T.E.I ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

T.E.I ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Χρήση Συστημάτων Ηλιακής Τεχνολογίας για Κάλυψη Θερμικών και Ηλεκτρικών Φορτίων: Εξομοίωση Λειτουργίας μίας Κατοικίας ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Dr.ΚΑΠΛΑΝΗΣ ΣΩΚΡΑΤΗΣ ΜΕΪΔΑΝΗΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΣΑΜΨΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΦΡΑΓΚΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ

2 ΣΤΟΧΟΣ Το έργο που θα περιγραφεί, οι παρατηρήσεις και οι μετρήσεις που θα γίνουν στοχεύουν ώστε : α) Να μελετηθεί η δυνατότητα κάλυψης των θερμικών φορτίων για θέρμανση χώρου και παραγωγή ζεστού νερού, με την χρήση ηλιακών συλλεκτών ενσωματωμένων στο κέλυφος του κτηρίου. β) Να μελετηθεί η κάλυψη ηλεκτικών φορτίων με αυτόνομο φωτοβολταϊκό σύστημα. γ) Να εξαχθούν συμπεράσματα για το εφικτό των στόχων, ώστε να προταθούν προς μελέτη διάφορες διατάξεις και συνδυασμοί PV γεννήτριας και ηλιακού θερμικού συστήματος ή ακόμη και συστήματος συμπαραγωγής (PV+θερμική ενέργεια) για βελτίωση των επιδόσεων μιας PV-διάταξης. A. Διατάξεις συστημάτων ηλιακής ενέργειας και ειδικότερα PV γεννήτριας σε συνεργασία με ηλιακούς συλλέκτες για την κάλυψη ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων οικίας αντίστοιχα, κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Α.1. Εισαγωγή Απαραίτητες σχετικές γνώσεις και στοιχεία 1. Η ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται εκτεταμένα στη χώρα μας για παραγωγή ζεστού νερού και γενικότερα για την κάλυψη θερμικών φορτίων [1], βλ. επίσης σχήμα 1. Σχήμα1: Δυο διατάξεις ηλιακών συλλεκτών για παραγωγή ζεστού νερού. Παρατηρώντας τις διατάξεις διαπιστώνουμε ότι στην πρώτη περίπτωση με την βοήθεια του PV-στοιχείου που είναι ενσωματωμένο στο σύστημα του συλλέκτη, δεν είναι απαραίτητη η σύνδεση του συστήματος με το ηλεκτρικό δίκτυο, εν αντιθέσει με την δεύτερη διάταξη που το σύστημα πρέπει να συνδεθεί με το δίκτυο, ενώ ακόμα το πλήθος/μήκος των σωληνώσεων είναι μεγαλύτερο και συνεπώς βαρύνει το κόστος και μειώνει την απόδοση λόγω θερμικών απωλειών και μεγαλύτερης πτώσης της πίεσης. 2

3 Ωστόσο, η ανάγκη κάλυψης θερμικών φορτίων για την θέρμανση χώρων είναι άμεση, για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας, αειφόρου ανάπτυξης και καθαρού περιβάλλοντος [2]. Μαλιστα, η αναγκαία τεχνολογία είναι γνωστή και απαιτεί απλώς καινοτόμους σχεδιασμούς. Τα οφέλη είναι : α) οικονομία στη δαπάνη θέρμανσης, β) οικονομία στη καύσιμη ύλη (1500-2000 lt/έτος/κατοικία ), γ) εξοικονόμηση ενέργειας και συμβατικών ενεργειακών πόρων, χρημάτων και συναλλάγματος σε ατομικό και εθνικό επίπεδο, δ) βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος [3] καθώς η εκπομπή CO 2 από συστήματα ηλιακής ενέργειας είναι μηδενική, βλ. Πίνακα Ι και Πίνακας ΙΙ. Ωστόσο, στο σημείο αυτό είναι ανάγκη να ορίσουμε την exergy, [19], την ενέργεια δηλαδή, που απαιτείται για την κατασκευή του συστήματος Ηλιακής Ενέργειας, οπότε και πρέπει να υπολογισθεί η μείωση έκλυσης ποσότητας CO 2 το οποίο στη συνέχεια δεν βαρύνει το περιβάλλον με CO 2. Πίνακας Ι Ενεργειακό καύσιμο Εκπομπή CO 2 Φυσικό αέριο Υδρογονάνθρακες Άνθρακας Συνθετικό πετρέλαιο Συνθετικό αέριο Ηλιακή ενέργεια Πυρηνική ενέργεια 1.00 1.42 1.93 2.78 2.94 0.00 0.00 Πίνακας ΙΙ Τυπικές τιμές εκπομπής CO 2 από διάφορες πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ΠΗΓΕΣ Μικρά υδροηλεκτρικά Σύνθετη παραγωγή ενέργειας Μέσος όρος Μ. Βρετανίας Άνθρακας Εκπομπή CO 2 σε g ανά kwh 50 g/kwh 300 g/kwh 500 g/kwh 1050 g/kwh Σημείωση: Ως βάση αναφοράς στις τιμές εκπομπής του CO 2 λαμβάνεται το φυσικό αέριο με αυθαίρετη τιμή εκπομπής CO 2 ίση με 1.Οι αριθμοί που προκύπτουν είναι ως εκ τούτου σχετικοί, ανοιγμένοι στην εκπομπή CO 2 από την καύση φυσικού αερίου. Απαιτείται κατά συνέπειαν, ένας καινοτόμος ενεργειακός σχεδιασμός για τα κτήρια, στον οποίο θα πρέπει να προχωρήσει ο μηχανικός, για την κάλυψη των θερμικών φορτίων του κάθε χώρου [4]. 3

