Hranilniki toplote in ostali elementi solarnega sistema

Hranilniki toplote in ostali elementi solarnega sistema dr. Ciril Arkar
dr. Ciril Arkar Hranilniki toplote Hranilnik toplote je neobhoden element vsakega solarnega sistema: potreben zaradi spremenljivosti vira son
potreben zaradi spremenljivosti vira son čč nega sevanja preko dneva in leta 900 180 I 800 W/ m 2 160 700 H k W h / m 2 m 140 600 120 junij 500 100 januar 400 80 300 60 200 40 100 20 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 ura v dnevu 16 18 20 22 J F M A M J J A S O N D mesec v l etu potreben zaradi čč asovne neusklajenosti med proizvodnjo toplote s SSE ter porabo toplote za potrebe priprave tople sanitarne vode ali ogrevanja. V HT shranimo toploto proizvedeno s SSE za čč as, ko jo potrebujemo.
potrebujemo. Hranilniki toplote ­ snovi V hranilniku toplote shranimo toploto v obliki pove
V hranilniku toplote shranimo toploto v obliki pove čč ane notranje energije (temperature). To so senzibilni hranilniki toplote. Najpogosteje uporabimo vodo, zemljo ali kamenje. To so naravne, cenene in okolju popolnoma ne
cenene in okolju popolnoma ne šš kodljive snovi.
kodljive snovi. Hranilniki toplote ­ snovi Toploto lahko shranimo tudi v latentnih hranilnikih toplote, s spremembo agregatnega stanja snovi – obi
obi čč ajno trdno
ajno trdno ­­ teko
teko čč e. Ob fazni spremembi je temperatura prakti
fazni spremembi je temperatura prakti čč no konstantna. Najpogosteje uporabljene snovi: solni hidrati parafini
parafini Hranilniki toplote – zahteve in testiranje Hranilniki toplote v solarnih sistemih za pripravo tople sanitar
Hranilniki toplote v solarnih sistemih za pripravo tople sanitar ne vode morajo izpolnjevati zahteve glede varnosti, protikorozijske za
za šš čč ite in kvalitete pitne vode: Pri vodnih hranilnikih toplote je posebno pomembna dolga žž ivljenjska doba. Zato jih gradimo iz nerjavnih materialov ali njihovo notra
doba. Zato jih gradimo iz nerjavnih materialov ali njihovo notra njost prevle
prevle čč emo s premazi, ki prepre
emo s premazi, ki prepre čč ujejo rjavenje ­ npr. emajliranje. Emajlirani HT morajo imeti katodno za
Emajlirani HT morajo imeti katodno za šš čč ito – magnezijeva anoda. morebitna porozna ali po
morebitna porozna ali po šš kodovana mesta zapolni vodni kamen Temperature med 40 in 55
Temperature med 40 in 55 °° C, ki so obi
C, ki so obi čč ajne v HT, so najprimernej
ajne v HT, so najprimernej šš e temperature za razvoj Legionele (35 vrst, vsaj 17 nevarnih za zdravje). segrevanje vode nad 60
segrevanje vode nad 60 °° C bakterije uni
C bakterije uni čč i pregrevanje HT enkrat dnevno pregreti je potrebno tudi cirkulacijski vod
vod Hranilniki toplote – zahteve in testiranje Potrebno je poznati tudi toplotne lastnosti hranilnika: laboratorijski preskusi SIST EN 12977
laboratorijski preskusi SIST EN 12977 ­­ 3 preskus HT skupaj s solarnim sistemom SIST EN ISO 9459
preskus HT skupaj s solarnim sistemom SIST EN ISO 9459 ­­ 5 S preskusi dolo
S preskusi dolo čč imo: volumen HT ­ V (l) Volumen hranilnika toplote ne sme biti manj
Volumen hranilnika toplote ne sme biti manj šš i od deklarirane vrednosti. toplotno kapaciteto HT ­ C (J/K) Temperaturni gradient in neogrevan volumen vode zmanj
Temperaturni gradient in neogrevan volumen vode zmanj šš ujeta toplotno kapaciteto HT.
