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 niveluri: 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
Un rol important în aflarea radiației solare 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 etc.
Nu rareori se subestimează influenta gradului de înclinare și orientare asupra câștigului energetic. Într-un domeniu relativ mare pierderile din cauza abaterii de la poziția ideală sunt relativ scăzute. Factorii de corectie pentru gradul de inclinare si orientare sunt folositi pentru a recalcula cantitatea de radiatii care cade pe suprafetele orizontale.
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 nu 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.
O formulă 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, această formulă este foarte importantă 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 se poate calcula chiar și suprafața necesară a colectorului, atâta timp cât este cunoscută și radiația
Câștigul brut de energie al colectorului depinde de următorii factori:
- rata de acoperire solara
- pierderile termice din sistem
- pierderile din circuitul colectorului
- pierderile termice ale rezervorului
- alte pierderi apar la folosirea circularii apei menajere
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 x numărul de zile ale unei luni calendaristice), precum și cantitatea lunară de radiații.
Pentru a putea calcula acum suprafața colectorului trebuie să se cunoască gradul de utilizare a sistemului. Acesta poate fi influențat de mai multe variabile, printre care și de radiație, tipul colectorului (colector plat sau cu tuburi vidate), 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
Este indicat ca volumul rezervorului să fie de 1.5-2 ori mai mare decat consumul zilnic sau să aibă un volum de 70 până la 100 litri de persoană.
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 l/m2 din suprafața colectorului unde suplimentul pentru vârfurile de consum depinde de dimensiunea instalației:
| 5 până la 10 kWh/d | + 50% |
| 10 până la 15 kWh/d | + 40% |
| 15 până la 20 kWh/d | + 30% |
| 20 până la 25 kWh/d | + 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:
- încălzirea suplimentară cu cazan de încălzire (cu o la putere cuprinsă între 8 și 20 kW), schimbătorul de căldură trebuie montat în partea superioară a rezervorului, astfel încât să asigure între 25 și 50% 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 la concentrația utilizabilă 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. 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 10 l/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 conținutul 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 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.
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 lichidului din circuitul instalatiei
Volumul specific al colectorului și al schimbătorului de căldură sunt indicate în fișele oferite de producător.