4 Στα πλαίσια αυτά είναι απαραίτητο να διαστασιολογήσουμε το σύστημα ηλιακών συλλεκτών και της PV γεννήτριας για να καλύψουμε αποτελεσματικά τα φορτία θέρμανσης και ζεστού νερού. Προϋπόθεση βέβαια η εκτίμηση των φορτίων αυτών ανά ημέρα ή ανά μήνα [5,6]. Μια σχετικά αποτελεσματική μέθοδος για την διαστασιολόγηση του συστήματος ηλιακών συλλεκτών είναι αυτή της f-chart, τόσο για θερμικά φορτία, όσο και για ηλεκτρικά φορτία [7,8]. 2. Η αρχιτεκτονική μίας κατοικίας, στα πλαίσια εξοικονόμησης ενέργειας, θα πρέπει να είναι κατάλληλη ώστε να εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια, χωρίς να μειώνεται η θερμική άνεση (επίπεδα υγρασίας και θερμοκρασίας σε περιβάλλον ευφορίας) στο χώρο. Ο στόχος αυτός μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση στοιχείων παθητικής ηλιακής τεχνολογίας, σχήματα 2 έως 5, και βιοκλιματικής σχεδίασης χωρίς να μειώνεται η άνεση στον χώρο [9]. Κέρδος από μη διαχεόμενη ακτινοβολία Διαχεόμενη ακτινοβολία στο χώρο Θερμοκηπιακού τύπου Clerestor Σχήμα 2α: Στο σχήμα αυτό καταδεικνύονται διάφοροι τρόποι άμεσης και έμμεσης χρήσης ακτινοβολίας για την θέρμανση των κτιρίων. Η αρχή λειτουργίας της εγλωβιζόμενης και απορροφούμενης από το εσωτερικό του κτιρίου ηλιακής ακτινοβολίας με σκοπό την θέρμανση του χώρου είναι προφανής. 4

5 Μαζικός τοίχος Θερμοκηπιακός τύπος Trombe τοίχος Barra -Constantini Αποθήκευση της ακτινοβολίας σε απομακρυσμένο τοίχο Θέρμανση δια του σώματος Θερμική οροφή Θερμοσιφωνικού τύπου Σχήμα 2β: Στα σχήματα παρουσιάζονται διάφοροι τρόποι έμμεσης θέρμανση των κτιρίων από ηλιακή ακτινοβολία. Η αρχή εφαρμογής με στόχο τη θέρμανση του χώρου είναι προφανής Με τεχνικές που στηρίζονται στις αρχές της ηλιακής παθητικής τεχνολογίας δίδεται η δυνατότητα στον μηχανικό να μειώσει τις ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας, σε ό,τι αφορά στα θερμικά φορτία. Τα θερμικά φορτία μπορούν εύκολα να μειωθούν μέσω: α) Καλής θερμομόνωσης, Ο Πίνακας ΙΙΙ στη συνέχεια δίδει τιμές του συντελεστή αγωγιμότητας για διάφορα κατασκευαστικά υλικά: 5

6 Υλικά Πλάκες από υαλοβάμβακα βακελιτούχες και από λιθοβάμβακα (ορυκτοβάμβακας) Υαλοβάμβακας μη μορφοποιημένος Πλάκες ελαφρών κατασκευών από ξυλόμαλλο με ανόργανη συνδετική κονία πάχους, 15mm 25-35mm >50mm Πλάκες από διογκωμένο φελλό ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ Θερμομονωτικά υλικά [10] Πυκνότητα σε kg/m 3 Συντελεστής αγωγιμότητας λ ή k σε kcal/mh o C Συντελεστής αγωγιμότητας λ ή k σε W/mk 0,035 0,041 50 0,035 0,041 570 460-415 <390 120 160 200 0.12 0.08 0.07 0,035 0,038 0,04 0.14 0.093 0.081 0,041 0,044 0,046 Πλακίδια φελλού 450 0,055 0,064 Διογκωμένα συνθετικά υλικά 0,035 0,041 Σκληροί αφροί από συνθετικά υλικά 0,035 0,041 β) Σωστού ενεργειακά προσανατολισμού [11], χωρίς σκίαση από αντικείμενα (π.χ. δέντρα, γειτονικά κτήρια) γ) Κατάλληλης χωροταξικής διαμόρφωσης του κελύφους του κτηρίου, με κατάλληλα ανοίγματα και χρήση ανάλογα με τον προσανατολισμό του χώρου, όπως δείχνουν τα σχήματα στη συνέχεια. α) ΗΜΕΡΑ καλοκαίρι χειμώνας Νότιο άνοιγμα μεγάλης σχετικά επιφάνειας που επιτρέπει την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά την διάρκεια της μέρας, τον χειμώνα. Αντίθετα, κατά το θέρος, λόγω και του σχεδιασμού που βλέπουμε, αποτρέπεται η άμεση ηλιακή ακτινοβολία να εισέλθει στον εσωτερικό χώρο του κτηρίου 6

7 β) Θερμικός Μαζικός Τοίχος ζεστό Ήλιος γ) ΗΜΕΡΑ κρύο Υαλοπίνακας Παθητικός σχεδιασμός νοτίου προσανατολισμού, με θερμικό τοίχο και υαλοπίνακα. Πτυχή Φεγγίτες ΝΥΧΤΑ Εκπομπή Θερμότητας δ) Είσοδος ζεστού αέρα Ήλιος ΗΜΕΡΑ ε) Έξοδος κρύου αέρα Μαζικός Θερμικός Τοίχος Κλειστοί φεγγίτες Θερμοκηπιακός χώρος Σελήνη Κλειστοί φεγγίτες ΝΥΧΤΑ Σχήμα 3: Διαμόρφωση του κελύφους του κτηρίου με κατάλληλο τρόπο, ώστε να επιτυγχάνεται άμεση θέρμανση του δωματίου (σχήμα α) και φυσική ροή θερμού αέρα στο εσωτερικό του δωματίου (σχήμα β,γ,δ,ε). Τούτο επιτυγχάνεται με ειδικό σχεδιασμό προσάρτηση θερμοκηπιακού χώρου διαφόρων διαστάσεων στο νότιο τοίχο και με ειδικά ανοίγματα για την διοχέτευση του αέρα. 7