toplotno kapaciteto HT. Hranilniki toplote – zahteve in testiranje S preskusi dolo
S preskusi dolo čč imo: velikost prenosnika toplote (U
velikost prenosnika toplote (U ** A)
A) pt (W/K) Pri manj
Pri manj šš ih solarnih sistemih je PT vklju
ih solarnih sistemih je PT vklju čč en v HT, pri ve
en v HT, pri ve čč jih pa so samostojni elementi. Prenosnik toplote ne sme pri nazivni mo
mo čč i zmanj
i zmanj šš ati u
ati u čč inkovitost SSE za ve
inkovitost SSE za ve č kot 10%. Dh h = h0*
0* A
SSE* a
A SSE*
a 1 (U
(U ** A)
A) pt 100 (% )) Ocena: velikost prenosnika toplote naj bo 50 W/K oz. 0,2 m 2 za vsak m 2 povr
povr šš ine SSE. toplotne izgube HT – (U
(U ** A) HT (W/K) Pri vodnih HT je pomembna dobra toplotna izolacija (pri 80 do 100 mm izolacije se v 24 urah temperatura vode zni
zni žž a do 3 K) Dovoljene izgube: (U
Dovoljene izgube: (U ** A) HT < 0,16 ÖV
V Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi z integriranim SSE in HT – so najenostavnej
so najenostavnej šš i sistemi za pripravo tople sanitarne vode. Hranilnik toplote je hkrati tudi SSE. Za z
tople sanitarne vode. Hranilnik toplote je hkrati tudi SSE. Za z manj
manj šš anje toplotnih izgub imajo ti sistemi vgrajeno prosojno toplotno izol
toplotnih izgub imajo ti sistemi vgrajeno prosojno toplotno izol acijo. 4 m 2 310 l nerjavne cevi PI – prosojna toplotna izolacija
PI – prosojna toplotna izolacija ho = 0,6 U = 1,7 W/m 2 K stavba Fraunhofferjevega instituta 14 m 22 Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi z naravnim obtokom ­ pri sistemih z naravnim obtokom kro
pri sistemih z naravnim obtokom kro žž i nosilec toplote zaradi vzgona. HT mora biti vsaj 0.5 m nad SSE. Pri enokro
enokro žž n
n ih sistem
sistem ih (( direktni sistem
sistem ii ) je v celotnem sistemu pitna voda
celotnem sistemu pitna voda , ki kro
kro žž i skozi SSE in HT. Vsi elementi solarnega sistema morajo biti grajeni za tlake
tlake , ki so v vodovodnem sistemu
sistemu . Pri temperaturah vode nad 60 o C se lahko na povr
povr šš inah elementov odlaga vodni kamen
kamen . V zimskem čč asu moramo sistem izprazniti
izprazniti . Pri dvo
dvo kro
kro žž n
n ih sistem
sistem ih je solarni krog lo
je solarni krog lo čč en – hranilnik toplote ima vgrajen prenosnik toplote. Taki sistemi lahko delujejo celo leto. Hranilnik toplote je obi
Hranilnik toplote je obi čč ajno name
ajno name šš čč en v stavbi. Hranilnik toplote je lahko tako pri enokro
enokro žž nih kot pri dvokro
kot pri dvokro žž nih sistemih vodoravne ali navpi
navpi čč ne izvedbe.
ne izvedbe. Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi s prisilnim obtokom ­ pri sistemih s prisilnim obtokom kro
pri sistemih s prisilnim obtokom kro žž i nosilec toplote v sistemu s pomo
nosilec toplote v sistemu s pomo čč jo obto
jo obto čč ne čč rpalke. V sistemih s povr
V sistemih s povr šš ino SSE do 20 m 2 vgrajujemo en HT, v sistemih z ve
vgrajujemo en HT, v sistemih z ve č kot 20 m 2 pa dva ali ve
pa dva ali ve č HT. Vodo dogrevamo v HT z elektri
v HT z elektri čč nim grelnikom ali preko prenosnika toplote z vodo iz ogrevalnega sistema, lo
sistema, lo čč eno pa npr. s pomo
eno pa npr. s pomo čč jo plinskega kotli
plinskega kotli čč ka. S specifič no zasnovo HT dosež žemo ve emo več čji temperaturni gradient po ji temperaturni gradient po S specifi čno zasnovo HT dose viš ini HT in s tem optimalnejš še delovanje sistema in manj e delovanje sistema in manjš še izgube e izgube vi šini HT in s tem optimalnej toplote HT.
