Használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszer méretezése Kiindulási adatok:
A méretezendő létesítmény jellege: Melegvíz felhasználók száma: Személyenkénti melegvíz fogyasztás: A figyelembe vett melegvíz hőmérséklet: A napkollektorok elhelyezésére alkalmas felület dőlésszöge: tájolása:
Családi ház n =6 fő V1= 50 liter/fő.nap tm=50°C 30° Dél-kelet
Az átlagos napi melegvíz-szükséglet: V = n ⋅ V1
liter / nap
V = 6 50 = 300 liter / nap ⋅
A melegvíz előállításához szükséges hőmennyiség:
QHMV
= 1,1 ⋅
c m T ⋅
⋅∆
= 1,1⋅
c ρ V (t m th ) [kJ ] ⋅
⋅
⋅
−
ahol: c = 4,18 kJ/kg.K m [kg]: a napi melegvíz fogyasztás tömege ρ= 1000 kg/m3 a víz fajsúlya, th=10°C a hálózati hidegvíz hőmérséklete, tm=50°C a felhasználásnál figyelembevett melegvíz hőmérséklete.
A képletben az 1,1-es szorzó a tárolási és felhasználási veszteségeket veszi figyelembe. = 1,1 4,18 1000 300 (50 – 10) = 55,176 106 kJ 55,176 10 6 kJ = (1/3600) 55,176 106 Wh = 15.326 Wh ≈ 15,3 kWh QHMV
QHMV =
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
A napkollektorokkal melegvíz készítés esetén hasznosítható hőmennyiség az alábbi diagramon látható.
A nyári félévben, derült idő esetén a hasznosítható hőmennyiség: Qknyár≈2,8 kWh/m2.nap A téli félévben hasznosítható hőmennyiség:
Qktél≈1,1 kWh/m2.nap
A napkollektoros rendszert családi házak esetén úgy célszerű méretezni, hogy átlagos, derült nyári napon a szükséges melegvíz mennyiséget 100%-ban előállítsa. Így a szükséges napkollektor-felület:
Akoll = QHMV / (k . Qknyár) [m2]
Ahol k a kollektorok tájolástól és dőlésszögétől függő korrekciós tényező.
k értéke a diagram alapján: 0,94 A szükséges napkollektor-felület:
Akoll = 15,3 kWh / (0,94 2,8 kWh/m2) = 5,81 m2 ⋅
Ha a választott napkollektor abszorber felülete 1,76 m2, akkor a szükséges napkollektor darabszám: nkoll = Akoll / 1,76 m2 = 5,81 m2 / 1,76 m2/db = 3,3 db Tehát a választott napkollektor típusból legalább 3 db, esetleg 4 db szükséges.
A melegvíz tároló térfogatának meghatározása: A választott tároló térfogata legalább legyen megegyező, vagy nagyobb, mint a napi vízfogyasztás 45°C-os vízből. Az eredetileg 50°C-ra megadott vízfogyasztás átszámolása 45°C-ra: V45 =
t V t h ) 50
(50 − h ) (45 −
⋅
=
50 − 10 45 − 10
⋅ 300 =
342
liter
A kereskedelmi forgalomban 300, 400 és 500 literes tárolók kaphatók. Javasolt 400, esetleg 500 literes tároló alkalmazása.
