Ogrevali sistemi za izkoriščanje sončne energije v stavbah

UDK 697.7:697.329

Ogrevalni sistemi za izkoriščanje sončne energije v stavbah

1. SPLOŠNO

P ri izk o riščan ju sončne energije za ogrevanje stav b m oram o u p o štev ati vrsto vplivov, ki so si pogosto n asp ro tn i. M ed n jim i so nedvom no n a j­ pom em bnejši:

— ja k o st sončnega sev an ja E,

— z u n a n ja te m p e ra tu ra t e,

— to p lo tn a izolacija stavbe,

— te m p e ra tu rn i nivo ogrevalnega sistem a t u , ^12J

— izk o ristek sp re je m n ik a sončne energije. V sak od te h vplivov im a poleg term odinam ič­ n ih tu d i ekonom ske vplive. L e-ti v končni fazi močno vp liv ajo n a odločitev o izkoriščanju sončne en erg ije ko t pom ožnega v ira toplote za ogrevanje. D a b i dobili p rim ern o rešitev, je tre b a posam ezne vplive o v red n o titi in ugotoviti njihovo m edsebojno zvezo.

K ončni n am en je oskrb o v ati stav b e s sončno toploto v čim d aljšem obdobju ogrevalne sezone s čim m anjšim i a k u m u la to rji toplote. Z arad i tega si bomo v n a d a ljn je m ogledali, k akšne so p ri tem m ožnosti, kako vse to v p liv a n a oblikovanje stavbe te r izbiro o grevalnega sistem a.

2. M ETEOROLOŠKI PARAM ETRI 2.1. Jakost sončnega sevanja

Iz lite ra tu re je znano, kako se sp re m in ja ja k o s t^ sončnega sev an ja v odvisnosti od časa in k raja. Ce p ri tem upoštevam o še lokalne vplive, k ak ršn i sta oblačnost in m egla, potem lahko vidimo, da je sončno sevanje n ak lju č n a veličina, k a te re dejansko jak o st je mogoče določiti po statističn ih v redno­ stih. P ri nas so sedaj najbolj dostopni p odatki o ce­ lo tn em sončnem sev a n ju in o štev ilu u r sončnega sev a n ja [1, 3]. N a sliki 1 je p rikazano povprečno celotno sevanje v L jubljani. Za dejansko oceno d elo v an ja n ap rav e, ki sp rejem a sončno energijo, pa je tre b a poznati poleg povprečnih vred n o sti tudi u rn e v re d n o sti sončnega sev an ja h k ra ti s tem pe­ ra tu ro z ra k a (slika 2).

Sl. 1. Povprečno celotno sevanje v L jubljani (1965 do 1974)

1 7 0 r

kW h /m

150 P 140 130

120

110

100

9 0

8 0 7 0

6 0 - 5 0 4 0 3 0 2 0

10

0

Et

jun ju l avg sep okt nov dec jan feb mar ap r maj

3 4 0

h

3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0

220 200

1 8 0

1 6 0 1 4 0

120 100

8 0 6 0

4 0

20

0

Sl. 2. Povprečne m esečne vrednosti celotnega seva­ nja v L ju b lja n i za obdobje 1965— 1974 in število ur

sevanja

2.2. Zunanja temperatura

Z u n a n ja te m p e ra tu ra zrak a se sprem in ja s ča­ som in krajem . V p rim e ru b re z v e trja so od nje odvisne toplotne izgube. Z arad i akum ulacije toplo­ te v obodnih zidovih in k ra tk o tra jn ih ekstrem ov

im am o p ri prenosu toplote zakasnitve, ki jih je danes že mogoče računsko upoštev ati (m etoda S kloverja, m etoda odzivnih fa k to rje v po ASHRAE itd.). K er ne m orem o v p liv ati n a zunanjo tem p era­ turo, m oram o n jen e vplive zm an jšev ati drugače, tj. s toplotno izolacijo in akum ulacijo.

2.3. Veter

3. OBLIKOVANJE STAVBE

Za ogrevanje neke stavbe p o treb n a toplota je odvisna od tem p eratu rn e razlike in toplotne izola­ cije. K er p ri te m p e ra tu rn i razliki lahko vplivam o le n a n o tran jo tem p eratu ro in še to v m ejah 20 ± 2 °C, če nočemo bistveno vplivati na ugodje v bivalnih prostorih, je s tem mogoče sp re m in jati največjo potrebno toploto le za okrog ± 5 odstot­ kov.

