Solar systems are able to save an important part of costs for heating, mainly in large objects. During the decision about the possibility to install a solar system to a building, the investor will be interested mainly in the estimation of the costs for the system. One of the main investments is to the absorber a basic part of the solar system.The proper size of the absorber indicates a performance of the whole system but also a significant part of the input investment costs. Nomographs, presented in this project, that were created according the detailed calculation, will significantly speed up stating of the size of the absorber of the solar system

Jaroslav Takáč

Peter Tauš

Radim Rybár

Acta Montanistica Slovaca

Directory of Open Access Journals

 Acta  Montanistica  Slovaca     Ročník 12 (2007), mimoriadne číslo 2, 293-299  Návrh nomogramov pre určenie veľkosti absorbéra solárnych vzduchových kolektorov   Peter Tauš1, Radim Rybár1 a Jaroslav Takáč2  Designing of nomographs for determination of solar air collector's absorber size Solar systems are able to save an important part of costs for heating, mainly in large objects. During the decision about the possibility to install a solar system to a building, the investor will be interested mainly in the estimation of the costs for the system. One of the main investments is to the absorber a basic part of the solar system.  The proper size of the absorber indicates a performance of the whole system but also a significant part of the input investment costs. Nomographs, presented in this project, that were created according the detailed calculation, will significantly speed up stating of the size               of the absorber of the solar system.  Key words: Solar Air Heating, Solarwall, ventilation    Úvod  V súčasnej vysoko konkurenčnej, energeticky a finančne náročnej dobe predstavujú náklady                           na vykurovanie významný prvok v oblasti nákladov podnikateľských subjektov a domácností. Jednou z priorít súčasnej spoločnosti je preto hľadanie možností minimalizácie týchto nákladov spôsobmi čo najefektívnejšími, niekedy však prehnane sofistikovanými a bez dotačných programov nerealizovateľnými. Pritom však                             i jednoduchá technológia, či úprava môže významným spôsobom redukovať spotrebu energie a náklady na jej výrobu. K takýmto technológiám patria i niektoré solárne vzduchové systémy. Solárne vzduchové kolektory sú jednoduchá, veľmi efektívna, cenovo prijateľná cesta slúžiaca na ohrev vonkajšieho vzduchu pre priemyselné a komerčné využitie, ktorá je založená na využití transparentných                        a netransparentných materiálov slúžiacich ako absorbér slnečného žiarenia. Táto jednoduchá technológia spočíva v aplikácii vhodného absorbčného plášťa na južnú fasádu budovy, pričom dochádza k vytvoreniu vzduchovej medzery. Je potrebné si uvedomiť, že veľkosť kolektorovej plochy ovplyvňuje hlavne množstvo privedeného vzduchu, ktoré je závislé na type budovy a spôsobe jej využitia.   Netransparentné solárne vzduchové systémy  Netransparentné solárne vzduchové systémy predstavujú efektívnu a cenovo výhodnú cestu k vykurovaniu veľkoplošných budov. Osvedčený špeciálny kovový plášť a vzduchový systém dokáže: • ohrievať privádzaný vzduch, • zlepšiť kvalitu vzduchu v budove, • zabezpečiť letné chladenie,  • eliminovať stratifikáciu teplého vzduchu v oblasti stropu, • zlepšiť distribúciu vzduchu v budove, • znížiť prevádzkové náklady.   