priprava tople energija in okolje sanitarne vode, · tako, da modul proizvaja enosmerno napetost 20...

Priprava tople sanitarne vode, ogrevanje, hlajenje in proizvodnja električne energije s sončno energijo s sistemi na stavbah

Prezračevanje

Hlajenje

Klimatizacija

Elektro instalacije

Oskrba in ravnanje z vodo

Transportne naprave

Naprave za gašenje

PREDAVANJA

Inteligentne instalacije

Energija in okolje

Ogrevanje

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ_Laboratorij za okoljske tehnologije v zgradbah 2015 ©

Topla sanitarna voda

Sončno obsevanje med 1100 in 1380 kWh/m2 v letu ali 93.000 PJ na površini SLO. Sedanja poraba primarne

energije je okoli 310 PJ. Tehnični potencial je ocenjen na 10.000 in 19.000 PJ na leto.

Kastelec D.; Rakovec J., Zakšek K.; Sončna energija v Sloveniji, SAZU 2007

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

Ogrevanje, hlajenje in proizvodnja električne energije s sončno energijoLOTZ ©

Aktivni solarni sistemi (srednje temperaturni solarni sistemi)

PV fotonapetostni sistemi

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Pasivni in aktivni sistemi

Sprejemniki sončne energije lahko obratujejo v zaprtih ali odprtih sistemih. V zaprtih sistemih teče tekočina po ceveh oz. kanalih v hranilnik toplote ali v stavbo, se ohladi in vrne v SSE.

V odprte sisteme dovajamo tekočino iz okolice in jo segrejemo v SSE. Tako delujejo večinoma zračni SSE, predvsem za predgrevanje prezračevalnega zraka.

Pri delovanju v zaprtih sistemih se nosilec toplote segreje v SSE in nato kroži po ceveh

oz. kanalih. Pri odprtih sistemih vstopa tekočina v SSE neposredno iz okolice. Tako

delovanje ni značilno za kapljevinske SSE, se pa večinoma uporablja pri predgrevanju

prezračevalnega zraka ali pri sušenju pridelkov z zračnimi SSE.U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Sprejemniki sončne energije - SSE

Ravni SSE U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Sistemi z naravnim obtokom - pri sistemih z naravnim obtokom kroži nosilec toplote zaradi vzgona. HT mora biti vsaj 0.5 m nad SSE.

Pri enokrožnih sistemih (direktni sistemi) je v celotnem sistemu pitna voda, ki kroži skozi SSE in HT. Vsi elementi solarnega sistema morajo biti grajeni za tlake, ki so v vodovodnem sistemu. Pri temperaturah vode nad 60°C se lahko na površinah elementov odlaga vodni kamen. V zimskem času moramo sistem izprazniti.

Pri dvokrožnih sistemih je solarni krog ločen –hranilnik toplote ima vgrajen prenosnik toplote. Taki sistemi lahko delujejo celo leto. Hranilnik toplote je običajno nameščen v stavbi.

Hranilnik toplote je lahko tako pri enokrožnih kot pri dvokrožnih sistemih vodoravne ali navpične izvedbe.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni ogrevalni sistemi

Sistemi s prisilnim obtokom - pri sistemih s prisilnim obtokom kroži nosilec toplote v sistemu s pomočjo obtočne črpalke.

V sistemih s površino SSE do 20 m2

vgrajujemo en HT, v sistemih z več kot 20 m2 pa dva ali več HT.

Dogrevanje

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Solarni ogrevalni sistemi se najpogosteje uporabljajo za pripravo sanitarne tople vode (STV). Poleg sprejemnika sončne energije (SSE), sistem sestavljajo hranilnik toplote (HT), cevovod, obtočna črpalka, rezervni generator toplote in regulacijski sistem. Tipično se pri takem sistemu upošteva SSE s površino 2 m2

na osebo in HT s prostornino 50 do 75 litrov na m2 SSE.

