În timp ce instalaţlile solare de dimensiuni mici (cu o suprafaţă a colectorilor de până la 30 m2) pentru încălzirea apei menajere şi sprijinirea încălzirii sunt standardizate şi foarte răspândite, la instalaţille de mari dimensiuni care nu sunt folosite exclusiv pentru încălzirea apei potabiLe situaţla stă cu totul altfel. Standardizarea instalaţiilor din acest domeniu este limitată, întrucât condiţiile de montare a acestor instalaţii sunt foarte diferite şi presupun o adaptare corespunzătoare. Totuşi, instalaţille solare de mari dimensiuni sunt utilizate în multe cazuri. In afară de utilizarea pentru pregătirea apei calde, se folosesc astăzi pe post de instalaţii combi pentru sprijinirea suplimentară a sistemului de încălzire, în reţelele de termoficare, pentru răcirea prin intermediul maşinilor termice de răcire şi pentru realizarea proceselor termice.

Tipurile de instalatii se deosebesc pe de-o parte prin legarea hidraulică şi pe de altă parte, prin condiţiile în care funcţionează instalaţia. La instalaţifle pentru apa menajeră există indicaţii igienice pentru evitarea formării de bacterii legionella. Un aspect diferit îl reprezintă nivelul de temperatură la care trebuie să funcţioneze instalaţille solare. La toate tipurile de instalaţii sunt necesare rezervoare solare. Acestea pot lipsi la instalaţiile pentru climatizarea solară a incăperilor (aer condiţionat, răcire).

  1. Instalaţiile solare pentru încălzirea apei menajere

In domenlul instalaţiilor solare pentru apa menajeră standardizarea configuraţiilor instalaţiilor este cea mai evoluată. In cadrul programului Solarthermie 2000plus s-au verificat cca. 70 de instalatii solare mari, iar rezultatele au avut o contributie semnificativă la standardizarea acestui tip de instalaţii.

Racordarea sistemelor

Carcteristic pentru instalatiile solare de mari dimensiuni pentru incalzirea apei menajere in Germania este faptul ca se face impartirea acestora pe circuit al colectorului, al rezervorului tampon si al apei menajere, fiecare dintre aceste elemente fiind despartite intre ele de un transformator de caldura.

Sisternu[ cu schimbător de caldura pentru preincalzirea a apei menajere a fost transformat deja în nenumărate instalatii. La          acest sistem circuitul de apa menajera are un rezervor suplimentar (rezervor cu preincalzire) care se alimentează printr-o pompă de recirculare pe bază de energie solară in rezervorul tampon. Din motive de igiena, rezervorul cu preîncălzire trebuie să se incalzeasca de cel puţin o dată pe zi la 60°C, fiindca altfel există riscul aparitiei bacteriei legionella. Rezervorul cu preincalzire s-a dovedit a fi unul fiabil, in special datorită deculplarii de la alimentarea prin intermediul schimbatorului de caldură. Totuşi rezulta o eficienta redusa a instalaţiei din cauza temperaturilor ridicate de evacuare din rezervor.

La cuplarea sistemului pentru incazirea directa, apa potabilă nu curge direct din rezervorul cu preîncălzire, ci direct printr-un schimbător de căldura unde preia  căldura solară din circuitul rezervorului tampon. Fluxul din circuitul de alimentare a rezervorului corespunde .in mod ideal cantitatii actuale de apă.

Avantajul principal      al incalzirii directe fata de sistemul cu rezervor cu preincalzire constă din faptul că temperaturile de evacuare sunt mai mici in rezervorui tampon si, deci instalaţia are un grad mai mare de eficientă. Mai mult decât atât, se poate renunta la  un rezervor suplimentar pentru apa potabilă şi se ia o a patra pompă de recirculare. Nu se mai pune nici problema cuplării unui sistem care să impiedice formarea bacteriei legionella. O componenta centrală a acestui sistem este schimbatorul de căldura a cărui montare presupune o atentie deosebita. In concluzie este de preferat sistemul de încălzire directă fată de sistemul cu       rezervor cu preincălzire.

O culpare specială o reprezintă instalatia   la care se renunta la rezervorul tampon, iar pentru apa potabilă se preîncălzeşte apa din bazin. Caldura solara se reda direct printr–un rezervor cu preincalzire pentru apa potabilă sau printr-un al doilea schimbator de caldura solar.

