Χριστοδουλάκη Ρόζα MSc Environmental design & engineering Φυσικός Παν. Αθηνών

Transcript

1 Θερµικά Ηλιακά Συστήµατα Ζεστού Νερού Χρήσης και Θέρµανσης Κολυµβητικών εξαµενών Χριστοδουλάκη Ρόζα MSc Environmental design & engineering Φυσικός Παν. Αθηνών ΚΑΠΕ Τµήµα Θερµικών Ηλιακών

2 1. Εισαγωγή 1.1 Ηλιακή Ακτινοβολία Τα ενεργειακά αποθέµατα της Γης εξαντλούνται: Πετρέλαιο: 39 χρόνια Φυσικό αέριο: 60 χρόνια Άνθρακας: 132 χρόνια. Ουράνιο: 136 χρόνια. Όµως, η ηλιακή ενέργεια είναι ανεξάντλητη πηγή: Ο ήλιος θα παρέχει ενέργεια επί πέντε δισεκατοµµύρια έτη. Η ηλιακή ενέργεια υπερβαίνει κατά φορές την ποσότητα που καταναλώνουµε ετησίως! Source:

3 Η ενέργεια που παρέχεται από τον ήλιο σε ετήσια βάση διαφέρει από περιοχή σε περιοχή, π.χ. στη Σαχάρα είναι 2,2 φορές υψηλότερη σε σύγκριση µε τηνευρώπη. Η µεγαλύτερη ένταση της ακτινοβολίας δεν παρατηρείται στον ισηµερινό, αλλά σε µεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη, καθώς ο άξονας περιστροφής της Γης βρίσκεται υπό γωνία µετηνκατακόρυφο.

4 Η ολική ακτινοβολία (άµεση και διάχυτη) κατά τη διάρκεια ενός έτους στο δικό µας γεωγραφικό πλάτος είναι περίπου 1,600 kwh/m 2. Αυτή η ποσότητα ενέργειας, την οποία µας παρέχει ετησίως ο ήλιος ανά m 2 αντιστοιχεί σε 160 λίτρα πετρελαίου θέρµανσης. kwh/m² Μηνιαία Άµεση και ιάχυτη Ακτινοβολία (Αθήνα) Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μάι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε εκ Άµεση Ακτινοβολία ιάχυτη Ακτινοβολία Η µεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας για 3 ενδεικτικές ηµεροµηνίες (χειµώνα, άνοιξη και καλοκαίρι) φαίνεται στη διπλανή εικόνα. Παρατηρείται ότι η επιφάνεια που δέχεται το µεγαλύτερο ποσό ηλιακής ακτινοβολίας έχει κλίση 60 0 τον εκέµβριο και 0 0 τον Ιούνιο Όλική Ηµερίσια Οριζόντια Ακτρινοβολία (Αθήνα) 0 0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 W/m² εκέµβριος (0 ) Μάρτιος (0 ) Ιούνιος (0 ) εκέµβριος (31 ) Μάρτιος (31 ) Ιούνιος (31 ) εκέµβριος (60 ) Μάρτιος (60 ) Ιούνιος (60 ) Source : CRES, PVGIS

5 1.2 Βέλτιστη Κλίση Συλλεκτών Η βέλτιστη κλίση των συλλεκτών, εκτός από τη γεωγραφική περιοχή, εξαρτάται και από την εφαρµογή για την οποία προορίζονται. Χειµερινή λειτουργία: γεωγραφικό πλάτος της περιοχής Θερινή λειτουργία: γεωγραφικό πλάτος της περιοχής Ετήσια λειτουργία: η κλίση της επιφάνειας πρέπει να είναι ίση µε το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. RESULTS OF INCIDENT RADIATION ON COLLECTORS (FROM TSOL) Place: Athens Azimuth: 0 G Inclined, Specific[kWh/m²] acording to collectors inclination (in degrees ) From: To: / 1/ 1/ 2/ / 2/ 1/ 3/ / 3/ 1/ 4/ / 4/ 1/ 5/ / 5/ 1/ 6/ / 6/ 1/ 7/ / 7/ 1/ 8/ / 8/ 1/ 9/ / 9/ 1/10/ /10/ 1/11/ /11/ 1/12/ /12/ 1/ 1/ Sum YEAR hotels season:1/4 to 1/ heating season: 1/11 to 1/ "winter": 1/12 to 1/ Source : T-SOL