Princíp činnosti netransparentných solárnych vzduchových kolektorov  Solárne vzduchové kolektory využívajú solárnu energiu na ohriatie privádzaného čerstvého (vonkajšieho) vzduchu do budovy. Technológia je vhodná pre budovy s minimálnymi požiadavkami na zmenu ventilačného systému, hlavne v slnečných lokalitách s dlhou vykurovacou sezónou a funguje nasledovným spôsobom: Tmavý perforovaný absorbér z plechu je nainštalovaný na južnej stene budovy. Absorbér je umiestnený                 vo vzdialenosti približne 15 cm na pôvodnom opláštení budovy, čím vznikne vzduchová medzera. Tmavá kolektorová stena sa správa ako veľký solárny kolektor, ktorý premieňa solárne žiarenie na teplo. Ventilátor                je prepojený s ventilačným systémom budovy nainštalovaným v hornej časti steny. Slúži na privádzanie vonkajšieho vzduchu. Na Obr. 1 je znázornený systém prechodu, ohrevu a rozvodu vonkajšieho vzduchu                     do budovy.                                                                           1 Ing. Peter Tauš, doc. Ing. Radim Rybár, PhD., Centrum obnoviteľných zdrojov energie UPaCR, Fakulta BERG Technickej univerzity                v Košiciach, Park Komenského 19, 040 01 Košice,   2 Ing. Jaroslav Takáč, ZSSK, Facility managment, Pri bitúnku 2, 040 01 Košice    (Recenzovaná a revidovaná verzia dodaná 23. 4. 2007)                    293  Peter Tauš, Radim Rybár a Jaroslav Takáč: Návrh nomogramov pre určenie veľkosti absorbéra solárnych vzduchových kolektorov   -10 °C18 °CxxObr. 1.  Systém prechodu, ohrevu a rozvodu vonkajšieho vzduchu do budovy. Fig. 1.  Scheme of the transfer, heating and distribution       of outdoor air into the building. Obr. 2.  Zimná prevádzka netransparentného vzduchového kolektora. Fig. 2.  Runing of air collector in winter.  Ohrev privádzaného vonkajšieho vzduchu solárnou energiou predstavuje technológiu, ktorá odstráni a značne zjednoduší prácu bežného vykurovacieho systému, šetrí financie a energiu. Zimná prevádzka kolektora slúži na ohrev vonkajšieho chladného vzduchu. Ohrevom vzduchu dôjde k zníženiu vykurovacích nákladov. Dobrá kvalita vzduchu v budove je závislá na priemernej kvantitatívnej dodávke čerstvého vonkajšieho vzduchu [3]. Hlavnou               a veľmi často podceňovanou príčinou vzniku chorôb je predovšetkým nízka kvalita pracovného ovzdušia. Tento negatívny stav riešia solárne vzduchové kolektory, ktoré zároveň znižujú negatívny dopad nekontrolovateľného vstupu vonkajšieho vzduchu do budovy. Práve tento vstup vonkajšieho vzduchu spôsobuje nárast vykurovacích nákladov. Solárne vzduchové kolektory riešia tento problém použitím solárnej energie k predhriatiu privádzaného čerstvého vzduchu. Schematický proces ohrevu privádzaného chladného vzduchu v zimnom období je zobrazený na Obr. 2.   30 °C18 °C10 °C   Obr. 3.  Letná prevádzka netransparentného vzduchového kolektora.  Fig. 3.  Runing of air collector in summer. Letné chladenie spočíva v preventívnom odvode nadbytočného solárneho žiarenia z južných častí budovy (Obr. 3). Teplý vzduch medzi kolektorom a strechou budovy je odvádzaný odvetrávacím otvorom, čím vzniká podtlak umožňujúci automatické nasávanie čerstvého a chladného vzduchu zo severnej strany vhodným potrubím [5].  Aplikačné predpoklady a integrácia solárnych vzduchových kolektorov s budovou  Aplikačné predpoklady Základom aplikácie solárnych vzduchových kolektorov je vhodne južne orientovaná stena. Pre inštaláciu absorbéra je potrebná dostatočná plocha na tejto južne orientovanej stene. Stena s vysokým percentom okien                a dverí je nevhodná, tak isto ako aj stena ktorá je tienená počas dňa.  Solárny vzduchový kolektor môže pracovať pod rôznym uhlom orientácie smerom od juhu. Ideálna orientácia solárnych vzduchových kolektorov je južná, s odklonom do 20° smerom juhovýchodne alebo juhozápadne, Obr.4 A. Pri takejto orientácii dokáže vzduchový kolektor zachytiť 96 až 100 % dopadajúceho slnečného žiarenia [2]. Akceptovateľná orientácia (Obr.4 B) predstavuje odklon od juhu do 45° smerom juhovýchodne alebo juhozápadne. Takto orientovaný vzduchový kolektor dokáže zachytiť 75 - 90 % dopadajúceho slnečného žiarenia. Pri plánovaní solárnych vzduchových kolektorov môžeme počítať s ročným energetickým ziskom                       80 až 120 kWh.m-2. Tento zisk zabezpečuje vysoká účinnosť – využije sa 60 až 75 % energie slnečného žiarenia. Teplota čerstvého vzduchu sa zvýši o 10 až 25 °C. Okrem toho vytvorená vrstva teplého vzduchu na fasáde znižuje tepelné straty budovy [6].     