3.1. Toplotna izolacija

Popolnom a drugačne so razm ere p ri toplotni izolaciji. K lasična enostanovanjska stav b a z n a j­ m anjšo toplotno izolacijo im a

— toplotno prehodnost zidov 1,3 W /m 2 K

— toplotno prehodnost stropa 1,2 W /m2 K

— toplotno prehodnost oken 2,6 W /m 2 K

in specifično toplotno obrem enitev (pri tlo risn i po­ vršini A ~ 100 m 2), Qa = 210 W /m2 p ri zu n an ji te m p e ra tu ri t e = — 18 °C. Toplotno bolje zaščitena stav b a (po predlogu slovenskega p ra v iln ik a o top­ lotni zaščiti stavb in v skladu z novim predlogom stan d ard a o n ajm an jši toplotni zaščiti JUS, U.J5.020) p a im a

toplotno prehodnost zidov 0,4 W /m 2 K

toplotno prehodnost stro p a 0,3 W /m 2 K

toplotno prehodnost oken 1,8 W /m2 K

(tro jn a zasteklitev) in specifično toplotno obrem enitev Qa — 70 W /m 2. P ri n o tra n ji te m p e ra tu ri 20 °C je razm erje p o treb ­ ne moči k a r 3 :1. P ri enakih zu n a n jih okoliščinah je torej površina sprejem n ik a sončne energ ije tem u ustrezno m anjša.

Poleg največje potreb n e moči nas zanim a tu d i dnevna poraba toplote in fa k to rji, k i vplivajo n a ­ njo. P ri povprečnem zim skem dnevu s srednjo tem p eratu ro 0 °C potrebujem o p ri toplotno m alo zaščiteni stav b i 5,04 kW h/m 2, v drugem pa 1,68 kW h/m 2. Te vred n o sti p a se močno sprem ene, če vzamemo, da im ata objekta 1/7 tlorisne površine zastekljene z vgrajenim i zunanjim i roletam i, ki povečujejo toplotno izolacijo oken za 30 do 35 odstotkov. Če računam o, da so rolete spuščene od 19. do 7. u re zju tra j, tj. 12 ur, se p ri sred n ji zun an ji te m p e ra tu ri —5 °C v tem času zm anjšajo

izgube za 9 odstotkov. Iz teg a vidim o, da u p o ra b a ro let p o staja ob ta k ih p rih ra n k ih še kako pom em b­ na. K e r im a večina objektov okenske p o vršine več­ je od 1/7 poda, je p rih ra n e k še toliko večji.

3.2. Toplotna akumulacija

Toplotna ak u m u lac ija obodnih zidov je zelo po­ m em bna zato, k e r izra v n av a n ih a n je te m p e ra tu re n a n o tra n ji p ovršini sten e in s tem tu d i v p liv a na zm anjšano oddajo toplote. Ni n a ta n č n ih podatkov o p reh o d n ih po jav ih v stav b ah , povezanih s to p lo t­ no akum ulacijo sten, v e n d a r je ta zak asn itev p ri m asivnih sten ah n ad 20 cm debeline re d a velikosti nekaj u r. P ri sončnem o g rev an ju je n am reč po­ m em bno, da p rem aknem o konico ju tra n je o brem e­ nitve, ko so te m p e ra tu re n ajn ižje n a poznejši čas, ko sonce običajno že sije in lahko u p o rab ljam o n je ­ govo toploto za ogrevanje.

Iz tega lahko sklepam o, da bom o dobili racio ­ nalno n ap rav o za ogrev an je s sončno energijo, če bo o b jek t toplotno dobro izoliran, če se bodo p ri o b ra to v a n ju upoštevale vse m ožnosti za zm an jša n je to p lo tn ih izgub (npr. spu ščan je rolet, v en tilacija) in če bodo obodni zidovi im eli u strezno akum ulacijo enakovredno vsaj 38 cm debelem u opečnem u zidu.

4. INSTALA CIJA OGREVALNEGA SISTEM A P ri izb iri ogrevalnega sistem a im am o zelo v e­ liko možnosti, da vplivam o n a ekonom ičnost n a ­ p ra v e za izkoriščanje sončne energije. G lavni ra z ­ log za to je izkoristek sp re je m n ik a energije, k i se p ri m a jh n i jak o sti sončnega sevanja, k a k ršn o im a­ mo pozimi, močno zm an jšu je z zvišanjem te m p e ra ­ tu rn e razlik e m ed zunanjo te m p e ra tu ro in srednjo tem p eratu ro vode v sp re je m n ik u sončne energ ije (slika 3). Čim n ižja je to rej te m p e ra tu ra vode v ogrevalnem sistem u, tem večji bo izkoristek sprejem nika.

