηση της θερμικής πηγής κοντά στη βάση του δοχείου, είναι η κύρια αιτία χαμηλής απόδοσης του συστήματος, αφού εκτός από το ανεπιθύμητο φαινόμενο της μίξης (καταστροφή θερμικής διαστρωμάτωσης), προκαλεί λανθασμένο θερμοσιφωνικό κύκλο και θερμικές απώλειες. VII. The optimization of tank volume to collector area ration for a thermosyphon solar water heater [A. M. Shariah, G. O. G Lof, The optimization of tank volume - to collector- area for a thermosyphon solar water heater, Renewable energy 3 (1996) 289-3] Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι ο καθορισμός του ύψους της θερμικής δεξαμενής ενός θερμοσιφωνικού συστήματος και του λόγου της χωρητικότητας της δεξαμενής V προς την επιφάνεια του συλλέκτη για ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών ( t A a ). Η παραμετρική αυτή ανάλυση διεξάγεται μέσω της επίδρασης των παραγόντων αυτών στο ποσοστό

64 εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας (solar fraction). Το υπό προσομοίωση σύστημα (θερμοσιφωνικό) αποτελείται από έναν επίπεδο συλλέκτη, μία κατακόρυφη θερμική δεξαμενή, όπου εντός αυτής τοποθετείται μία βοηθητική πηγή θερμότητας και ένας θερμοστάτης και τέλος, μία βαλβίδα ελέγχου ροής του νερού. Επιθυμητό είναι η θερμική δεξαμενή να παρουσιάζει ικανοποιητικά επίπεδα θερμικής διαστρωμάτωσης κάτι το οποίο παρέχεται από το ίδιο το TRNSYS, το οποίο μας δίνει την δυνατότητα να μεταβάλλουμε τις τιμές διαφόρων παραμέτρων όπως είναι το ύψος της δεξαμενής ή η χωρητικότητά της. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έδειξε ότι για συλλέκτη επιφάνειας 4m 2 η αύξηση της χωρητικότητας της δεξαμενής, από τα 15 L έως τα 6 L έχει θετικό αντίκτυπο στο ποσοστό εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας από τον συλλέκτη, για όλο το φάσμα των θερμοκρασιών και για διαφορετικά ύψη (με μέγιστη τιμή για ύψος 1m). Η επίδραση του λόγου στο ποσοστό εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας γίνεται αισθητή για επιφάνειες άνω των 2m². Για επιφάνεια συλλέκτη 3m 2, η ηλιακή ακτινοβολία μεγιστοποιείται σε μια περιοχή τιμών, μεταξύ 4 και 6L/m 2. Τέλος, για επιφάνεια συλλέκτη 4m 2 και 5m 2, παρατηρείται η ίδια συμπεριφορά με πριν, μόνο που εδώ η τιμή του για την οποία μεγιστοποιείται η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας, είναι τα 4L/m 2, για όλες μάλιστα τις θερμοκρασίες. Μελετώντας την επίδραση της θερμοκρασίας στο ποσοστό εκμετάλλευσης του ηλιακού φάσματος από το συλλέκτη, παρατηρούμε ότι για επιφάνεια 2m 2, με την αύξηση της θερμοκρασίας (από τους 5 C μέχρι τους 8 C), μειώνεται και το ποσοστό εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας (αρχικά από 65% με 7% και φτάνει τελικά το 3% με 38%. Για μεγαλύτερες επιφάνειες (>2m 2 ) και καθώς αυξάνεται η χωρητικότητα (έως τα 15 L), αυξάνεται και η ηλιακή ακτινοβολία που τελικά αξιοποιείται. Από τα 15L μέχρι τα 4L, υπάρχουν αρκετές διαφοροποιήσεις. Με την αύξηση της θερμοκρασίας παρατηρείται μία αναμενόμενη πτώση από το 98% στο 65%. VIII. Thermosyphon solar water heaters: Effect of storage tank volume and configuration on efficiency