6 Ενεργειακές απολαβές Βέλτιστη κλίση: kwh/m 2 Οριζόντια επιφάνεια: kwh/m 2 Source : PVGIS

7 2. Είδη Συλλεκτών 2.1 Συλλέκτες χωρίς κάλυµµα Ιδιότητες Χαµηλό κόστος, χρόνος απόσβεσης 1-5 έτη. Η αισθητική ένταξη των συλλεκτών του συστήµατος είναι εξαιρετικά οµαλή. Εφαρµογές Μόνο σε κολυµβητικές δεξαµενές, όπου ηεπιθυµητή θερµοκρασία είναι σχετικά χαµηλή (18-25 C). Η επιφάνεια των συλλεκτών που απαιτείται είναι περίπου ίση µε την επιφάνεια της πισίνας. Πλεονεκτήµατα Στα ψυχρά κλίµατα παρέχεται νερό σε ιδανική θερµοκρασία για κολύµβηση το καλοκαίρι. Στα θερµά κλίµατα η κολυµβητική περίοδος επεκτείνεται από τον Απρίλιο µέχρι τον Οκτώβριο. Το νερό της πισίνας κυκλοφορεί µέσα στον ηλιακό συλλέκτη, θερµαίνεται από τον ήλιο και διοχετεύεται απευθείας στην πισίνα, συνεπώς δεν απαιτείται επιπρόσθετος εξοπλισµός (π.χ. εναλλάκτες) που επιβαρύνει τον προϋπολογισµό.

8 2.2 Επίπεδοι Συλλέκτες Ιδιότητες Μεσαίου κόστους Υψηλή θερµοκρασία λειτουργίας Βάρος kg/m 2 Το εξωτερικό κάλυµµα διατίθεται σε διάφορους τύπους: µαύρη µπογιά, ηµι-επιλεκτική επιφάνεια και επιλεκτική επιφάνεια. Η επιλεκτική επιφάνεια διακρίνεται από µεγάλη απορροφητικότητα (90-95%) στα µικρά µήκη κύµατος της ηλιακής ακτινοβολίας και από ελάχιστη ανάκλαση (5-15%) στα µεγαλύτερα µήκη κύµατος. Αυτό σηµαίνει ότι απορροφά την ενέργεια του Ήλιου χωρίς να την ανακλά. Εφαρµογές Για ζεστό νερό χρήσης Για θέρµανση χώρου Για ηλιακό κλιµατισµό (επιλεκτική επιφάνεια) Βιοµηχανικές εφαρµογές. Planning & Installing Solar Thermal Systems: A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publications

9 2.3 Συλλέκτες Κενού Ιδιότητες Πολύ υψηλό κόστος Όχι απώλειες θερµότητας λόγω µεταφοράς Υψηλή θερµοκρασία λειτουργίας Ιδανικό για ψυχρά κλίµατα Εξαιρετικά ευαίσθητοι Πολύπλοκη εγκατάσταση Εφαρµογές εν συνιστώνται σε οικιακές εφαρµογές, αφού το καλοκαίρι η θερµοκρασία στο εσωτερικό τους ξεπερνά τους C. Κυρίως χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές όπου απαιτούνται θερµοκρασίες άνω των 80 0 C, όπως: Ηλιακός κλιµατισµός Βιοµηχανικές εφαρµογές (αποστείρωση) Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Planning & Installing Solar Thermal Systems: A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publications

10 2.4 Συγκριτικός Πίνακας Συλλεκτών Είδος Συλλέκτη Κόστος Απόδοση (kwh/m²/χρόνο) Τυπική Χρήση Επίπεδος Συλλέκτης (Μαύρη µπογιά) Μεσαίο 650 Θέρµανση Πισίνας, ΖΝΧ Επίπεδος Συλλέκτης (Επιλεκτικός Απορροφητής) Μεσαίο 700 ΖΝΧ, Θέρµανση Χώρου, Ηλιακός Κλιµατισµός Συλλέκτες Κενού Υψηλό 850 Ηλιακός Κλιµατισµός, Βιοµηχανικές Εφαρµογές