Hranilnik toplote z integriranima cevnima prenosnikoma toplote. Spodnji je povezan s SSE,

zgornji z rezervnim generatorjem toplote.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10 20 30 40površina SSE (m2)

vo

lum

en

HT

(l)

STV

STV+ogrevanje

Sistemi za ogrevanje prostorov s pomočjo solarnih sistemov imajo večje površine SSE (do 1/3 m2 SSE na 1 m2 ogrevane površine) in večje hranilnike toplote (do več m3 za enodružinske hiše). V hranilnik toplote je integriran manjši hranilnik za pripravo sanitarne tople vode. Pri tem je pomembno razslojevanje temperatur v hranilniku. Za načrtovanje potrebujemo primerno računalniško orodje.

Hranilnik toplote z integriranim prenosnikom toplote oz. hranilnikom za pripravo sanitarne tople vode. Z dovodom

na različnih višinah dosežemo razslojevanje temperatur. To izboljša eksergijsko ravnovesje sistema.U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Najbolj razširjeni so solarni ogrevalni sistemi namenjeni segrevanju sanitarne vode – večji sistemi z ločenimi hranilniki

Sanitarno tople vodo v Domu starejših občanov v Teznem segrevajo s solarnim sistemomPovršina SSE je 100 m2

Solarni sistem ima štiri hranilnike s skupno prostornino 3600 litrov

Če voda s solarnim sistemom ni zadosti segreta, jo dogrejejo v končnem hranilniku (V = 2000 l)

Vodo dogrevajo s plinskima kotloma

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Solarni ogrevalni sistemi za večstanovanjske stavbe so postali v zadnjih letih zelo razširjeni. Najpogostejši so štiricevni (levo) in dvocevni sistemi (desno).

V primeru štiricevnega solarnega sistema, je sistem priprave sanitarne tople vode ločen od ogrevanja prostora. Potrebujemo tudi rezervni generator toplote. Posebno pozornost je treba posvetiti preprečevanju nastanka mikroorganizmov – s toplotnimi šoki, pri katerih cel sistem segrejemo na 60° do 70°C za nekaj ur na teden.

Dvocevni solarni ogrevalni sistemi so bolj zapleteni. Vsako stanovanje ima svojo podpostajo za ogrevanje prostora in pripravo STV. Sanitarno vodo ogrevamo po potrebi z integriranim ploskovnim prenosnikom toplote. S čimer preprečimo nezdrave razmere. Povratni vod ima nižjo temperaturo. Zaradi tega deluje SSE z večjo učinkovitostjo.U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Pri daljinskih solarnih ogrevalnih sistemih gre običajno za kombinacijo z daljinskimi sistemi na biomaso. Tako zagotavljamo potrebno toploto za pripravo sanitarne tople vode poleti. Sistemi imajo nižje emisije, obratovanje pa je cenejše.

Daljinski sistem s centralnim hranilnikom toplote

DSO Preddvor

DOLB, Vransko

Daljinski sistem za podporo ogrevanju, biomasa + sonce

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


“Čez palec”

Če SSE ni nameščen optimalno (naklon 20°do 40°med JJV in JJZ) upoštevamo korekcijski faktor ->

Nezastekljeni 250 kWh/m2a Ravni 500 kWh/m2a Vakuumski 600 kWh/m2a

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni ogrevalni sistemi – proizvodnja toplote

PRIMER:

Ravni, selektivni SSE vgradimo pri optimalni orientaciji v kraju z letnim globalnim sončnim 1000 kWh/m2. SSE bomo uporabljali za pripravo sanitarne tople vode v enodružinski hiši. Uporabna površina stavbe je 120 m2. Kako velika mora biti površina SSE, če naj s solarnim sistemom zadostimo potrebam za pripravo 65% sanitarne tople vode

Povprečna poraba toplote za pripravo sanitarne tople vode je 12 kWh do 16 kWh na leto na 1 m2 uporabne površine stavbe:

QSTV = 15 kWh/m2a . 120 m2 = 1800 kWh/a

ASSE = 0,65 . Qtap /(500. 1000/1200) = 2,81 -> 3 m2

Opomba: ulomek 1000/1200 je korekcijski faktor sončnega obsevanja kraja

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


PURES 2010 in TSG -1-004:2010

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Solarno podprto hlajenje izboljšuje ekološki odtis/trajnost/sonaravnost stavb ker:

omogoča bistvene prihranke primarne energije in nižje emisije CO2;

omogoča zmanjševanje vršne obremenitve električnega omrežja;

omogoča kombinirano uporabo solarnega ogrevanja, hlajenja in priprave sanitarne vode, kar izboljšuje letno učinkovitost toplotnihsolarnih sistemov ter izboljšuje ekonomičnost solarnih sistemov;

nižji hrup.

Poraba toplote in delež solarnih

ogrevalnih sistemov

heating

solar irradiation

heating with seasonal heatstorage

solar assisted cooling

DHW heating

DHW + heating

Poraba toplote in delež solarnih

ogrevalnih sistemov

ogrevanje

Sončno obsevanje

heating with seasonal heatstorage

solar assisted cooling

DHW heating

DHW + heating

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi

“Odprt proces” - zrak s katerim prezračujemo stavbo hladimo v klimatu pred vstopom v stavbo

“Zaprt proces” – produkt je hlajena voda (5°-10°C), ki se pretaka do decentralnih enot (ventilatorskih konvektorjev, hladilnih gred, toplotno vzbujenih gradbenih konstrukcij

V obe vrsti sistemov moramo za delovanje dovajati toploto. To je naloga sprejemnikov sončne energije. Temperaturni nivo dovedene toplote je med 50°in 60°C pri odprtem procesu in 80°do 95°C+ pri zaprtem procesu.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – kako delujejo

Večina dobaviteljev HVAC sistemov nudi solarno podprto DEC kot delprezračevalnih ali klimatizacijskih naprav

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – sušilno/hlapilno hlajenje

Zaprti sistemi solarnega hlajenja so že dolgo uporabljani sistemi t.i. sorpcijskega hlajenja.

V sorpcijskem procesu sodelujeta dve snovi – hladivo in absorbent. V sistemih za hlajenje stavb se najpogosteje uporabljata voda (hladivo) in litijev bromid (absorbent).

hladilna voda

hladilna voda

topla voda

(pogonska toplota)

Kondenzator

UparjalnikAbsorber

52

3

4

6

71

Generator

TOPLOTNI

KOMPRESOR

hlajena voda

Odvajamo v okolico

Odvajamo v okolico

Voda s temperaturo 5°do 10°C za hlajenje

stavbe

Dobimo iz SSE (85°C+)

Potrebujemo električno energijo

Prednost: Poraba električne energije za pogon črpalke je mnogo manjša kot poraba električne energije za pogon kompresorja pri klasičnih hladilnih sistemih. Toda potrebujemo toploto na visokem temperaturnem nivoju

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – sorpcijsko hlajenje

1

3

22

Pomembno: pri načrtovanju so pomembne vse tri temperature – temperatura grelne vode, temperatura okolice v katero prenašamo odpadno toploto in temperatura hlajene vode (Rotartica)

Absorpcijski solarni sistemi za hlajenje s hladilno močjo 5 in 15 kW

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – sorpcijsko hlajenje

“Role of thumb”

2cSSE

SSE SSE

QA 3,7 m /kW

G COPPovršina SSE (m2)

Hladilna moč (kW)

Nazivno sončno sevanje (0,8 kW/m2)

Učinkovitost SSE (~0,5)Projektni COP ~ 0,75

S/HAbsorpcijskiAdsorpcijski

Povprečne velikosti SSE na 1 kW hladilne moči izvedenih solarno podprtih hladilnih sistemov

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – površina SSE ?

