VLIV OKRAJOVÝCH PODMÍNEK NA VÝSLEDEK ZKOUŠKY TEPELNÉHO VÝKONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU

Transkript

1 Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad VLIV OKRAJOVÝCH PODMÍNEK NA VÝSLEDEK ZKOUŠKY TEPELNÉHO VÝKONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU Bořivoj Šourek, Nikola Pokorný Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT v Praze, Třinecká 1024, Buštěhrad ANOTACE Příspěvek pojednává o vlivu okrajových podmínek při testování teplovodních kolektorů slunečního záření na výsledek zkoušky. Cílem bylo zjistit, jak se liší výsledek zkoušky tepelného výkonu při různých okrajových podmínkách i když jsou ve všech případech dodrženy požadavky příslušné normy ČSN EN ISO Solární energie - Solární tepelné kolektory - Zkušební metody. SUMMARY The paper is focused on influence of boundary conditions on solar collector performance test results. Target of the presented analysis was to determine, how much the test result for thermal performance of the solar collector is changed if different boundary conditions are applied within the range of standard EN ISO 9806 requirements. ÚVOD V rámci měření etalonového solárního tepelného kolektoru, který slouží pro mezikalibrační ověření opakovatelnosti měření, bylo provedeno několik testů, které měly prověřit vliv různých okrajových podmínek na výsledek zkoušky tepelného výkonu při použití solárního simulátoru jako zdroje slunečního záření (zkouška ve vnitřním prostředí). Norma ČSN EN ISO 9806 předepisuje pro zkoušku tepelného výkonu v odstavci okrajové podmínky, a to: sklon kolektoru při zkoušce musí být v protokolu uveden; hemisférické ozáření na rovinu kolektoru větší než 700 W/m 2 ; průměrná hodnota rychlosti větru v rovině paralelní s rovinou kolektoru 3 m/s ± 1 m/s; průtok by měl odpovídat 0,02 kg/s.m 2 hrubé obrysové plochy kolektoru pokud není specifikováno jinak. Z těchto podmínek vyplývá jistá volnost při stanovení konkrétních okrajových podmínek při zkoušce. Následující analýza se snaží odpovědět, jaký může tato skutečnost mít vliv na výsledek zkoušky. Za standardní nastavení bude v následujícím textu považováno nastavení, které bylo použito pro několik prvních měření na etalonovém kolektoru v solární laboratoři UCEEB ČVUT a v grafech je uváděno jako Etalon 45 - standard. Nastavení solárního simulátoru a okrajových podmínek bylo následující: sklon kolektoru 45 ; hemisférické ozáření na rovinu kolektoru 1162 W/m 2 ; vzdálenost mezi rovinou lamp a rovinou kolektoru je 1700 mm; 289

2 průměrná hodnota rychlosti větru v rovině paralelní s rovinou kolektoru 3,0 m/s; průtok teplonosné látky ca 180 kg/h; průměrná teplota okolí v době zkoušky ca 17,5 C. Při všech testech byla dodržena podmínka homogenity ozáření v rozmezí max. ±15 % od průměrné hodnoty ozáření. Veškeré křivky výkonu v následujících grafech jsou přepočteny na ozáření 1000 W/m 2, tak jak mají být uvedena v protokolu o zkoušce tepelného výkonu podle normy [1]. VLIV SKLONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU 7 různých sklonů kolektoru (0 až 90 po 15 ). Nastavení solárního simulátoru bylo standardní a měnil se pouze sklon kolektoru. Z průběhu křivek na obr. 1 je patrné, že se zvyšujícím se sklonem kolektoru se snižují tepelné ztráty kolektoru. Je to dáno snižujícím se přestupem tepla konvekcí ve vzduchové mezeře mezi absorbérem a zasklením, který výrazně ovlivňuje tepelnou ztrátu celého kolektoru. Ve vodorovné poloze je přestup tepla konvekcí nejvyšší, proto má solární kolektor vyšší tepelné ztráty, svislá poloha naopak tepelné ztráty minimalizuje. Pro sklon kolektoru od 0 do 30 lze křivky účinnosti považovat za identické. Sklon solárního kolektoru má u většiny typů malý vliv, existují však kolektory, kde již může být vliv větší, jako jsou například trubkové solární kolektory s tepelnými trubicemi. Zde se může projevit vliv sklonu na cirkulaci vypařující se tekutiny negativně. Naopak pro nezasklené solární kolektory bude vliv sklonu zcela zanedbatelný. Obr. 1 Porovnání křivek výkonu v závislosti na sklonu solárního kolektoru 290