11 Απόδοση ιαφορά θερµοκρασίας συλλέκτη και θερµοκρασίας περιβάλλοντος Συλλέκτης χωρίς κάλυµµα Συλλέκτης κενού Επίπεδος συλλέκτης Θέρµανση πισίνας Ζεστό νερό και θέρµανση χώρου Βιοµηχανική θέρµανση Planning & Installing Solar Thermal Systems: A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publications

12 2.5 Σχέση ηλιακής κάλυψης και απόδοσης συλλεκτών Planning & Installing Solar Thermal Systems: A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publications Χαµηλήηλιακήκάλυψη (λίγοι συλλέκτες) Υψηλή απόδοση Υψηλή ηλιακή κάλυψη (πολλοί συλλέκτες) Χαµηλή απόδοση

13 3. Συστήµατα Κολυµβητικών εξαµενών 3.1 Συστήµατα ανοικτού βρόχου ιάταξη - Συλλέκτες χωρίς κάλυµµα - Το νερό της δεξαµενής κυκλοφορεί απευθείας µέσα στο συλλέκτη - Επιφάνεια συλλεκτών χωρίς κάλυµµα = 0.8 * επιφάνεια δεξαµενής Μέρη συστήµατος -Συλλέκτες, στο έδαφος ή την οροφή. - Αισθητήρες στο νερό και στους συλλέκτες. - εξαµενή αποθήκευσης θερµού νερού (προαιρετικά), σε περίπτωση που η ζήτηση θερµού νερού δεν συµβαδίζει χρονικά µε την παραγωγή του. Planning & Installing Solar Thermal Systems: A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publications

14 3.2 Συστήµατα κλειστού βρόχου ιάταξη - Επίπεδοι συλλέκτες - ιάλυµα γλυκόλης κυκλοφορεί µέσα στον συλλέκτη, θερµαίνεται από τον ήλιο και η θερµότητα αυτή µεταφέρεται µέσω εναλλάκτη στο νερό. - Επιφάνεια συλλεκτών χωρίς κάλυµµα = 0.6 * επιφάνεια δεξαµενής Μέρη συστήµατος Το κλειστό σύστηµα λοιπόν αποτελείται από τα ίδια στοιχεία µε το ανοικτό κύκλωµα, µε την επιπλέον προσθήκη του εναλλάκτη θερµότητας.

15 3.3 Κόστος & Απόδοση Συστηµάτων (2008) Είδος συστήµατος < 100 m² Επιφάνεια κολυµβητικής δεξαµενής m² > 500 m² Αρχικό κόστος 100 /m 2 (χωρίς κάλυµµα) 75 /m 2 (χωρίς κάλυµµα) 70 /m 2 (χωρίς κάλυµµα) 150 /m 2 (επίπεδοι) 135 /m 2 (επίπεδοι) 120 /m 2 (επίπεδοι) Λειτουργικό κόστος 300 /έτος 500 /έτος 600 /έτος Ειδική απόδοση kwh/m Κόστος ενέργειας /kwh εδοµένα Εληνικής επικράτειας, τιµές 2008.

16 4. Θερµικά Ηλιακά Συστήµατα 4.1 Αρχή λειτουργίας Σύστηµα Κλειστού Βρόχου Μέσο µεταφοράς θερµότητας: γλυκόλη. Συσκευή µεταφοράς θερµότητας: εναλλάκτες. Μέρη συστήµατος Ηλιακοί συλλέκτες εξαµενή αποθήκευσης του ζεστού νερού, Ηλεκτρονικό σύστηµα ελέγχου και Σωληνώσεις. Ζεστό Νερό Χρήσης Θερµοσιφωνικά ή Εξαναγκασµένης Κυκλοφορίας Ζεστό Νερό Χρήσης και Θέρµανση χώρου (Combi) -Ενσωµάτωση συλλεκτών στο κύκλωµα θέρµανσης -Μεγαλύτερη εξοικονόµηση ενέργειας ΖεστόΝερόΧρήσης, Θέρµανση και Κλιµατισµός -Αφύγρανση DEC µε στερεόυλικό(licl, Silica gel) -Αφύγρανση DEC µε υγρό (LiCl, CaCl 2, LiBr, TEG, MEG) -Απορρόφηση / Προσρόφηση