Hartberg A –pisarniška stavba

Velikost stavbe: 280 m2

S/H 6.000 m3/h; 30 kW

Vakuumski SSE: 12 m2

Hranilnik toplote: 3 m3

Količina hladu: 10.000 kWh/a

Primeri dobre prakseU

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – primeri

Banyuls FR – hlajenje vinske kleti

Velikost stavbe- 4.500 m2

Absorpcisjko hlajenje - Yazaki 52 kW

Vakuumski SSE - 130 m2

Hranilnik - 1 m3

Količina hladu - 17.000 kWh/a

Raba električne energije - 2.800 kWh/a

Primeri dobre prakse

Vir : TECSOL

Primeri dobre prakseU

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni hladilni sistemi – primeri

Leta 1839 je francoski fizik Alexandre-Edmond Becquerel odkril, da se jakost električnega toka med elektrodama v elektrolitu poveča, ko so elektrode obsijane s sončnim sevanjem. Odkril je fotoelektrični

pojav.

Fotoelektrični pojav je posledica delovanja elektromagnetnega valovanja (IR, svetlobe, UV, rentgenskih in gama žarkov) na električno nabite delce snovi. Energija fotonov se prenese elektronom, protonom ali drugim delcem.

Med drugimi med fotoelektrične pojave uvrščamo fotoprevodnost, ko se snovi, ki je obsijana s sončnim sevanjem, spremeni električna upornost, (značilni snovi sta selen in kadmijev sulfid CdS),

fotoluminiscenco, ko fotoni vzbudijo elektrone snovi, ki s časovno zakasnitvijo oddajajo fotone drugih valovnih dolžin ter

fotovoltaični pojav, ko gre za pretvorbo energije fotonov v električno energijo. Zato štejemo fizika Becquerela za iznajditelja sončnih celic v fizikalnem pomenu. U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Solarni sistemi za proizvodnjo električne energije – fotonapetostni sistemi

S sončnimi celicami pretvarjamo energijo sonca neposredno v električno energijo. Večina sončnih celic je izdelana iz silicija. V sončni celici fotoni z zadostno energijo povzročijo nastanek prostih elektronov, ki jih napetostna ovira, ki nastane na spoju dveh tankih plasti Si z dodatkom P ali B (n-tip/p-tip Si), usmeri na nitkasto elektrodo na površini sončne celice.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Fotonapetostni (PV) sistemi– sončne celice

Največ sončnih celic danes izdelajo iz enega kristala silicija (te celice imenujemo monokristalne “mc-Si”) ali več kristalov v primeru polikristalnih celic (“p-Si”). Te sončne celice imajo največji izkoristek: mc-Si 15 -18% oz. p-Si 12-16%

Proizvodnja kristalnega silicija je razmeroma draga. Stroške lahko zmanjšamo z amorfnimi Si celicami (to je druga oblika Si v naravi); vendar je učinkovitost “a-Si” celic nižja - do 8%

Polikristalne solarne celice izdelujemo tudi iz drugih spojin s podobnimi lastnostmi – kadmijev telurid (CdTe) ali baker-indij-diselenid (CIS); imajo sicer nižjo učinkovitost (12 – 14 %), toda njihova proizvodnja je cenejša

mc-Si

p-Si

CIS

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Sončne celice so tesno zaprte v module velikosti od nekaj 100 cm2 do več m2. Pogosta velikost modulov, ki jih vgrajujemo v stavbe je 1 m . 1,6 m. V njih je 40 do 50 PV celic je povezanih tako, da modul proizvaja enosmerno napetost 20 to 25 V.

Vsak proizvajalec navaja za modul njegovo vršno električno moč “peak power (Wp)”. To je električna moč, ki jo modul doseže pri sončnem sevanju 1000 W/m2 in temperaturi celice 25°C. Torej pri idealnih pogojih.