294  Acta  Montanistica  Slovaca     Ročník 12 (2007), mimoriadne číslo 2, 293-299                                  A                                                                      B  Obr.4.  Zobrazenie ideálnej (A) a akceptovateľnej (B) orientácie solárnych vzduchových kolektorov na južnej stene fasády. Fig. 4.  Presentation of ideal (A) and acceptable (B) orientation of solar air collectors on the south oriented wall.  Predmet riešenia Základom návrhu solárneho systému je určenie veľkosti kolektorovej plochy na základe objemu a využitia budovy. Pri uvedenom výpočte sú uvažované tri typy hál A, B a C, konštrukčne rovnakého prevedenia, ktoré              sa vzájomne líšia typom prevádzky. Výpočty sú uskutočnené pre radiálne a paralelné usporiadanie prúdov vzduchu. Výsledkom výpočtu sú nomogramy pre určenie veľkosti kolektorovej plochy pre každý typ haly.  Vo výpočtoch je uvažované s parametrami typu fasády z perforovaného plechu bez odvetrávacích štrbín (Obr. 5) .  Konštrukčné prevedenie tohto typu fasády je výhodné najmä pre budovy, ktoré vyžadujú veľkú výmenu vzduchu, a preto sa musia intenzívne mechanicky vetrať. Sú to napríklad výrobné haly s teplovzdušným vykurovaním. Výrobné haly s vysokými fasádami bez okien sú  typické práve pre priemyselné objekty, vytvárajú optimálne predpoklady pre cenovo výhodnú a jednoduchú inštaláciu.  Výpočet nomogramov  Označme typy hál podľa vyššie uvedeného nasledovne: • hala A slúži pre hrubú montáž,   • hala B pre jemnú montáž, • hala C ako dielňa pre jemnú mechaniku.  Výpočet vychádza z podmienok prúdenia vzduchu, pričom postup výpočtu sa líši v závislosti                             od nasledujúcich vstupných podmienok zohľadňujúcich pomery rozmerov haly podľa označenia L – celková dĺžka, B – celková šírka, H – výška [1] (Obr. 6):  [1] Pre radiálne usporiadanie prúdov: o podmienka 1: L≤10H, B≤10H, o podmienka 2: L≤20H, B≤10H.  [2] Pre paralelné usporiadanie prúdov: o podmienka 3: L≤10H, B≤4H, 5 - pôvodné opláštenie7 - ukotvenie plechu8 - perforovaný trapézový plech1 - vzduchotechnika s ohrevom  vzduchu3 - pôvodná izolácia13578o podmienka 4: L≤10H, 4H<B<8H, o podmienka 5: L≤20H, B≤4H, o podmienka 6: L≤20H, 4H<B<8H.             Obr. 5.  Prierez uvažovanou solárnou vzduchovou fasádou. Fig. 5.  Cross-section of the solar air facade.                    295  Peter Tauš, Radim Rybár a Jaroslav Takáč: Návrh nomogramov pre určenie veľkosti absorbéra solárnych vzduchových kolektorov L  10H≤B  10H≤ B  10H≤L  20H≤ L  20H≤Rozmerová podmienka 1 Rozmerová podmienka 2 L  10H≤B  4H≤L  10H≤4H < B < 8HL  20H≤L  20H≤4H < B < 8H4H < B < 8HB  4H≤B  4H≤Rozmerová podmienka 3Rozmerová podmienka 4Rozmerová podmienka 5Rozmerová podmienka 6   Obr. 6.  Vstupné podmienky pre výpočet kolektorovej plochy pri radiálnom a paralelnom usporiadaní prúdov. Fig. 6.  Input conditions for the calculation collector’s area at the radial and the parallel flow zonation.  Určenie veľkosti kolektorovej plochy pre radiálne usporiadanie prúdov  1. Stanovenie celkového objemového prietoku Výpočet veľkosti kolektorovej plochy netransparentných solárnych vzduchových kolektorov s absorbérom z perforovaného plechu vychádza z celkového množstva privádzaného vzduchu potrebného pre daný typ haly Vbldg a objemový prietok vzduchu dutinou kolektora Vwall [2].  Pre sprehľadnenie príspevku sú uvedené len výsledky výpočtu veľkosti kolektorovej plochy pre riešené haly. Postup výpočtu je priestorových dôvodov uvedený heslovito: • usporiadanie prúdov pre dané rozmery haly [1], • určenie množstva vetracieho vzduchu (objemový prietok), • určenie celkovej tepelnej straty hál A, B a C, • stanovenie tepelnej charakteristiky haly, • určenie výšky výustkov nad podlahou,  • stanovenie maximálnej rýchlosti spätného prúdu, •  výpočet dosahu prúdu LR,  •  výpočet celkového objemového prietoku pre zadané hodnoty.  