8 Εν κατακλείδι είναι δυνατή με τις ανωτέρω περιγραφικές σχεδιάσεις ή και επεμβάσεις, η μείωση ακόμα και στο 1/3 των θερμικών αναγκών (των φορτίων) του κτηρίου. Έτσι προσφέρεται επιπλέον θερμική ενέργεια που φθάνει έως και για την πλήρη κάλυψη. Για τούτο απαιτείται και μια κατάλληλη θερμική αποθήκευση [12]. Επίσης με την σχεδίαση: α.) Ενεργειακών Στεγών, βλ. σχήμα 4 και τύπο ηλιακής καμινάδας σχήμα 5 Σχήμα 4: Σύστημα θέρμανσης κατοικίας με φυσική ροή αέρα η οποία επιτυγχάνεται μέσω ενσωματωμένου στη στέγη, ( ενεργειακή οροφή), συλλέκτη θερμού αέρα. Σχήμα 5: Σύστημα θέρμανσης κατοικίας με φυσική ροή αέρα η οποία επιτυγχάνεται μέσω ενσωματωμένου στη στέγη (ενεργειακή οροφή) συλλέκτη θερμού αέρα. Οι αποδόσεις των συστημάτων αυτών κυμαίνονται περί τα 30-40% και ένα τέτοιο φυσικό σύστημα θέρμανσης με ηλιακή ενέργεια αποδίδει κατά μέσο όρο 2.5-3 kwh/m 2 επιφάνειας συλλέκτη και ανά ημέρα. π.χ. με μια εγκατάσταση επί στέγης 40-50m 2 αποδίδεται ενέργεια της τάξεως των 125-150kWh (θερμική ενέργεια) που είναι ένα πολύ ικανοποιητικό μέγεθος για τις θερμικές ανάγκες μιας κατοικίας 8

9 β.) Ενεργειακών Προσόψεων, Σχήμα 6: Σε ένα ολοκληρωμένο σχεδιασμό παθητικής ηλιακής τεχνολογίας συνίσταται η εφαρμογή όχι μόνο αποτελεσματικών αλλά και καλαίσθητων εφαρμογών όταν το σχέδιο θέρμανσης που είναι ένα θερμοσυφωνικό σύστημα ζεστού αέρα, ενσωματωμένο στην πρόσοψης ή γενικά στους εξωτερικούς τοίχους που δέχονται την ηλιακή ακτινοβολία. Α.2. Απαιτήσεις για ενεργειακό σχεδιασμό. Για να επιτύχουμε μια πρόσθετη προσφορά θερμικής ενέργειας ώστε να καλυφθούν πλήρως ή όσο το δυνατόν περισσότερο τα θερμικά φορτία, θα πρέπει να γίνουν παρεμβάσεις στο κέλυφος του κτηρίου, έτσι ώστε να ενσωματωθούν (και όχι να γίνει απλή τοποθέτηση) ηλιακοί συλλέκτες που θα παρέχουν θερμική ενέργεια για τις ανάγκες ζεστού νερού και θέρμανσης του χώρου. Οι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται πολλές φορές στις στέγες, ως πρόσθετα σώματα, προεξέχοντας, με αποτέλεσμα να έχουμε μείωση της καλαισθησίας του κτηρίου ενώ θα μπορούσαμε να έχουμε εξ αρχής ενσωμάτωση στη στέγη και στην πρόσοψη. Ακόμα αντί να τοποθετούνται σε στέγες δύναται να τοποθετούνται κάθετα στις προσόψεις με προσανατολισμό στον Νότο με τα ακόλουθα πλεονεκτήματα. α) εξοικονόμηση χώρου, σχήμα 7, β) καλαισθησία έναντι των τοποθετήσεων επί της στέγης, γ) εύκολη επισκευή στο σύστημα των ηλιακών συλλεκτών, χωρίς το φόβο ατυχημάτων και μικρόκαταστροφών, 9

10 δ) καλή απόδοση του συστήματος θερμικών ηλιακών συλλεκτών κατά τον χειμώνα, όπως θα δείξουμε στη συνέχεια, ή ακόμη, ε) να απευθύνονται σε αρχές σχεδίασης και κατασκευή ηλιακών οικιών. Βαλβίδα εξαερισμού Δίοδος Τρίοδος Νερό από το δίκτυο Δοχείο Διαστολής Σχήμα 7: Ηλιακοί συλλέκτες τοποθετημένοι επί του κελύφους του κτηρίου στο εργαστήριο Η.Μ.Ε του ΤΕΙ Πάτρας. Με αυτόματο ηλεκτρικό χειρισμό είναι δυνατόν να συνδέονται μεταξύ τους εν σειρά ή εν παραλλήλω. Γραφική απεικόνιση των Ηλιακών Συλλεκτών στο σχήμα 9. Συνήθως, απαιτείται να έχουν οι ηλιακοί συλλέκτες μεγάλη απόδοση κατά τον Χειμώνα. Αν οι συλλέκτες τοποθετηθούν κατακόρυφα επί ενός τοίχου και βλέπουν στον Νοτιά, τότε εξασφαλίζεται η απαίτηση αυτή. Αυτό συμβαίνει γιατί ο μέσος μηνιαίος συντελεστής μετατροπής R, της ηλιακής ακτινοβολίας από το οριζόντιο στο κατακόρυφο, έχει υψηλές τιμές κατά τους χειμερινούς μήνες, όπως δείχνει ο Πίνακας ΙV. Ειδικότερα, οι τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας στο οριζόντιο επίπεδο ανά μήνα για τις διάφορες κλιματολογικές ζώνες της χώρας δίνονται στους Πίνακες V και VI. 10

11 Πίνακας ΙV Μέσοι Μηνιαίοι Συντελεστές R, για τις κλιματολογικές ζώνες (σχήμα 8) και για κλίση 90 ο. ΖΩΝΗ 1 ΖΩΝΗ 2 ΖΩΝΗ 3 ΖΩΝΗ 4 ΖΩΝΗ 5 ΖΩΝΗ 6 ΚΛΙΣΗ 90 90 90 90 90 90 Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Δ 1.42 1.10 0.80 0.53 0.38 0.32 0.33 0.45 0.70 1.06 1.42 1.56 1.49 1.13 0.81 0.55 0.40 0.33 0.35 0.46 0.71 1.06 1.46 1.56 1.53 1.15 0.83 0.56 0.41 0.34 0.36 0.48 0.72 1.08 1.45 1.60 1.44 1.11 0.82 0.56 0.41 0.35 0.36 0.48 0.72 1.07 1.40 1.54 1.41 1.12 0.83 0.57 0.42 0.37 0.38 0.49 0.74 1.08 1.46 1.57 1.49 1.15 0.85 0.59 0.44 0.38 0.39 0.51 0.75 1.10 1.48 1.67 Σχήμα 8: Κλιματολογικές ζώνες στις οποίες χωρίζεται η χώρα βάσει της μέσης μηνιαίας ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στις διάφορες περιοχές και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. 11