toplote HT. Hranilniki toplote – izvedbe Solarni sistemi za ogrevanje stavb ­ lahko prispevajo pomemben dele
lahko prispevajo pomemben dele ž potrebne toplote za ogrevanje energetsko var
potrebne toplote za ogrevanje energetsko var čč nih zgradb. Solarni sistemi se razlikujejo predvsem po velikosti in izvedbi hranilni
sistemi se razlikujejo predvsem po velikosti in izvedbi hranilni ka toplote. Velikost HT obič ajno med 20 in 100 l/m 2 Velikost HT obi čajno med 20 in 100 l/m SSE. V enodruž inskih stavbah volumen HT le V enodru žinskih stavbah volumen HT le redko več ji od 3000 l. redko ve čji od 3000 l. Solarni sistemi s kratkotrajnim hranilnikom toplote HT je bistveno več ji in obič čajno ajno HT je bistveno ve čji in obi prilagojene izvedbe. S solarnim sistemom zbrana energija je bistveno več ja kot pri sistemih s bistveno ve čja kot pri sistemih s kratkotrajnim HT.
kratkotrajnim HT. Solarni sistem s sezonskim hranilnikom toplote Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni hranilnik toplote Nadgrajen solarni sistem za pripravo tople sanitarne vode – ve čja je le povr ja je le površ šina SSE. ina SSE. – več Shranjevanje sonč ne energije Shranjevanje son čne energije v gradbenih konstrukcijah (več je nihanje temperature v (ve čje nihanje temperature v stavbi). Nadgrajen solarni sistem za pripravo tople sanitarne vode – več čji je tudi ji je tudi tople sanitarne vode – ve volumen HT. Dnevne viš ke sonč čne energije ne energije Dnevne vi ške son shranimo v hranilniku toplote. Pogosto za to uporabimo loč en (drugi) HT.
za to uporabimo lo čen (drugi) HT. Hranilniki toplote – izvedbe
izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni hranilnik toplote Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni hranilnik toplote
kratkotrajni hranilnik toplote Prenosnik toplote za sanitarno vodo ali hranilnik sanitarne vode na vrhu kratkotrajnega HT. Temperaturna regulacija pretoka skozi SSE za vzdrž evanje ž želenih elenih vzdr ževanje temperatur v HT. Hranilniki toplote – izvedbe
izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni hranilnik toplote Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni hranilnik toplote
kratkotrajni hranilnik toplote Sistem je zasnovan kot kompaktna enota – kotel kompaktna enota – kotel ogrevalnega sistema ž e ogrevalnega sistema že integriran v HT. Enostavna in hitra montaž a. hitra monta ža. Temperaturna regulacija pretoka skozi SSE. Hranilniki toplote – izvedbe Sistemi za ogrevanje stavb ­ kratkotrajni ali sezonski hranilnik toplote
kratkotrajni ali sezonski hranilnik toplote Velik nabor velikosti HT (do 20 m 3 ). Enostavna regulacija delovanja. Zaš čita proti ita proti delovanja. Za šč pregrevanju izvedena z noč nim delovanjem solarnega no čnim delovanjem solarnega sistema. Napoved delovanja solarnih sistemov Delovanje serijsko ali po naro
po naro čč ilu izdelanih solarnih sistemov za pripravo tople sanitarne vode in/ali ogrevanje lahko napovemo na podlagi meritev celotnega sistema ali posameznih komponent ob uporabi simulacijskih programov. Serijsko izdelani sistemi: SIST ISO 9459
Serijsko izdelani sistemi: SIST ISO 9459 ­­ 2 ali –
– 5 Neserijski sistemi: SIST EN 12977
sistemi: SIST EN 12977 ­­ 2 Rezultat preskusa je letna napoved s solarnim sistemom zbrane SSE 5,2 m ; V = 300 l toplote za izbrane kraje po Evropi. 60 2 h r an iln ik a S pomoč jo grafa lahko napovemo dnevno S pomo čjo grafa lahko napovemo dnevno zbrano toploto glede na dnevno sonč no zbrano toploto glede na dnevno son čno obsevanje in povpreč no dnevno obsevanje in povpre čno dnevno temperaturo zraka okolice.
temperaturo zraka okolice. Zbrana toplota s solarnim sistemom [MJ/dan] ­10 0 50 10
20 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 Sončno obsevanje [MJ/m 2 dan] 25 30 Meteorološki parametri 1200 Sevanje 1050 Difuzno sevanje 900 Hitrost vetra 750 600 450 300 150 0 7:00 8:53 10:46 12:40 14:33 16:26 18:20 20:13 22:06 0:00 1:53 3:46 5:40 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Tem peratura [ o C] Tekoča ura Tem perature 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 7:00 Izstop bojler Tem ­okolice Tem ­izstop (streha) Vstop bojler 8:53 10:46 12:40 14:33 16:26 18:20 20:13 22:06 0:00 Tekoča ura 1:53 3:46 5:40 Hitrost vetra [m /s] Sevanje [W/m 2] Napoved delovanja solarnih sistemov Preskus po SIST ISO 9459­ 2 Preskus po SIST ISO 9459 ­2 obsega več enodnevnih obsega ve č enodnevnih preskusov s porabo toplote (praznjenje HT) ob koncu dneva.