Pre halu A sme získali tieto východzie podmienky pre výpočet veľkosti kolektorovej plochy: • celkový objemový prietok vzduchu Vbldg =19,811 m3.s-1, • objem haly O = 72 000 m3, • výška umiestnenia výustiek h = 6,5 m, • plocha priečneho rezu výustiek So = 0,25 m2.  2. Určenie veľkosti kolektorovej plochy Pre určenie veľkosti kolektorovej plochy musíme okrem celkového množstva vzduchu potrebného pre budovu Vbldg  poznať aj objemový prietok dutinou kolektora Vwall. Postup výpočtu objemového prietoku vzduchu dutinou kolektora je uvedený opäť heslovito: 296  Acta  Montanistica  Slovaca     Ročník 12 (2007), mimoriadne číslo 2, 293-299 a) výpočet účinného vztlaku vyvolaného vplyvom rozdielu teplôt pri premenlivej teplote vzduchu v dutine fasády, b) stanovenie hydraulických odporov v dutine fasády, c) výpočet rýchlosti prúdenia vzduchu v dutine, d) určenie odporového súčiniteľa podľa šírky vzduchovej medzery, e) výpočet objemového prietoku vzduchu, f) výpočet veľkosti kolektorovej plochy podľa vzťahu:  wallbldgc VVA =  [m2]              (1)  kde: Ac je veľkosť plochy netransparentných solárnych vzduchových kolektorov [m2],   Obr. 7.  Výpočet vztlaku vzduchu. Fig. 7.  Calculation of the air lift force. Vbldg je množstvo vzduchu potrebné pre budovu [m3.s-1], Vwall je objemový prietok vzduchu na 1 m2 fasády [m3.s-1].   Z výpočtu vyplýva, že veľkosť kolektorovej plochy závisí predovšetkým od množstva vzduchu potrebného pre daný typ haly a tiež od objemového prietoku vzduchu kolektorom. Množstvo vzduchu potrebné pre halu                  je dané spôsobom jej využitia v konkrétnych podmienkach prevádzky na základe požiadaviek užívateľa.  Výpočtom bolo určené množstvo energie odovzdanej netransparentným solárnym vzduchovým kolektorom o veľkosti  Ac = 66 m2 montovanom na hale A vo vykurovacom období pre mesiac január.  To predstavuje hodnotu  Qsol, i = 476 kW  Výpočet pre typ haly B a C:   Pri výpočte veľkosti kolektorovej plochy a množstva zachytenej energie sme postupovali obdobne ako v prípade haly A.  Pre halu B sme získali tieto východzie podmienky pre výpočet veľkosti kolektorovej plochy: • celkový objemový prietok vzduchu Vbldg =9 m3.s-1, • objem haly O = 72 000 m3, • výška umiestnenia výustiek h = 6,5 m, • plocha priečneho rezu výustiek So = 0,11 m2.  Pre halu C sme získali tieto východzie podmienky pre výpočet veľkosti kolektorovej plochy: • celkový objemový prietok vzduchu Vbldg =3,6 m3.s-1, • objem haly O = 72 000 m3, • výška umiestnenia výustiek h = 6,5 m, • plocha priečneho rezu výustiek So = 0,06 m2.   Zhrnutie energetickej bilancie haly A, B a C  Z výpočtov sme zistili, že množstvo energie odovzdanej netransparentným solárnym vzduchovým kolektorom na jednotlivých halách pre mesiac január je nasledovné: hala A    hala B                                              hala C Ac = 66 m2    Ac = 30  m2                      Ac = 14  m2    Qsol, i = 476 kW   Qsol, i =  261 kW                  Qsol, i =   125 kW  Výpočet veľkosti potrebnej kolektorovej plochy pre paralelné usporiadanie prúdenia v halách je obdobný.   Výpočet nomogramov  Pri stanovení nomogramov je uvažované paralelné a radiálne usporiadanie prúdov pri centrálnom prívode vzduchu. Podľa postupu, uvedeného v predošlom texte, je vypočítaná veľkosť kolektorovej plochy pre zvolené radiálne a paralelné usporiadanie prúdov na základe rozmerov a požiadaviek hál A, B a C.  Grafické vyjadrenie výsledkov výpočtov predstavujú nasledovné nomogramy.                     297  Peter Tauš, Radim Rybár a Jaroslav Takáč: Návrh nomogramov pre určenie veľkosti absorbéra solárnych vzduchových kolektorov 01020304050607080900 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000 O [m3]Ac [m2]Podmienka 1Podmienka 2Podmienka 3Podmienka 4Podmienka 5Podmienka 6 Obr. 8.  Nomogram pre určenie veľkosti kolektorovej plochy, typ haly A - Montážna hala pre hrubú montáž. Fig. 8.  Nomogram for the determination of surface area of the collector, type of the hall A for the rough assembly. 