Recomandări de dispunere a componentelor pentru instalatiiie de dimensiuni mari pentru încălzirea apei potabile

In acest caz trebuie sa se gaseasca un echilibru intre gradul de acoperire solara, costurile sistemului si gradul de utilizare a sistemului. Un parametru pentru dimensiunea campului colectorului il reprezinta costurile energiei solare utilizate. Acestea ating minimul al incarcare 50-70l (d*m²). Incarcarea inseamna necesarul mediu zilnic de apa calda al unei cladiri raportat la suprafata colectorilor. Daca la montare se alege un grad mai mare de incarcare, atunci scad costurile proiectului iar pretul caldurii solare utilizate va creste semnificativ, insa gradul de acoperire in orele de varf va scadea incet. Astfel vor scadea si reducerea consumului de energie primara, emisiile CO2, si costurile de functionare.

La o incarcare mai mică, preţul pentru un kWh de căldură solară creşte rapid, căci gradul de utilizate scade pe metru pătrat din suprafaţa colectorului. Mai mult decat atât, instalatiile cu o încărcare mai mică ajung repede şi des in stare de stagnare din cauza rezervoarelor solare încărcate la maxim. Acest lucru înseamnă nu numai pierderi de energie, ci şi solicitări termice ale colectorilor şi ale lichidului colectorilor.

Dimensiunea rezervoarelor solare se calculează în functie de suprafaţa colectorilor şi de profilul consumatorului. În general, pentru un colector cu o suprafaţă de un metru pătrat se va alege un rezervor cu un volum de 50 I.

La dimensionarea schimbatorului de căldură se recomandă o diferenţa de 5 K intre circuitul primar şi cel secundar. In principiu se recomanda utilizarea unui program de stimulare pentru dimensionarea instalaţiei.

Experienţe de funcţionare

Căldura solară utilă

In fig. 7.2.5 sunt reprezentate valorile anuale ale căldurii utile pentru fiecare instalaţie în functie de suprafaţa colectorilor. In comparaţie este prezentată şi prognoza pentru căldura utila realizata pe baza simularilor. Se remarca astfel parţial diferenţe mari de câştig între aceleaşi instalatii, dar şi scăderi ale caştigului anual al aceleiaşi instalaţii. Cauza ar putea fi faptul că energia utilă a unei instalaţii solare depinde de mai mulţi factori: vreme, consum al ape calde, concept de reglare, mod de funcţionare a tehnologiei convenţionale, defecţiuni şi hibe ale sistemului solar.

Gradul de utilizare a sistemului

Gradul anual de utilizare a sisternulul arată cantitatea de energie solară radiată care este transformata in căldură utilă. Atunci când instalaţiile funcţionează norrnal, acesta este de 30 —52%. Din cauza defecţiunilor de funcţionare însă, gradul de utilizare a sistemului a scăzut sub 30%.

Gradele medii anuale de utilizare a sistemelor pentru fiecare instalaţie în parte sunt reprezentate în fig. 7.2.6. In acelaşi fel sunt reprezentate şi gradele prognozate de utilizare a sistemului, calculate pe baza simulărilor.

Incărcare

În fig, 7.2.7 este reprezentată încărcarea medie (vezi recomandările de încărcare pentru instalaţiile de mari dimensiuni pentru incălzirea apei potable) din timpul verii şi raportul acestora faţă de gradul de utilizare a sistemului. O incărcare mare inseamnă şi un grad mare de utilizare. Încărcarea este cuprinsă între 50-70l /zi/m ² din suprafaţa colectorului. O excepţie este satul studenţesc Freiburg Vauban. Din cauza numărului mare de locuitori consumul de apă caldă a crescut şi, totodată, şi gradul de incărcăre (vezi căldura utilă solară şi gradul de utilizare a sistemului).

Rata de acoperire solară

În fig. 7.2.8 este reprezentată valoarea căldurii solare. Rata de acoperire solară este de 30 — 40%, un lucru caracteristic pentru instalaţiile concepute ca sisteme de preincălzire. Notă discordantă face instalatia solară din regiunea Freiburg Vauban din cauza raportului de consum de apă caldă şi suprafaţa mică a colectorilor.