Če poznam o nagib sp re je m n ik a te r časovni po­ te k zu n a n je tem p eratu re, lahko p ri znanem p o tek u sončnega sev a n ja zelo h itro ugotovim o povprečni dnevni izko ristek sprejem n ik a. L e-ta je seveda bistveno m an jši od p odatkov v lite ra tu ri, k je r niso u poštevani zgornji vplivi. Če izračunam o srednjo v re d n o st izk o ristk a izbranega sp re je m n ik a v ce­ lotni ogrevalni sezoni, tj. v te m p e ra tu rn e m obm oč­ ju od —20 do + 1 2 °C, dobim o n asled n ji re zu ltat, p rik az an v tab eli 1.

Tabela 1. P ovprečni izk o ristk i sprejem nika v sezoni ogrevanja

Jak o st P ovprečni izkoristek pri R azm erje P ovečanje

sevanja ^m , m a x — 80 ^m , m a x — 45 °C _{V2 - Vi p ri t m = 45 °C}

W /m2 _{Vj % °/o}

700 0,240 0,440 1,833 83,3

500 0,143 0,280 1,958 95,8

t

At*

E

Sl. 3. N om ogram za določanje izko ristka rj sprejem nika sončne ener­ gije v odvisnosti od ja ko sti sončnega sevanja E in zunanje tem pera­ tu re t e p ri izbrani srednji tem p era tu ri vode t m v sp rejem n iku

Vidimo, da p o staja sistem z nižjo tem p eratu ro že p ri jak o sti sončnega sev a n ja pod 500 W /m2 še e n k ra t bolj učinkovit. N e glede n a to p a m oram o na žalost ugotoviti, da so p ri običajnih ploščatih sp re je m n ik ih povprečni izkoristki zelo slabi. T u bo potrebno še dosti naporov, da bomo p rem agali te r ­ m odinam ične in ekonom ske prepreke.

Na nom ogram u (sl. 3), ki združuje krivuljo sre d n je te m p e ra tu re grelne vode t m v odvisnosti od zu n an je te m p e ra tu re t e in izkoristek sp rejem nika sončne en erg ije v odvisnosti od jak o sti sončnega sevanja, je mogoče n a zelo p re p ro st n ačin ugotoviti v pliv te m p e ra tu re greln e vode n a izkoristek sp re­ jem nikov sončne energije. S polno črto je v risan potek sre d n je te m p e ra tu re grelne vode (ki naj bi jo dosegli v sp re je m n ik u sončne energije) za ogre­ v aln i sistem 90/70 °C, s črtk an o pa za ogrevalni sistem 50/40 °C. N pr. p ri zu n an ji te m p e ra tu ri t e = + 5 °C in jak o sti sončnega sev an ja 500 W /m 2 je izkoristek sp re je m n ik a sončne energije za sistem

90/70 °C 0,22, za sistem 50/40 °C pa 0,44. T em pera­ tu ra grelne vode pa se odčita n a desni stran i in je v tem p rim e ru 49 (90/70 °C) ozirom a 32 °C (50/40 °C).

Iz nom ogram a je mogoče odčitati tu d i zunanjo tem p eratu ro in jakost sončnega sevanja, p ri k a te ­ rih za določeni te m p e ra tu rn i nivo ogrevalnega si­ stem a pren eh ajo sprejem niki oskrbovati s toplotno energijo. Sečišča navpičnice p ri r] = 0 s prem icam i za jak o st sončnega sevanja postanejo izhodišča za določanje zu n an je tem p eratu re, p ri k a te ri ne mo­ rem o več ogrevati. N pr. p ri jakosti sončnega seva­ n ja 300 W /m 2 je p ri sistem u 90/70 °C konec ogre­ v a n ja p ri + 8,2 °C, p ri sistem u 50/40 °C pa p ri —0,8 °C. Podobno so zbrane tu d i vrednosti za d ru ­ ge jakosti sončnega sevanja in prikazane v tabeli 2, ki veljajo za sprejem nik z enačbo izkoristka

A t

r> = 0,85 — 7,05 — .