17 4.2 Συστήµατα Combi Ιδιότητες Για θέρµανση χώρου, ζεστό νερό χρήσης και θέρµανση πισίνας. Τα Combi µπορούν να συνδυαστούν µε συµβατικά θερµαντικά σώµατα (ενσωµάτωση σε ήδη εγκατεστηµένο σύστηµα) και µε συστήµατα ηλιακού κλιµατισµού. Μεγαλύτερη εξοικονόµηση ενέργειας Απαιτούµενο συλλεκτικό πεδίο: 20% του χώρου για 40-50% κάλυψη (π.χ. 20m² επίπεδοι επιλεκτικοί συλλέκτες για 100m² οικία). Πλεονεκτήµατα Χρήση σε κατοικίες, ξενοδοχεία, νοσοκοµεία, βιοµηχανία. Έχουν ήδη εισχωρήσει στην Ευρωπαϊκή αγορά Πολύ ευνοϊκές συνθήκες για την εφαρµογή τους στην Ελλάδα. υνατότητα κάλυψης φορτίου: 30-50% µόνο µε ηλιακά, 100% (συνδυασµός ΘΗΣ µε βιοµάζα).

18 4.3 Αρχές ιαστασιολόγησης Συλλέκτες Επίπεδοι 540kWh/έτος Επίπεδοι Επιλεκτικοί 650kWh/έτος Κενού 900kWh/έτος ΖεστόΝερόΧρήσης Χαµηλή κατανάλωση στους 45 C : l (ανά ηµέρα και άτοµο) Μέτρια κατανάλωση στους 45 C : l Υψηλή κατανάλωση στους 45 C : l 30l / πλύση ρούχων, 20l / πλύση πιάτων (στους 45 C) Η απαιτούµενη ενέργεια είναι: E ΖΝ =m Cp Τ. Combi Η απαιτούµενη ενέργεια είναι: Ε=Ε ΖΝ +Ε Θ Όγκος ΖΝ θέρµανσης V = E Θ / 1.16 / Τ ( Τ = 7 C) Κλιµατισµός 3m² συλλεκτών ανά kw ψύξης για συστήµατα κλειστού κύκλου 10m² συλλεκτών ανά 1000m³/h για συστήµατα ανοικτού κύκλου

19 4.4 Οικονοµικά µεγέθη Σύστηµα Πισίνας Θερµοσιφωνικό Κεντρικό ή COMBI Source: ΚΑΠΕ, 2008 Ενδεικτικά Οικονοµικά Μεγέθη Θερµικών Ηλιακών Συστηµάτων (2008) Χρήση Θέρµανση Πισίνας Κόστος (µε εγκατάσταση) 100 /m 2 συλλέκτη Οικιακή: Ζεστό νερό 1,400 Οικιακή: Ζεστό νερό 1,600 Οικιακή: Ζεστό νερό, Θέρµανση Επαγγελµατική: Ζεστό νερό, Θέρµανση χώρου, Θέρµανση Πισίνας /m 2 συλλέκτη /m 2 συλλέκτη Χαρακτηριστικά Συλλέκτης χωρίς κάλυµµα, m 2 συλλέκτη m 2 πισίνας 150 lt boiler, 2.5 m 2 συλλέκτη µαύρης µπογιάς 150 lt boiler, 2.5 m 2 επιλεκτικού συλλέκτη 1000 lt boiler, 15 m 2 επιλεκτικού συλλέκτη lt boiler, 500 m 2 επιλεκτικού συλλέκτη

20 5. Case studies Κρήτη, Rethimno Village Hotel: Συλλέκτες χωρίς κάλυµµα, 218m². Τήνος, ΘΗΣ και συλλογή οµβρύων υδάτων. Ξενοδοχείο στον Άγιο Νικόλαο Κρήτης Κρήτη, Hotel Europa: Συλλέκτες χωρίς κάλυµµα, επιφάνειας 32m².

21 Νυρεµβέργη, Pegnitzlofts: 80m 2 Ζεστό νερό και θέρµανση χώρων. Puschendorf, 80 m², Ζεστό νερό Ηλιακή µονάδα για θέρµανση νερού σε συγκρότηµα κατοικιών, JJ-Fuxgasse, Gleisdorf, Αυστρία Ηλιακή θέρµανση νερού και υποστήριξη θέρµανσης στο Gleisdorf Αυστρίας

22 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Ιστοσελίδα έργου Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας Centre for Renewable Energy Sources 19 ο χλµ. Λεωφ. Μαραθώνος, 19009, Πικέρµι τηλ , fax