dneva. Napoved delovanja solarnih sistemov 2 SSE 5,2 m ; V h r anilnik a = 300 l 60 Rezultat preskusa solarnega sistema sta graf in enač ba za graf in ena čba za napoved zbrane toplote.
toplote. Zbrana toplota s solarnim sistemom [MJ/dan] ­10 0 50 10
20 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 Sončno obsevanje [MJ/m 2 dan] Q=1,382 . H + 0,406 . (ta,dan – tvode) + 0,902 0,902
30 Ostali elementi solarnega sistema
Ostali elementi solarnega sistema C
C evovodi naj bodo majhnih prerezov
prerezov : hitrosti kapljevin v njih naj bodo med 0
med 0 ,, 4 in 0
4 in 0 ,, 6 m/s premer cevi (mm) Ostali elementi solarnega sistema ­ cevovod 40 35 30 25 20 15 10 cevovodi morajo biti odli
odli čč no toplotno izolirani
izolirani , tako
tako , da toplotni tok v okolico ni ve
ve čč ji od 3 do 5 W/K (
3 do 5 W/K ( torej 30
30 ­­ 40 mm toplotne izolacije
izolacije ) 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2 50 pov ršina SSE (m ) Izolacija mora biti odporna na maksimalno temperaturo, ki se lahko pojavi ! Izolacija mora biti odporna na maksimalno temperaturo, ki se lah ko pojavi ! zagotoviti je potrebno enakomeren pretok nosilca toplote skozi vse SSE (( sistem z obrnjenim povratkom povratkom ! !)) sistem z obrnjenim Ostali elementi solarnega sistema ­ regulacija Regulacija zagotavlja u
u čč inkovito delovanje in varovanje sistema
sistema . Elementi
Elementi : regulacijska enota (R), temperaturna zaznavala (TT) in regulacijski elementi
elementi . Temperaturna zaznavala morajo biti odporna na stagnacijsko temperaturo SSE ! 200° C selektivni 200 °C 150° C neselektivni 150 °C 100° C nezastekljeni 100 °C nezastekljeni Za uč inkovito delovanje je pomembna Za u činkovito delovanje je pomembna pravilna namestitev zaznaval v SSE in HT ! Regulacijska enota je zelo pogosto žž e sestavni del hranilnika toplote.
sestavni del hranilnika toplote. Ostali elementi solarnega sistema – ekspanzijska posoda ekspanzijska posoda odprta – V N = V
V sis * b (b = 0,08 voda; 0,11 zmes glikola in vode) Vsis volumen nosilca toplote v sistemu – SSE, HT, cevi (l) volumen nosilca toplote v sistemu – SSE, HT, cevi (l) zaprta – V
V v V
V 2 z V
V SSE p
p m p
p ep V N = (( V
SSE ) * (
V v + V
+ V 2 + z * V
V SSE
( p
p m +1) (( p
ep ) p m ­ p
p ep
količ ina vode v ekspanzijski posodi (1­ ­2 % 2 % V Vsis
koli čina vode v ekspanzijski posodi (1 sis ) oz. najmanj 1 liter V
V sis * b število SSE š tevilo SSE volumen tekoč ine v SSE (l) volumen teko čine v SSE (l) največ ji delovni tlak p pvv – 0,5 (bar) najve čji delovni tlak – 0,5 (bar) = 5,5 bar v primeru, ko je varnostni ventil 6 bar tlak polnjenja eksp . posode p
tlak polnjenja eksp. posode p ep
ep =1,5 + 0,1 h (m) V sistemu z zaprto ekspanzijsko posodo je potrebno namestiti tud
V sistemu z zaprto ekspanzijsko posodo je potrebno namestiti tud i varnostni ventil
varnostni ventil .. Ostali elementi solarnega sistema – odzra
odzra čč evanje Odzra
Odzra čč evanje SSE in za
in za šš čč ita pred pregrevanjem HT: V najvi
V najvi šš ji to
ji to čč ki sistema je potrebno namestiti odzra
ki sistema je potrebno namestiti odzra čč evanje. Pri sodobnih solarnih sistemih prevladuje ro
Pri sodobnih solarnih sistemih prevladuje ro čč no odzra
no odzra čč evanje, uporaba avtomatskega odzra
odzra čč evalnega lon
lon čč ka se opu
ka se opu šš čč a. V kolikor je pri stagnacijskih pogojih V kolikor je pri stagnacijskih pogojih mož no uparjanje nosilca toplote v SSE mo žno uparjanje nosilca toplote v SSE avtomatsko odzrač evanje ni dovoljeno !