Vsak proizvajalec navaja za modul tudi faktor trajnosti “durability factor”. Z njim zagotavlja učinkovitost po 20 do 30 letih delovanja. Tipično 5% do 10%. Torej bo modul z močjo 500 Wp imel po 20 letih delovanja še vedno moč vsaj 450 Wp.

tesnilo

zgornje steklo

enkapsulacijskosredstvo

sončne celice

zadnja plošča

nosilni okvir

tesnilo

steklo

gel za tesnenje

nosilni okvir

pokrov zadaj

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Fotonapetostni (PV) sistemi– PV moduli

Najpogosteje delujejo PV sistemi:

otočno (off-grid) v primeru, ko stavba ni priključena na javno distribucijsko omrežje

povezani v javno električno distribucijsko omrežje

Primer otočnega PV sistema 1 kWp (OLEA Zagorje); kot dopolnilni generator je vgrajena gorivna celica

(levo); primer PV elektrarne z močjo 107 kWp

podjetja Pipistrel.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Sisteme z razsmernikom (angl. invertor) gradimo zaradi možne uporabe standardnih naprav AC, ~220V) in manjših vodnikov.

Cena razsmernikov je odvisna od moči in gladkosti spreminjanja izmeničnega signala - razsmerniki s trapeznim signalom so cenejši od inverterjev s sinusnim signalom. Razsmernik je lahko samostojna enota, ki je povezana z moduli sončnih celic, baterijami in trošili, lahko pa je dodan posameznemu modulu.

PV sistemi z razsmernikom so lahko priključeni na javno električno omrežje, tako, da trenutni višek elektrike oddajajo v omrežje. Tako je delovanje PV sistema učinkovitejše. Take sisteme imenujemo PV elektrarne. Trenutno največja PV elektrarna v Evropi z močjo sončnih celic 1 MW je na strehah novega razstavišča v Münchnu.

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Vgradnja PV modulov v ovoj stavb sicer znižuje učinek, ker namestitev ni optimalna. To je tudi razlog, da so finančne vzpodbude v tem primeru višje. Glavne prednosti:

s PV moduli nadomestimo dele fasad ali streh, kar poceni gradnjo;

PV moduli so vremensko obstojni, zato so vzdrževalni stroški stavbe nižji;

PV moduli lahko izboljšajo toplotne lastnosti ovoja stavbe in senčijo velike steklene površine, kar znižuje stroške delovanja stavb;

zagotavljajo investitorju dolgotrajni in stabilni finančni prihodek;

poudarjajo sonaravnost stavbe in dvigujejo ugled investitorja;

racionalna raba prostora;

PV moduli so na voljo v številnih izvedbah, ki naj bi snovalcem stavb omogočile lažjo vgradnjo v ovoj stavb ->

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Fotonapetostni (PV) sistemi– PV moduli kot del ovoja stavbe

PV moduli so lahko delno transparentni

gostota sončnih celic v modulu se lahko prilagodi zahtevam izgleda, naravne osvetlitve, senčenja,..

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


Sončne celice so lahko v različnih barvnih odtenkih

PV moduli so lahko izdelani v obliki že uveljavljenih standardnih gradbenih elementov

UN

I LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©


“Rule of thumb”

Moč: 1 kWp > 8 – 10 m2

Letna proizvedena energija PV modula s površino 1 m2 v kraju z letnim sončnim obsevanjem 1100 kWh/m2 in optimalno namestitvijo:

120 – 140 kWh/m2 (za pc-Si modules)

Če modul ni nameščen optimalno (naklon 20°do 40°med JJV in JJZ) upoštevamo korekcijski faktor ->

Načrtovanje U

NI LJ, F

A, Tehnolo

gija insta

lacij;

pro

f. S

ašo M

edved

LOTZ ©

Fotonapetostni (PV) sistemi– koliko električne energije proizvedejo ?

LOTZ ©

?

priprava tople energija in okolje sanitarne vode, · tako, da modul proizvaja enosmerno napetost 20...

Documents