Ηλιοθερμικά συστήματα για θέρμανση κτιρίων κατοικίας

Transcript

1 Ηλιοθερμικά συστήματα για θέρμανση κτιρίων κατοικίας Εκδήλωση ASHRAE, Κόνιας Γιάννης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός 1

2 Ετήσια ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια Μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία : kwh/m 2 Μέση ετήσια διάρκεια ηλιοφάνειας : h 2

3 Θέρμανση νερού χρήσης Ηλιακός θερμοσίφωνας (φυσική κυκλοφορία) Κεντρικό σύστημα (εξαναγκασμένη κυκλοφορία) 3

4 Η λογική της υποστήριξης θέρμανσης Η ηλιακή ενέργεια καλύπτει, σε μεγάλο βαθμό σχεδόν όλο το χρόνο, τις ανάγκες ζ.ν.χ. Τους μήνες αυτούς μπορεί να προκύψει σημαντική υποστήριξη θέρμανσης Θέρµανση Ηλιακή ενέργεια Ζεστό νερό χρήσης Θέρµανση Ενεργειακές απαιτήσεις κατοικίας Ιανουάριος Δεκέµβριος Λιγότερες εκκινήσεις της βοηθητικής πηγής ιδιαίτερα την άνοιξη και το φθινόπωρο!

5 Θέρμανση νερού χρήσης & χώρων (Combi) Σύστημα με δύο δοχεία αποθήκευσης Σύστημα Τank in tank Σύστημα Energy Buffer (με εξωτερικούς εναλλάκτες) 5

6 Τεχνική ανύψωσης θερμοκρασίας επιστροφής ανύψωση θερμοκρασίας επιστροφής 6

7 Τεχνική αποθήκης θέρμανσης αποθήκη θέρμανσης 7

8 Τμήματα ηλιοθερμικού συστήματος Ηλιακοί συλλέκτες (μετατροπή ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα) Ηλιακό κύκλωμα (μεταφορά θερμότητας) - Hλιακό υγρό - Σωληνώσεις - Ηλιακός σταθμός - Δοχείο διαστολής Ηλιακό θερμοδοχείο (αποθήκευση θερμότητας) Αυτοματισμοί ελέγχου (διαχείριση θερμότητας) 8

9 Ηλιακοί συλλέκτες Επίπεδος συλλέκτης Συλλέκτης κενού Ετήσια απόδοση μέχρι 700 kwh/m 2 Πολύ καλή σχέση απόδοσης / κόστους για εφαρμογές θέρμανσης κατοικιών, σύμφωνα με τα κλιματικά δεδομένα της χώρας μας Ετήσια απόδοση μέχρι 850 kwh/m 2 Σε σχέση με επίπεδο συλλέκτη : - υψηλή απόδοση σε χαμηλή ακτινοβολία - σημαντικά υψηλότερο κόστος Για υψηλές αποδόσεις απαιτούνται διαστασιολόγηση - εγκατάσταση - συντήρηση! 9

10 Επίπεδοι συλλέκτες υψηλής απόδοσης 1 : Κρύσταλλο ασφαλείας 2 : Απορροφητής 3 : Σωληνώσεις 4 : Θερμομόνωση 5 : Πλαίσιο R : επιστροφή ηλιακού V : προσαγωγή ηλιακού Μ : θέση μέτρησης (κυάθιο αισθητηρίου) Solar Keymark Ευρωπαϊκό σήμα πιστοποίησης CEN ESTIF Συμμόρφωση θερμικών ηλιακών προϊόντων σύμφωνα με Ευρωπαϊκά Πρότυπα : EN12975 (Solar thermal collectors) EN12976 (Factory made solar thermal systems) CEN : Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης ESTIF : Ευρωπαϊκή Ομοσπονδία Βιομηχανίας Θερμικών Ηλιακών Προϊόντων 10

11 Θέση ηλιακών συλλεκτών σε ταράτσα πάνω σε κεραμοσκεπή ενσωμάτωση σε κεραμοσκεπή σε τοίχο Προσανατολισμός συλλεκτών : W SW S SE E Κλίση συλλεκτών : γεωγραφικό πλάτος περιοχής Διαφοροποιήσεις ανάλογα με την εφαρμογή Χειμερινή λειτουργία (χαμηλότερη θέση ήλιου) : μεγαλύτερη γωνία κλίσης Καλοκαιρινή λειτουργία (υψηλότερη θέση ήλιου) : μικρότερη γωνία κλίσης 11

12 Στασιμότητα ηλιακών συλλεκτών Stagna&on behaviour of solar thermal systems IEA SHC R.Hausner & C.Fink P1 : διαστολή ηλιακού υγρού P2 : έναρξη ατμοποίησης και εκτόπιση ηλιακού υγρού από συλλέκτη P3 : εξέλιξη ατμοποίησης εντός συλλέκτη P4 : εκτόνωση ατμοποίησης στην εγκατάσταση P5 : πλήρωση συλλέκτη με συμπύκνωση ηλιακού υγρού Σχεδιασμός και υλοποίηση εγκατάστασης ώστε να ανταποκρίνεται σε συνθήκες στασιμότητας! 12