051015202530350 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 V [m3]A [m2]Podmienka 1Podmienka 2Podmienka 3Podmienka 4Podmienka 5Podmienka 6 Obr. 9.  Nomogram pre určenie veľkosti kolektorovej plochy, typ haly B - Montážna hala pre jemnú montáž. Fig. 9.  Nomogram for the determination of surface area of the collector, type of the hall B for the rough assembly.  05101520250 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 V [m3]A [m2]Podmienka 1Podmienka 2Podmienka 3Podmienka 4Podmienka 5Podmienka 6  Obr. 10.  Nomogram pre určenie veľkosti kolektorovej plochy, typ haly C - Dielňa pre jemnú mechaniku. Fig. 10.  Nomogram for the determination of surface area of the collector, type of the hall C for the rough assembly. 298  Acta  Montanistica  Slovaca     Ročník 12 (2007), mimoriadne číslo 2, 293-299  Záver  Postup a výsledok výpočtov základných parametrov energetických slnečných fasád v podobe nomogramov uľahčuje prvotné rozhodovanie investora pri výbere solárnej tepelnej technológie na ohrev vzduchu v priemyselných halách. Hlavným parametrom solárnych energetických fasád určujúcim ich výkon je veľkosť kolektorovej plochy.  Každý typ prevádzky má vlastné požiadavky na množstvo privádzaného vzduchu a rýchlosť prúdenia. Z výpočtov pre veľkosť kolektorovej plochy vyplýva uvedená závislosť medzi celkovým objemom privádzaného vzduchu a plochou kolektorov. Vypočítané nomogramy umožnia urýchliť určenie veľkosti kolektorovej plochy pre jednotlivé typy hál A, B a C daného objemu, použitia a usporiadania prúdov bez pracného počítania. Potenciálny investor a záujemca o daný typ fasády tvorenej z perforovaného plechu bez odvetrávacích štrbín tak môže okamžite určiť predpokladanú veľkosť kolektorovej plochy vhodnej na určený typ haly. Treba si však uvedomiť, že každá hala má svoje špecifiká, napríklad materiál, z ktorého je konštrukčne riešená, s čím súvisia tomu zodpovedajúce energetické straty. Taktiež požiadavky na množstvo privádzaného vzduchu, spôsob výberu usporiadania prúdov, umiestnenie a kvalita konštrukcie fasády. Pri zohľadnení týchto podmienok je preto potrebné ku každému typu haly pri detailnom výpočte pristupovať osobitne.  Energetická fasáda je dnes jednou z foriem novej fasádnej techniky budov, využívajúcej ekologicky čistý alternatívny zdroj - slnečnú energiu, ktorá stále z nevyčerpateľného zdroja prichádza, je zadarmo, nikto ju nemôže vypnúť ani zvýšiť jej cenu, máme ju na povrchoch všetkých obalových konštrukcií budov, čakajúcu na toho, kto ju zachytí a využije. Solárne systémy sú schopné ušetriť značnú časť nákladov na vykurovanie, predovšetkým vo veľkých objektoch. Pri rozhodovaní o možnosti inštalovať solárny systém na budovu bude investora v prvom rade zaujímať odhad nákladov na takýto systém. Jednu z hlavných investícií predstavuje hlavná časť solárneho systému - absorbér.  Práve veľkosť absorpčnej plochy určuje nielen výkon celého systému, ale aj podstatnú časť vstupných investičných nákladov. Nomogramy, predstavené v tomto projekte, ktoré boli zostavené na základe podrobných výpočtov, výrazne urýchlia určenie veľkosti absorpčnej plochy solárneho systému.   Literatúra - References  [1] Cihelka, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace, SNTL, Praha, 1985. s. 132-280. [2] Cihelka, J.: Solární tepelná technika, NTM, Praha, 1994. s. 53-72. [3] Haller, A., Humm, D., Voss, K.: Solární energie, Grada Publishing, Praha, 2001.  [4] Horbaj, P., Lukáč, P., Mikolaj, D.: Zásobovanie teplom. TU SjF Košice, 2005, ISBN 80-8073-304-X.  [5] Ladener, H., Späte, F.: Solární ražízení, Grada, Praha, 2003. s. 150-180.                     299 

Designing of nomographs for determination of solar air collector's absorber size

http://doaj.org/search?source=%7B%22query%22%3A%7B%22bool%22%3A%7B%22must%22%3A%5B%7B%22term%22%3A%7B%22id%22%3A%22c8a75cd8d14745f6a89fb957f65acc8e%22%7D%7D%5D%7D%7D%7D

Designing of nomographs for determination of solar air collector's absorber size

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Directory of Open Access Journals