12 Πίνακας V Ζώνη 1 Ζώνη 2 Ζώνη 3 Ζώνη 4 Ζώνη 5 Ζώνη 6 Ηράκλειο Αθήνα Αργοστόλι Άρτα Θεσ/νίκη Ιωάννινα Ρόδος Καλαμάτα Κόρινθος Κέρκυρα Καβάλα Κομοτηνή Σητεία Νάξος Μυτιλήνη Λαμία Κατερίνη Σέρρες Χανιά Σάμος Πάτρα Λήμνος Λάρισα Φλώρινα Ιεράπετρα Σύρος Χίος Τρίπολη Τρίκαλα Ξάνθη ΠίνακαςVΙ Μέσες μηνιαίες τιμές της Ηλιακής Ακτινοβολίας στο οριζόντιο στο επίπεδο της θάλασσας ανά ζώνη σε MJ/m 2 ΖΩΝΗ Ι Φ Μ Α Μ Ι Ι Α Σ Ο Ν Δ Μ.Ο ΣΥΝΟΛΟ 1 230 277 439 558 706 770 817 760 598 421 284 220 507 6080 2 230 274 418 493 691 752 781 713 736 382 270 198 478 5738 3 220 259 400 493 648 754 781 713 526 367 241 187 468 5616 4 194 234 371 493 644 724 781 695 504 349 220 173 449 5384 5 169 223 360 493 644 680 727 670 486 328 220 162 430 5162 6 169 216 349 468 612 666 706 641 464 313 202 162 414 4968 Το σύστημα των ηλιακών συλλεκτών, που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 9, μπορεί να συνδεθεί σε σειρά ή παράλληλα με μία τρίοδη ηλεκτροβάνα και να συνδέεται με μία ή περισσότερες δεξαμενές αποθήκευσης του ζεστού παραγόμενου νερού. Στην περίπτωση που η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Ι Τ, που προσπίπτει στους συλλέκτες δεν είναι επαρκής, τότε οι συλλέκτες συνδέονται εν σειρά, έτσι ώστε να λαμβάνουμε νερό υψηλότερης θερμοκρασίας και μικρότερου όγκου σε σχέση με την αντίστοιχη περίπτωση που οι συλλέκτες έχουν σύνδεση εν παραλλήλω. Εργασία: Με βάση τα δεδομένα του Προβλήματος 7.1 στο βιβλίο των ΗΜΕ II, δώστε κατ εκτίμηση τις θερμοκρασίες του νερού στην έξοδο των συλλεκτών στις δύο περιπτώσεις σύνδεσης, εν σειρά και εν παραλλήλω. 12

13 Δίοδος Βαλβίδα εξαερισμού Δίοδος αντεπιστροφής 1 2 Νέρο από δίκτυο Προς καταναλώσεις Τρίοδος Προς καταναλώσεις Σχήμα 9: Σύστημα σύνδεσης των ηλιακών συλλεκτών εν σειρά ή εν παραλλήλω. Λειτουργία εν σειρά: η δίοδος D1 ηλεκτροβάνα είναι κλειστή ενώ η τρίοδος TR1 έχει ανοιχτή την είσοδο 1 και κλειστή την είσοδο 2. Το κρύο νερό εισέρχεται από το δίκτυο στο κάτω μέρος του δεξιού συλλέκτη, θερμαίνεται και οδηγείται στο κάτω μέρος του αριστερού συλλέκτη. Από εκεί εξέρχεται από το άνω μέρος προς τις καταναλώσεις. Λειτουργία εν παραλλήλω: η D1 είναι ανοιχτή ενώ η TR1 έχει ανοιχτή την είσοδο 2 και κλειστή την είσοδο 1. Οι δύο συλλέκτες λαμβάνουν κρύο νερό από το δίκτυο στο κάτω μέρος τους, το θερμαίνουν και το οδηγούν μέσω και της D1, στην έξοδο του αριστερού συλλέκτη και έπειτα στις καταναλώσεις. Σχήμα 10α: Το Σύστημα Θέρμανσης χώρου, και ζεστού νερού μέσω Ηλιακών Συλλεκτών, ενσωματωμένων (κατακόρυφα) στο νότιο τοίχο, βλ. σχήμα 7, στο εργαστήριο ΗΜΕ. 13

14 Το σύστημα αυτό των ηλιακών συλλεκτών τροφοδοτεί έναν, δύο ή και περισσότερους Boilers, βλ. σχήμα 10 και σχήμα 16. Ο συνολικός όγκος των δεξαμενών ζεστού νερού εξαρτάται από την αναγκαία ποσότητα σε ζεστό νερό. Επίσης, η επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών (50-100 l/m 2 ), εξαρτάται από την θερμική ενέργεια που απαιτεί η εγκατάσταση για την κάλυψη των θερμικών φορτίων. Παρόλα αυτά, σημαντικότατο ρόλο παίζει και η πολιτική διαχείρισης των φορτίων. Επειδή η ηλιακή ακτινοβολία διαφέρει γενικά από ώρα σε ώρα, από ημέρα σε ημέρα, καθώς οι τιμές της ακολουθούν στοχαστικό χαρακτήρα, είναι δυνατόν ένα σύστημα συλλεκτών να μην καλύπτει επαρκώς το θερμικό φορτίο. Για τον λόγο αυτό ακολουθούμε τον παρακάτω σχεδιασμό, σχήματα 11-12, που δείχνει τις αρχές σχεδιασμού και λειτουργίας, ώστε το σύστημα να ανταποκρίνεται αποτελεσματικότερα στις ανάγκες των φορτίων. Ακόμη, σε εξαιρετικές περιπτώσεις χρησιμοποιείται και ηλεκτρική αντίσταση, σχήμα 10γ, που συνήθως τοποθετείται (συνδέεται ηλεκτρικά) στην δεξαμενή, βλ. σχήματα 11-12. Στο σχεδιασμό του συστήματος Ηλιακών Συλλεκτών για θέρμανση χώρων με αερόθερμα (Fan Coil Unit: FCU) και ενδοδαπέδιο σύστημα, είναι ανάγκη να προσπαθήσουμε ώστε οι δεξαμενές αποθήκευσης ζεστού νερού να έχουν ενσωματωμένη ηλεκτρική αντίσταση για μερική κάλυψη των φορτίων, εάν ποτέ χρειαστεί, εκτός εάν η διαστασιολόγηση του συστήματος έχει γίνει για περίοδο ενεργειακής ανεξαρτησίας τουλάχιστον 3 ημέρες, όπου και είναι απίθανο να υπάρξει στη χώρα μεγαλύτερη από 3 ημέρες συνεχούς απόλυτης συννεφιάς. Σχήμα 10β: Οι δεξαμενές που χρησιμοποιούνται στο σύστημα εξομοίωσης θέρμανσης κατοικίας του εργαστηρίου Η.Μ.Ε. Οι δεξαμενές έχουν εσωτερικά ενσωματωμένους εναλλάκτες και την δυνατότητα θέρμανσης του νερού με ηλεκτρική αντίσταση. 14