13 Ηλιακό υγρό Προστασία ηλιακού κυκλώματος από : Παγετό Υπερθέρμανση Διάβρωση Μίγμα προπυλενογλυκόλης σε αναλογία 40-50% με νερό (ασφαλής λειτουργία σε θερμοκρασίες από - 30 o C έως +170 o C) Έλεγχος ηλιακού υγρού με : εμπειρικό τρόπο (χρώμα και οσμή) μέτρηση αντιπαγετικής & αντιδιαβρωτικής ικανότητας Κατεστραμμένο ηλιακό υγρό Διαθλασιόμετρο Μέτρηση ph 13

14 Σωληνώσεις Χαλκός Ανοξείδωτος χάλυβας Θερμομόνωση πάχος 20 ± 2 mm (λ = W/mK) για σωλήνες μέχρι 22m αντοχή σε θερμοκρασίες C αντοχή σε UV ακτινοβολία και φθορές Πιστοποιημένα εξαρτήματα 14

15 ΗΛΙΑΚΟ ΠΕΔΙΟ Ηλιακός σταθμός Κυκλοφορητής Θερμόμετρα- βάνες Βαλβίδα ασφαλείας Μανόμετρο Εξοδος για σύνδεση Δ.Δ Κυκλοφορητής Απαερωτής Παροχόμετρο Βάνες πλήρωσης/εκκένωσης ΘΕΡΜΟΔΟΧΕΙΟ Με καλυμμένους τους ηλιακούς συλλέκτες 1. καθαρισμός & εξαέρωση 2. έλεγχος στεγανότητας 3. πλήρωση στη σωστή πίεση λειτουργίας 15

16 Δοχείο διαστολής Αρχική πίεση δοχείου : Pa = 0,1 x hstat + 0,5 bar Πίεση λειτουργίας : Pt = Pa + 0,3 bar 16

17 Ηλιακό θερμοδοχείο Επιθυμητή η χαμηλή θερμοκρασία στο κάτω μέρος του δοχείου αποθήκευσης για να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη διάρκεια λειτουργίας των ηλιακών συλλεκτών και επομένως αυξημένη απόδοση ηλιακού πεδίου Επιθυμητή η υψηλή θερμοκρασία στο πάνω μέρος του δοχείου αποθήκευσης για να γίνονται όσο το δυνατό λιγότερες εκκινήσεις της βοηθητικής πηγής και επομένως μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας Ικανοποίηση απαιτήσεων ποιότητας νερού (VDI 2035) Ικανοποίηση απαιτήσεων για ισχυρή θερμική μόνωση ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες (heat loss rate) Υποχρεωτική ενεργειακή σήμανση Οδηγία Ecodesign ErP (από 26/09/2015) 17

18 Αυτοματισμοί ελέγχου έλεγχος αισθητηρίων και εντολών (ηλιακού κυκλώματος - βοηθητικής πηγής θέρμανσης ζ.ν.χ) αναγγελία σφαλμάτων και δυσλειτουργιών (αισθητηρίων, υπερθέρμανση δοχείου, αδυναμία μεταφοράς ηλιακού υγρού κ.λ.π.) καταγραφή δεδομένων (data logger και ανάλυση μέσω PC) μεταφορά δεδομένων και παραμετροποίηση από απόσταση (remote control από κινητό τηλέφωνο, PC) Βελτιστοποίηση και διατήρηση εξοικονόμησης στη διάρκεια του χρόνου! 18

19 Σύστημα υψηλής ροής (high- flow) Επίπεδοι συλλέκτες τύπου άρπας υψηλή παροχή l/h m² μικρή θερμοκρασιακή διαφορά 19

20 Σύστημα χαμηλής ροής (low- flow) Επίπεδοι συλλέκτες τύπου μαιάνδρου χαμηλή παροχή l/h m² μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά Σύστημα προσαρμοσμένης ροής (matched- flow) 20

21 Ηλιακό θερμοδοχείο διαστρωμάτωσης Ανάλογα με την ισχύ της ηλιακής ακτινοβολίας, το κρύο νερό θερμαίνεται και ανεβαίνει στο αντίστοιχο επίπεδο θερμοκρασίας του δοχείου Υψηλές θερμοκρασίες επιτυγχάνονται γρήγορα στο πάνω μέρος του θερμοδοχείου Χαμηλές θερμοκρασίες παραμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα στο κάτω μέρος του θερμοδοχείου Μέχρι και 10% αυξημένη απόδοση ηλιακού πεδίου! 21

22 Ηλιακό θερμοδοχείο διαστρωμάτωσης Στο επάνω τμήμα αποθηκεύεται καυτό νερό ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις παραγωγής ζ.ν.χ. (Hot water buffer layer) Στο μεσαίο τμήμα αποθηκεύεται ζεστό νερό ώστε να καλυφθούν οι απαιτήσεις θέρμανσης, σύμφωνα με τις εξωτερικές συνθήκες (Ηea ng buffer layer) Το κάτω τμήμα διατηρείται κρύο ώστε να ζεσταίνεται αποδοτικά από τον ήλιο (Solar buffer layer) 22

