Determinarea necesarului de energie pentru apa caldă

Pentru a adapta producerea de energie consumului este important să se determine consumul de apă caldă și energia necesară pentru încălzirea acesteia. În cazurile ideale, aceasta are loc prin măsurarea consumului pe o perioadă mai lungă, ceea ce presupune însă un efort prea mare pentru utilizările mici (casele cu o familie).

În afară de tabieturile individuale trebuie să se ia în considerare și standardele diferite ale sistemelor de distribuție a apei calde în gospodării. Trebuie să se înnoiască în special sistemele de țevi din clădirile vechi: diametrele supradimensionate ale țevilor, termoizolații insuficient de groase și circularea în timpul funcționării continue pot accelera  necesarul de energie pentru pregătirea apei calde.

De multe ori merită, așadar, să se modernizeze, respectiv să se înlocuiască și sistemul de distribuție a apei calde la montarea unei instalații solare. În domeniul industrial sau la alte utilizări, determinarea necesarului de apă caldă se poate realiza cu ajutorul unor apometre pentru apa caldă. Mai mult decât atât, o atenție deosebită trebuie să se acorde în acest caz structurii temporale de consum (de exemplu vârfuri de consum mai mari dimineața în industria hotelieră). Pentru planificarea obiectelor cu structură de utilizare ieșită din comun există manuale speciale pentru inginerii de specialitate.

În timpul determinării consumului trebuie să se verifice dacă există posibilitatea de a înmagazina apă menajeră care să poată fi folosită consecvent. Astfel, montarea unor baterii de amestec de calitate la chiuvetă și cadă și a unor ventile care să limiteze fluxul la pompa de alimentare pot ajuta să nu curgă mai multă apă decât este nevoie. Din aceeași categorie fac parte și unele capete de duș care au nevoie de mai putină apă pentru a asigura același grad de confort. Măsurile de acest tip au efecte pe mai multe un consum mai mic de apă caldă menajeră înseamnă nu numai un necesar mai mic de energie, ci și o instalație solară mai mică și, deci, costuri mai mici.

Determinarea ofertei solare de radiații la colector

Acum mai trebuie să se calculeze oferta de radiație solară de la fața locului. Un rol important îl joacă:

  • locul unde se montează colectorul (considerente climatice)
  • unghiul de înclinare și orientarea colectorului (considerente arhitecturale)
  • gradul potențial de umbrire din cauza caselor sau a copacilor din împrejurimi
  • Nu rareori se subestimează influenta gradului de inclinare și orientare asupra câștigului energetic. Într-un domeniu relativ mare pierderile din cauza abaterii de la poziția ideală sunt relativ scăzute.

Exemplu: pentru un acoperiș cu un grad de înclinare de 45° orientat către sud, factorul de corecție este de 1,06.

Dimensionarea suprafeței colectorului

În practică există mai multe variante de determinare a suprafeței colectorului. O determinare exactă a acestuia este însă posibilă, căci influentele climatice și în special cele ale comportamentului utilizatorului (necesarul de căldură) se pot schimba radical. Acesta este motivul pentru care metodele de calcul prezentate în paragrafele următoare fac referire deseori la valori sau rezultate medii. Pe lângă aceasta, măsurarea exactă a suprafeței colectorului nici nu are sens,
căci dimensiunea câmpului colectorului corespunde uzanțelor comerciale.

Determinarea cu ajutorul unei formule de bază

Pe baza experiențelor de câteva decenii ale instalațiilor solare pentru încălzirea apei menajere s-a impus pentru instalațiile mici (din casele cu o familie) următoarea formula de baza:

  • 1 – 1,5 m2 din suprafața unui colector plat/persoana, respectiv
  • 0,8 – 1,2 m2 din suprafața unui colector cu tuburi de vid/persoană

Această formulă se folosește pentru un consum mediu de apă caldă și determină un grad de acoperire solară a instalației de 40 – 60%. Valorile inferioare înseamnă rate solare de acoperire mai mici sau sunt valabile pentru colectorii cu un randament mai mare, în timp ce valorile mai ridicate înseamnă o rată de acoperire solară mai mare. Bineînțeles, formula de acest tip indică niște valori aproximative, unde calitatea colectorului, diferențele climatice, precum și abaterile de la montarea ideală a colectorului nu sunt luate în considerare. Totuși, aceasta formulă este foarte importanta pentru o apreciere estimativă a dimensiunilor colectorului

Determinarea cu ajutorul unei nomograme

Mai mulți producători de instalații solare întocmesc și diagrame de măsurare, așa-numitele nomograme, special concepute pentru produsele lor. Astfel, suprafața colectorului se poate determina ușor și repede, același lucru fiind valabil de cele mai multe ori și pentru volumul rezervorului.