15 Ηλεκτρόδιο εξουδετέρωσης των ιόντων Ηλεκτρική αντίσταση Σχήμα 10γ: Ηλεκτρική αντίσταση όπως φαίνεται από τομή δοχείου αποθήκευσης ζεστού νερού. ΒΑ ΒΑ Υπόμνημα σχεδίου 1. Ηλιακοί Συλλέκτες 2. Εναλλάκτης Θερμότητας 3. Αερόθερμα 4. Ενδοδαπέδιο Σύστημα 5. Δεξαμενή ζεστού νερού (Boiler) για την τροφοδοσία του ενδοδαπέδιου συστήματος με θερμοκρασία 40 ο C 6. Δεξαμενή ζεστού νερού (Boiler) για την τροφοδοσία των αερόθερμων θερμοκρασίας 70 ο C 7. Μικρή αποθηκευτική δεξαμενή παροχής ζεστού νερού γενικής χρήσης 8. Διακόπτης παροχής ζεστού νερού στην δεξαμενή 5 Κ1. Κυκλοφορητής του κυκλώματος των συλλεκτών Κ2. Κυκλοφορητής για την τροφοδοσία του εναλλάκτη θερμότητας με κρύο νερό Κ3. Κυκλοφορητής για την ροή νερού στο ενδοδαπέδιο σύστημα Κ4. Κυκλοφορητής για την ροή νερού στα αερόθερμα ΒΑ. Βαλβίδες Αντεπιστροφής Σχήμα 11: Ένα απλό μηχανολογικό σχέδιο του Συστήματος Ηλιακών Συλλεκτών για Θέρμανση Χώρου, μέσω ενδοδαπέδιας θέρμανσης (4) και δύο αεροθέρμων (3), με την χρήση δύο δεξαμενών αποθήκευσης ζεστού νερού (5,6). 15

16 Σημείωση: 1) Το Σύστημα Ηλιακών Συλλεκτών για την Θέρμανση Χώρου που φαίνεται στα σχήματα 11 και 12 είναι κατάλληλο για μεγάλα φορτία, καθώς ο εναλλάκτης είναι τοποθετημένος εκτός των δεξαμενών. 2) Οι κυκλοφορητές είναι ρυθμισμένοι κατάλληλα. Ο Κ1 δίδει παροχή 15cc/sec*m 2 (15 cc ανά sec και ανά m 2 επιφάνειας ηλιακών συλλεκτών) ενώ ο Κ2 δίδει διπλάσια περίπου παροχή. BA BA Χειροκίνητος διακόπτης για την μη ταυτόχρονη λειτουργία ενδοδαπέδιου συστήματος και αεροθερμων Ανιχνευτής Θερμοκρασίας εσωτερικού χώρου (προκαθορισμένη τιμή 20 C) Σχήμα 12: Σχέδιο ηλεκτρομηχανολογικής υφής του συστήματος των ηλιακών συλλεκτών με τις δεξαμενές, τα φορτία και τα απαιτούμενα αισθητήρια. Λειτουργία Συστήματος Ηλιακών Συλλεκτών Σχήματος 12: Ηλιακοί συλλέκτες (1) x2: Τίθενται εν σειρά ή εν παραλλήλω με ηλεκτροβάνες. Διαφορικός Θερμοστάτης (7) : Φορτίζει τις δεξαμενές. Αισθητήρας στην δεξαμενή (5). Η δεξαμενή (5) έχει τη μικρότερη θερμοκρασία ( 40 ο C) γιατί χρησιμοποιείται στο ενδοδαπέδιο. Θερμοστάτης (Τ1): Χρησιμοποιείται για να κλείνει την βαλβίδα (8) όταν η θερμοκρασία στην δεξαμενή (5) φθάσει στους 40 ο C. Θερμοστάτης (Τ2): Όταν ο χώρος που θερμαίνουμε μέσω του ενδοδαπέδιου συστήματος έχει θερμοκρασία <20 ο C, στέλνει σήμα στον κυκλοφορητή Κ3 και τροφοδοτεί το ενδοδαπέδιο με ζεστό νερό. Συγχρόνως, λαμβάνει σήμα ο κυκλοφορητής Κ4 και τροφοδοτεί τα αερόθερμα, από τη δεξαμενή (6). 16

17 Παρατήρηση: Προτάθηκε αρχικά η τοποθέτηση ενός δοχείου μίξης μεταξύ της δεξαμενής (5) και του κυκλοφορητή Κ3, παρακάμπτοντας έτσι την χρήση της βάνας 8. Η δεξαμενή (5) θα αποθηκεύει νερό υψηλότερης θερμοκρασίας και μέσω του δοχείου μίξης θα αποδίδεται στο ενδοδαπέδιο σε μικρότερη θερμοκρασία 40-45 ο C. Το σύστημα των ηλιακών συλλεκτών, όπως δείχνει το σχήμα 12, μπορεί να αποθηκεύει θερμότητα σε ένα αριθμό δεξαμενών συνδεδεμένων παράλληλα ή σε σειρά. (Αρχικά θερμαίνεται η 1 η δεξαμενή εν συνεχεία η 2 η κ.ο.κ). Στη περίπτωση του σχήματος 11 και 12 είναι παράλληλα, αλλά ελεγχόμενα μέσω του διακόπτη 8. Η λειτουργία του συστήματος των ηλιακών συλλεκτών και του συστήματος αποθήκευσης/ παροχής ζεστού νερού, οδηγείται από ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου που λαμβάνει σήματα θερμοκρασίας χώρου/ νερού από κατάλληλα όργανα, αισθητήρια θερμοκρασίας (π.χ. θερμοζεύγη). Σχήμα 13α: Θερμοζεύγη εμβαπτήσεως Σχήμα 13β: Θερμοζεύγη τύπου Cu-Const 17