65 [Hasan Afif, Thermosyphon solar water heaters: Effect of storage tank volume and configuration on efficiency, Energy Conservation 38 (1997) ] Η συγκεκριμένη εργασία, εξετάζει τη λειτουργία ενός θερμοσιφωνικού συστήματος, δύο ή τριών επιπέδων συλλεκτών παράλληλης συνδεσμολογίας, και πως αυτή επηρεάζεται από τον όγκο της θερμικής δεξαμενής και την επιφάνεια των συλλεκτών για θερμικό φορτίο 2 L/ημέρα για την περιοχή της Παλαιστίνης. Αποδεικνύεται ότι η συνδεσμολογία των τριών συλλεκτών και για θερμική δεξαμενή κατακόρυφης τοποθέτησης, αυξάνει την απόδοσή του συστήματος, καθώς αυξάνεται ο όγκος της δεξαμενής. Αυτό έρχεται ως αποτέλεσμα της μείωσης των απωλειών θερμότητας, αφού με την αύξηση του όγκου του δοχείου αποθήκευσης, μειώνεται η μέγιστη θερμοκρασία της επιφάνειας του συλλέκτη. Αυτό επιβεβαιώνεται και από το γεγονός της αυξημένης απόδοσης του συστήματος, με την αύξηση του λόγου V/A c. Αξίζει να αναφερθεί ότι για αυτή τη συνδεσμολογία, η κατακόρυφη και η οριζόντια τοποθέτηση της δεξαμενής δίνουν σχεδόν τις ίδιες αποδόσεις. Κάτι το οποίο δεν συμβαίνει όταν ως βασικό κριτήριο της εύρυθμης και σωστής λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιείται η ενέργεια που τελικά αποδίδεται στο θερμικό φορτίο. Η κατακόρυφη τοποθέτηση επιτυγχάνει μεγάλο ποσοστό αξιοποίησης της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας (solar fraction), τη στιγμή που η οριζόντια απέχει αρκετά από την προσδοκώμενη θερμοκρασία του νερού, εξαιτίας της αποτυχίας επίτευξης ικανοποιητικής θερμικής διαστρωμάτωσης. Η σύγκριση μεταξύ της παράλληλης συνδεσμολογίας των δύο και των τριών επίπεδων συλλεκτών με την κατακόρυφη τοποθέτηση του θερμικού δοχείου δείχνει ότι αν και το σύστημα των δύο συλλεκτών καλύπτει το θερμικό φορτίο μόνο για έξι μήνες, παρουσιάζει καλύτερη μηνιαία απόδοση (η=.5) έναντι του συστήματος των τριών συλλεκτών, οι οποίοι είναι ικανοί να καλύψουν το θερμικό φορτίο για εννέα μήνες, παρουσιάζοντας όμως χαμηλότερη μηνιαία απόδοση (η=.45).

66 Κεφάλαιο 6 ο TRNSYS Περιγραφή υπολογιστικού προγράμματος Το TRNSYS (Transient Energy System Simulation Tool) χρησιμοποιείται από φυσικούς και ερευνητές παγκοσμίως για την υλοποίηση και πραγμάτωση νέων ενεργειακών σχεδιασμών, από συστήματα παροχής θερμού νερού για οικιακή χρήση, συστήματα Α.Π.Ε, συμπαραγωγής και κυψέλες καυσίμων μέχρι τον σχεδιασμό και προσομοίωση κτηρίων εξοπλισμένων με παθητικά και ενεργητικά συστήματα. Ως υπολογιστικό εργαλείο είναι ένα ολοκληρωμένο και επεκτάσιμο λογισμικό πρόγραμμα για την δυναμική προσομοίωση συστημάτων στα οποία λαμβάνει χώρα μετάδοση ενέργειας. Η υπάρχουσα δομή του (modular structure), η οποία και δικαιολογεί τον χαρακτηρισμό του ως ευέλικτο πρόγραμμα, εμφανίζεται στην βιβλιοθήκη του, στην οποία γίνεται σαφής διαχωρισμός μεταξύ στοιχείων software και στοιχείων hardware (τα οποία αποτελούν και την πλειοψηφία). Η ομάδα hardware αποτελείται από τμήματα όπως είναι ηλιακοί συλλέκτες, φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, εναλλάκτες θερμότητας, συστήματα εξαερισμού ακόμη και κτίρια πολλαπλών θερμικών ζωνών (πολυζωνικά). Η ομάδα software περιέχει τις μεταβλητές προσομοίωσης, και σε αυτές βασίζεται η ροή των πληροφοριών μεταξύ όλων των διασυνδεδεμένων στοιχείων, ενός υπό μελέτη συστήματος. Το TRNSYS αποτελείται από τα παρακάτω προγράμματα: το στούντιο προσομοίωσης (TRNSYS Simulation Studio), το εκτελέσιμο αρχείο του, (TRNExe.exe), το γραφικό περιβάλλον διεπαφής κτιρίου, για την εισαγωγή των δεδομένων κτηρίων (TRNBuild.exe) και