Costuri

Costurile medii de investiţie pentru planificare ş construirea sistemelor solare sunt de aprox. 681 €/m² din suprafaţa colectorului (inclusiv TVA). În fig. 7.2.9 sunt reprezentate costurile specifice pe m2 de colector pentru fiecare dintre cele şase instalaţii. Atât investiţia iniţială, căt şi costurile componentelor au fost ridcate. Cauza principala sunt conditiile diferite de instalare, cum ar fi tipul de montare a colectorului pe acoperiş plat sau inclinat sau utilizarea unor componente deja existente de exemplu rezervorul. Instalaţia cu cele mai mici costuri specifice este cea din Waldbronn, căci acolo nu a fost necesară montarea unor rezervoare solare. Cele mai mari costuri specifice sunt cele din regiunea Freiburg Wilmersdorferstrasse. Costisitoare au fost racordarea ţevilor şi montarea colectorilor.

 2. Instalatii tip combi

Deseori se utilizează instalaţii combi pentru încălzirea apei potabile şi a sprijinului pentru încălzire.

Racordare a sistemului

Principiul instalaţillor combi nu este foarte diferit de cel al instalatiilor pentru apa potabilă. Pentru cele cu rol de sprijinire a sistemului de încălzire trebuie să se realizeze un racord intre rezervor şi incălzirea ulterioară şi sistemul de încălzire. Datorită temperaturilor joase de evacuare se recomandă sistemele de încălzire prin suprafaţa de radiaţie.

O variantă constă din realizarea unui sistem de alimentare cu căldură asemănător regiilor de termoficare. Astfel, in loc ca apa potabilă să fie încălzită intr-o         centrală, va fi încălzită intr-o        statie termică aflată in imediata apropiere a consumatorului. Avantajele acestei variante sunt reprezentate de faptul că nu este necesară circularea apei potabile şi astfel se evită şi pierderile de circulare şi sunt excluse şi problemele de igienă.

Planificare şi recmandări de montare

Pentru a putea contribui la sprijinui sistemelor de încălzire, instalaţiile combi trebuie să fie mai mari decât sistemele deja descrise pentru încălzirea apei potabile. Aceasta este cauza pentru care instalaţiile intră în stare de stagnare in timpul verii, chiar dacă se consumă energie doar pentru încălzirea apei potabile.

O posibilitate de a combate această problemă este reprezentată de rezervoarele sezonale care au capacitatea de a înmagazina o cantitate mare de căldură de-a lungul anotimpurilor. Costurile sunt şi ele mai mari din cauza volumului semnificativ mai mare al rezervorufui. În general, rezervoarele solare ale instalaţiilor combi sunt semnificativ mai maridecât cele ale instalaţiiior pentru apa potabilă, scopuf fiind acela de a utiliza în perioadele cu o ofertă mai mică de energie căldura înmagazinată.

Racordare a sistemului

Rezervorul tampon se alimentează cu căldură solară printr-un schimbător de căldură. Instalaţia solară din fig. 7.2.12 are trei tampoane, fiecare având un volum de 5 m² pentru înmagazinarea intermediară a căldurii solare; unul dintre tampoane este bivalent, adică este utilizat şi de cazanul încălzit pe bază de lemn. Pentru a obţine o temperatură de evacuare de maxim 45°C la unele sisteme de încălzire centralizată se montează în principiu staţii de predare a căldurii cu încălzire a apei potabile în sistemul de curgere directă. Alimentarea sistemului de incălzire al incăperilor are loc prin procesul de curgere directă, ceea ce presupune diminuarea temperaturilor de evacuare în general şi diminuarea acestora in timpul perioadei de încălzire pană sub 40°C.