18 Μια βελτιωμένη διάταξη του συστήματος των σχημάτων 11 και 12 είναι αυτή που δείχνει το σχήμα στη συνέχεια: Α.Ε ΤS D1 Ηλιακοί συλλέκτες A.E Ηλεκτρικό Σύστημα Ελεγχου βασισμένο σε Διαφορικούς Θερμοστάτες Β.Α Bαλβιδα αντεπιστροφής. Φορα νερου προς μια κατευθηνση A.E Εισαγωγή νερού Δ.Δ 16/20 λίτρα Βαλβίδα ασφαλείας Είσοδος από συλλέκτη θερμιδομετρητής Έξοδος ζεστού Είσοδος κρύου Έξοδος ζεστού Είσοδος κρύου Βάνα σύνδεσης Boiler Έξοδος προς συλλέκτη Σχήμα 13: Βελτιωμένη έκδοση του Συστήματος των Ηλιακών Συλλεκτών- Δεξαμενών ζεστού νερού- Μετρητικών συστημάτων και αισθητηρίων. Ένα περισσότερο βελτιωμένο σύστημα το οποίο καλύπτει και κλιματισμό χώρου είναι αυτό του σχήματος 14. 18

19 Ηλεκτρικό Σύστημα Διαχείρισης φορτίων Σχήμα 14: Βελτιωμένη διάταξη του Συστήματος Ηλιακών Συλλεκτών με δυνατότητα θέρμανσης και κλιματισμού 19

20 Διερεύνηση: 1. Υπάρχει όμως και περίπτωση να έχουμε πλεόνασμα θερμικής ενέργειας από την έξοδο των συλλεκτών. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία στους συλλέκτες αυξάνεται έως να φτάσει σε ένα προκαθορισμένο σημείο το οποίο καθορίζεται από τη χαρακτηριστική καμπύλη της απόδοσης, σχήμα 15. 2. Στην περίπτωση της ενδοδαπέδιας θέρμανσης, εφόσον το θερμό νερό έχει θερμοκρασία υψηλότερη των 40 ο C, αναμειγνύεται με νερό από το δίκτυο, έτσι ώστε φθάνοντας στο ενδοδαπέδιο να έχει θερμοκρασία περίπου 35 o -40 ο C. Η δεύτερη δεξαμενή σχήμα 11,12,13 τροφοδοτεί το σύστημα των Fan coils, όπου η θερμοκρασία πρέπει να είναι γύρω στους 50 ο -60 ο C/l. Περισσότερα για τα F.C.U. βλ. στο Παράρτημα Ι. 15 3. Στην αντίθετη περίπτωση, όπου οι καιρικές συνθήκες είναι τέτοιες (συννεφιάς, χαμηλά επίπεδα ηλιοφάνειας, χαμηλά επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας) ώστε οι ηλιακοί συλλέκτες να μην παρέχουν ικανοποιητική ποσότητα θερμικής ενέργειας, τότε ένα σύστημα αποθήκευσης αποτελούμενο από περισσότερες από μία δεξαμενές μας δίνει την λύση διατηρώντας την αποτελεσματικότητα του συστήματος για θέρμανση με ηλιακούς συλλέκτες. Αυτό συμβαίνει γιατί, έχοντας πολλαπλές μονάδες δεξαμενών συνδεδεμένες εν σειρά, σχήμα 16, μπορούμε να επιτύχουμε σε έναν μικρότερο αριθμό δεξαμενών, την επιθυμητή θερμοκρασία. Δηλαδή αποθηκεύουμε το ίδιο ποσό ενέργειας σε υψηλότερη όμως θερμοκρασίας. 20

21 Σχήμα 16: Σχέδιο εγκατάστασης συστήματος ηλιακών συλλεκτών (εν σειρά) και λοιπών στοιχείων για την παραγωγή,αποθήκευση και διανομή ζεστού νερού. Ο τρόπος αυτός διαχείρισης των φορτίων, μας επιτρέπει να επιτυγχάνουμε την βέλτιστη κάλυψη των θερμικών φορτίων του κτηρίου, όταν έχουμε χαμηλά επίπεδα ηλιοφάνειας ή ηλιακής ακτινοβολίας. Παρατηρήσεις: 1. Υπό τις ανωτέρω συνθήκες εάν επιλέγαμε μία αποθήκη θερμότητας (Boiler) με χωρητικότητα ίση με την, θα επιτυγχάναμε μικρότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή με αποτέλεσμα τη χρήση υποστηρικτικής πηγής ενέργειας όπως ηλεκτρικής (δίκτυο, diesel), βλ. σχήμα 16. 2. Το σύστημα των ηλιακών συλλεκτών μπορεί επίσης να συνδεθεί με το σύστημα της ενδοδαπέδιας θέρμανσης, σχήμα 17 και τα αερόθερμα (fun coils), σχήμα 18 ούτως ώστε να αποδεσμευτεί από τα συστήματα κλασικού τύπου, τα οποία λειτουργούν στους 80 ο C. 21

22 Σχήμα 17α: Ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης πειραματικού τύπου. Άνω: στο δάπεδο στρώνεται ειδικό μονωτικό αφρώδες υλικό επί του οποίου επικάθηνται οι σωληνώσεις (πλαστικοί σωλήνες θερμού νερού: 35-40 ο C ). Στην συνέχεια όλες οι σωληνώσεις καλύπτονται με ειδικό κονίαμα πάχους περίπου 10cm με σύνθεση: 4 μέρη άμμος, 1 μέρος τσιμέντο. Έπειτα τοποθετούνται πλακάκια ή ξύλινη επένδυση. 22

23 Σχήμα 17γ: Τελική μορφή του ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης, όπως τοποθετήθηκε στον αυτόνομο βιοκλιματικό οικίσκο του εργαστηρίου των Η.Μ.Ε. Φαίνεται η επίστρωση από πλακίδια κεραμικού τύπου. Z ψύκτρες K α) β) Ανεμιστήρας Σχήμα 18: Αερόθερμο (Fan Coil Unit F.C.U) : με το κάλυμμα (α), χωρίς το κάλυμα (β). Περισσότερα βλ. στο Παράρτημα Ι. 3. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι οι θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργούν τα αερόθερμα είναι 50-60 ο C ενώ το σύστημα της ενδοδαπέδιας θέρμανσης θέλει χαμηλότερη ( 40 ο C). Αντίθετα τα θερμαντικά σώματα κλασικού τύπου απαιτούν νερό θερμοκρασίας (80 ο -90 ο C). 23