avtomatsko odzra čevanje ni dovoljeno ! Ostali elementi solarnega sistema – varovanje Odzra
Odzra čč evanje SSE in za
za šš čč ita pred pregrevanjem HT
ita pred pregrevanjem HT : Regulacijska enota ustavi pretok nosilca toplote, ko temperatura v HT dose
dose žž e dolo
e dolo čč eno temperaturo (npr. 90
eno temperaturo (npr. 90 °° C). Ekspanzijska posoda prevzame pove
Ekspanzijska posoda prevzame pove čč an volumen zaradi uparjanja v SSE. Pri ro
Pri ro čč nem odzra
odzra čč evalniku ne pride do izgube teko
ne pride do izgube teko čč ine iz solarnega sistema. Za optimalno delovanje je potrebno zagotoviti ustrezen padec cevi ter ustrezen Za optimalno delovanje je potrebno zagotoviti ustrezen padec cev i ter ustrezen polož aj protipovratnega protipovratnega ventila. ventila.
polo žaj Ostali elementi solarnega sistema – varovanje Najpogosteje uporabljene metode za
za šš čč ite pred zmrzovanjem nosilca toplote v SSE: ­ izpraznitev sistema v zimskem obdobju ­ uporaba zmesi vode in protizmrzovalnega sredstva v razmerju glede na pri
pri čč akovano najni
akovano najni žž jo temperaturo okolice ­ uporaba ““ drainback
drainback ” tehnologije – izpraznitev SSE, ko čč rpalka ne obratuje + kot nosilec toplote lahko uporabimo vodo + kot nosilec toplote lahko uporabimo vodo + hkrati u činkovita za inkovita zaš šč čita proti pregrevanju ita proti pregrevanju + hkrati uč + ekspanzijska posoda in varnostni ventil nista potrebna + ekspanzijska posoda in varnostni ventil nista potrebna ­ potrebna je ve čja mo ja moč č obto obtoč čne ne č črpalke rpalke ­ potrebna je več ­ o žji izbor ustreznih SSE ji izbor ustreznih SSE ­ ož ­ potrebna je natan čna vezava SSE ter cevovoda (ve na vezava SSE ter cevovoda (več čji naklon) ji naklon)
­ potrebna je natanč Ostali elementi solarnega sistema – obto
obto čč na čč rpalka Za obtok nosilca toplote v sistemih s prisilnim pretokom skrbi o
Za obtok nosilca toplote v sistemih s prisilnim pretokom skrbi o bto
bto čč na čč rpalka. Pri sodobnih solarnih sistemih je obto
rpalka. Pri sodobnih solarnih sistemih je obto čč na čč rpalka žž e del kompaktne enote. Da prepre
kompaktne enote. Da prepre čč imo no
imo no čč no vzgonsko kro
no vzgonsko kro žž enje nosilca toplote in s tem ohlajanje vode v HT, v sistem vgradimo tudi protipovratni ventil
ventil . Pri malih solarnih sistemih naj potrebna moč črpalke ne prese rpalke ne presež že 50 W ali 2% e 50 W ali 2% Pri malih solarnih sistemih naj potrebna mo č č nazivne moč i solarnega sistema ! nazivne mo či solarnega sistema ! Vsak solarni sistem naj bi imel vgrajen tudi element za nastavitev in prikaz pretoka nosilca toplote.
nosilca toplote. Spremljanje delovanja solarnega sistema Evropska direktiva o Energijski u
Evropska direktiva o Energijski u čč inkovitosti stavb zahteva spremljanje rabe energije v stavbah. Pri nas praviloma ni podatkov o proizvedeni toploti s solarnim s
Pri nas praviloma ni podatkov o proizvedeni toploti s solarnim s istemom ali o rabi energije za toplo sanitarno vodo. V solarne sisteme je potrebno vgraditi kalorimetre.
V solarne sisteme je potrebno vgraditi kalorimetre.