E

T abela 2. Z u nanja tem peratura, p ri kateri ni več mogoče ogrevati stavbe s sp rejem n ik i sončne energije

Jak o st sev an ja

W /m 2 100 200 300 400 500 600 700 800 900

te (°C) za 90/70 °C 50/40 °C

sistem : 16,2 12,5 13,5 7,5

8,2 —0,8

3,5 —8

—2,3 —7,5

— 16 < —20

— 12 < —20

—17,5 < —20

Tu se pokažejo vse prednosti n izk o tem p eratu r- nega ogrevanja, saj lahko z njim p raktično ogre­ vam o stavbo vso zimo, če je jakost sončnega seva­ n ja n ad 500 W /m2. K er pa je pogosto jak o st sončnega sevanja zaradi megle, oblačnosti in one­ snaženosti ozračja dosti m anjša, pridejo p rednosti nizko tem p eratu rn ih sistem ov še bolj do izraza.

O grevalni sistem i z nizko tem p eratu ro vode v dovodu terja jo seveda večje površine ogreval. G lede n a vrsto ogreval se ta površina sprem in ja različno in je predvsem odvisna od eksponenta m, značilnega za posamezno konstrukcijo ogreval. Z nana je odvisnost toplotne oddaje ogreval in sre d ­ n je tem p eratu rn e razlike

<2 = Q.0 ' A t\m

M o/ k je r pom enita:

q — oddajo toplote p ri sred n ji te m p e ra tu rn i ra z­ liki At,

q0 — oddajo toplote p ri sre d n ji te m p e ra tu rn i ra z­ liki At0.

Indeks 0 se nanaša n a preizkusne okoliščine po JU S U.J5.110.

N a sliki 4 je prikazano povečanje ogrevalnih površin v odvisnosti od At in m.

f

3 .5

3 .0 2.5

2.0

1 . 5

1,0

0 ,5

O ,4 0 , 5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 1 ,2 1,4

Af/Afo

Sl. 4. Povečanje ogrevalnih površin zaradi spre­

m em be At in m

f — faktor povečanja ogrevalne površine

At/Ato — razmerje temperaturnih razlik

S slike je razvidno, da je povečanje n ajm an jše p ri m = 1. Z aradi tega so za uporabo v nizkotem ­ p e ra tu rn ih sistem ih predvsem p rim ern a ogrevala z m ajhnim m. V tabeli 3 so podani eksponenti m za najbolj značilna ogrevala z višino 600 m.

P ri tem lahko m zelo n a ra ste p ri velikih tem ­ p e ra tu rn ih razlik ah delovnega m edija in spodnjem priključku.

T abela 3. E ksponent m za razna ogrevala

V rsta ogreval m

členkasta ogrevala 1,33

re b rič a sta ogrevala (Al ra d ia to rji)

1,33 . . . 1,36

k o n v ek to rji 1,25 . . . 1,45

ploščata ogrevala 1,25

talno ogrevanje 1 ,1 .. . 1,15

V našem p rim e ru bi se p ri u p o ra b i člen k astih ogreval p o v ršin a povečala p ri p re h o d u od t m, max = = 80 °C n a t m, m a x = 45 °C za 2,7-krat. Ce p a p ri

tem h k ra ti uporabim o optim alno toplotno izolacijo, p ri k a te ri se zm anjša p o ra b a toplote za trik ra t, je zm an jšan je površine ogreval za rad i p reh o d a na nižji te m p e ra tu rn i nivo o grevalnega sistem a le 10 odstotkov. P ri tem je tre b a opozoriti tu d i n a p re d ­ nosti, ki jih p ri tem p o n u ja taln o ogrevanje, k i je p rak tičn o p rim ern o le za n izk o te m p e ra tu rn e režim e in omogoča celo nižjo srednjo te m p e ra tu ro v p ro ­ sto ru («* 18 °C), k a r zm an jšu je to p lo tn e o brem e­ n itv e in s tem po treb n o površino sp re je m n ik a za okoli 8 odstotkov.

P otrebno površino sp re je m n ik a sončne e n e rg i­ je, ki bi lahko oskrboval določen o b jek t s sončno toploto, lahko izrazim o z razm erjem te p o v ršin e in tlo risn e p ovršine stavbe. K e r v elja

Qo = Qs z (2)

Q0 = qA • A 0 (3)

Qs = As e . (4)

dobi brezdim enzijsko ra zm erje p o vršine sp re je m ­ n ik a in tlo risn e p o vršine stav b e obliko

z A s _ q A

A 0 E .rjt (5)

V enačbah od 2 do 5 pom enijo:

Q0 (W) — celotno toplotno izgubo stav b e

A 0 (m2) — čisto tlorisno površino stavbe

qA = QoMo (W /m2) — specifično toplotno izgu­ bo stavbe

E (W /m2) — jak o st sončnega sev an ja As (m2) — površino sp re je m n ik a

(bruto)