24 4.Υπενθυμίζουμε ότι για μια αποδοτική και αποτελεσματική λειτουργία, η κάλυψη και αποθήκευση θερμότητας σε συγκεκριμένη θερμοκρασία απαιτείται ένα σύστημα ελέγχου που θα πρέπει να έχει ένα θερμοστάτη ή και διαφορικό θερμοστάτη (σχήμα 20), ηλεκτροβαλβίδες, θερμοζεύγη και θερμιδομετρητές για να μετρήσουμε την απόδοση του συστήματος,όπως δείχνουν τα σχήματα 14, 19. Θερμοζεύγος Σχήμα 19: Θερμιδομετρητές που χρησημοποιούνται στο σύστημα Ηλιακών Συλλεκτών του εργαστηρίου ΗΜΕ, που τροφοδοτεί αερόθερμα και ενδοδαπέδιο σύστημα θέρμανσης. 24

25 Αισθητήριο Εμβαπτήσεως Σχήμα 20: Διαφορικός θερμοστάτης. Με την βοήθεια δύο θερμοζευγών το όργανο προσδιορίζει τις θερμοκρασίες από δύο σημεία, π.χ. θερμοκρασία νερού στην έξοδο του Ηλιακού Συλλέκτη και θερμοκρασία νερού στην δεξαμενή ζεστού νερού. Όταν η διαφορά της θερμοκρασίας των σημείων αυτών ξεπεράσει κάποια προκαθορισμένη τιμή, τότε έχουμε σήμα στην έξοδο του οργάνου (έλεγχος ηλεκτροβάνας). Α.3. Απόδοση Συστήματος Ηλιακών Συλλεκτών Η απόδοση του πλαισίου ενός Ηλιακού συλλέκτη περιγράφεται στο Κεφάλαιο 5, του τόμου ΙΙ του βιβλίου των Η.Μ.Ε. Ο ενδιαφερόμενος καλείται να μελετήσει αναλυτικά αυτό το Κεφάλαιο. Ως απόδοση Ηλιακού Συλλέκτη ορίζουμε το πηλίκο της θερμικής ωφέλιμης ισχύος που αποδίδει ο συλλέκτης προς την επιφάνεια τους επί την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σ αυτόν: Κατά συνέπεια: Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία : (A C I T ) (3.1) Στιγμιαία Απόδοση: inst A C Q u I T m C p A C T I o T T i (3.2) 25

26 m Πυκνότητα ρευστού που διαρέει τον συλλέκτηπαροχή Τ ο : Θερμοκρασία του ρευστού στην έξοδο του συλλέκτη, Τ i : Θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του συλλέκτη, I T : Ένταση προσπίπτουσας Ηλιακής Ακτινοβολίας στο επίπεδο των Ηλιακών Συλλεκτών, Α c : Επιφάνεια Ηλιακών Συλλεκτών. Παρουσιάζεται στη συνέχεια η ανάλυση της έννοιας της αποτελεσματικότητας της λειτουργίας ενός συτήματος ηλιακών συλλεκτών, πόση δηλαδή, η αποδιδόμενη θερμική ενέργεια ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία (ανά m 2 ), όπως φαίνεται και στο σχήμα 21. Άσκηση: Να προσδιοριστεί η μέση ημερήσια απόδοση του συστήματος ηλιακών συλλεκτών. Ωφέλιμη (αποδιδόμενη) θερμική ενέργεια (MJ) Από ένα σύστημα ηλιακού συλλέκτη 15 10 5 (MJ) Q Q u u α α 1 1 H Const H α 2 η=18% T α ή T c 0 5 10 15 20 25 H (ΜJ/m 2 ) Προσπίπτουσα Ηλιακή ακτινοβολία Σχήμα 21: Ωφέλιμη ενέργεια αποδιδόμενη από ένα σύστημα ηλιακών συλλεκτών συναρτήσει της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Η απόκριση του συστήματος σε μακροχρόνια κλίμακα (όχι στιγμιαία), π.χ.: επί μία ολόκληρη ημέρα, είναι γραμμική συνάρτηση της ημερήσιας ολικής ηλιακής ακτινοβολίας, H. Στην περίπτωση αυτή το σύνολο των συλλεκτών έχει επιφάνεια A c = 4m 2. H ημερήσια απόδοση είναι ίση με n 5 5 0. 18 % 7. 5x4 28 18 Από τον ορισμό της απόδοσης προκύπτει όπως είδαμε προηγουμένος: 26

27 inst Q u A I C T m C p A C T I o T T i (3.3) Την τιμή της παροχής την προσδιορίζουμε με ένα ροόμετρο, ενώ την τιμή της θερμοκρασίας την λαμβάνουμε από τους θερμοζεύγη εμβαπτήσεως. Ωστόσο, εάν αναζητούμε την συνολική απόδοση του συστήματος, βλ. σχήμα 21, μπορούμε να πάρουμε τις προηγούμενες τιμές μέσω των θερμιδομετρητών. Σημείωση: Για πολύ υψηλής ακριβείας αποτελέσματα συνιστάται να λαμβάνουμε τις επιμέρους τιμές του κάθε μεγέθους (θερμοκρασία εισόδου, θερμοκρασία εξόδου, παροχή) ανεξάρτητα και εν συνεχεία να χρησιμοποιούμε την αντίστοιχη σχέση για κάθε χρονική διάρκεια π.χ. ½h ή 1h. Την ένταση, Ι, ήτοι την ολική ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο,την υπολογίζουμε από τον μετεωρολογικό σταθμό μέσω των πυρανομέτρων: το ένα μετράει την ολική και το άλλο μετράει την διάχυτη ακτινοβολία, βλ. σχήμα 22. Η τιμή Ι Τ της έντασης στο κεκλιμένο επίπεδο του συλλέκτη προσδιορίζεται ως εξής: I I R I 1cos 2 T b,hor b d, hor (3.4) R b cos cos z (3.5) Το Ι b,hor, είναι η ένταση της άμεσης ακτινοβολίας στο οριζόντιο, προκύπτει από τις τιμές που λαμβάνουμε από τα δύο πυρανόμετρα του μετεωρολογικού σταθμού: α) Την ολική ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτεί στο οριζόντιο επίπεδο Ι g,hor και β) Την ολική διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο οριζόντιο επίπεδο I d,hor, σχήμα 22. όπου: 27