Determinarea pe baza gradului de utilizare a colectorului

Pe baza unei ecuații pentru gradul de utilizare a colectorului (a se vedea paragraful cu definițiile termenilor) se poate calcula chiar și suprafața necesară a colectorului AK, atâta timp cât este cunoscută și radiația

nk = QsK/Gs = QsK/(Ga*AK)

Acum trebuie să se mai calculeze doar câștigul brut de energie al colectorului QsK. Acesta depinde de următorii factori:

  • rata de acoperire solară: informațiile din capitolul 5.2 indicau faptul că nu este rentabilă acoperirea necesarului mai mult sau mai puțin completă cu ajutorul unei instalații solare. Un raport optim cost—consum se obține atunci când rata de acoperire este cuprinsă între 40 — 50%. În cazul unei familii cu 4 membri cu un consum anual de 3,400 kWh instalația solară trebuie să aibă o contribuție de 1,700 kWh (la o rată de acoperire de 50%).
  • pierderile termice din sistem: însuși câmpul colectorului trebuie să asigure mai mult de 1.700 kWh, întrucât între colector și consumator apar pierderi termice.
  • pierderile din circuitul colectorului depind în mare parte de lungimea tuburilor precum și de calitatea izolației În funcție de lungimea tubului și de timpul zilnic de funcționare. Acestea reprezintă între 10 și 20% din câștigul termic brut al colectorului. Pierderile mai mari de 20% indică o racordare necorespunzătoare a țevilor și, nu în ultimul rând, o izolație insuficientă a acestora. În exemplul nostru, pierderile din circuitul colectorului reprezintă anual 250 kWh, adică 11% din câștigul anual al colectorului de 2.250 kWh.
  • pierderile termice ole rezervorului se pot calcula în funcție de valoarea (U-A) a rezervorului indicată în manualul producătorilor. În cazul de față, acestea reprezintă în total 500 kWh pe an. Întrucât instalația solară nu transferă rezervorului decât 50% din câștigul de energie, se presupune că pierderile totale ale instalației solare sunt de 50%, în cazul nostru fiind așadar de 300 kWh și corespunzând unui procent de 13% din câștigul colectorului.
  • alte pierderi apar la folosirea circulării apei menajere. Întrucât, însă, în gospodăriile cu o familie nu se montează de obicei un astfel de sistem, se recomandă, din motive economice să renunțați la el; se pleacă de la premisa că nu există o circulație a apei menajere și deci, nici pierderi termice suplimentare.

Determinarea pe baza gradului de utilizare a sistemului și valorile medii lunare

Principiul acestei metode este reprezentat de necesarul lunar de apă caldă (necesarul zilnic numărul de zile ale unei luni calendaristice) precum și cantitatea lunară de radiații. Determinarea suprafeței colectorului se realizează cu ajutorul gradului de utilizare a sistemului instalației nSys:

nsys=QNlunar   /Glunar*AK).

Pentru a putea calcula acum suprafața colectorului trebuie să se cunoască gradul de utilizare a sistemului nsy,. Acesta poate fi influențat de mai multe variabile, printre care și de radiație, tipul colectorului (colector plat sau cu tuburi de vid), de vânt, de lungimea tuburilor, de calitatea termoizolației, mărimea rezervorului și, în primul rând, de temperaturi (temperatura colectorului, a rezervorului, a împrejurimilor), Astfel, se poate determina gradul de utilizare a sistemului unei instalații solare, aflându-se între 20 și 40%. Se presupune că gradul mediu de utilizare este de 34%. Astfel, se poate calcula suprafața colectorului pentru fiecare lună a anului prin care se poate obține o rată de acoperire solară de 100%.

Dimensionarea volumului rezervorului

Valoarea superioară trebuie aleasă atunci când se dorește ca rata de acoperire solară să fie mai mare de 60%, iar valoarea inferioară se alege atunci când rata de acoperire solară este mai mică de 40%. Pe baza următoarelor recomandări se poate determina volumul rezervorului:

1 volum al rezervorului = necesarul zilnic + un supliment de 20 până la 50% pentru vârfurile de consum + 20 1/m2 din suprafața colectorului, unde suplimentul pentru vârfurile de consum depinde de dimensiunea instalației:

5     pana la 10    +50%

10      pana la 15      +40%

15      pana la 20      +30%

20      pana la 25      +20%

Încălzirea suplimentară

Ce volum trebuie să se păstreze la un anumit nivel de temperatură prin încălzire (convențională, curent electric) și înălțimea la care trebuie să se încălzească ulterior rezervorul sunt doi factori ce depind de disponibilitatea energiei suplimentare:

  • la încălzirea suplimentară cu cazan de încălzire (cu o putere cuprinsă între 8 și 20 kW), schimbătorul de căldură trebuie montat în partea superioară a rezervorului, astfel „încât să asigure între 25 și 500 din necesarul zilnic de căldură.
  • la încălzirea suplimentară electrică printr-un plonjor de încălzire (cu o putere de 2 kW) trebuie să se încălzească necesarul zilnic de apă astfel încât bastonul de încălzire să se afle la mijlocul rezervorului. Din motive ecologice și economice se recomandă evitarea încălzirii suplimentare electric.