23 Σταθμός παραγωγής φρέσκου ζεστού νερού χρήσης K.N.X. Ανακυκλοφορία Z.N.X. πάνω μέρος θερμοδοχείου κάτω μέρος θερμοδοχείου Παραγωγή σύμφωνα με τη ζήτηση - υψηλό επίπεδο υγιεινής! 23

24 Ολοκληρωμένη λύση συστήματος Combi Ηλιακό θερμοδοχείο διαστρωμάτωσης Σταθμός παραγωγής ζ.ν.χ (fresh water) Διαστρωμάτωση επιστροφής θέρμανσης Ενσωματωμένη πηγή ενέργειας 24

25 Σχέση ηλιακής κάλυψης & απόδοσης συστήματος βέλτιστη περιοχή συνεισφοράς /κόστους System efficiency SE Solar frac on SF Planning & Installing Solar Thermal Systems : A guide for installers, architects & engineers, EarthScan publica&ons Επιφάνεια ηλιακού πεδίου Ποσοστό ηλιακής κάλυψης - Solar frac on SF (%) Ποσοστό συνεισφοράς ηλιακού πεδίου επί της συνολικής απαιτούμενης ενέργειας Ποσοστό απόδοσης συστήματος - System efficiency SE (%) Ποσοστό απορρόφησης ηλιακού πεδίου επί του συνόλου της προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας 25

26 Σχέση ηλιακής κάλυψης & θερμομόνωσης κατοικίας Ενεργειακοί Κανονισμοί (Γερμανία) Πριν από 1984 Πριν από 1984 WSch VO 1984 WSch VO 1995 WSch VO 1984 WSch VO 1995 EnEV 2002 Παθητικό σπίτι EnEV 2002 Παθητικό σπίτι Ενεργειακές ανάγκες σε kwh/m² Ποσοστό ηλιακής κάλυψης SF % Ηλιακό πεδίο 10m² σε κατοικία 120m² 26

27 Προσομοίωση συστήματος 27

28 Παράδειγμα Μονοκατοικία στην Αθήνα (2005) Χρήστες : 4 άτομα Επιφάνεια : 150m² - θέρμανση δαπέδου (40/30 C) Απαιτήσεις θέρμανσης χώρων : 100kWh/m²a kwh/a Απαιτήσεις ζεστού νερού χρήσης : 25kWh/m²a kwh/a 2,500 2,023 2,000 1,500 1,312 1, Κόστος ενέργειας Πετρέλαιο : 1 /lt Φυσικό αέριο : 0,07 /kwh Ηλεκτρική ενέργεια : 0,14 /kwh (χρήση νυχτερινού τιμολογίου 25%) 0 ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΛΕΒΗΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ( ) ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΛΕΒΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ HEAT PUMP ( ) Βαθμός απόδοσης Λέβητας πετρελαίου : 85% Λέβητας φυσικού αερίου : 90% Αντλία θερμότητας SCOP : 2,8 28

29 Αναβάθμιση με σύστημα Combi Σύστημα Combi (Ηλιακό πεδίο 8 m² - θερμοδοχείο 750 lt) Κόστος εγκατάστασης : Συνεισφορά ηλιακού πεδίου : 8 m² x 570 kwh/m² = kwh/a Ποσοστό απόδοσης συστήματος SE : 34,86 % (GHI = kwh/m²a) Ποσοστό ηλιακής κάλυψης SF : 24,32 % 2,500 2, , ,000 1, ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΛΕΒΗΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ( ) ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΛΕΒΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ ΚΟΣΤΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ HEAT PUMP ( ) 29

30 Εξοικονόμηση Eκτιμώμενη ετήσια αύξηση πετρελαίου 8% Μεταβολή τιμής πετρελαίου (Ευρώπη) Τρέχουσα τιμή πετρελαίου 1 /lt Κατανάλωση καυσίμου Κατανάλωση με Combi Μείωση παραγωγής CO kg CO2 / έτος! Διαφορά Κατανάλωση (lt) χρόνια κόστος κόστος κόστος Σύνολο

31 Εμπειρικοί κανόνες διαστασιολόγησης για υφιστάμενες κατοικίες SF : 10 25% Ηλιακό πεδίο με επίπεδους συλλέκτες : 2,0 2,5 m² / άτομο για νέες κατοικίες (ΚΕΝΑΚ) SF : 25 40% Ηλιακό πεδίο με επίπεδους συλλέκτες : 1,5 2,0 m² / άτομο Ελάχιστη ποσότητα νερού στο θερμοδοχείο : lt / m² για συλλέκτες κενού - μείωση ηλιακού πεδίου κατά 20% Καθοριστικοί παράγοντες : κλιματική ζώνη & ηλιακή ακτινοβολία προσανατολισμός & κλίση ηλιακού πεδίου θερμοκρασίες λειτουργίας θέρμανσης & ζεστού νερού χρήσης τεχνολογία θερμοδοχείου & αυτοματισμοί ελέγχου 31

32 Ερωτήσεις και παρατηρήσεις Ευχαριστώ για την προσοχή σας 32