67 τον επεξεργαστή με τον οποίο μπορούν να δημιουργηθούν αυτόνομα προγράμματα, γνωστά ως TRNSED εφαρμογές (TRNEdit.exe). Οι όροι component και type χρησιμοποιούνται ως συνώνυμα και περιγράφουν τμήματα του εξοπλισμού προσομοίωσης ή περιεχόμενα της βιβλιοθήκης (είτε μιλάμε για στοιχεία hardware είτε για software). Κάθε component στη γλώσσα του TRNSYS συνοδεύεται από ένα πρόγραμμα, το οποίο είναι γραμμένο σε FORTRAN ή C++ ή PASCAL, και το οποίο περιγράφει την όλη του λειτουργία και τις δυνατότητες του (μέσω της αλληλεπίδρασής του με άλλα components). Το πρόγραμμα αυτό που αντιπροσωπεύει τη λειτουργία κάθε component μπορεί να τροποποιηθεί από τον εκάστοτε χρήστη ώστε να εξυπηρετήσει καταλλήλως τις δικές του ανάγκες. Και αυτό εξαιτίας της αρχιτεκτονικής του προγράμματος, η οποία είναι βασισμένη στα αρχεία DLL. Παραδείγματα component είναι ένας ηλιακός συλλέκτης, ένας μετασχηματιστής, ένα δοχείο θερμικής αποθήκευσης ή ένας εκτυπωτής. Τα components χρησιμοποιούνται με τα κωδικοποιημένα τους ονόματα που είναι Type + ένας αριθμός π.χ Type 5 είναι ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (FPC)(Εικ. 12). Type73 Type687 Type56a Εικ. 12: Στοιχεία (types) της βιβλιοθήκης του προγράμματος Η φορά της γραμμής ή καλωδίου που ενώνει δύο components είναι πολύ σημαντική γιατί μας δείχνει τη φορά ροής των δεδομένων (Εικ. 13). Από το component που ξεκινά μια γραμμή σύνδεσης χρησιμοποιούνται τα outputs ή έξοδοι ενώ στο component που καταλήγει, χρησιμοποιούνται τα inputs ή είσοδοι (Εικ. 14). Με διπλό κλικ στη γραμμή σύνδεσης δυο στοιχείων, μπορούμε να επιλέξουμε τις εξόδους του ενός που θα «ενώνονται» με τις εισόδους του άλλου. Το TRNSYS είναι ήδη ρυθμισμένο να μην δέχεται τη διασύνδεση μεταβλητών διαφορετικών διαστάσεων.

68 Εικ. 13: Σύνδεση δύο στοιχείων Εικ. 14: Σύνδεση εισόδων και εξόδων μεταξύ των στοιχείων της βιβλιοθήκης

69 Οι όροι assembly ή project, αναφέρονται σε ένα σύνολο από components τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτελούν κάθε φορά συγκεκριμένο σκοπό. Η σύνδεση μεταξύ δύο components ορίζεται από τον όρο interconnection ή διασύνδεση. Για παράδειγμα, η συνδεσμολογία που περιέχει το weather processor model (component μετεωρολογικών δεδομένων), το μοντέλο του ηλιακού συλλέκτη και το μοντέλο του αποθηκευτικού δοχείου ή storage tank ορίζει τη διαδικασία θέρμανσης νερού με πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας στον συλλέκτη και όλη η συνδεσμολογία αποτελεί ένα project (Εικ. 15). Εικ. 15: Παράδειγμα ενός project στο οποίο είναι εμφανείς και οι μεταξύ των στοιχείων τού, συνδέσεις. Η διαδικασία σχεδιασμού και προσομοίωσης πραγματοποιείται στο Simulation Studio ή στούντιο προσομοίωσης, που αποτελεί και το κύριο γραφικό περιβάλλον του χρήστη. Το στούντιο προσομοίωσης δημιουργεί ένα αρχείο με τα δεδομένα του προγράμματος προσομοίωσης του χρήστη, μορφής *.tpf. Επίσης δημιουργεί αρχείο εισόδου (input file), το οποίο είναι ένα αρχείο κειμένου που περιέχει όλες τις πληροφορίες της προσομοίωσης. Η