Din punct de vedere energetic cea mai rentabilă este încălzirea suplimentară cu un încălzitor al fluxului apei (încălzitor pe gaz), căci în acest caz întregul volum al rezervorului este la dispoziția energiei solare.

Dimensionarea schimbătorului de căldură

Dimensiunea acestuia depinde în primul rând de:

  • puterea transferată, care depinde de suprafața colectorului
  • diferența medie de temperatură dintre racordul de alimentare și evacuare ale schimbătorului de căldură, care depinde de modul de funcționare a sistemului. La instalațiile high-flow această diferență nu trebuie să fie mai mică de 10 K, iar la o radiație totală nu trebuie să scadă sub 20 K. La instalațiile Low-Flow, diferența medie de temperatură este cuprinsă între 20 și 40 K.
  • concentrația de glicol din circuitul solar. Valorile orientative menționate mai jos fac referire concentrația utilizată de aprox. 40%.
  • comportamentele fluxului
  • tipul de construcție a schimbătorului de căldură.

Pierderile de presiune din schimbătorul de căldură trebuie să fie mici, căci la valori mai mari creste semnificativ randamentul necesar ai pompei. Pierderea de presiune este cuprinsă de obicei între 70 și 200 mbar, o viteza de curgere de 0,5 —1/5 m/s (informații oferite de producători sau de diagrama pierderilor termice). La instalațiile termosifon: această valoare orientativă este mult prea mare; în acest caz trebuie să se plece de la premisa că valorile pierderilor de presiune de 10 mbar corespund unui flux de 101/h pe m2 din suprafața colectorului.

Schimbătoarele interne de căldură (scufundate) pentru instalațiile high-flow se dimensionează conform următoarei reguli:

  • schimbător de căldură cu tuburile netede: suprafața schimbătorului va fi de 0,2 m2 pe m2 de suprafață colector
  • schimbător de căldură cu tuburi cu nervuri: suprafața schimbătorului va fi de 0,35 m2 pe m2 de suprafață colector

Dimensionarea tuburilor

Întrucât tuburile din circuitul colectorului și conținut de lichid al acestuia reprezintă o capacitate „moartă” de înmagazinare și mai apar, pe deasupra, și pierderile termice, diametrul tuburilor nu trebuie să fie prea mare. Pe de altă parte, trebuie să se aleagă un anumit diametru minim în raport cu o acționare cât mai rară a pompelor.

Diametrul necesar al tuburilor depinde de suprafața colectorului instalat (viteza de curgere din tub este de max. 0,5 până la 1 m/s) și de lungimea totală (înainte și înapoi) a tubului (pierderea de presiune din tuburi < 200 mbar).

Dimensionarea pompei de recirculare

În cazul instalațiilor mici cu o suprafață a colectorului de până la 10 m2 și o lungime a tuburilor de 50 m se poate renunța de obicei la un calcul detaliat al pompei de recirculare, atâta timp cât nu se montează elemente componente deosebite cu o rezistență la curgere extrem de mare. Pompele de recirculare reglabile cel mai des utilizate îndeplinesc această cerere.

La instalațiile mai mari sau la montajele speciale este necesară calcularea rezistenței la curgere în circuit, numai astfel putându-se alege pompa corespunzătoare, Rezistența la curgere sau pierderile de presiune depind foarte mult de flux, adică de fluxul volumului total din circuitul VKK al colectorului: cu cât este mai mare fluxul, cu atât sunt mai mari și pierderile de presiune.

La instalațiile solare standard se recomandă ca fluxul să fie cuprins între 30 și 50 l/h/m2 din suprafața colectorului, iar la instalațiile low-flow să fie cuprins între 8 și 15 l/m2*h.

Prin înmulțirea suprafeței active a colectorului rezultă un flux total: acesta reprezintă de exemplu la o suprafață a colectorului de 5 m2, 150-250 l/h, respectiv 40-75 l/h la instalațiile low-flow. La alegerea unei pompe de recirculare sau pentru determinarea locului de acționare a acesteia trebuie să se calculeze pierderile termice din circuitul colectorului.