28 Μέτρηση ολικής ακτινοβολίας Στεφάνη σκίασης του δίσκου του ηλίου ώστε το πυρανόμετρο να μην μετρά την άμεση ακτινοβολία Κλίμακα ρύθμισης απόστασης και κλίσης της στεφάνης σκίασης Μέτρηση διάχυτης ακτινοβολίας Σχήμα 22: Πυρανόμετρα του εργαστηριακού μετεωρολογικού σταθμού Η.Μ.Ε. Στο βάθος αριστερά διακρίνεται το πυρανόμετρο μέτρησης της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο οριζόντιο επίπεδο και δεξιά το πυρανόμετρο της ολικής διάχυτης ακτινοβολίας (φέρει ιδικό δακτύλιο σκίασης, ο οποίος ρυθμίζεται σχολαστικά σε τακτικές χρονικές περιόδους). I b,hor I g,hor I d,hor (3.6) Αν θέλουμε να δούμε την συνολική απόδοση του συστήματος θα πρέπει να βρούμε την θερμότητα που αποθηκεύεται σε κάθε δεξαμενή και σε πόσο χρόνο.[14] n syst M C T T p sf su (3.7) A C H T όπου, Μ: μάζα του νερού στις δεξαμενές επί την πυκνότητα του νερού, Τ s,f : η τελική θερμοκρασία του νερού της δεξαμενής μέσα σε χρόνο t, Τ s,i : η αρχική θερμοκρασία της δεξαμενής, Η Τ : η Ηλιακή Ενέργεια σε Joule που πέφτει στην επιφάνεια του συλλέκτη το χρονικό διάστημα t. 28

29 Υπάρχουν δύο είδη συστημάτων ηλιακών συλλεκτών: α) Αυτά που ο εναλλάκτης είναι μέσα στη δεξαμενή (σερπαντίνα) και έχουν συνήθως χρήση σε συστήματα μικρής ισχύς. β) Αυτά που ο εναλλάκτης είναι τοποθετημένος έξω από την δεξαμενή νερού, βλ. σχήμα 22,23. Τi to To ti Ψύκτρες Σχήμα 22: Εναλλάκτες θερμότητας μικρής ισχύος σταυρωτή ροή. Ειδικότερα βλ. Μαθήματα Θερμότητας (Σ. Καπλάνης) http://eclass.gunet.gr 29

30 Ψύκτρα Σχήμα 23: Εναλλάκτης θερμότητας μεγάλης ισχύος Προσδιορισμός του H T A C Έστω ότι λαμβάνουμε μετρήσεις ανά 10 για χρονικό διάστημα μιας ώρας. Σε αυτή τη περίπτωση θεωρούμε ότι Ι Τ είναι σταθερό καθ όλην την διάρκεια των μετρήσεων και ίσο με την τιμή που παίρνουμε στην αρχή. Το R b, βλ. σχέση 3.5, το θεωρούμε επίσης σταθερό για όλη την διάρκεια των μετρήσεων ή το υπολογίζουμε ανά 10 λεπτά, π.χ. 8h, 8h 10, 8h 20, 8h 30 κ.ο.κ. Σε αυτή την περίπτωση πολλαπλασιάζουμε το Ι Τ με το 1/6 της ώρας ( 1 h ) και 6 τότε παίρνουμε Wh/m 2. Στη συνέχεια αθροίζουμε τις συνολικές Wh/m 2 που βρίσκουμε και τις πολλαπλασιάζουμε με τα A C. Τότε προσδιορίζουμε το H T A C. I i R b 1 h I 6 d, hor 1cos 1 h 2 6 Long-term performance: Πέραν από το πείραμα προσδιορισμού της απόδοσης των πλαισίων των Ηλιακών Συλλεκτών, διαφέρει να προσδιορίσουμε την θερμική απόδοση όλου του συστήματος ενός Ηλιακού Συλλέκτη (πλαίσιο, σωληνώσεις, συνδέσεις, μόνωση). 30

31 Σύμφωνα με την αντίληψη αυτή σχεδιάζουμε πείραμα, όπου ο Ηλιακός Συλλέκτης λειτουργεί καθ όλη τη διάρκεια της μέρας. Το πείραμα εκτελείται αλλάζοντας την επιφάνεια έκθεσης του Ηλιακού Συλλέκτη στην ακτινοβολία που προσπίπτει. Ένα πείραμα με το οποίο μπορούμε να βρούμε και να υπολογίσουμε πως θα λειτουργεί όλο το χρόνο ένα σύστημα Ηλιακών Συλλεκτών πραγματοποιείται με την κάλυψη όλου του συλλέκτη με κομμάτια μονωτικού υλικού, λευκού χρώματος και αφαιρώντας τα σταδιακά. Ηλιακοί Συλλέκτες κατακόρυφα τοποθετημένοι: Στο Σύστημα των Ηλιακών Συλλεκτών που υπάρχει στο εργαστήριο των ΗΜΕ οι συλλέκτες είναι τοποθετημένοι κάθετα στο οριζόντιο επίπεδο, όπως είδαμε στο σχήμα 7. Τίθεται το ζήτημα της αποδοτικότητας των συλλεκτών, όταν είναι τοποθετημένοι κατακόρυφα σε τοίχο και έχουν προσανατολισμό στο νοτιά. Η ηλιακή ακτινοβολία επί των κατακόρυφα τοποθετημένων συλλεκτών, προσδιορίζεται από την ηλιακή ακτινοβολία στο οριζόντιο, πολλαπλασιασμένη επί του συντελεστή μετατροπής με το R. R I 1 I d R b I I d R b το R b =(1+cosβ)/2, συνεπώς η ένταση είναι: I b,hor R b I d,hor 1cos I 2 b,hor R b I d, hor 1 2 Σημειώνεται ότι η διάχυτη ακτινοβολία που δέχονται οι Ηλιακοί Συλλέκτες είναι η μισή από αυτή του οριζόντιου επιπέδου, καθώς για β=90 ο, που είναι η περίπτωση των ηλιακών συλλεκτών που είναι τοποθετημένοι κατακόρυφα επί του τοίχου του κτηρίου, βλ. σχήμα 7, ο συντελεστής, 1cos 1 2 2 Ι= Ι b,hor x R b + I d,hor x 1/2 31