Jak dobrać odpowiednią powierzchnię kolektorów? Część I

W celu przystąpienia do wykonania instalacji zakładającej podgrzew CWU, należy najpierw obliczyć wymaganą powierzchnię kolektorów słonecznych. Jest ona uzależniona od kilku czynników. Wybór niewłaściwego rozwiązania może doprowadzić do znacznego wzrostu kosztów, a nawet nieopłacalności przedsięwzięcia. Przykładowe wyliczenia przedstawimy w dwóch częściach, aby jak najdokładniej opisać postępowanie samodzielnego dobrania optymalnej wielkości pola kolektorowego.

Na wielkość wymaganej powierzchni kolektorów słonecznych w omawianej instalacji wpływa między innymi lokalizacja budynku, średnie dobowe zużycie wody na osobę, orientacja i kąt nachylenia dachu oraz odległości między kolektorami a zasobnikiem ciepłej wody użytkowej. W artykule przedstawimy przykładowe wymiarowanie instalacji dla rodziny liczącej 4 osoby, przy wielkości promieniowania słonecznego wynoszącej 1150 kWh/m2/rok. Zakładamy również pochylenie dachu 30° oraz odchylenie jego osi od kierunku południowego o 45°. Dla wygody użytkowania stosuje się obieg cyrkulacyjny, czas jego pracy ustalmy na 12h, długość rur obiegu cyrkulacyjnego natomiast, na 25m.

Pierwsze co należy ustalić to zapotrzebowanie na energię potrzebną do podgrzania ciepłej wody użytkowej. W celu obliczenia tej wielkości trzeba dokonać obliczeń zapotrzebowania na wodę użytkową dla wszystkich mieszkańców. Jak już ustaliliśmy w domu przebywają  cztery osoby, przyjmijmy średnie dobowe zużycie wody na mieszkańca na poziomie 50 l. Mnożąc tę wartość przez liczbę osób dostajemy dobowe zapotrzebowanie na CWU dla całego domu, które wynosi 200 l. Kolejną rzeczą jest ustalenie temperatury wody sieciowej i wody w zasobniku cwu. Zwykle wynoszą one odpowiednio 10 i 45 °C. Teraz, na podstawie poniższego wzoru można policzyć zapotrzebowanie na energię.

Qbw=Vbw*c*(Tzas-Tsieć ), gdzie:

Qbw – dobowe zapotrzebowanie na energię potrzebną do podgrzania wody [Wh/24h]

Vbw – średnie dobowe zapotrzebowanie na CWU [l]

c – ciepło właściwe wody [Wh/kg*K]

Tzas – temperatura wody w zasobniku [℃]

Tsieć – temperatura wody sieciowej [℃]

Qbw=200*1,16*(10-50)=9280 [Wh/24h]

Po dokonaniu obliczeń okazało się, że w ciągu doby potrzeba niewiele ponad 9 kWh energii do podgrzania CWU.

Następnym krokiem jest wyliczenie strat ciepła w obiegu cyrkulacyjnym i zasobniku solarnym. Aby tego dokonać trzeba dobrać wstępny zasobnik solarny. Zaczynamy od doboru wartości stopnia pokrycia solarnego SF. Pracę instalacji z obciążeniem bliskim maksimum zapewnia wartość SF w granicach 40-60 proc. co z kolei wpływa na szybszy zwrot kosztów. Przyjmijmy, że średniorocznie 50 proc. wymaganej energii potrzebnej do podgrzania c.w.u. zostanie pokryte z instalacji solarnej czyli SF=50%). Przy tej wartości SF pojemność zbiornika solarnego wynosi 1,75*zapotrzebowanie dobowe na c.w.u., czyli 350 litrów. Zbiornik będzie współpracował z kotłem szczytowym oraz instalacją solarną dlatego zaleca się zastosowani zbiornika z dwoma wężownicami. Na polskim rynku dostępny jest szeroki wachlarz zasobników, dla których podane są wszelkie niezbędne do dalszych obliczeń wielkości. Musimy zwrócić uwagę na temperaturowy współczynnik strat ciepła (przyjmujemy, że dla zbiornika 350l wynosi on 1,75).

Dzienna strata ciepła w obiegu cyrkulacyjnym Qvz wynosi:

Qvz=k*(TBW-Tot )*tB*Lz  [Wh/d], gdzie:

k – współczynnik strat ciepła obiegu cyrkulacyjnego (tutaj: 0,23) [W/mK]

Tot – temperatura otoczenia = 20[℃]

TBW – temperatura wody w instalacji

tB – czas pracy cyrkulacji

Lz – długość przewodów cyrkulacji

Qvz=0,23*(45-20)*12*25=1725 [Wh/d]

Dzienna strata ciepła w zasobniku solarnym Qvs wynosi:

Qvs=k1*(TBW-Tot )*24 [Wh/d], gdzie:

k1 – temperaturowy współczynnik strat ciepła zbiornika,

Tot – temperatura otoczenia = 20[℃]

TBW – temperatura wody w instalacji

Qvs=1,75*(45-20)*24=1050 [Wh/d]

Dzięki tym dwóm wartościom możemy obliczyć solarny zysk energetyczny QSOL. Jest to energia oddawana w zasobniku przez ciecz solarną wodzie użytkowej. Może on zostać wyliczony z zapotrzebowania energetycznego, przy określonym słonecznym stopniu pokrycia SF.

QSOL=SF*(QBW+Qvz+Qvs )*365/1000 [kWh/rok], gdzie:

QBW – dobowe zapotrzebowanie na energię potrzebną do podgrzania wody,

Qvz – dzienna strata ciepła w obiegu cyrkulacyjnym,

Qvs – dzienna strata ciepła w zbiorniku solarnym,

QSOL=0,5*(9280+1725+1050)*365/1000=2200,04 [kWh/rok]

Jest to pierwsza część artykułu. W kolejnej części przedstawimy wyliczenie wielkości pola kolektorowego oraz wymaganą ilość urządzeń do przedstawionych wcześniej założeń i wyliczonych wielkości.

Previous Article

Polski rynek OZE w pigułce

Next Article

Rodzaje i zasada działania kolektorów słonecznych

Dodaj komentarz