În funcție de legarea colectorilor între ei in serie, paralel sau combinat serie și paralel, se poate calcula fluxul fiecărui colector în parte. Producătorii livrează pentru fiecare colector în parte o diagramă din care se poate deduce rezistența la curgere ca funcție a fluxului. La colectorii cu o suprafața de cca. 2 m2 și un flux al volumului de cca. 50l/(m2h), pierderile de presiune reprezintă cam 5-35 mbar. La legarea în paralel, pierderea de presiune a câmpului colectorului corespunde unui colector, iar la legarea în serie se mai adaugă rezistențele. Întreaga pierdere termică de la instalațiile mari (cu o suprafață de până la 30 m2) nu trebuie să depășească valoarea maximă de 0,1 — 0,2 bari. Aceasta se poate obține prin îmbinarea de calitate a legării în serie și paralel.

  • schimbător de căldură

Pentru a obține un transfer termic bun dintre agentul termic și peretele de schimb (curgere turbulentă) este necesar ca viteza de curgere în schimbător să fie de cca. 1 m/s. Pierderea de presiune a colectorului se poate calcula pe baza diagramei oferită de producătorul schimbătorului termic. Există posibilitatea ca la cantități mai mari de debit să fie necesară montarea în paralel a două sau mai multe schimbătoare de căldură.

  • tuburi

Pierderile totale din tuburi rezultă din înmulțirea valorii specifice cu lungimea tuburilor (de alimentare și evacuare). La coturi și la coturile în T, reducții, ventile și alte armături, pierderile termice se calculează separat — atâta timp cât nu sunt prea mici pentru a fi neglijate —cu ajutorul valorilor de rezistență în raport cu viteza de curgere sau/și cu lungimea echivalentă a tubului.

Alegerea vasului de expansiune și a supapei de siguranță

Pentru alegerea vasului de expansiune cu membrană și pentru calcularea volumului de agent termic—trebuie să se calculeze întâi volumul VA al lichidului din circuitul

VA =VK+VWT+ VL

Volumul instalației = volumul colectorului + volumul schimbătorului de căldură + volumul tuburilor

Volumul specific al colectorului și al schimbătorului de căldură sunt indicate în fișele oferite de producător.

Volumul de dilatare VD depinde de conceptul instalației și de cel de siguranță.

  1. În cel mai simplu caz, lichidul se va dilata până ajunge la o temperatură de stagnare. Mărirea volumului depinde de așa-numitul coeficient de dilatare, care la apă este de cca. 5%, iar la amestecul de apă cu propilenglicol de 40/60 este de 10% (inclusiv un adaos de siguranță de 30%). Astfel rezultă un volum minim de dilatare VD1:

VD1 = 0,05 • VA pentru apa ca agent termic și

VD1 = 0,10  * VA pentru amestecurile de glicol cu apă.

  1. Instalațiile sigure intrinseci trebuie să poată prelua pe lângă dilatarea lichidului și întregul volum VK al colectorului:

VD2 = VK   + VD1 = VK + 0,1 • VK

Volumul VG al vasului nu este același cu volumul VD  de dilatare.

Întrucât presiunea în colector variază între presiunea minimă și maximă de funcționare, înseamnă că la dispoziție nu se află întregul volum al vasului de expansiune, ci numai partea din jurui pernei de gaz care se schimbă la această modificare de presiune. În mod asemănător se poate calcula dimensiunea minimă VGmin a vasului in funcție de următoarea ecuație:

VGmin= VD*( pBmax+1)/( pBma-pvor)

pvor  supra-presiunea la care se umple   instalația, pBmax    presiunea maximă de funcţionare.

Expresia ( pBma-pvor) / ( pBmax+1) indică volumul real al vasului de expansiune cu membrană. Acesta ar trebui să reprezinte maxim 0,5, corespunzând unui procentaj de 50% din volumul vasului — altfel există riscuri de supra dilatare a membranei.

  • Suprapresiunea pvor trebuie să fie atât de mare încât să nu pătrundă aer în instalație (de exemplu printr-un ventilator rapid automat) nici iarna, când temperaturile exterioare sunt foarte scăzute. Dacă instalația este rece, supra-presiunea trebuie să fie de 4,5 până la 1 bar în cel mai înalt punct al sistemului, pentru a evita pătrunderea aerului în circuit. Dacă presiunea de funcționare se măsoară la un alt punct și nu la cel mai înalt punct al instalației (de obicei în pivniță sau în apropierea rezervorului), atunci in afară de presiunea minimă trebuie să se calculeze și presiunea coloanei de apă unde la 10 m coloană de apă corespunde 1 bar.

Lasă un răspuns




Enter Captcha Here :