Experienţe de funcţionare

Această instalaţie a putut produce în 2007  79,18 MWh de căldură utiiă (318 kWh/(m² * a), o cantitate utiiizată sub formă de căldură pentru sistemul de incălzire centralizată. Astfel, 25% din radiaţie a fost transformată de către colectori în energie utilă. Aportul de energie solară din întregul necesar de căldură este de 11%. Atât căldura utilă căt şi gradul de utilizare a sistemului şi rata de acoperire solară s-au dovedit a fi destul de joase in comparaţie cu majoritatea instalaţiilor pentru apa potabilă. Acest lucru se datorează în principiu temperaturilor mari de evacuare din reţeaua de căldură centralizată şi unor defecţiuni de funcţionare ce datează din 2007. Rata de acoperire solară scăzută se datorează suprafeţei mici a acoperişului. Fig. 7.2.13 reprezintă costurile investiţiei exprimate în € / m² din suprafaţa colectorului. În total s-­au investit 787€/m2 din suprafaţa colectorului, adică investiţiile suplimentare se calculează în comparaţie cu instalaţiiie simple pentru apa potabilă (fig. 7.2.9).

  1. Răcirea

Un mare avantaj al termoficării solare ca sursă de căldură pentru climatizarea clădirilor spre deosebire de alte surse este simultaneitatea relativă a ofertei de căldură solară şi necesarul de căldură. Astfel, în timpul verii necesarul de căldură este mai mare în timpul zilei, atunci când există şi cea mai mare oferă de energie solară. Vara se evită stagnările din cauza cedării mici de căldură solară. larna, atunci când nu este necesară niciun fel de climatizare, căldura se cedează sistemului de încălzire.

Fig. 7.2.14 reprezintă schema unei instalaţii cu sistem solar de climatizare. care are dispozitive de răcire şi adsorbţie fabricate de compania Festo AG. & Co. KG in Esslingen şi colectori cu tuburi de vid cu o suprafaţă de 1.330 m². Pentru înmagazinarea intermediară a caldurii solare se montează 2 rezervoare de apă cu un volum de 8.500 l fiecare. Cele trei dispozitive de răcire au un randament de răcire nominal de 354kW fiecare. Pentru această instalaţie nu mai este necesară montarea unui schimbător de căldură între colector şi circuitul rezervorului, întrucât instalaţia funcţionează exclusiv pe bază de apă (sistem Aqua al firmei Paradigrna). Astfel se renunţă la glicol în circuitul colectorului, iar inghetul din timpul iernii se evită printr-un sistem inovativ impotriva îngheţului, implementat in dispozitivele de reglare ale instalatiei solare (recirculare minimă în timpul perioadei cu risc de ingheţ).

Căldura solară se racordează printr-un repartitor de căldură la ceilalti  consumatori de caldura. Acest repartitor alimentează cu căldură şi din cazanele cu gaz şi căldura provenită din compresor (cca. 800 kW). Prin racordarea hidraulică de acest fel se poate utiliza căldura solară fie pentru răcire, fie pentru incălzire. Pentru creşterea gradului de utilizare a colectorilor se poate obţine un nivel mai mic de temperatură (>35C) direct in zona temperării componentelor unei clădiri racordate. Prin luarea măsurilor deja amintite se poate obţine un câştig semnificativ mai mare decat în cazul utilizării simple a dispozitivelor de răcire prin adsorbţie. Instalaţia s-a pus în functiune în nolembrie 2007.

Răcirea pe baza unui dispozitiv de răcire prin absorbtie

Pentru climatizarea solară se utilizează deseori dispozitive de adsorbţie. În cazul instalaţiilor deschise de adsorbţie, apa se evaporă direct în aerul uscat de aerisire şi astfel se răceşte şi incaperea. In cazul sistemelor inchise se introduce în circuit agent frigorigen. Agentul frigorigen poate fi solid sau lichid. În cazul instalaţiilor cu agent frigorigen lichid se vorbeşte despre dispozitive de adsorbţie, iar în cazul celor cu agent frigorigen solid despre dispozitive de răcire prin adsorbţie. In cazul unui dispozitiv de răcire prin adsorbţie se evaporă lichid în evaporator pentru răcire (în cazul de faţă este vorba de apă) şi astfel se absoarbe căldura din incăpere. Pentru ca apa să se evapore şi la temperaturi mai mici, dispozitivul de răcire se depresurizează mai mult. Substanta de răcire evaporată se depune pe substanţa de absorbţie (gel silicat). Căldura obţinută prin condensare se evacuează printr-un sistem de răcire. După ce gelui silicat absoarbe substanţa de răcire se activează sistemul de desorbţie. Antigelul silicat se incălzeşte la 55— 90°C, apa se evaporă de pe gelul silicat şi pătrunde în dispozitivui de răcire si apoi în stare lichidă. În aceiaşi fel trebuie răcit şi condensatoru! pentru evacuarea căldurii formate în urma condensării. Apa condensată pătrunde înapoi în vaporizator. Pentru a asigura funcţionarea continuă a dispozitivului de răcire sunt necesare două camere de adorbţie, una montată pentru sistemul de adsorbţie, cealaltă pentru sistemul de desorbţie.