Méretezés „Naplopó” számítógépes programmal: Eredmények: Rendszernagyság 3 db napkollektor, 300 literes tároló 3 db napkollektor, 400 literes tároló 4 db napkollektor, 400 literes tároló 4 db napkollektor, 500 literes tároló 5 db napkollektor, 500 literes tároló
A választott rendszer:
Szoláris részarány 50,4% 53,4% 59,5% 60,7% 64,8%
Hasznosított hőmennyiség 526 kWh/m 559 kWh/m 469 kWh/m 491 kWh/m 424 kWh/m 2 2 2 2 2
4 db napkollektor (abszorberfelület 4 x 1,76 = 7,04 m2) 500 literes, két hőcserélős melegvíztároló
Hidraulikus méretezés Kapcsolási vázlat:
Napkollektor köri térfogatáram meghatározása:
Javasolt térfogatáram normál keringtetés (hight flow) esetén: ~35 l/h.m2 V&koll = 7,04m 2 ⋅ 35l / h ⋅ m 2 = 246 l / h
Napkollektor kör nyomásvesztesége:
Napkollektorok nyomásvesztesége: Térfogatáram 1 db kollektorban: 1,76m2 35 l/h = 61,6 l/h Napkollektorok nyomásvesztesége gyári katalógus alapján: 5 kPa Mivel a napkollektorok kapcsolása párhuzamos, ezért a teljes kollektormező nyomásvesztesége 5 kPa ⋅
Kollektorok nyomásvesztesége
Egyenes csővezeték nyomásvesztesége Csővezeték hossza: ~ 30 m 15 x 1 mm-es vörösréz csővezeték nyomásvesztesége: ~417 Pa/m 18 x 1 mm-es vörösréz csővezeték nyomásvesztesége: ~120 Pa/m
30m esetén: 417 x 30 = 12.510 Pa 30m esetén: 157 x 30 = 4.710 Pa
Egyenes vörösréz csővezeték nyomásvesztesége Kiválasztva: 18 x 1 mm-es vörösréz cső belső átmérő: d = 16 mm = 0,016 m Keresztmetszet: A = d2 π/4 = 0,016 ⋅ π /4 = 2 ⋅ 10 m Térfogatáram: V =246 l/h = 0,246 m /h = 6,83⋅10 m /s Áramlási sebesség: v = V/A = (6,83⋅10 m /s) / (2 ⋅ 10 m ) = 0,34 m/s -4
⋅
3
-5
3
2
-5
3
-4
2
=
58,3
Csővezetéki szerelvények, idomok nyomásvesztesége: ∆p =
ρ ⋅v2 2
Megnevezés
=
1000
∑
ρ ⋅v2 2
ζ
kg / m 3 ⋅ (0,34 m / s ) 2 2
N m2
Darabszám (n) Alaki ellenállás tényező (ζ) n ⋅ζ Nyomásveszteség [Pa]
90°-os ív
28 db
0,7
19,6
1.045
Visszacsapó szelep
1 db
6
6
320
Golyóscsap
3 db
0,5
1,5
80
Szabályozó szelep
1 db
2,5
2,5
133
T-elágazás
5 db
0,3
1,5
80
Érzékelő merülőhüvely
2 db
0,6
1,2
64
32,3
1.722
Összesen:
Teljes napkollektor kör nyomásvesztesége:
Napkollektorok: Egyenes csővezeték Szerelvények, idomok Térfogatáram impulzusadó (katalógusból) Tároló belső hőcserélő Összesen: :
Szivattyú kiválasztás
Grundfos UPS 25-40
5.000 Pa 4.710 Pa 1.722 Pa 4.200 Pa 900 Pa 16.532 Pa = 1,65 m
A napkollektor kör térfogata: Kollektorok Csővezeték 18 x 1 mm Tároló alsó hőcserélő Szoláris egység Tágulási tartály (előzetes) Összesen:
4 db 30 m 1 db 1 db 1 db
1,57 liter/db 0,2 liter/m 10,8 liter 0,8 liter 2,5 liter
6,28 liter 15,00 liter 10,80 liter 0,8 liter 2,5 liter 35,38 liter
Fagyálló folyadék szükséglet, 40%-os töménység esetén: 0,4 x 35,38 liter = 14,15 ≈
15 liter
Tágulási tartály térfogatának kiszámítása: A kollektor kör térfogata: Az alkalmazott közeg: Átlagos maximális hőmérséklet: Közeg relatív terfogatváltozása: Kollektor kör maximális nyomása: Feltöltési nyomás hideg állapotban: Tágulási tartály levegő oldali előnyomása:
Vrendszer = 35, 38 liter 40% propilénglikol – 60% víz 150°C ∆Vrel =0,12 pmax = 5,5 bar (6,5 abszolút), 6 bar-os biztonsági szelep esetén phideg = 4,0 bar (5,0 abszolút) pelő = 0,9 · phideg = 0,9 · 4,0 = 3,6 bar (4,6 abszolút)
Propilénglikol fagyálló folyadék relatív térfogatváltozása A tágulási térfogat: ∆V =∆Vrel ·Vrendszer = 0,12 · 35,38 = 4,24 liter A tágulási tartály térfogata: ∆V = V = tart
p max − p hi deg 0,9 p max
4,24
0,9
6,5
−5
= 20,41 liter
6,5
A választott tágulási tartály térfogata: 25 liter Tágulási tartály térfogata, az üresjárat esetén esetlegesen előforduló kollektor köri elgőzölgést is figyelembe véve: + V = 0,12 · 35,38 + 6,28 = 10,53 liter A tágulási térfogat: ∆V =∆V ·V rel
rendszer
Vtart =
koll
∆V 10,53 = = 50,7 liter pmax − phi deg 6,5 − 5,0 0 , 9 0,9 6,5 p max
A választott tágulási tartály térfogata: 50 liter Csővezeték hőszigetelése:
Aeroflex SSH: Ø18 x 19mm, (λ=0,04 W/m.K)
Külső hőcserélő méretezése: Q& = c ⋅ m& ⋅ ∆T
Alapképlet: Ahol: Q& :
hőteljesítmény [kJ/s], [kW] c: fajhő [kJ/kg.K], (a propilénglikol-víz keverék fajhője ~3,8 kJ/kg.K, víz fajhője: 4,18 kJ/kg.K) m& : tömegáram [kg/s] ∆T : hőmérséklet különbség, [K]
1 kJ/s = 1 kW 1 m3/h = 1000 l/h ≈ 1/3600 kg/s (1000 kg/m3 fajsúly esetén) Napkollektorok hőteljesítménye:
Q& koll η koll Q& nap =
⋅
Jellemző napsugárzási érték: Jellemző napkollektor hatásfok:
Példa: Napkollektor hatásfok:
800-1000 W/m2 50 – 70 %
Napsugárzás: Külső levegő hőmérséklet: Kollektor hőmérséklet: Kollektor hatásfok paramétere: Kollektor hatásfok: Kollektor teljesítmény:
ηkoll = 0,8 – 4,0 ⋅ X – 0,01 ⋅ Qnap ⋅ X2 Qnap = 900 W/m2 20°C 60°C / 44°C ⇒ 52°C X = (Tkoll – Tlevegő ) / Qnap = (52-20)/900 = 0,036 η = 0,8 – 4,0 ⋅ 0,036 – 0,01 ⋅ 900 ⋅ 0,0362 = 0,64 Qkoll = ηkoll ⋅ Qnap = 0,64 ⋅ 900 = 576 W/m2
Hőcserélő méretezésnél jellemző kollektor teljesítmény: ~ 550 W/m2
A hőcserélő számítógépes méretezésének menete: 1. Hőcserélő típust kiválasztani (lehetőleg hosszúkás, karcsú és ne rövid, tömzsi legyen) 2. Megállapítani a napkollektor felületet (A ) 3. 550 W/m -el kiszámítani a napkollektor teljesítményt (Q = 550 A ) 4. Megadni a hőhordozó közegeket (propilénglikol, ill. víz) 5. Megállapítani a térfogatáramokat a kollektor és a tároló körben (a két kör térfogatárama közel azonos) high flow esetén: ~30-35 l/h.m , low flow esetén: ~15 l/h.m 6. Megállapítani a hőcserélő belépő hőmérsékleteket, úgy hogy a hőcserélőn a ∆T=~5°C legyen a. pl. a tároló alsó hőmérséklete = hőcserélő belépő hőmérséklet a szekunder körben: T = 40°C b. felmelegedés a szekunder körben: ∆T = Q / (c ⋅ m ) = 0,55 /(4,18 ⋅ 0,01) = 13.2°C c. átlagos hőmérséklet a szekunder körben: T = T + ∆T /2 = 40 + 13,2 / 2 = 46,6°C d. átlagos hőmérséklet a kollektor körben: T = T + 5°C = 46,6 + 5 = 51,6°C e. felmelegedés a kollektor körben: ∆T = Q / (c ⋅ m ) = 0,55 /(3,8 ⋅ 0,01) = 14.5°C f. hőcserélő belépő hőmérséklet a kollektor körben: T = T + (∆T /2) =51,6 + (14,5 /2) = 58,8°C 7. Megadni a maximális nyomásesést mindkét oldalon (10-20 kPa) koll
2
⋅
koll
2
koll
2
s, be
s
koll
s, átlag
k, átlag
k
koll
viz
viz
s, be
s
s, átlag
glikol
k, be
glikol
k, átlag
k