70 δημιουργία ενός project ξεκινά με την επιλογή από το File/New menu του New Empty Project. Τα διάφορα στοιχεία επιλέγονται είτε από το Direct Access menu είτε μέσω του «δέντρου», στα δεξιά της οθόνης εργασίας και τοποθετούνται στην κύρια οθόνη εργασίας με τη βοήθεια του ποντικιού. Με την τοποθέτησή τους ξεκινάει η σύνδεση τους (Εικ. 16). Εικ. 16: Project στην κύρια οθόνη εργασίας του TRNSYS Η σχεδιαστική δομή του TRNSYS, παρέχει στο χρήστη και τη δυνατότητα να επεμβαίνει στην όλη διαδικασία ρύθμισης των μηχανισμών εκείνων που λαμβάνουν χώρα στην προσομοίωση. Με διπλό κλικ στο εικονίδιο κάθε component εμφανίζεται η πολύ σημαντική καρτέλα των variables ή μεταβλητών (Εικ. 17). Η καρτέλα αυτή αποτελείται από τις καρτέλες των παραμέτρων, των εισόδων και εξόδων κ.α και αποτελεί την ταυτότητα του κάθε component. Στην καρτέλα των μεταβλητών μπορεί να επέμβει ο χρήστης και να τροποποιήσει τις τιμές πχ των κατασκευαστικών παραμέτρων ή να αλλάξει τις μονάδες μέτρησής τους. Η όλη διαδικασία επιλογής, τοποθέτησης και ρύθμισης των στοιχείων όπως επίσης και της μεταξύ τους σύνδεσης, υποβοηθείται από διάφορα εργαλεία τα οποία είναι

71 συγκεντρωμένα στο project toolbar (αριστερά της οθόνης εργασίας) ή στο Tools menu. Με το πέρας του σχεδιασμού και της ρύθμισης ενός συστήματος που θα προσομοιώσει μία συγκεκριμένη διαδικασία, αυτό που μας απομένει είναι να «τρέξουμε» το πρόγραμμα και να πάρουμε τα αποτελέσματα που επιθυμούμε, είτε χρησιμοποιώντας την επιλογή Calculate/Run. Εικ. 17: Καρτέλα μεταβλητών συγκεκριμένου στοιχείου. Ένας online plotter είναι, πάντα, παρών τόσο κατά τη διάρκεια όσο και κατά το πέρας της προσομοίωσης, μέσω του οποίου ο χρήστης μπορεί να παρακολουθεί αδιάλειπτα την εξέλιξη των τιμών των εξόδων που αναπαρίσταται σε συγκεκριμένα σύνθετα γραφήματα και να τα ερμηνεύει (Εικ. 18). Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η αξιολόγηση και ο έλεγχος των επιλογών ενός μελλοντικού σεναρίου, που σχετίζεται με το εκάστοτε προσομοιωμένο σύστημα και τη λειτουργία που αυτό θα επιτελέσει π.χ θέρμανση νερού ή φωτισμός συγκεκριμένου χώρου. Έτσι είναι εφικτή η παύση και η επανέναρξη της προσομοίωσης, η απόκρυψη και η εμφάνιση μιας μεταβλητής πάνω στο γράφημα, η μεγέθυνση και ο διαφορετικός χρωματισμός του γραφήματος μιας μεταβλητής, ο καθορισμός των βημάτων στους άξονες κ.ο.κ. Όταν ταυτόχρονα με τον Online Plotter έχει τοποθετηθεί στο σύστημα και ένας εκτυπωτής, τότε οι έξοδοι αποτυπώνονται σε ένα αρχείο εξόδου το οποίο μπορεί να ανοιχθεί και να ελεγχθεί,