Din cauza temperaturlior joase de funcţionare se recomandă utilizarea unor dispozitive inchise de răcire pentru instalaţiile solare.

Diferenţe faţă de dispozitivele de răcire prin compresie

Cele mai importante diferenţe constau dintr-un efort mai mare în ceea ce priveşte instalaţia şi din functionarea termică a dispozjtivelor. Pentru functionarea dispozitivelor închise de răcire sunt necesare trei circuite de apă şi, deci, trei pompe. Spre deosebire de aceasta, un dispozitiv de răcire prin compresie nu necesită decât un singur circuit. Dezavantajul acestor dispozitive constă însă din faptul că este nevoie de electricitate pentru funcţionare, în timp ce dispozitivele termice pot funcţjona pe baza unei alte surse (căldură cedată, căldură solară). Decisivă este temperatura de pornire. Unele sisteme deschise funcţionează începând de la o temperatură de 45C. Sistemele închise funcţionează parţial cu o temperatură de la 55°C. Temperaturile menţionate sunt doar orientative, căci COP (Coeficient al Performantei, logometru obţinut pe baza randamentului de pornire şi răcire) creşte odată cu temperatura.

Planificare şi recomandări de dispunere

Pentru dispunerea suprafeţei colectorilor se recomandă ca la fiecare kW randament de răcire să se monteze un colector cu o suprafaţă de 3m2. in cazul sistemelor termice închise de răcire. În cazul instalaţiei luate ca model, câmpul colectorilor este semnificativ mai mic din cauza faptului că suprafaţa acoperişului nu era suficientă. Volumul de înmagazinare s-a calculat în funcţie de necesarul termic al unui dispozitiv de răcire şi de volumul tuburilor de legătură, luându-se în considerare şi un surplus de siguranţă; astfel, volumul pentru suprafaţa colectorilor este de cca. 14 l/m2.

În cazul în care se evită vârfurile de temperatură din clădire, atunci este necesară o soluţie de backup, care porneşte atunci când se furnizează prea putină căldură sau atunci când temperatura de alimentare a sistemului solar este prea mică. Aici se poate monta o sursă oarecare de căldură (de exemplu un cazan de încălzire) care să asigure nivelu de temperatură necesar. Şi in acest caz se poate folosi căldura cedată sau căldura unei centrale. În general, atunci când se realizează dispunerea componentelor trebuie să se aibă grijă să se folosească o cantitate cât mai mică de combustibili fosili, in funcţie de valoarea COP a dispozitivului de răcire, ar trebui să fie cuprinsă între 45 şi 90%.

O alternativă a sistemului backup ar fi răcirea ulterioară cu ajutorul unui dispozitiv de compresiune montat pe partea cu apă rece a maşinii termice. Avantajul acestei soluţii este reprezentat de maşinile de compresie a căror valoare COP este cu mult mai mare ceea ce, în comparaţie cu opţiunea de încălzire ulterioară, ar insemna un bilanţ mai bun pentru energia primară. Dezavantajul acestei soluţii ar fi costurile mai mari, căci trebuie să se monteze suplimentar şi un dispozitiv de răcire prin compresie. Spre deosebire de aceasta, soluţia backup sub forma unui cazan de încălzire funcţionează pe baza unor surse de căldură deja existente.

Experienţe de funcţionare

In cazul instalaţiei luate drept exemplu din Esslingen, punerea în funcţiune de probă nu s-a încheiat decât cu puţin înainte de punerea în funcţiune definitivă, ceea ce înseamnă că există la dispoziţie puţine valori de incredere. S-a constatat însă că se depăşeşte garanţia energetică indicată de producător de 411 kWh pe m2 din suprafaţa colectorului cu tuburi de vid din cauza defecţiunilor de scurtă durată de la începutul anului 2008.

 

 

Leave a Reply




Enter Captcha Here :