3 VLIV SLUNEČNÍHO OZÁŘENÍ 3 různé hodnoty průměrného hemisférického ozáření na rovinu kolektoru. Pro standardní nastavení simulátoru slunečního záření v rámci zkoušek v solární laboratoři UCEEB ČVUT je průměrná hodnota slunečního ozáření v rovině kolektoru ca 1162 W/m 2. Změnou pozice lamp bylo docíleno snížení průměrného ozáření na 960 W/m 2. Oddálením obou rovin na 1900 mm a snížením výkonu lamp o ca 7% bylo dosaženo ozáření 867 W/m 2. Z grafu je patrné, že výsledky testu se příliš neliší a pro různé úrovně slunečního ozáření jsou odchylky udrženy v rámci nejistoty zkoušky. Obr. 2 Porovnání křivek výkonu v závislosti na slunečním ozáření roviny kolektoru po přepočtení na ozáření 1000 W/m 2 VLIV RYCHLOSTI VĚTRU 3 různé hodnoty rychlosti větru v rovině paralelní s rovinou kolektoru. Nastavení solárního simulátoru bylo standardní a změněno pouze nastavení otáček ventilátoru umělého větru. Pro standardní nastavení solárního simulátoru je průměrná hodnota rychlosti větru 3,01 m/s (při 60% výkonu ventilátoru). Nižší resp. vyšší průměrná rychlost byla docílena snížením resp. zvýšením výkonu ventilátoru. Pro dosažení průměrné rychlosti 2,1 m/s byl výkon snížen na 43 %, pro dosažení průměrné rychlosti 3,9 m/s byl výkon zvýšen na 86 %. Při nižší rychlosti větru jsou křivky prakticky totožné, při vyšší rychlosti větru dochází při vyšším rozdílu teplot mezi kolektorem a okolím k poklesu výkonu. To může být dáno zvýšením součinitele přestupu tepla na zasklení kolektoru. Nicméně výsledek měření neodpovídá teoretickému předpokladu, na kterém stojí požadavek normy testovat kolektor v oblasti daných rychlostí. Pro rychlosti okolního vzduchu nad 3 m/s by neměl být výkon už 291

4 výrazně ovlivněn, neboť tepelný odpor vůči přestupu tepla nucenou konvekcí je již oproti sálání a především oproti tepelnému odporu vzduchové mezery zanedbatelný. Na druhou stranu předpoklad neměnnosti křivky výkonu pro rychlosti nad 3 m/s vychází do jisté míry ze situace ve venkovním prostředí, kde úroveň sálání z povrchu kolektoru do okolí je jiná než v případě vnitřního prostředí. Tento vliv bude dále hlouběji zkoumán. Obr. 3 Porovnání křivek výkonu v závislosti na rychlosti větru nad kolektorem VLIV PRŮTOKU TEPLONOSNÉ KAPALINY 3 různé hodnoty průtoku teplonosné látky kolektorem. Nastavení solárního simulátoru bylo standardní a bylo vždy změněno pouze nastavení průtoku teplonosné látky. Pro standardní nastavení simulátoru je průměrný průtok cca 180 kg/h. Jako nižší průtok byl volen poloviční, cca 90 kg/h a jako vyšší průtok cca 270 kg/h. 292

5 Obr. 4 Porovnání křivek výkonu v závislosti na průtoku teplonosné látky Průtok, podobně jako úroveň slunečního ozáření, nemá výrazný a jednoznačný vliv na výsledek zkoušky a výsledky se liší v rámci nejistoty měření. VÝSLEDKY Jednotlivé křivky sice ukazují změnu průběhu výkonu kolektoru v závislosti na rozdílu teplot mezi kolektorem a okolím, ale to není vypovídající srovnání, neboť při běžném provozu, se provozní bod kolektoru pohybuje pouze po části zkouškou stanovené křivky výkonu. Byla proto provedena jednoduchá analýza s pomocí softwaru BilanceSS-2015v1 [2], vycházející z TNI [3]. Byla zvolena solární soustava pro přípravu teplé vody (TV) pro 4 osoby s využitím řízené cirkulace. Byly použity 2 ks solárního kolektoru (etalon) a měněny byly pouze koeficienty optické účinnosti 0, lineární součinitel teplené ztráty a1, a kvadratický součinitel teplené ztráty a2, které byly získány z příslušných variant měření. V tab. 1 jsou porovnány výsledky výpočtu pro etalonový kolektor s odlišnými výsledky zkoušky podle variant. Jsou to tedy výsledky výpočtu pro konkrétní typ kolektoru, avšak s výkonovou charakteristikou změřenou pokaždé mírně odlišným způsobem, avšak v souladu s ČSN EN ISO

6 Tab. 1 Porovnání jednotlivých variant zkoušek tepelného výkonu Zkouška Qss,u Rozdíl [kwh/rok] [%] Etalon 45 - standard Etalon nízký průtok 90 l/h % Etalon vysoký průtok 270 l/h % Etalon nízká rychlost větru 2.1 m/s % Etalon vysoká rychlost větru 3.9 m/s % Etalon sklon % Etalon sklon % Etalon sklon % Etalon sklon % Etalon ozáření 960 W/m % Etalon ozáření 867 W/m % Jak je vidět z tab. 1, jsou rozdíly mezi jednotlivými variantami do 5 %, kromě použití výsledků ze zkoušky, kdy je kolektor zkoušen se sklonem 90 (rozdíl 8 %), avšak pro výpočet konkrétní instalace je uvažován sklon 45. Odchylky do 5 % jsou poměrně nízké hodnoty s ohledem na situaci, že se okrajové podmínky pohybují na samém okraji povolených mezí. ZÁVĚR Experimentální analýza ukázala na relativně zanedbatelný vliv volby většiny okrajových podmínek na výsledek zkoušky výkonu solárního výkonu. Výjimkou je rychlost větru, kterou je nutné blíže analyzovat. Zkoušení solárních kolektorů pod úhlem 90, který výrazně ovlivňuje tepelnou ztrátu a tedy i výkon kolektoru, nelze doporučit, pokud není určen pouze pro použití ve fasádách budov. LITERATURA [1] ČSN EN ISO Solární energie - Solární tepelné kolektory - Zkušební metody, ÚNMZ [2] Matuška, T., Šourek, B.: Zjednodušená měsíční bilance solární tepelné soustavy BilanceSS-2015v1, nástroj dostupný na [3] TNI Energetické hodnocení solárních tepelných soustav Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/ Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 294