Qs (W) — v sp re je m n ik u sp rejeto toploto

Sl. 5. P otrebna površina sprejem n iko v sončne ener­ gije za ogrevanje stavb

P ri p ritlič n ih objek tih s streho pod kotom 60° in sprejem nikom n a eni stra n i je ta količnik kveč­ jem u 0,87 (tj. 8 7 l0/o tlo risn e površine je lahko po­ v ršin a sprejem nika). Ce vrišem o v d iagram v re d ­ nosti za z A s/ A 0 v odvisnosti od te m p e ra tu re (slika 5), vidimo, da lahko p ri om ejitvi površin sp rejem ­ nikov n a 0,87 tlorisne površine zagotovim o ogreva­ nje do vrednosti, ki jih podaja tab ela 4.

T abela 4. Z u nanja tem peratura, iznad katere je mogoče ogrevati stavbe s sp rejem n iki sončne energije glede na razpoložljiv pro­ stor (pri vrednosti z A j A 0 = 0,87)

Jak o st sev an ja (W /m2) 300 500 700

Ü©

O

co

II

a

so

© _{+ 10 + 6} + 2,8

t m = 45 °C —2 — 10,6 pod —20

Iz tab ele 4 je razvidno, da so zu n an je te m p e ra ­ tu re v tem p rim e ru dosti višje, k a k o r jih p rik az u je tab ela 2, zato m oram o p ri p ro je k tira n ju instalacij upoštev ati tu d i razpoložljivi prostor.

Ob vsem tem pa je tre b a poudariti, da v večini naših k rajev , zarad i m ajh n eg a števila u r sončnega sev an ja pozim i ni mogoče ogrevati stavb, ne da bi im eli v o b jek tu ak u m u lato rje toplote.

V L ju b lja n i im am o npr. vsega skupaj 582 u r sončnega sev an ja v celotni ogrevalni sezoni 210 dni. P reraču n a n o n a polno moč ogrev an ja bi p o tre­ bovali n ajm an j 2016 sončnih u r sev an ja z močjo okoli 680 W /m 2. Torej m orajo b iti površine sp re­ jem n ik a za okrog 3,5-krat večje, d a v času, ko sije

sonce, akum uliram o dovolj toplote. Če se zadovolji­ mo s k ra jšim časom ogrevanja, npr. 12 u r nam esto 24 ur, se velikost sp rejem nika zm anjša na 1,75- k ra tn o vrednost. S slike 5 je lepo razvidno, d a bi ogrevalni sistem s tem p eratu rn im nivojem 50/40 zadoščal p ri 87 '% površini sp rejem nika in povpreč­ ni jak o sti sončnega sevanja blizu 700 W /m2 (črtka­ n a lin ija — 0,87 :1,75 = 0,5). V k rajih, k je r je sonč­ nega sevanja več, so seveda razm ere drugačne in p o treb n a ak u m u lacija m anjša. Še ugodnejše so razm ere p ri toplozračnem ogrevanju, k je r so tem ­ p e ra tu re delovnega m edija še nižje.

5. SKLEP

Iz povedanega lahko sklepam o, da je izkorišča­ n je sončnega sevanja za ogrevanje stavb mogoče, v en d a r ga je tre b a upoštevati p ri celotnem p ro jek ­ tira n ju . P ri tem m orajo b iti nedvom no izpolnjene n aslednje zahteve:

— zelo dobra izolacija sten, podov in stropov, — zu n an je rolete ali drugi u k re p i za zm anjša­ n je izgub skozi okna ponoči,

— dobra ak um ulacija obodnih zidov, da se zm anjšajo konice obrem enitev,

— čim n ižji te m p e ra tu rn i nivo ogrevalnega si­ stem a,

— ak u m u lato rji toplote za p rem ostitev p ri­ m a n jk lja ja sončne energije predvsem v decem bru in ja n u a rju .

V sekakor pa m orajo b iti dostopni še m eteorolo­ ški podatki o tra ja n ju in jakosti sončnega sevanja.

L IT E R A T U R A

[1] P . N ovak: O brnim o se k soncu, N aše okolje 4/78. [2] P . N ovak: P ogodnost zg ra d a i sistem a za g rija ­ n je kod k o riš te n ja sunčeve energije, II. sim p, o- k o ­ rišč e n ju sunčeve en ergije, R ije k a 1978.

[3] A n d erlič: S em inar, O g rev an je s soncem , F a k u l­ te ta za stro jn iš tv o 1978.

[4] P. N ovak: P ita n ja d aljeg ra z v o ja sistem a za g re ja n je , In te rk lim a 77, Z agreb 1977.